[发明专利]用于热障涂层(TBC)面涂层的高熵氧化物

说明书

用于热障涂层(TBC)面涂层的高熵氧化物(HEO)，包含至少五种不同的氧化物形成性金属阳离子，在直至和超过优选至少2300°F的面涂层工作温度的预料不到的宽温度范围内为单相或单晶结构，诸如四方或立方型。TBC面涂层表现出低导热率、良好的耐烧结性、优异的相稳定性和良好的热循环性能。至少五种不同的氧化物形成性金属阳离子包括：a)过渡金属：Sc、Y、Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Fe、Ru、Co、Ni、Cu或Zn中的至少一种，和/或镧系元素La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb或Lu中的至少一种。所述至少五种不同的氧化物形成性金属阳离子中的一种也可以包含碱土金属：Be、Mg、Ca、Sr或Ba中的至少一种。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年10月9日提交的美国临时专利申请号62/743,392的权益，其公开内容明确地通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及用于热障涂层(TBC)的面涂层材料，其在宽温度范围内具有优异的相稳定性和尺寸稳定性，以及具有良好的热循环性能和低导热率。面涂层材料可以是粉末、合金、面涂层或涂布层的形式，并且可以以热喷涂粉末形式与粘结涂层材料一起采用，以获得热障涂层(TBC)系统。本发明还涉及一种用于减少面涂层从粘结涂层和基材(诸如燃气涡轮发动机部件)脱层的方法。

背景技术

完整的热障涂层系统包括面涂层诸如热障涂层(TBC)，以及粘结涂层或粘结层。常见的粘结涂层由MCrAlY合金制成，其中M表示Ni、Co、Fe或其组合。为了提高粘结涂层的性能，经常在高级粘结涂层中添加Hf、Re和Pt以及各种其他稀土元素。常见的面涂层由被氧化钇、氧化镱、氧化铈、氧化钛、氧化镁、氧化钙、氧化镧或氧化镝中的一种或多种稳定的氧化锆(ZrO₂)制成，或者由锆酸钆(Gd₂Zr₂O₇)制成。

将TBC系统施用并粘合到基材诸如超级合金，并在炎热和恶劣环境中(诸如在燃气涡轮发动机环境中)保护基材。粘结涂层或粘结层在面涂层和基材之间，并且将面涂层与基材粘合。粘结涂层或粘结层由粘结涂层材料形成，该粘结涂层材料可以是粉末形式以施用于基材。由粘结涂层材料形成的粘结涂层或粘结层影响面涂层(诸如TBC)的热循环疲劳性和耐硫化性，其有效性可通过在存在和不存在硫的情况下TBC的炉循环寿命来评估。由于高温和恶劣环境(诸如硫的存在)，TBC可能会变劣。例如，在具有TBC的工业燃气涡轮中使用含高硫含量的油作为燃料是减少TBC寿命的一个重要因素。

完整的TBC系统的一个重要故障发生在粘结涂层/顶部界面。当TBC系统暴露于高温时，被称作热生长氧化物(TGO)的氧化物层在粘结涂层和面涂层之间成核并生长，从而阻止氧进一步向内扩散，以防止基材氧化。致密的α-氧化铝TGO层是期望的，因为其有效地阻止了氧向内扩散，并且自身也缓慢生长。但是，面涂层、粘结涂层和TGO的热膨胀系数存在显著差异。当TBC系统经历热循环(室温-工作温度-室温)时，在面涂层/TGO界面和TGO/粘结涂层界面处会累积由温度变化引起的显著内应力。随着TGO层的增厚，热内应力变得越来越高，最终面涂层(诸如TBC)由于热内应力引起的脱层而失效。为了提高性能和能源效率，现代喷气发动机和工业燃气涡轮正在寻求更高的工作温度，因此需要TBC系统的更高的耐热冲击性。

已经发现，当经历从室温至较高工作温度以及相反的温度变化时，晶体结构的变化或相变(例如，从四方晶体结构到立方或萤石型晶体结构或相，或相反)可能伴随着面涂层体积的显著变化，这可能导致面涂层从粘结涂层或基材上有害地脱层。