[发明专利]热障涂敷层系

说明书

本发明一般地涉及热障涂层，更为具体地涉及用于高温合金的陶瓷热障涂敷层系。

热障涂层(TBC，thermal barrier coating)广泛地用于降低下垫基底的工作温度。比如，TBC多年来一直用于燃气涡轮发动机，而更为具体地相对于这种发动机的涡轮装置。

一种典型的TBC采用高温合金基底，连同盖住基底而形成的粘接氧化铝薄层，以及施加在氧化铝层上面的陶瓷层。请见比如Strangman的美国专利第4321311号。取决于具体的高温合金，一种单独的粘结涂层，包括但不限于MCrAlY或铝化物粘结涂层，设置在基底上，而粘接氧化铝层接着形成在粘结涂层上。M选自包括镍、钴、铁及其组合。另外，一些高温合金可以被氧化而形成粘接氧化铝层，不需要任何单独的粘结涂层。一些示范性合金在Duhl等人的美国专利第4209348号和第4219080号两项中有所说明。这些高温合金的主要好处是，不需要用单独的粘结涂层覆盖基底。添加粘结涂层加大了零部件的重量而不加大强度，这一点一般在比如燃气涡轮发动机中是不受欢迎的，而在诸如叶片等的运动或转动零部件方面尤其不受欢迎。在以每分钟几千转的转速转动的零部件方面，附加的粘结涂层重量显著地加大了叶片拉力，比如对应于由于粘结涂层所造成的离心力并随转速的平方而增大。在高温下，粘结涂层引起的叶片拉力还造成叶片根部的蠕变，这就会影响叶片尖端与任何环绕结构之间的间隙并影响发动机效率与寿命。其此，较厚的粘结涂层会由于在零部件所接触的很大范围的温度下生成在涂层之中的热应力而经受显著的热疲劳。于是，能够形成粘接氧化铝层的高温合金益受到欢迎，用于诸如涡轮叶片和压缩机叶片等的转动零部件之中，以及其他运动零部件之中。

据知，许多陶瓷材料，一般地包括稳定型和强化型氧化锆，而通过范例来说包括Strangman的美国专利第4321211号中所述的具有7％重量的氧化钇的氧化锆(7YSZ)，都是对于氧气是相对可透过的。于是，下垫金属将会氧化(以大体上可控制和可预计的速率)并将以随温度增高而不断增大的速率氧化。还知道，陶瓷层最终将剥落或以其他方式失效，这本身又会影响零部件的使用寿命。在通常的工作条件下，陶瓷剥落之后的使用寿命受到余留粘结涂层或合金的氧化寿命的影响。作为一般规律，能够形成氧化铝层而不需使用单独的粘结涂层的高温合金趋向于比通常利用单独粘结涂层的高温合金的抗氧化能力要低，而我们相信，通常高温合金的较高抗氧化能力至少部分地由于较高的铝合量，比如在与通常高温合金一起使用的粘结涂层之中；以及由于在基底与其环境之间存在一中介层(粘结涂层)。

进一步据知，陶瓷的一些部位偶而会过早失效，比如由于局部剥落或是异物损伤，这些异物比如是燃烧期间形成的颗粒、发动机所摄入的空气中夹带的碎片，或者破裂的前级零部件所生成的碎片。下垫的、外露零部件各区域随后承受显著增高的温度，由相应地以较高的速率氧化而降低零部件的寿命。至于不包括单独的粘结涂层的零部件，基底材料直接暴露于较高温度和增多的氧气之下，并以更高得多的速率氧化。出现在基底材料未加防护各部分上的较高氧化速度本身又会加速周围陶瓷的失效和另外基底材料的暴露，而增高了的温度能够熔解或者另外损害基底材料。

本发明的一项目的是，提供一种TBC层系，最好是但不必需引用可形成粘接氧化铝层的高温合金，具有减小重量的好处，又同时仍然在陶瓷失效的情况下限制氧化。

本发明的另一项目的是，提供这样一种层系，其中某一相关零部件的使用寿命在陶瓷失效的情况下并不显著地缩短。

按照本发明，粘结涂层施加于高温合金基底的局部区域(此区域可以有或没有用于形成粘接氧化铝层的粘接涂层)。

在本发明的一项实施例中，披露一种用于高温合金基底的热障涂敷层系。

基底包括一类高温合金，能够形成粘接氧化铝层。请见Duhl等人的美国专利第4209348号和4719080号两项。作为范例，基底可以定为燃气涡轮发动机的涡轮叶片。粘结涂层施加于基底的至少一个区域处，以致基底的其余部分依然是未作覆盖的。此局部区域选定为TBC一般首先失效的(各)区域，比如叶片翼部的前沿和尾沿，或其他区域。最好是，氧化铝层形成在基底的其余部分上和粘接涂层上。即使上覆的陶瓷层失效了，下垫的粘结涂层仍在，并限制下垫的基底材料的氧化速率。

在本发明的另一项实施例中，披露了一种高温合金制品。

此制品包括高温合金基底，诸如燃气涡轮发动机的涡轮叶片。高温合金属于能够形成粘接氧化铝层的一类。此件的粘接涂层施加于基底的至少一个局部区域，以致一部分基底依然是外露的。在涡轮叶片的情况下，粘结涂层最好是施加于叶片的前沿和尾沿。