CN104583447B - 热屏蔽涂层系统以及制造和利用热屏蔽涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种涂层，其包括第一表面和第二表面。该涂层包括多个生长域。多个生长域中的至少一个生长域的定向相对于涂层的第一表面是非垂直的。多个生长域中的一个或多个生长域包括多个至少部分熔化和固化的颗粒。

Description

热屏蔽涂层系统以及制造和利用热屏蔽涂层的方法
背景技术
本发明涉及用于高温应用，例如燃气涡轮组件的热屏蔽涂层和热屏蔽涂层系统。
现代燃气涡轮的设计受到更高的涡轮效率要求的驱动。可通过在更高温度下操作涡轮提高涡轮效率是被广泛认可的。通常各种技术用于将粘合涂层和热屏蔽涂层应用于涡轮的翼型和内燃机构件上，例如过渡段和燃烧衬套，从而确保在这些较高温度下令人满意的寿命范围。
通常热屏蔽涂层配置为用于在不脱离构件的条件下承受底层构件中的应变。热屏蔽涂层通常由陶瓷材料制成，其具有比其底层金属构件相对较低的内在延展性；因此，通常将各种显微结构化特征并入到热屏蔽涂层中，以便为热屏蔽涂层提供改善的应变公差。例如，通过等离子体喷涂工艺沉积出来的热屏蔽涂层通常包含显著的孔隙率、垂直的细微裂纹或这两者，作为增强热屏蔽涂层承受应变的性能的方法。作为示例，通过蒸气工艺，例如物理气相沉积(PVD)沉积出来的热屏蔽涂层通常是在鼓励离散的紧密装填的柱状晶粒的成核和生长的条件下制成的，其提供了具有相对较高程度的应变公差的适应性显微结构。
虽然同等离子体喷涂工艺相比，PVD工艺在相对较小的构件上提供了具有合适的应变公差的涂层。然而，同等离子体喷涂工艺相比，PVD工艺需要昂贵的装备，包括真空室和支撑设备。另一方面，常规的热喷涂工艺倾向于产生具有比PVD工艺更低应变公差和基质附着力的涂层，并且通常需要辅助的表面制备工艺，例如喷砂处理和粗糙粘合涂层的沉积，以便提供对底层构件足够的附着力。
粘合涂层通常用于促进热屏蔽涂层对底层构件的附着力，并在构件高温曝光期间抑制底层构件的氧化。具有氧化铝涂层的粘合涂层通常在热屏蔽涂层系统中用于为基质提供抗氧化能力，并增强热屏蔽涂层的附着力。为了具有足够的附着力，等离子体喷涂的热屏蔽涂层通常沉积在具有粗糙表面的粘合涂层上，例如重叠的MCrAlY粘合涂层。相对较光滑的粘合涂层，例如通过气相铝化(VPA)形成的粘合涂层时常不被认为是适合于通过等离子体喷涂方法沉积热屏蔽涂层的候选项。
因此，需要热屏蔽涂层呈现高的应变公差、高的附着力并减少对表面制备工艺的需求，其可通过相对较廉价且可规模化的工艺，例如等离子体喷涂工艺来应用。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种涂层，其包括第一表面和第二表面。涂层包括多个生长域，其中多个生长域中的至少一个生长域的定向相对于第一表面涂层是非垂直的。多个生长域的一个或多个生长域包括多个至少部分熔化和固化的颗粒。
在另一实施例中，可提供一种热屏蔽涂层系统。该系统包括基质、粘合涂层和涂层，基质包括第一表面和第二表面，粘合涂层设置在基质第一表面的至少一部分上，并且涂层设置在粘合涂层的至少一部分上，其中涂层包括多个生长域，其中多个生长域中的至少一个生长域的定向相对于在粘合涂层和涂层之间的界面是非垂直的。多个生长域的一个或多个生长域包括多个至少部分熔化和固化的颗粒。
在又一实施例中，提供了一种用于对表面进行涂层的方法。该方法包括提供悬浮液，其包括悬浮在液体介质中进料材料，并以相对表面切线小于大约75度的喷涂角度对表面进行喷涂。
附图说明
当参照附图阅读以下详细说明时，将更好地理解本发明的这些以及其它特征、方面和优势，其中在所有附图中相似的标号表示相似的部件，其中：
图1是根据本技术实施例的示例性的热屏蔽涂层系统的横截面图，其具有包括平坦表面的构件；
图2是根据本技术实施例的示例性的热屏蔽涂层系统的横截面图，其具有包括非平坦表面的构件；
图3-5是根据本技术实施例的热屏蔽涂层系统的部分的显微照片，其具有以三个不同的喷涂角度沉积出来的热屏蔽涂层；
图6是方法的流程图，其用于制造根据本技术实施例的热屏蔽涂层系统；且
图7-10是利用进料生产的涂层的显微照片，其具有由YSZ粉末组成的悬浮液，YSZ粉末具有大约1微米的d50。
具体实施方式
这里公开的实施例总地涉及热屏蔽涂层系统。在某些实施例中，热屏蔽涂层系统可包括设置在粘合涂层上的热屏蔽涂层。在这些实施例中，热屏蔽涂层可具有显微结构，其配置为用于增强附着力和应变公差。在一个实施例中，增强的热屏蔽涂层的附着力和应变公差的值可接近利用昂贵的等离子体气相沉积方法所沉积的涂层，例如，但不局限于电子束等离子体气相沉积方法。在某些实施例中，热屏蔽涂层可利用比较低廉的悬浮液或前体等离子体喷涂技术或其组合而进行沉积。
应该懂得，在燃气涡轮应用中可通过利用较高的操作温度来实现较高的系统效率。然而，随着操作温度增加，需要增强发动机构件的高温耐用性。
此外，为了有效，需要热屏蔽涂层系统中的热屏蔽涂层配置为可呈现低的热导率、对基质(即发动机构件)的强的附着力、以及遍及许多加热和冷却循环的持续的附着力。然而，在热屏蔽涂层系统的材料之间的热膨胀系数的差异带来额外的挑战。例如，同底层金属粘合涂层和基质(例如超合金基质)相比，热屏蔽涂层的材料可能具有相当低的热膨胀系数，从而在热循环期间带来了热屏蔽涂层的脱层风险。
在某些实施例中，热屏蔽涂层促进了发动机构件的高温耐用性，同时保护构件免于侵蚀、热腐蚀等等。在这些实施例中的某些中，热屏蔽涂层还用于减少对底层基质，例如但不局限于发动机构件的热传递。
除了热屏蔽涂层之外，涡轮发动机构件时常采用粘合涂层来提供抗高温氧化的保护。在某些实施例中，粘合涂层可包括扩散粘合涂层。在某些其它实施例中，粘合涂层可包括重叠粘合涂层。在某些实施例中，扩散粘合涂层或重叠粘合涂层中的铝浓度可能在大约5%至大约50%的重量百分比范围内。
在某些实施例中，扩散粘合涂层可包括铝基金属间化合物，例如但不局限于铝化镍。扩散粘合涂层的非限制性的示例可包括通过蒸气或填料扩散方法而应用的铝化铂镍或简单的铝化镍。在一个实施例中，基于铝化物的粘合涂层可利用基于扩散的工艺而设置在基质上。非限制性的基于扩散的工艺示例可包括填料渗碳、气相铝金属化(VPA)或化学气相沉积(CVD)。在某些实施例中，扩散工艺可能导致包括两个不同区域的粘合涂层，外部区域和扩散区域；外部区域包含抗氧化相态(例如β-NiAl)，并且扩散区域包括抗氧化相态和次级相态(例如γ′、γ、碳化物和σ)。在一个示例中，基于铝化物的粘合涂层可利用气相铝金属化(VPA)进行沉积。在一个实施例中，扩散粘合涂层可利用铂或铂系金属进行改进。在这个实施例中，铝化物的相态可包括γ-Ni+γ′-Ni3Al合金成分。在某些实施例中，扩散的铝化物可利用商业上可得到的铝化工艺来应用。在某些这些实施例中，铝可在基质表面上起反应，从而形成铝金属间化合物，其提供了用于形成氧化铝抗氧化夹层的储槽。铝化物粘合涂层可包括铝金属互化物相态(例如NiAl、CoAl和(Ni/Co)Al相态)，其是通过使铝蒸气或富含铝的合金粉末与超合金构件的外表面层中的基质元素起反应而成形的。粘合涂层通常很好地粘合到基质上。铝金属化可通过各种技术来完成，例如但不局限于填料渗碳工艺、喷涂、化学气相沉积、电泳、溅射和利用富含铝的蒸气进行的浆体烧结以及合适的扩散热处理。
在某些实施例中，重叠粘合涂层可用于对底层基质，例如涡轮构件提供防高温氧化和腐蚀的保护。重叠粘合涂层可包括MCrAlY类型，其中M可代表镍、钴、铁或其组合。不同数量的其它元素的添加可用于增强粘合涂层的性能，例如钛、锆、铪、硅、钽、钨、铌、铼或其组合。有利的是，重叠粘合涂层可能不会受到底层基质的成分的显著影响。在一个示例中，重叠粘合涂层可通过许多不同的沉积方法来应用，例如但不局限于热喷涂、溅射、电子束物理蒸气沉积(EBPVD)、阴极电弧沉积、电镀沉积或其组合。
通常，空气等离子体喷涂的粘合涂层时常有意地以粗糙表面进行沉积，以便增强与后续沉积的热屏蔽涂层的机械互锁作用。同这些常规的涂层系统形成鲜明对比，这里公开的热屏蔽涂层可呈现相对较高的附着强度，即使对比较光滑的表面也是如此，例如VPA粘合涂层的表面。
在某些实施例中，粘合涂层是相对较光滑的，具有在大约10-60微英寸之间的表面粗糙度Ra。通常，这种光滑的粘合涂层对于较低廉的涂层技术，例如基于喷涂的涂层技术不是合适的候选项。在热屏蔽涂层中产生的垂直裂纹在这种涂层中是不合适宜的，因为它们减少了涂层的附着强度。在某些实施例中，这里公开的涂层可利用喷涂方法而设置在粘合涂层上。当沉积在基于铝化物的粘合涂层或重叠粘合涂层上时，已经出乎意料地发现这里公开的涂层呈现了增强的附着力和热循环性能。
通常，具有垂直裂纹的热屏蔽涂层适宜具有光滑表面的粘合涂层，例如基于铝化物的粘合涂层，因为它们将容许涂层更具适应性。例如，垂直裂纹可容许涂层在没有脱层的条件下弯曲。然而，已经证实没有裂纹的涂层对于基于铝化物的粘合涂层和重叠粘合涂层具有更好的附着力。类似地，在基于铝化物的粘合涂层和重叠粘合涂层的情况下，没有裂纹的涂层还具有更长的热循环寿命。例如，应用于相对较光滑的基于氧化铝的粘合涂层，例如但不局限于VPA粘合涂层上的具有垂直裂纹的涂层，其在热屏蔽涂层和粘合涂层之间的界面上呈现了脱层。有利地是，在缺乏这种垂直裂纹的情况下，当热屏蔽涂层的显微结构不包含垂直裂纹时，可能不存在界面的脱层。在某些实施例中，热屏蔽涂层可能具有非垂直生长域，并且在这些热屏蔽涂层中，脱层可能是最小的或不存在。
在热屏蔽涂层中，基本没有垂直裂纹且适应性的显微结构有利地促进了在热屏蔽涂层和底层粘合涂层之间的增强的附着力。此外，热屏蔽涂层系统的热循环性能可比更密集的垂直裂纹的热屏蔽涂层得到相当大的改善。
在某些实施例中，粘合涂层可具有小于大约150微英寸的表面粗糙度Ra。在一个实施例中，粘合涂层的表面粗糙度可能小于或等于大约100微英寸Ra。即使在这种减少的粘合涂层粗糙度值的情况下，这里所述的热屏蔽涂层的附着强度也是出乎意料得高的。在某些实施例中，热屏蔽涂层对基于铝化物的粘合涂层的这种附着强度可能大于大约7兆帕(MPa)。在一个实施例中，热屏蔽涂层对基于铝化物的粘合涂层的附着强度可能大于大约28MPa。这里所称的附着强度指根据ASTM标准C633中所陈述的程序进行测量的值。
在某些实施例中，热屏蔽涂层可配置为用于在不脱离构件的条件下承受底层构件中的应变。热屏蔽涂层可由陶瓷材料制成，其具有比其底层金属构件相对较低的内在延展性；因此，在某些实施例中可将各种显微结构化特征并入到热屏蔽涂层中，以便为热屏蔽涂层提供改善的应变公差。如下面参照图1-5详细地所述，在某些实施例中，热屏蔽涂层可包括位于热屏蔽涂层中的多个生长域。在某些实施例中，当材料沉积而形成热屏蔽涂层时，材料累积在域中，这些域被限定为由较低(虽然不必为零)密度的域边界分隔开的较高密度的区域。根据本发明的实施例，一个或多个域可包括多个至少部分熔化和固化的颗粒。在不受任何具体理论束缚的条件下，认为当颗粒累积在生长域中时在生长域之间形成了域边界，而且生长域可具有边界表面，其包括部分熔化和固化的颗粒。域边界将与垂直裂纹形成对比。垂直裂纹是当裂纹穿过之前整体连续的材料生长时而发生在涂层中的间隔。裂纹表面包括晶粒边界面或通过裂纹生长而暴露出来的晶粒内部面。多个生长域中的至少一个生长域的定向相对于涂层的第一表面可能是非垂直的，其中涂层的第一表面设置在粘合涂层上。
图1显示了热屏蔽涂层系统10的一个示例。系统10包括构件12，其具有第一表面14和第二表面15。粘合涂层18可设置在构件12的第一表面14上。粘合涂层18设置在第一表面14的至少一部分上。系统10还包括热屏蔽涂层16，其具有第一表面17和第二表面19。热屏蔽涂层16的第一表面17设置在粘合涂层18上，并且限定了与粘合涂层18的界面24。
构件12的第一表面14可能是弯曲的或平坦的，或是其组合。热屏蔽涂层16和粘合涂层18可一致地设置在构件12的第一表面14上。
热屏蔽涂层系统10可用于高温应用。在一个示例中，热屏蔽涂层系统10可用于燃气涡轮组件中，包括，例如用于发电或用于牵引船舶、飞机或其它飞行器的燃气涡轮组件。非限制性的构件12的示例可包括涡轮叶片、定子静叶和燃烧构件。在某些实施例中，热屏蔽涂层16包括陶瓷材料，例如氧化物。热屏蔽涂层16的具体示例可包括稳定的氧化锆，例如氧化钇稳定的氧化锆、锆酸盐以及其它氧化物，例如铪酸盐和蜡剂，并且包括可用氧化钇或其它稳定剂例如二氧化铈进行稳定的氧化物。
在某些实施例中，热屏蔽涂层16通常可由多个生长域来表示其特征，其总地由标号20来表示。多个生长域的一个或多个生长域包括多个至少部分熔化和固化的颗粒。在某些实施例中，至少一个生长域的定向相对于第一表面17或相对于第一表面17和粘合涂层18之间的界面24可能是非垂直的。这里使用的术语“非垂直”指在横截面平面中形成的对准角度22，其中角度22被限定为90度减去(a)涂层16的第一表面17的切线23的法线21和(b)域边界26的切线25之间的角位移的角度。在一个实施例中，相对于在热屏蔽涂层16和粘合涂层18之间界面24而言，角度22可在大约30度至大约75度的范围内。也就是说，生长域的最长的轴线可定向在相对于涂层16的第一表面17大约20度至大约75度范围内的角度22上。在一个实施例中，所有生长域20可彼此相对以相似的角度定向。在这个实施例中，生长域20的角度可在彼此5度以内。在一个实施例中，生长域20可包括大于大约1的长宽比。
在某些实施例中，生长域20可包含随机定向的基本等轴的晶粒。这里使用的术语“基本等轴”意味着涂层16中的总体晶粒具有小于大约3：1的平均长宽比。此外，“随机定向”指一般缺乏优选定向，使得晶粒的长轴(如果存在这种长轴的话)不是整体相对于喷涂方向或固化方向进行定向的。此外，在某些实施例中，热屏蔽涂层16通常可通过缺乏不同的层纹状的特征来表示其特征。注意，这种术语“定向”的使用不应与晶体学定向混淆，其指晶粒在空间中的方位，在本领域中也被称为材料的“纹理”。
在某些实施例中，在涂层16的沉积期间，当材料进行沉积以形成涂层16时，材料累积在域20中。在某些实施例中，域20可具有比较高的涂层材料的密度。生长域20可通过域边界26来限定。生长边界26可具有比生长域20较低的(虽然不必为零)密度。
包含在生长域20中的材料密度(这里也被称为“域内密度”)可能是至少大约理论密度的75%。在某些实施例中，这种密度甚至更高，例如大于85%，并且在某些实施例中大于95%。高的域内密度可提供所需的抗侵蚀强度，并且可增强涂层16的聚合强度。
在某些实施例中，存在于域20中的材料至少50%包括至少部分熔化和固化的颗粒；在特殊的实施例中，这个数量可能至少是大约80%，并且在更特殊的实施例中，基本上所有域20中的材料可由至少部分熔化和固化的颗粒制成。此外，在某些实施例中，域20通常可能缺乏坚固的晶体结构，同通过气相沉积机构沉积出的涂层形成鲜明对比。相反，域20通常具有基本各向同性的晶体定向。在这种情况下，“基本各向同性的晶体定向”意味着所关注的材料具有在大约0.75至大约1.25范围内的织构系数，其中该系数在D. S. Rickerby, A.M. Jones and B. A. Bellamy, Surface and Coatings Technology, 37, 111-137(1989)中进行限定。
在一个实施例中，一个或多个生长域可延伸穿过热屏蔽涂层16的厚度25。在这些实施例中，生长域20可从第一表面17延伸至热屏蔽涂层16的第二表面19。在另一实施例中，一个或多个生长域可仅仅延伸穿过热屏蔽涂层16的厚度25的一部分。在某些实施例中，生长域至少延伸大约涂层厚度的50%，并且在某些实施例中，生长域长度至少是大约涂层厚度的75%。在这种情况下，这里使用的生长域的“长度”可被限定为针对涂层16中的总体生长域20至少一个典型样本所测量的平均长度。生长域可延伸穿过热屏蔽涂层16的厚度25的程度可能依赖于以下因素，例如但不局限于生长域的定向、涂层的材料、在涂层16的沉积期间的喷涂角度或其组合。在一个实施例中，可能需要具有一个或多个生长域，其延伸穿过热屏蔽涂层16的厚度。在某些实施例中，域边界26可延伸至少等于大约涂层厚度50%的长度，并且在某些实施例中，这个长度可能至少是大约该厚度的75%。通常，涂层16的应变公差可能由于存在更长的明确的边界26而得以增强。
生长域20和域边界26的存在可为涂层16提供所需的适应性和应变公差特性。在一个实施例中，带较窄域20的涂层16具有更大的域边界密度。在某些实施例中，域20的平均宽度28可在大约20微米至大约100微米的范围内。在某些其它实施例中，宽度28可在大约30微米至大约90微米的范围内。在一个实施例中，宽度28可在大约40微米至大约80微米的范围内。在某些实施例中，生长域20的宽度28可基于分别由已知长度的线所截取边界的平均数量进行测量，这些线是沿着涂层16的横截面，按照与喷涂方向平行的方向，在涂层厚度25的33%和涂层厚度25的67%处进行绘制的。在这些实施例中，平均域宽度可计算为某一长度除以所截取的边界的数量。在某些实施例中，至少大约涂层体积的50%包含域20；因而不需要整个涂层16包括这里所述的结构。
这里所述的优点可增强热屏蔽涂层系统10对于高温应用使用的适合性。在某些实施例中，不同于沉积在光滑表面上的常规紧密的涂层，在TBC中，涂层16可能具有最小的分段裂纹或没有分段裂纹，在这里称为“基本无裂纹”的情况。分段裂纹在行业中也被称为垂直裂纹，其通常在密集的涂层中更为盛行。这些类型的裂纹可从最外层的表面穿过整个厚度或部分地穿过涂层厚度而延伸。这种裂纹不同于域边界之处在于，裂纹中的空间受到断裂表面的约束，并且沿着其长度基本上没有涂层颗粒。相反，在域边界中的空间沿着其长度包含至少某些沉积材料，例如涂层颗粒。在某些实施例中，基本上无裂纹的柔顺的涂层16可为粘合涂层18提供显著改善的附着力。此外，基本无裂纹的柔顺的涂层16可为涂层提供显著增强的热循环性能，包括改善的可靠性、附着力和更长的寿命。在某些实施例中，涂层16可能不包括任何脱层裂纹。
通常，在等离子体喷涂沉积中，对于带曲率的表面，难以持续地为有待被覆涂层的表面保持所需的喷涂角度。例如，可能难以使机械臂跟上表面曲率方面的变化。当等离子体的入射角并不垂直于有待被覆涂层的表面时，常规的涂层可能呈现较低的附着力和机械强度。在某些实施例中，提供了方法和涂层，其呈现了处于确定范围内的喷涂角度的增强的附着力。此外，这些方法相对于现存的PVD技术是极具成本效率的。
图2是具有非平坦表面31的热屏蔽涂层系统30的横截面图。在所示的实施例中，系统30包括非平坦的基质32，其具有从垂直于喷枪的方向，通常如箭头33所示看去分别凹入和凸起的部分34和36。系统30还包括粘合涂层38和热屏蔽涂层40。粘合涂层38和涂层40可能与底层表面是一致的。涂层40可包括多个具有域边界43的生长域42。
在一个示例中，部分34和36可能使得喷涂角度44在大约20度至大约75度的范围内。这里使用的术语“喷涂角”是在入射点37以顺时针方向测量的角度，该角度是在入射点37处的表面31的切向平面和线39之间进行测量的，线39将入射角和喷枪的位置连接起来，其中喷枪的位置由点33代表，并且表面31的切向平面由线35代表。
图3-5显示了相对于沉积涂层的表面以不同的喷涂角度沉积出来的热屏蔽涂层。在某些实施例中，不同的喷涂角度可提供多个生长域，其相对于在涂层的第一表面和粘合涂层之间的界面而言以不同的非垂直角度定向。
图3显示了热屏蔽涂层系统60，其具有设置在粘合涂层64上的涂层62，其中粘合涂层则设置在基质(未显示)上。涂层62包括多个非垂直生长域68，其相对于在涂层62和粘合涂层64之间的界面70而言定向以大约70度的角度定向。在所示的实施例中，生长域68是基本彼此平行的。生长域68可穿过涂层62的整个厚度。或者，生长域68可仅仅设置在涂层62的一部分厚度中。
图4显示了热屏蔽涂层系统70，其具有沉积在粘合涂层74上的涂层72，粘合涂层74设置在基质(未显示)上。涂层72包括多个非垂直生长域78，其相对于在涂层72和粘合涂层74之间的界面60而言以大约80度的角度定向。生长域78基本上是彼此平行的。生长域78贯穿涂层72的一部分厚度。
图5显示了热屏蔽涂层系统90，其具有沉积在粘合涂层94上的涂层92，粘合涂层94设置在基质(未显示)上。涂层92包括多个非垂直生长域98，其相对于在涂层92和粘合涂层94之间的界面45而言以大约100度的角度定向在。生长域98基本上是彼此平行的。如图所示，生长域98贯穿涂层92的整个厚度102。
在图3-5所示的实施例中，喷枪的角度和生长域的定向可能是相同的或不同的。例如，参照回图3，枪的角度相对基质表面可能是大约75度，并且生长域68的定向可能是大约70度。类似地，参照回图4，枪的角度是大约60度，并且生长域78的定向是大约52度。参照回图5，枪的角度是大约45度，并且生长域98的定向是大约40度。
在某些实施例中，热屏蔽涂层可能比较起来更为可靠、更具粘性和适应性，并且相对于常规涂层可具有更长的寿命。
作为将热屏蔽涂层应用于涡轮发动机构件上的电子束等离子体气相沉积(EBPVD)的有效的替代方案，悬浮液等离子体喷涂方法可用于沉积出这里公开的热屏蔽涂层系统。悬浮液等离子体喷涂方法利用所想要的涂层材料的细颗粒或其前体扩散到液体介质的悬浮液中，并穿过等离子体喷炬而将材料沉积到构件的表面上。在某些实施例中，热屏蔽涂层可应用于扩散粘合涂层或重叠粘合涂层的表面上。
本发明的涂层至少部分地对于其制造工艺而言具有其卓越的结构和特性。该工艺涉及空气等离子喷涂，其如上面论述的那样提供了某些经济和制造方面的优点，其超越了需要使用真空设备的工艺，例如PVD或真空等离子体喷涂沉积工艺。在某些实施例中，该工艺使用的进料包括悬浮在液体试剂中的细颗粒，液体试剂以受控的方式输送到等离子体喷炬中，并注入到等离子体羽流中，以便沉积到基质上。颗粒具有通常，但不必然在大约0.1微米至大约10微米，或0.2微米至10微米范围内的平均直径。
图6是用于在基于铝化物的粘合涂层上沉积涂层的方法的示例性流程图。在框110处可提供基质。基质可能是一种发动机构件。基质可能是金属基质，其可具有平坦的或非平坦的表面。在一个实施例中，基质可在一个或多个表面上包括扩散粘合涂层。在另一实施例中，基质可在一个或多个表面上包括重叠粘合涂层。在一个示例中，扩散粘合涂层可通过利用气相铝金属化而沉积在基质的表面上。
可选地，在框111处，粘合涂层可利用已知技术进行沉积，例如但不局限于气相沉积。在一个示例中，基于铝化物的粘合涂层至少可设置在基质的一部分上。
可选地，在框112处，可处理粘合涂层的表面，以促进热屏蔽涂层对粘合涂层的附着力。非限制性的处理示例包括在沉积涂层之前进行粗糙化处理。在一个示例中，在沉积涂层之前可对粘合涂层的表面喷砂。
在框114处，包括热屏蔽涂层的细颗粒材料或前体材料的进料可悬浮在液体介质中。在一个实施例中，颗粒可具有大约0.4微米至大约2微米范围内的平均直径。在一个示例中，悬浮液中的粉末的固体含量可在重量百分比大约5%至大约40%的范围内。
在框114处，悬浮液可以受控的方式供给至等离子体喷枪，并注入到等离子体羽流中，以便沉积到基质上。
在框116处，喷枪可扫描基质的表面以沉积涂层。基质的表面可以规则或不规则的图案形式进行扫描。在一个示例中，等离子体喷炬可扫描基质的表面。
等离子体喷炬或喷枪、基质或这两者可彼此相对进行定向，使得等离子体喷涂以大约20度至大约75度范围内的角度入射到基质的第一表面上。在一个实施例中，等离子体在基质上的入射角度可能在沉积期间发生变化。在另一实施例中，等离子体在基质上的入射角度可能在沉积期间不会变化。
在一个示例中，在基质的表面具有变化的曲线的情况下，当扫描表面时可能不容易连续地调整喷涂角度。在这个示例中，在沉积期间，当喷枪从基质上的一个位置移动到另一位置时，等离子体在基质上的入射角度可发生变化。
示例1
氧化钇-稳定的-氧化锆(YSZ)涂层是在带有气相扩散的铝化镍粘合涂层的25mm直径，3mm厚的按钮状基质ReneN5上产生的。YSZ涂层是利用Northwest Mettech Axial III直流等离子体喷枪而沉积在粘合涂层表面上。在YSZ沉积之前，VPA粘合涂层的表面通过喷砂而进行粗糙化处理，其是在60psi空气压力下利用220筛孔尺寸的白色氧化铝介质进行粗糙化处理的。
进料材料是以20wt%重量比悬浮于乙醇中的YSZ粉末(ZrO2-(7-8wt%)Y2O3)，其具有大约0.75μm的平均颗粒直径(d50)，其利用聚乙烯亚胺作为分散剂(在0.2wt%的固体含量下)。利用不同的YSZ粉末制成了两种不同的悬浮液，其从德国劳芬堡的UCM陶瓷公司获得。这两种不同的悬浮液混合在一起，从而获得最终的颗粒尺寸分布。各个粉末具有不同平均直径的单峰颗粒尺寸分布。由制造商提供的粉末中一个的d50是大约0.6微米，并且其它粉末的d50是大约1.0微米。
悬浮液通过管中管雾化喷射器的中心管而被注入到Northwest Mettech AxialIII喷炬中，其中雾化的氮气通过外管进行传送。在等离子体喷炬的末端使用了3/8”直径的喷嘴。喷炬的功率是大约105kW。悬浮液的进给速率是大约25克/分钟或大约0.6磅每小时的YSZ。等离子体喷炬跨基质以600mm/sec的速度进行扫描，同时在喷炬喷嘴和基质之间保持100mm的恒定的喷涂距离。涂层是在等离子体喷炬相对于样本表面不同的喷涂角度下产生的。90度、75度、60度和45度的角度被用于评估附着力和热循环性能。获得了大约150微米至大约220微米的涂层厚度。用于YSZ沉积的等离子体条件是在15%氮气、10%氢气和75%氩气条件下达350slpm总的气体流量。200A的电流用于三个电极的各个电极，导致大约105kW的总喷枪功率。还使用了6slpm的氮气载气。
在某些实施例中，出乎意料的是，当涂层角度从90度减少至45度时，造成20%散裂的热循环的数量呈现了大体增加的趋势。对于以45度喷涂角度沉积出的涂层而言，造成20%散裂的热循环的平均数量比以90度喷涂角度沉积出的涂层大60%。
示例2
图7-10中所示的涂层是按照上述相同的方式生产的，除了用于这些样本的进料是由YSZ粉末组成的悬浮液之外，YSZ粉末具有大约1微米的d50。
图7显示了以90度的喷涂角度沉积出来的涂层142，图8显示了以75度喷涂角度沉积出来的涂层144，图9显示了以60度的喷涂角度沉积出来的涂层146，并且图10显示了以45度的喷涂角度沉积出来的涂层148。在进料中较粗颗粒的条件下，已经发现产生粘附性的柔顺涂层的喷涂角度小于由包含进料的更细颗粒所产生的涂层，从而揭示在颗粒尺寸和喷涂角度之间令人意外的相互作用。
虽然在这里只显示和描述了本发明的某些特征，但是本领域中的技术人员将会想到许多改型和变体。因此，应该懂得，附属权利要求意图覆盖所有这些落在本发明的范围内的改型和变体。

Claims (21)

1.一种包括第一表面和第二表面的涂层，其包括：
由生长边界所隔开的多个生长域，所述多个生长域具有的涂层材料的密度大于所述生长边界具有的涂层材料的密度，其中所述多个生长域中的至少一个生长域的定向相对于所述涂层的第一表面是非垂直的并且所述多个生长域延伸贯穿所述涂层的整个厚度，所述多个生长域中的生长域是相互大体平行的，并且所述多个生长域中的一个或多个生长域包括多个至少部分熔化和固化的颗粒。
2.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述至少一个生长域的定向相对于所述涂层的第一表面小于75度。
3.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述多个生长域包括基本等轴的晶粒形态，其中所述基本等轴意味着所述涂层中的总体晶粒具有小于3：1的平均长宽比。
4.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述多个生长域包括至少75%的域内密度。
5.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述多个生长域包括20微米至100微米范围内的宽度。
6.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述涂层具有至少90%的密度。
7.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述涂层包括陶瓷涂层。
8.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述涂层包括氧化物涂层。
9.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述涂层包括喷涂涂层。
10.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述涂层包括锆酸盐、稳定的氧化物或其组合。
11.根据权利要求10所述的涂层，其特征在于，所述稳定的氧化物为稳定的氧化锆。
12.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述涂层包括氧化钇稳定的氧化锆。
13.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，小于所述涂层50%的体积包括所述生长域。
14.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述涂层包括热屏蔽涂层。
15.一种热屏蔽涂层系统，包括：
基质，其包括第一表面和第二表面；
粘合涂层，其设置在所述基质的第一表面的至少一部分上；和
涂层，其设置在所述粘合涂层的至少一部分上，其中所述涂层包括由生长边界所隔开的多个生长域，所述多个生长域具有的涂层材料的密度大于所述生长边界具有的涂层材料的密度，其中所述多个生长域的至少一个生长域的定向相对于所述粘合涂层和所述涂层之间的界面是非垂直的并且所述多个生长域延伸贯穿所述涂层的整个厚度，所述多个生长域中的生长域是相互大体平行的，并且所述多个生长域的一个或多个生长域包括多个至少部分熔化和固化的颗粒。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述粘合涂层包括扩散粘合涂层或重叠粘合涂层。
17.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述粘合涂层具有小于150微英寸的表面粗糙度Ra。
18.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述涂层对所述粘合涂层的附着强度大于7兆帕。
19.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述涂层对所述粘合涂层的附着强度大于28兆帕。
20.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，物件包括燃气涡轮组件的构件。
21.一种用于对表面进行涂层的方法，包括：
提供悬浮液，其包括悬浮在液体介质中的进料材料；和
相对所述表面的切线以小于75度的喷涂角度喷涂所述表面以形成涂层，使得所述涂层包括由生长边界所隔开的多个生长域，所述多个生长域具有的涂层材料的密度大于所述生长边界具有的涂层材料的密度，其中所述多个生长域中的至少一个生长域的定向相对于所述涂层的第一表面是非垂直的并且所述多个生长域延伸贯穿所述涂层的整个厚度，所述多个生长域中的生长域是相互大体平行的。
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