CN109652800B - 涂覆制品和制备方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及涂覆制品和制备方法，具体涉及将覆盖性金属基涂层施加到金属基基底上。提供了一种制品，所述制品包括金属基基底，所述金属基基底具有在界面处设置在所述基底上的覆盖性金属基涂层。该界面被构造成使得在覆盖性金属基涂层内形成并接近该界面的裂纹具有比穿过界面并进入金属基基底在能量上更有利于沿界面的传播路径。

Description

涂覆制品和制备方法
技术领域
本说明书描述的主题涉及将覆盖性金属基涂层(overlay metal-based coating)施加到金属基基底上。
背景技术
基底(诸如金属)的疲劳可在发生氧化和/或腐蚀的环境中加速。通常使用涂层来保护基底免受此类环境的影响。通常，涂覆工艺被设计成最大化涂层与基底的粘附强度，因为缺乏足够的粘附力会导致涂层在操作期间与基底分离。然而，涂层与基底的过度粘附会对基底材料的疲劳性能产生不可接受的耗损。
发明内容
在一个实施方案中，提供了一种制品。该制品包括金属基基底，该金属基基底具有在界面处设置在该基底上的覆盖性金属基涂层。该界面被构造成使得在覆盖性金属基涂层内形成并接近该界面的裂纹具有比穿过界面进入金属基基底在能量上更加有利于沿界面的传播路径(propagation path)。
在一个实施方案中，提供了一种方法。该方法包括将覆盖性金属基涂层施加到金属基基底上。覆盖性金属基涂层与金属基基底之间的界面被构造成使得在覆盖性金属基涂层内形成并接近该界面的裂纹具有比穿过界面进入金属基基底在能量上更加有利于沿界面的传播路径。在一些实施方案中，覆盖性金属基涂层包括镍基合金、钴基合金或铁基合金或包括这些中的一种或多种的任何组合。在一些实施方案中，金属基基底包括镍基合金、钴基合金、铁基合金或包括这些中的一种或多种的组合。在某些实施方案中，覆盖性金属基涂层与金属基基底之间的界面具有在0.05至
Figure BDA0001823070300000011
范围内的界面韧性(interface toughness)。
在一个实施方案中，提供了一种方法。该方法包括使用高速空气燃料(HVAF)喷枪的热喷涂将覆盖性金属基涂层施加到金属基基底上。覆盖性金属基涂层包括镍基合金、钴基合金或包括这些中的一种或多种的任何组合。金属基基底包括镍基合金。覆盖性金属基涂层与金属基基底之间的界面韧性具有
Figure BDA0001823070300000021
的下限(lower bound)和
Figure BDA0001823070300000022
的上限(upper bound)。界面韧性基于将覆盖性金属基涂层施加到金属基基底上时HVAF喷枪的间隔距离(a stand ofdistance)。响应于覆盖性金属基涂层内的裂纹，界面韧性被构造成使得在覆盖性金属基涂层内形成并接近覆盖性金属基涂层与金属基基底之间的界面的裂纹具有比穿过界面进入金属基基底在能量上更加有力于沿界面的传播路径。
本公开技术方案1提供一种制品，包括：金属基基底，所述金属基基底具有在界面处设置在所述基底上的覆盖性金属基涂层，所述界面具有界面韧性，其中所述界面被构造成使得在所述覆盖性金属基涂层内形成并接近所述界面的裂纹具有比穿过所述界面并进入所述金属基基底在能量上更加有利于沿所述界面的传播路径。
技术方案2：根据技术方案1所述的制品，其中所述界面韧性为至少约
Figure BDA0001823070300000023
技术方案3：根据技术方案2所述的制品，其中所述界面韧性小于约
Figure BDA0001823070300000024
其中ΔKth是所述基底的疲劳裂纹扩展门槛应力强度。
技术方案4：根据技术方案1所述的制品，其中所述界面韧性在由上限和下限限定的范围内，其中所述下限处于约
Figure BDA0001823070300000025
至约
Figure BDA0001823070300000026
的下限范围内，并且其中所述上限处于约
Figure BDA0001823070300000027
Figure BDA0001823070300000028
至约
Figure BDA0001823070300000029
的上限范围，其中ΔKth是所述基底的疲劳裂纹扩展门槛应力强度。
技术方案5：根据技术方案4所述的制品，其中所述上限为
Figure BDA00018230703000000210
技术方案6：根据技术方案4的制品，其中所述下限为
Figure BDA00018230703000000211
Figure BDA00018230703000000212
技术方案7：根据技术方案4所述的制品，其中所述上限为
Figure BDA00018230703000000213
技术方案8：根据技术方案1所述的制品，其中所述覆盖性金属基涂层包括镍基合金、钴基合金、铁基合金或包括这些中的一种或多种的任何组合。
技术方案9：根据技术方案1所述的制品，其中所述金属基基底包括镍基合金、钴基合金、铁基合金或包括这些中的一种或多种的组合。
技术方案10：根据技术方案1所述的制品，其中中间粘附层介于所述金属基基底和所述覆盖性金属基涂层之间，其中所述中间粘附层被构造成使得在所述覆盖性金属基涂层内形成并接近所述中间粘附层的裂纹具有比穿过所述中间粘附层并进入所述金属基基底在能量上更加有利于沿所述中间粘附层的传播路径。
技术方案11提供一种方法，包括：将覆盖性金属基涂层施加到金属基基底上，其中所述覆盖性金属基涂层与所述金属基基底之间的界面被构造成使得在所述覆盖性金属基涂层内形成并接近所述界面的裂纹具有比穿过所述界面进入所述金属基基底在能量上更加有利于沿所述界面的传播路径，并且其中所述覆盖性金属基涂层包括镍基合金、钴基合金、铁基合金或包括这些中的一种或多种的任何组合，其中所述金属基基底包括镍基合金、钴基合金、铁基合金或包括这些中的一种或多种的组合，并且其中所述覆盖性金属基涂层与所述金属基基底之间的所述界面具有在
Figure BDA0001823070300000032
至
Figure BDA0001823070300000033
Figure BDA0001823070300000034
范围内的界面韧性。
技术方案12：根据技术方案11所述的方法，其中施加所述金属基覆盖性涂层包括使用热喷涂工艺、冷喷涂、电镀、物理气相沉积、化学气相沉积或基于浆料的方法。
技术方案13：根据技术方案11所述的方法，还包括对所述金属基基底施加预涂覆表面处理。
技术方案14：根据技术方案11所述的方法，还包括将中间粘附层施加到所述金属基基底上。
技术方案15提供一种方法，包括：使用高速空气燃料(HVAF)喷枪将覆盖性金属基涂层施加到金属基底上，所述覆盖性金属基涂层包括镍基合金、钴基合金或包括这些中的一种或多种的任何组合，所述金属基基底包括镍基合金，其中选择所述覆盖性金属基涂层与所述金属基基底之间的界面韧性以具有
Figure BDA0001823070300000031
的下限和
Figure BDA0001823070300000041
的上限，所述制品的所述界面韧性基于将所述覆盖性金属基涂层施加到所述金属基基底上时所述HVAF喷枪的间隔距离，响应于所述覆盖性金属基涂层内的裂纹，所述制品的所述界面韧性被构造成使得在所述覆盖性金属基涂层内形成并接近所述覆盖性金属基涂层与所述金属基基底之间的界面的裂纹具有比穿过所述界面并进入所述金属基基底在能量上更加有利于沿所述界面的传播路径。
技术方案16提供一种制品，包括：金属基基底上的覆盖性金属基涂层，所述覆盖性金属基涂层包括镍基合金、钴基合金或包括这些中的一种或多种的任何组合，所述金属基基底包括镍基合金，其中选择所述覆盖性金属基涂层与所述金属基基底之间的界面韧性以具有
Figure BDA0001823070300000042
的下限和
Figure BDA0001823070300000043
的上限，并且其中响应于所述覆盖性金属基涂层内的裂纹，所述界面韧性被构造成使得在所述覆盖性金属基涂层内形成并接近所述覆盖性金属基涂层与所述金属基基底之间的界面的裂纹具有比穿过所述界面并进入所述金属基基底在能量上更加有利于沿所述界面的传播路径。
附图说明
参考附图，通过阅读对非限制性实施方案的以下描述，将更好地理解本发明的主题，下文中，在附图中：
图1是金属基基底上的覆盖性金属基涂层的实施方案的示意性图示；
图2是界面韧性范围和相关的疲劳和粘附要求及性能的实施方案的图解说明；
图3是间隔距离及其与界面韧性和疲劳寿命的关系的实施方案的图解说明；
图4示出了由压头形成的覆盖性金属基涂层的裂纹的实施方案。
图5示出了用于将覆盖性金属基涂层以期望的界面韧性施加到基底上的方法的实施方案的流程图。
具体实施方式
本说明书描述的主题的实施方案提供了用于将覆盖性金属基涂层施加到金属基基底上的系统和方法。这些实施方案描述了一种方法，其中覆盖性金属基涂层与金属基基底之间的界面韧性得到平衡以提供系统的可接受的涂层粘附力和疲劳性能。实现涂层粘附力和基底疲劳性能的平衡是基于涂层/基底界面韧性值的范围。与诸如通过相互扩散实现的冶金结合(metallurgical bonding)相反，覆盖性金属基涂层是一种主要依赖于机械结合而粘附到(mechanical bonding to adhere to)基底上的涂层。在沉积过程中，覆盖性涂层没有表现出元素从涂层到基底或元素从基底到涂层的显著扩散。金属基基底是将被涂覆并承载结构载荷的部件。对于涂层和基底两者，如本说明书所用的术语“金属基(metal-based)”是指所提及的涂层或基底具有金属特征(a metallic character)并且包括超过50原子百分比(50atomicpercent)的金属元素。在一个实施方案中，本说明书提及的界面是覆盖性金属基涂层与金属基基底相接的表面或平面。在第二实施方案中，界面被定义为在覆盖性金属基涂层与金属基基底之间添加的材料的附加层(additional layer)，其上限(anupper limit)由金属基涂层与添加层相接的表面或平面限定，其下限(a lower limit)由金属基基底与添加层相接的表面或平面限定。疲劳要求(fatigue requirement)可表示金属基基底的循环次数和/或所需的可操作寿命。循环次数可表示金属基基底经历的旋转次数(a number of revolutions)和/或负载循环(duty cycles)次数。另外或替代地，疲劳要求表示在失效之前或当预计需要和/或必须要进行修理时包括金属基基底的设备(诸如发动机)的可操作寿命。
粘附要求(adhesion requirement)通常是涂层与基底的粘附强度的技术规范(specification of the adhesion strength)，其基于要粘附到金属基基底表面上的覆盖性金属基涂层的服务寿命。指定粘附要求以提供将覆盖性金属基涂层粘附到金属基基底上的最小时间量，和/或提供保护金属基基底免受环境条件影响的屏障。例如，选择粘附要求使得在金属基基底的可操作寿命期间覆盖性金属基涂层粘附到金属基基底上。
随着时间的推移，裂纹可分三个阶段形成并传播穿过覆盖性金属基涂层/金属基基底系统：(1)覆盖性金属基涂层裂纹萌生(initiation)，(2)裂纹穿过覆盖性金属基涂层传播，以及(3)在覆盖性金属基涂层/金属基基底界面处偏转(deflection)或穿过该界面传播。第一阶段和第二阶段所需的时间高度依赖于金属基基底经历的服务条件和环境。
在操作期间，一个或多个裂纹可穿过覆盖性金属基涂层的厚度传播，此时裂纹的任何进一步传播被认为是处于第三阶段。在一个实施方案中，界面表示覆盖性金属基涂层与金属基基底相接的位置。例如，界面可被认为是覆盖性金属基涂层的底部或者金属基基底的顶部。界面的形状基于金属基基底的形状。例如，界面可表示平面表面、线性表面、圆形表面和/或类似表面。在一个实施方案中，金属基基底是未涂覆的材料，即没有其他层介于基底与覆盖性涂层之间。在替代实施方案中，在覆盖性涂层与基底之间设置有材料层(在本说明书中称为“中间层”)。在这种实施方案中，界面被定义为包括：(a)材料的中间层(theintermediate layer of material)、(b)覆盖性涂层与中间层相接的表面或平面、以及(c)基底与中间层相接的表面或平面。因此，在这种实施方案中，如果裂纹的尖端位于上述(a)、(b)或(c)中的任何一个中，则认为裂纹存在于界面处。
在第三阶段期间，已经行进穿过覆盖性金属基涂层并到达界面的裂纹(如上文所定义的术语)可跨过界面传播到金属基基底中，或沿界面偏转。裂纹所采取的路径基于覆盖性金属基涂层/金属基基底制品的界面韧性。当界面韧性受到根据本说明书所述实施方案的疲劳和粘附要求的限制时，裂纹沿界面偏转而不是穿过或跨过界面进入基底材料中。因此，覆盖性金属基涂层中的裂纹沿界面延伸或传播，这不会导致金属基基底的疲劳寿命耗损。替代地，当界面韧性超过该疲劳要求和粘附要求时，裂纹可能会不期望地跨过界面传播，因为在这种情况下裂纹传播相对于穿过界面行进更倾向于穿过基底材料行进。如果在寿命早期足够的裂纹被传递到基底中，则可能导致下层基底的疲劳耗损(fatigue debit)，从而导致例如由部件疲劳失效引起的寿命缩短。对于非常低的界面韧性值，覆盖性金属基涂层对金属基底料的粘附力也降低。由于这种低粘附力，覆盖性金属基涂层可能在操作期间脱落，使得金属基基底的一个或多个部分暴露于环境中。金属基基底的暴露部分可能会提前开裂，因为它们暴露于环境并且缺乏覆盖性金属基涂层的保护。这些早期裂纹也可能导致疲劳寿命的耗损。
本说明书所述的实施方案基于疲劳要求和粘附要求确定与疲劳寿命和覆盖性金属基涂层对金属基基底的粘附力的平衡相关联的所需界面韧性范围。该界面韧性范围使得覆盖性金属基涂层能够与金属基基底平衡地起作用，以免受环境影响，同时不引起或仅引起有限的金属基基底的固有性能耗损。相对于在类似环境中操作的未涂覆基底，用覆盖性金属基涂层保护金属基基底增加了覆盖性金属基涂层/金属基基底制品的工作寿命。例如，金属基基底可以是发动机(例如，喷气发动机)或燃气涡轮机的零件。虽然本说明书的描述可集中在喷气发动机或燃气涡轮机，但并非所有实施方案都限于发动机和涡轮机，可以使用本说明书所述的系统和方法来施加用于其他类型设备的基底的覆盖性金属基涂层。
图1是包括覆盖在金属基基底102上的覆盖性金属基涂层104的制品100的实施方案的示意性图示。金属基基底102包括镍基合金、钴基合金、铁基合金或包括这些中的任何一种或多种的组合。合金的实例包括合金718、合金706、合金725、RENE 88DT、RENE 104、RENE 65、UDIMET 720。覆盖性金属基涂层104被构造成保护金属基基底102免受环境影响。覆盖性金属基涂层104可包括化合物(compound)或镍基合金、钴基合金或铁基合金。例如，在一些实施方案中，覆盖性金属基涂层104包括合金(诸如合金625、Haynes 282、合金718、GT33)和/或其他合适的组合物。覆盖性金属基涂层104与金属基基底102在界面106处相接。
图1还示出了设置在覆盖性金属基涂层104内的裂纹108。如本说明书进一步描述的，该界面韧性范围被构造成使得响应于在覆盖性金属基涂层内萌发的裂纹108，该裂纹具有与穿过界面进入金属基基底102相比在能量上更加有利于沿介于金属基基底102与覆盖性金属基涂层104之间的界面106的传播路径110。
覆盖性金属基涂层104可通过以下几种方法中的任一种施加到金属基基底102上：包括热喷涂、电镀、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)或基于浆料的沉积技术。金属基基底102的大小、形状和复杂性将决定哪种方法有利地适用于给定应用。对于各种工艺，当给出以理解本说明书的公开内容时，本领域技术人员将理解可以控制哪些工艺变量或变量组合来影响覆盖性金属基涂层与金属基基底之间的界面韧性，以及如何根据需要增加或降低韧性以实施本说明书公开的技术。
在一个实施方案中，金属基涂层104通过高速空气燃料(HVAF)热喷涂工艺进行沉积。HVAF工艺包括向HVAF喷枪提供原料的所有适当方式，诸如通过将原料粉末夹带在流动的流体(诸如气体或液体)中。在该工艺中可以控制影响界面韧性的许多参数，包括空气和燃料压力、粉末大小和进料速率、喷嘴几何形状和/或类似参数。作为具体的实例，可以通过仔细控制喷枪喷嘴端部与基底材料表面之间的距离(即间隔距离(SOD))来定制界面韧性。例如，通常SOD与所得涂层的界面韧性成反比。
在另一实施方案中，直接在覆盖性金属基涂层104与裸金属基基底102之间形成的界面难以实现所需的界面韧性范围。在这种情况下，首先用中间涂层涂覆金属基基底从而产生复合基底(compound substrate)(金属基基底加中间涂层)可能是有利的，该中间涂层或具有牢固的粘附力或相对于基底102具有固有的低材料韧性(intrinsically lowmaterial toughness)。该中间涂层可包括镍基、钴基或铁基化合物或合金，并且可依赖于与金属基基底的相互扩散(interdiffusion)而粘附。另一种材料选择替代方案包括具有低于50原子百分比的金属元素(metallic elements)的陶瓷基材料。然后将覆盖性金属基涂层104施加到这种复合基底上。
在另一实施方案中，可改变金属基基底102或金属基基底102的复合基底表面，以提供覆盖性金属基涂层104与金属基基底102和/或复合基底表面之间的可接受的界面韧性范围(an acceptable range of interface toughness)。在沉积覆盖性涂层104之前，可通过用研磨材料(诸如沙、陶瓷介质、玻璃珠、冰或金属丸)进行喷砂、通过酸蚀刻、通过阳极氧化或通过喷丸处理来修饰表面。在一个实施方案中，界面韧性直接通过这些表面处理步骤来控制(例如，猛烈喷砂以增加韧性，或轻微喷砂以降低韧性)。
图2是分别基于疲劳要求204和粘附要求206的界面韧性范围202的实施方案的图解说明200。
疲劳要求204可表示低循环疲劳要求。低循环疲劳表示在超过弹性极限(elasticlimit)并且材料经历塑性应变(plastic strain)的高应力下材料的循环载荷。例如，低循环疲劳(low cycle fatigue)可通过Coffin-Manson关系来描述，其中失效循环次数与材料所经历的塑性应变振幅直接相关。低循环疲劳的另外讨论在Dieter、George E.，“Mechanical Metallurgy”,第3版,McGraw-Hill,1986中有所描述。
另外或替代地，低循环疲劳要求可以基于金属基基底(例如，与金属基基底102类似和/或相同)的裸金属性能(bare metal performance)。例如，低循环疲劳要求可被设定为使得覆盖性金属基涂层(例如，与覆盖性金属基涂层104类似和/或相同)被构造成不会使非涂覆金属基基质耗损超过一定百分比。该设定百分比可以基于金属基基底的应用要求。例如，金属基基底可用于具有一定疲劳要求的喷气发动机或燃气涡轮机。低循环疲劳的设定百分比可以是零百分比，从而使得覆盖性金属基涂层不会引起未涂覆金属基基底的可操作寿命的耗损。在另一个实例中，低循环疲劳的设定百分比可以是百分之二十，从而使得覆盖性金属基涂层耗损未涂覆金属基基底的可操作寿命的百分之二十。
疲劳要求204沿垂直轴线210定位，该垂直轴线表示系统(例如，喷气发动机或燃气涡轮机)所需的疲劳寿命。疲劳寿命表示部件基于应用的最小循环次数和/或工作寿命。例如，金属基基底的应用可以是设备(诸如发动机)的零件。金属基基底的疲劳寿命可表示在操作使用期间需要修理和/或操作失效之前发动机的负载循环次数。
疲劳要求204相对于图1的制品100的疲劳寿命曲线214示出。疲劳寿命曲线214是基于沿水平轴线208的界面韧性的覆盖性金属基涂层/金属基基底系统的预计疲劳寿命(projected fatigue life)，该水平轴表示不同的界面韧性。疲劳寿命曲线214可以基于先前的实验信息或模型计算。疲劳寿命曲线214与界面韧性呈反比关系。例如，随着界面韧性的增加，疲劳寿命曲线214降低。
另外或替代地，较低的界面韧性延长疲劳寿命，因为穿过覆盖性金属基涂层传播的裂纹在涂层与金属基基底之间的界面处被偏转并防止传播到金属基基底中。
粘附要求206表示将覆盖性金属基涂层粘附到金属基基底上所需的最小循环次数。粘附要求206相对于覆盖性金属基涂层的粘附曲线212示出。粘附曲线212可以基于先前的实验信息或模型计算。粘附曲线212是基于界面韧性的覆盖性金属基涂层的预计粘附力。粘附曲线212示出了覆盖性金属基涂层的粘附力与界面韧性之间的直接关系；随着界面韧性的增加，粘附力也增加。
用于覆盖性金属基涂层的界面韧性范围202基于疲劳寿命214和粘附曲线212。例如，疲劳寿命214的部分216和粘附曲线212的部分217分别同时高于疲劳要求204和粘附要求206。根据本说明书描述的实施方案，部分216和部分217限定界面韧性范围202的边界220和222。界面韧性范围202被构造成使得响应于在覆盖性金属基涂层内萌发的裂纹，该裂纹具有与穿过界面进入金属基基底的路径相比在能量上更加有利于沿介于金属基基底与覆盖性金属基涂层之间的界面的传播路径。术语“在能量上有利(energeticallyfavorable)”指示基于裂纹穿过材料递增地传播所需的能量的方向和/或路径。裂纹将主要沿着最低可能的能量路径移动或传播。可以基于金属基基底疲劳裂纹扩展门槛应力强度(fatigue crack growth threshold stress intensity)(例如，ΔKth)针对限制疲劳要求(limiting fatigue requirement)来限定界面韧性范围202。该门槛应力强度(例如，ΔKth)表示使裂纹穿过界面传播到金属基基底中所需的临界应力强度(critical stressintensity)或能量。例如，当界面韧性大于金属基基底疲劳裂纹扩展门槛值的某一分率(some fraction)时，覆盖性金属基涂层内的裂纹可延伸或传递经过界面或穿过界面进入金属基基底中并继续传播。该金属基基底疲劳裂纹扩展门槛值基于一个或多个特征，诸如金属基基底的组成及其加工方式，并且易于测量以及可被本领域技术人员很好地理解。界面韧性范围202被构造成小于金属基基底疲劳裂纹扩展门槛值的某一分率，使得裂纹的传播路径在能量上更加有利于沿界面延伸而不是穿过界面进入金属基底。
图3示出了表示均作为在高速空气燃料(HVAF)涂覆工艺中使用的间隔距离(SOD)302的函数的界面韧性曲线308和疲劳寿命310的实施方案的图解说明300。图3示出了本说明书描述的实施方案的实例。
SOD是HVAF喷枪上的喷嘴端部与金属基底的表面之间的物理距离，此处以厘米为单位测量。在该实例中，覆盖性金属基涂料是含有钴、镍、铬、铝和钇的标准粘合涂料组合物，并且金属基基底是镍基合金。界面韧性曲线308对应于左垂直轴线304，而疲劳寿命曲线310对应于疲劳Z分数轴线(Fatigue Z Score axis)306。疲劳Z分数轴线306表示作为Z分数的疲劳寿命。作为相对于平均值的标准偏差数值，Z分数量化了相对于裸露和/或未涂覆的金属基基底的疲劳寿命。疲劳寿命曲线310的负值表示覆盖性金属基涂层/金属基基底系统的疲劳寿命耗损。例如，在界面韧性为约
Figure BDA0001823070300000101
的具体情况下发生约-3个标准偏差的疲劳耗损。该界面韧性表示金属基基底疲劳裂纹扩展门槛值(例如，ΔKth)的约四分之一。取决于应用的特定疲劳要求，直接测量或相对于基底疲劳裂纹扩展门槛值限定的该值可被设定作为容许界面韧性的上限(upper bound)。
在本实例中作为SOD的函数的界面韧性和疲劳寿命相关性及范围的结果令人惊讶，因为基于本领域的常规实践，通常最大化界面韧性以用于涂层粘附，而疲劳寿命只是这个过程的最终结果(net result)。此处，如图3所示，观察到可通过逐渐降低界面韧性来改善疲劳寿命，从而可以平衡覆盖性金属基涂层/金属基基底制品的可接受的疲劳要求和粘附要求。在一个实施方案中，最小界面韧性为至少约
Figure BDA0001823070300000111
Figure BDA0001823070300000112
以满足粘附要求206(如图2所示)。结合上面所讨论的疲劳要求，界面韧性在由上限和下限限定的范围内。该下限处于约
Figure BDA0001823070300000113
至约
Figure BDA0001823070300000114
的下限范围内。该上限处于约
Figure BDA0001823070300000115
至约
Figure BDA0001823070300000116
的上限范围内，其中ΔKth是基底的疲劳裂纹扩展门槛应力强度。在此范围内的界面韧性可以满足疲劳要求204和粘附要求206的性能标准，在这种情况下，将HVAF喷枪的SOD设定在约17cm与32cm之间(例如，可以注意到32厘米是此处研究的最高SOD)。更一般地，界面韧性可以表示为某个范围。例如，将下限设定为绝对韧性，并且该范围的上限被指定为金属基基底疲劳裂纹扩展门槛值的分率。指定该范围的下限以满足制品100的粘附要求206。在一个实施方案中，该范围的下限为至少约
Figure BDA0001823070300000117
在一些实施方案中，例如在认为需要相对较高的涂层粘附力的情况下，可将下限设定得更高，例如至少约
Figure BDA0001823070300000118
在一个实施方案中，下限为
Figure BDA0001823070300000119
而且，如上所述，指定该范围的上限以满足应用的特定疲劳要求。在一些实施方案中，该范围的上限小于约
Figure BDA00018230703000001110
例如，在一个实施方案中，该范围的上限可以是
Figure BDA00018230703000001111
在疲劳耗损尤其受关注的某些实施方案中，可将上限设定为较低值，例如小于约
Figure BDA00018230703000001112
和/或小于约
Figure BDA00018230703000001113
在一个实施方案中，上限为
Figure BDA00018230703000001114
为特定实施方案指定的实际范围可以是上述上限和下限的任何组合。例如，界面韧性可以在至少约
Figure BDA00018230703000001115
至小于约
Figure BDA00018230703000001116
的范围内。在另一个实例中，界面韧性可以在至少约
Figure BDA00018230703000001117
至小于约
Figure BDA00018230703000001118
的范围内。在另一个实例中，界面韧性可以在至少约
Figure BDA00018230703000001119
至小于约
Figure BDA00018230703000001120
Figure BDA0001823070300000121
的范围内。可以注意到，可以如上所述使用下限和上限的其他组合。
界面韧性曲线308基于来自如图4所示的以各种SOD施加到金属基基底上的覆盖性金属基涂层406的实验数据形成。通过在精确控制的载荷下将压头直接施加到覆盖性金属基涂层与金属基基底之间的界面上来测量界面韧性。在足够的载荷下，裂纹408由于压头404的压印沿界面形成。测量由给定载荷下的压痕引起的裂纹402的长度，并且按照G.R.Anstis等人，“A Critical Evaluation of Indentation Techniques for MeasuringFracture Toughness:I,Direct Crack Measurements”,Journal of the AmericanCeramic Society,第64卷第9期,第533-538页,1981中概述的程序得出界面韧性值。这种测量在具有不同SOD的样品上重复多次，以产生图3中所示的界面韧性曲线308。
图3中的疲劳寿命曲线310基于机械测试形成，其中金属基基底测试棒(metal-based substrate test bars)以各种SOD涂覆有覆盖性金属基涂层，并且在模拟某个部件在服务中所经历的疲劳的条件下进行测试。对涂覆的测试棒进行循环测试直至失效，并将失效总循环次数与未涂覆测试棒失效的循环次数进行比较，以确定图3中的疲劳Z分数轴线306。
图5示出了用于在界面韧性范围内将覆盖性金属基涂层施加到金属基基底上的方法500的实施方案的流程图。例如，方法500可以采用本说明书讨论的各种实施方案(例如，系统和/或方法)的结构或方面。在各种实施方案中，可省略或添加某些步骤(或操作)，可组合某些步骤，可同时执行某些步骤，可并行执行某些步骤，可将某些步骤分成多个步骤，可以不同次序执行某些步骤，或可以重复方式反复执行某些步骤或步骤系列。在各种实施方案中，方法500的部分、方面和/或变型可以用作一个或多个算法来指示硬件执行本说明书所述的一个或多个操作。
从502开始，确定疲劳要求204(图2)和粘附要求206。例如，疲劳要求204可表示低循环疲劳要求，其表示在超过弹性极限并且材料经历塑性应变的高应力下材料的循环载荷。粘附要求206可表示将覆盖性金属基涂层粘附到金属基基底上所需的最小循环次数。任选地，粘附要求206基于金属基基底和/或覆盖性金属基涂层的特征和/或先前信息。
在504处，确定基于疲劳要求204和粘附要求202的金属基涂层的界面韧性范围202。用于覆盖性金属基涂层的界面韧性范围202基于疲劳曲线214和粘附曲线212。界面韧性范围202被构造成使得在覆盖性金属基涂层内萌发的裂纹具有与穿过界面进入金属基底的路径相比在能量上更加有利于沿介于金属基基底与覆盖性金属基涂层之间的界面的传播路径。
在510处，将预涂覆处理应用于金属基基底的表面处理。例如，如本领域中已知的，可以改变金属基基底102或金属基基底102的复合基底表面，以提供覆盖性金属基涂层104与金属基基底102和/或复合基底表面之间的可接受的界面韧性范围。
在512处，将中间粘附层施加到金属基基底102上，然后将覆盖性金属基涂层104施加到该中间粘附层上。
在514处，将覆盖性金属基涂层104施加在金属基基底102上，使得界面韧性在界面韧性范围202内。例如，如本领域中已知的HVAF喷枪以图3所示的SOD施加覆盖性金属基涂层104。另外或替代地，利用从HVAF喷枪发射时HVAF喷枪的角度和/或覆盖性金属基涂层104的温度来增加或降低覆盖性金属基涂层104的界面韧性。另外或替代地，覆盖性金属基涂层可以本领域已知的替代工艺施用，诸如其他热喷涂工艺、冷喷涂、电镀、物理气相沉积、化学气相沉积、基于浆料的方法和/或类似工艺。
在一个实施方案中，提供了一种制品。该制品包括金属基基底，该金属基基底具有在界面处设置在该基底上的覆盖性金属基涂层。该界面被构造成使得在覆盖性金属基涂层内形成并接近该界面的裂纹具有比穿过界面并进入金属基基底在能量上更有利于沿界面的传播路径。
任选地，选择界面韧性以具有如下韧性，其下限为至少约
Figure BDA0001823070300000131
Figure BDA0001823070300000132
并且上限小于约
Figure BDA0001823070300000133
任选地，选择界面韧性以具有如下韧性，其下限为至少约
Figure BDA0001823070300000134
并且上限小于约
Figure BDA0001823070300000135
Figure BDA0001823070300000136
任选地，选择界面韧性以具有如下韧性，其下限为至少约
Figure BDA0001823070300000137
至至少约
Figure BDA0001823070300000138
并且上限为约
Figure BDA0001823070300000139
Figure BDA00018230703000001310
至约
Figure BDA00018230703000001311
在一个实施方案中，上限为
Figure BDA00018230703000001312
Figure BDA00018230703000001313
在另一个实施方案中，上限为
Figure BDA00018230703000001314
在一个实施方案中，下限可以是
Figure BDA00018230703000001315
任选地，覆盖性金属基涂层包括镍基合金、钴基合金、铁基合金或包括这些中的一种或多种的任何组合。任选地，金属基基底包括镍基合金、钴基合金、铁基合金或包括这些中的一种或多种的组合。另外或替代地，中间粘附层介于金属基基底与覆盖性金属基涂层之间。中间粘附层被构造成使得在覆盖性金属基涂层内形成并接近中间粘附层的裂纹具有比穿过界面并进入金属基基底在能量上更加有利于沿中间粘结层的传播路径。
在一个实施方案中，提供了一种方法。该方法包括将覆盖性金属基涂层施加到金属基基底上。覆盖性金属基涂层与金属基基底之间的界面被构造成使得在覆盖性金属基涂层内形成并接近该界面的裂纹具有比穿过界面进入金属基基底在能量上更加有利于沿界面的传播路径。覆盖性金属基涂层是镍基合金、钴基合金或铁基合金(诸如合金625、Haynes282、合金718或GT33)中的至少一种，并且金属基基底是镍基合金、钴基合金或铁基合金(诸如合金718、合金706、R88DT、R104、R65或U720)中的至少一种。覆盖性金属基涂层与金属基基底之间的界面具有在
Figure BDA0001823070300000141
至
Figure BDA0001823070300000142
范围内的界面韧性。
任选地，施加金属基覆盖性涂层包括使用热喷涂工艺、冷喷涂、电镀、物理气相沉积、化学气相沉积或基于浆料的方法。另外或替代地，该方法包括对金属基基底施加预涂覆表面处理。另外或替代地，该方法包括将中间粘附层施加到金属基基底上。
在一个实施方案中，提供了一种方法。该方法包括通过热喷涂工艺将覆盖性金属基涂层施加到金属基基底上。覆盖性金属基涂层与金属基基底之间的界面被构造成使得在覆盖性金属基涂层内形成并接近该界面的裂纹具有比穿过界面进入金属基基底在能量上更加有利于沿界面的传播路径。覆盖性金属基涂层包括镍基合金、钴基合金或包括这些中的一种或多种的任何组合。金属基基底包括镍基合金。覆盖性金属基涂层与金属基基底之间的界面具有在
Figure BDA0001823070300000143
至
Figure BDA0001823070300000144
范围内的界面韧性。
如本说明书所使用，以单数形式叙述且跟在词语“一”或“一个”后的元件或步骤应理解为不排除复数个所述元件或步骤，除非明确陈述此类排除。此外，对当前描述的主题的“一个实施方案”的提及并非旨在解释为排除同样合并有所述特征的附加实施方案的存在。此外，除非明确地陈述为相反情况，否则“包括”或“具有”带有特定属性的一个元件或多个元件的实施方案可以包括不带有该属性的其他此类元件。
应了解，以上描述希望为说明性而非限制性的。例如，上述实施方案(和/或其方面)可相互组合使用。例如，上述实施方案(和/或其方面)可相互组合使用。另外，在不脱离本说明书所阐述主题的范围的情况下，可进行许多修改以使特定情形或材料适应所述主题的教示。虽然本说明书所描述的材料的大小和类型旨在限定所公开主题的参数，但其绝非是限制性的，而是示范性实施方案。本领域的技术人员在查阅以上描述后将会明白许多其他实施方案。因此，本说明书所描述的主题的范围应参考所附权利要求书以及此类权利要求书有权要求的等效物的完整范围来确定。在所附权利要求书中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”用作对应术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的通俗英文等价词。此外，在以下权利要求书中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，且并旨在对其对象强加数字要求。此外，以下权利要求书的限制并不按照装置加功能格式编写并且不旨在基于35U.S.C.§112(f)来解释，除非且直到这类权利要求限制明确使用短语“用于……的装置”随后没有进一步结构的功能陈述。
本说明书使用实例来公开本说明书所阐述的主题的若干实施方案，包括最佳模式，并且还使本领域的普通技术人员能够实践所公开主题的实施方案，包括制造和使用所述装置或系统以及执行所述方法。本说明书所描述的主题的可获专利范围由权利要求书来限定并且可包括本领域的普通技术人员想到的其他实例。如果此类其他实例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种制品，包括：
金属基基底，所述金属基基底具有在界面处设置在所述基底上的覆盖性金属基涂层，所述界面具有界面韧性，其中所述界面被构造成使得在所述覆盖性金属基涂层内形成并接近所述界面的裂纹具有比穿过所述界面并进入所述金属基基底的传播路径在能量上更加有利于沿所述界面的传播路径,
其中，所述界面韧性在由上限和下限限定的范围内，所述下限处于约
Figure FDA0003460093130000011
至约
Figure FDA0003460093130000012
的下限范围内，所述上限为0.2*ΔKth
Figure FDA0003460093130000013
ΔKth是所述基底的疲劳裂纹扩展门槛应力强度。
2.根据权利要求1所述的制品，其中所述覆盖性金属基涂层包括镍基合金、钴基合金、铁基合金或包括这些中的一种或多种的任何组合。
3.根据权利要求1所述的制品，其中所述金属基基底包括镍基合金、钴基合金、铁基合金或包括这些中的一种或多种的组合。
4.根据权利要求1所述的制品，其中中间粘附层介于所述金属基基底和所述覆盖性金属基涂层之间，其中所述中间粘附层被构造成使得在所述覆盖性金属基涂层内形成并接近所述中间粘附层的裂纹具有比穿过所述中间粘附层并进入所述金属基基底的传播路径在能量上更加有利于沿所述中间粘附层的传播路径。
5.一种制品，包括：
金属基基底上的覆盖性金属基涂层，所述覆盖性金属基涂层包括镍基合金、钴基合金或包括这些中的一种或多种的任何组合，所述金属基基底包括镍基合金，其中所述覆盖性金属基涂层与所述金属基基底之间的界面韧性经选择具有
Figure FDA0003460093130000014
的下限和
Figure FDA0003460093130000015
的上限，ΔKth是所述基底的疲劳裂纹扩展门槛应力强度，并且响应于所述覆盖性金属基涂层内的裂纹，所述界面韧性被构造成使得在所述覆盖性金属基涂层内形成并接近所述覆盖性金属基涂层与所述金属基基底之间的界面的裂纹具有比穿过所述界面并进入所述金属基基底的传播路径在能量上更加有利于沿所述界面的传播路径。
6.一种方法，包括：
将覆盖性金属基涂层施加到金属基基底上，其中所述覆盖性金属基涂层与所述金属基基底之间的界面被构造成使得在所述覆盖性金属基涂层内形成并接近所述界面的裂纹具有比穿过所述界面进入所述金属基基底的传播路径在能量上更加有利于沿所述界面的传播路径，所述覆盖性金属基涂层包括镍基合金、钴基合金、铁基合金或包括这些中的一种或多种的任何组合，所述金属基基底包括镍基合金、钴基合金、铁基合金或包括这些中的一种或多种的组合，并且所述覆盖性金属基涂层与所述金属基基底之间的所述界面具有在由上限和下限限定的范围内的界面韧性，所述下限处于约
Figure FDA0003460093130000021
至约
Figure FDA0003460093130000022
的下限范围内，所述上限为
Figure FDA0003460093130000023
ΔKth是所述基底的疲劳裂纹扩展门槛应力强度。
7.根据权利要求6所述的方法，其中施加所述金属基覆盖性涂层包括使用热喷涂工艺、冷喷涂、电镀、物理气相沉积、化学气相沉积或基于浆料的方法。
8.根据权利要求6所述的方法，还包括对所述金属基基底施加预涂覆表面处理。
9.根据权利要求6所述的方法，还包括将中间粘附层施加到所述金属基基底上。
10.一种方法，包括：
使用高速空气燃料(HVAF)喷枪将覆盖性金属基涂层施加到金属基基底上，所述覆盖性金属基涂层包括镍基合金、钴基合金或包括这些中的一种或多种的任何组合，所述金属基基底包括镍基合金，其中所述覆盖性金属基涂层与所述金属基基底之间的界面韧性在由上限和下限限定的范围内，所述下限处于约
Figure FDA0003460093130000031
至约
Figure FDA0003460093130000032
的下限范围内，所述上限为
Figure FDA0003460093130000033
ΔKth是所述基底的疲劳裂纹扩展门槛应力强度，所述界面韧性基于将所述覆盖性金属基涂层施加到所述金属基基底上时所述HVAF喷枪的间隔距离，响应于所述覆盖性金属基涂层内的裂纹，所述界面韧性被构造成使得在所述覆盖性金属基涂层内形成并接近所述覆盖性金属基涂层与所述金属基基底之间的界面的裂纹具有比穿过所述界面并进入所述金属基基底的传播路径在能量上更加有利于沿所述界面的传播路径。
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