CN116892422A - 氧化钇稳定的氧化锆浆料及其施加方法 - Google Patents

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Abstract

提供了涂层部件及其形成方法。该涂层部件包括具有表面的部件和所述部件的表面上的涂层。该涂层可包含：多个第一粗微晶，所述第一粗微晶具有大于10μm至20μm的粗中值晶粒尺寸；多个第二中微晶，所述第二中微晶具有4μm至10μm的中等中值晶粒尺寸；多个第三细微晶，所述第三细微晶具有0.001μm至小于4μm的细中值晶粒尺寸。粗微晶、中微晶和细微晶各自独立地包含氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)成分，所述YSZ成分的化学式为(ZrO2)(1‑x)(Y2O3)x，式中x大于0且小于1。

Description

氧化钇稳定的氧化锆浆料及其施加方法
优先权
本申请要求2022年3月30日提交的印度临时专利申请号202211018839的优先权。
技术领域
本文描述的主题涉及氧化钇稳定的氧化锆，包括氧化钇稳定的氧化锆浆料，及其施加方法，例如用于燃气涡轮发动机的涂层。
背景技术
通常，燃气涡轮发动机经受极端操作条件，例如高温、高压和/或高转速，从而产生了恶劣的部件环境。特别地，由于这些运行条件，发动机桨叶(blade)会承受高应力、高离心载荷和振动，这可能会导致附近部件(例如护罩组件)的损坏，从而增加桨叶和护罩组件之间的间隙并降低燃气涡轮发动机的效率。
可以使用多种因素的组合来防止此种低效率。例如，涂层可施加于在高温下操作或暴露于高温的制品。当前的涂层通常包括在热气路径部件之间使用粘合涂层以帮助涂层粘附到部件上。另一种防止涂层缺陷的方法是对发动机进行定期维护。然而，燃气涡轮发动机的日常维护可包括洗涤涂层材料并将其重新施加到部件上。此类操作可通过拆卸发动机来进行，导致发动机停机，从而导致长时间的服务中断。
因此，本领域需要一种低维护、更持久的涂层以延长发动机部件(尤其是燃气涡轮发动机的发动机护罩部件)的寿命。
附图说明
针对本领域普通技术人员，本说明书中参考附图阐述了本发明的完整且可行的公开内容，包括其最佳模式，其中：
图1为根据本发明的一个实施方式的燃气涡轮发动机的示例性截面图；
图2为根据本发明的一个实施方式的燃气涡轮发动机的高压涡轮部分的截面侧视放大图；
图3为根据本发明的一个实施方式的护罩组件的截面图；
图4为根据本发明的一个实施方式的示例性浆料组合物中不同尺寸的颗粒的示意图；
图5A为示例性涂层部件的图示，其在基底上的阻挡涂层上具有可磨损涂层；
图5B为示例性涂层部件的图示，其在基底上具有可磨损涂层；
图6为涂层部件的表面的截面；以及
图7为根据本发明的一个实施方式的用于施加浆料组合物的方法的一个实施方式的流程图。
发明内容
现在将详细参考本发明的实施方式，附图中显示了实施方式的一个以上实施例。每个实施例均通过解释本发明的方式提供，而不旨在是限制性的。对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。例如，作为一个实施方式的一部分显示或描述的特征可以与另一个实施方式一起使用以产生又一个实施方式。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
本文使用的词“示例性”指“用作示例、实例或说明”。本文描述为“示例性”的任何实施方式不一定被解释为优选于或优于其他实施方式。此外，除非另有具体说明，否则本文描述的所有实施方式都应被视为示例性的。
如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以将一个部件与另一个部件区分开来并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
如本文所用，术语“涂层”指以连续或不连续的方式布置在下层表面的至少一部分上的材料。此外，术语“涂层”并不一定意味着布置材料的厚度均匀，并且布置材料可以具有均匀或可变的厚度。术语“涂层”可指单层涂层材料或可指多层涂层材料。涂层材料在多个层中可以相同或不同。此外，术语“涂层系统”可以指以连续或不连续的方式布置在下层表面的至少一部分上的系统或材料组。如本文所用，术语“可磨损涂层”可指可被磨损的材料。换言之，如果一个部件涂有可磨损涂层并在运动中与研磨性更高的材料摩擦，则前者会磨损，而后者则不会磨损或几乎没有磨损。
在本发明中，当一个层被描述为另一层或基底“上”或“之上”时，除非有相反的明确说明，应当理解，这些层可以彼此直接接触或者在这些层之间具有另一层或另一特征。因此，这些术语只是简单地描述了层之间的相对位置，并不一定意味着“在顶部”，因为上面或下面的相对位置取决于设备相对于观察者的方向。
本发明中使用化学元素的常用化学缩写来讨论化学元素，例如元素周期表中的常见缩写。例如，氢由其常用化学缩写H表示、氦由其常用化学缩写He表示等。
在此处以及整个说明书和权利要求中，可以对范围限定进行组合和互换，此类范围被识别且包括其中所含的所有子范围，除非上下文或语言另有说明。例如，本文公开的所有范围均包括端点，并且端点可彼此独立组合。
本发明总体上涉及氧化钇稳定的氧化锆浆料、使用此种浆料在部件上形成涂层的方法、以及由氧化钇稳定的氧化锆浆料形成的所得涂层部件。例如，涂层部件可包括由氧化钇稳定的氧化锆浆料制成的可磨损涂层，特别适合用在涡轮机械(例如燃气涡轮发动机)的部件上。通常，氧化钇稳定的氧化锆浆料具有多个颗粒，所述多个颗粒具有粗颗粒、中颗粒和细颗粒的不同粒径的多峰分布。在某些实施方式中，不同粒径的多峰分布还包括2至4的粗粒径/中粒径比率和5至10的中粒径/细粒径比率。氧化钇稳定的氧化锆浆料还包含粘合剂和载体流体。
多峰分布可以包括粗颗粒、中颗粒和细颗粒，其中，粗颗粒、中颗粒和细颗粒各自独立地包含氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)成分，其化学式为(ZrO2)(1-x)(Y2O3)x，式中x大于0且小于1。然而，YSZ在沉积后通常几乎没有固有强度和粘合性，特别在相对低的温度下。不希望受任何特定理论的束缚，据信粗颗粒最终形成互连的微晶(例如其平均晶粒尺寸为大于10μm至20μm)网络，中颗粒和细颗粒填充相邻微晶之间的间隙空间，同时在涂层中留下一些孔隙以获得柔度。此外，据信细颗粒有助于将粗颗粒和中颗粒烧结在一起以增加涂层的强度并增加与基底的粘合强度。
粘合剂材料(例如硅系粘合剂)也可以包含在浆料中。例如，硅系粘合剂可包括基本上不含碳的无机硅基粘合剂(例如二氧化硅、硅酮、聚硅氧烷等，或它们的混合物)。在沉积过程中和沉积之后，硅系粘合剂有助于将粗颗粒、中等颗粒和细颗粒粘附在一起并将其粘附到表面。然后，在固化时，硅系粘合剂分解为二氧化硅以进一步将粗颗粒、中粒和细颗粒粘合和烧结在一起并将其粘合和烧结到表面。此种无机硅系粘合剂可以减少在后续处理步骤中可能出现的复杂情况，否则将需要除去碳材料。然而，在备选实施方式中，硅系粘合剂可以是含碳的有机硅系粘合剂(例如聚二甲基硅氧烷)。当包含有机硅系粘合剂时，可以从涂层中烧尽任何碳材料以从所得涂层中除去碳材料。
如上所述，该浆料和方法特别适用于形成或修复用在涡轮机械的部件上的涂层。术语“涡轮机”或“涡轮机械”指一种机器，其包括一个以上压缩机、发热部(例如燃烧部)和一个以上涡轮，它们一起产生扭矩输出。术语“燃气涡轮发动机”指具有涡轮机械作为其全部或部分动力源的发动机。示例性的燃气涡轮发动机包括涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷气发动机、涡轮轴发动机等，以及这些发动机中的一个以上的混合电能版本。
现在参考附图，图1为示例性高旁通比涡轮风扇型发动机10的截面示意图，本文称为“涡轮风扇10”，其可结合本发明的各种实施方式。如图1所示，涡轮风扇10具有纵向或轴向中心线轴线12，该中心线轴线12延伸穿过涡轮风扇10以作参考。通常，涡轮风扇10可包括设置在风扇部16下游的核心涡轮或燃气涡轮发动机14。
燃气涡轮发动机14通常可包括基本为管状的外壳18，其限定环形入口20。管状外壳18可由多个壳体形成。管状外壳18以串联流动关系包围：压缩机部，其具有增压或低压(LP)压缩机22、高压(HP)压缩机24；燃烧部26；涡轮部，其包括高压(HP)涡轮28、低压(LP)涡轮30；以及喷射排气喷嘴部32。高压(HP)轴或HP线轴34将HP涡轮28驱动连接至HP压缩机24。低压(LP)轴或LP线轴36将LP涡轮30驱动连接至LP压缩机22。(LP)线轴36也可以连接到风扇线轴38或风扇部16的轴。在特定实施方式中，(LP)线轴36可以直接连接到风扇线轴38，例如在直接驱动配置中。在替代配置中，(LP)线轴36可以经由减速装置37(例如间接驱动或齿轮驱动配置的减速齿轮变速箱)连接到风扇线轴38。此类减速装置可以根据需要或需求包括在涡轮风扇10内的任何合适的轴/线轴之间。
如图1所示，风扇部16包括多个风扇桨叶40，风扇桨叶40连接到风扇线轴38并从风扇转轴38径向向外延伸。环形风扇壳体或机舱42周向围绕风扇部16和/或燃气涡轮发动机14的至少一部分。本领域普通技术人员应当理解，机舱42可构造成通过多个周向分隔的出口导向轮叶(vane)44相对于燃气涡轮发动机14支撑。此外，机舱42的下游部46(周向分隔的出口导向轮叶44的下游)可以在燃气涡轮发动机14的外部之上延伸，以在它们之间限定旁路气流通道48。
图2提供了如图1所示的燃气涡轮发动机14的HP涡轮28部分的截面放大图，其可结合本发明的各种实施方式。如图2所示，HP涡轮28以串联流动关系包括第一级50，其包括定子轮叶54的环形阵列52(仅显示一个)，环形阵列52与涡轮转子桨叶58的环形阵列56(仅显示一个)轴向分隔。HP涡轮28还包括第二级60，第二级60包括定子轮叶64的环形阵列62(仅显示一个)，环形阵列62与涡轮转子桨叶68的环形阵列66(仅显示一个)轴向分隔。涡轮转子桨叶58、68从HP线轴34(图1)径向向外延伸并与HP线轴34连接。如图2所示，定子轮叶54、64和涡轮转子桨叶58、68至少部分地限定气体流路70，用于引导燃烧气体从燃烧部26(图1)通过HP涡轮28。
如图2进一步所示，HP涡轮28可包括一个以上护罩组件100，每个护罩组件100形成围绕转子桨叶58、68的环形阵列56、66的环形圈。例如，护罩组件100A可形成围绕第一级50的转子桨叶58的环形阵列56的环形圈，第二护罩组件100B可形成围绕第二级60的转子桨叶68的环形阵列66的环形圈。通常，护罩组件100A、100B(统称为护罩组件100)的护罩与每个转子桨叶68的桨叶尖端76、78径向分隔。径向间隙或间隙CL限定在桨叶尖端76、78和护罩组件100之间。护罩组件100通常减少气体流路70的泄漏。
应当注意，护罩组件100可以以类似方式附加地用在LP压缩机22、HP压缩机24和/或LP涡轮30中。因此，本文公开的护罩组件100不限于在HP涡轮28中使用，而是可以在燃气涡轮发动机14的任何合适部分中使用。
现在参考图3，显示了护罩组件100A，护罩组件100A包括根据本发明的护罩102和吊架104。根据本发明的护罩102可包括例如护罩主体110、前法兰120和后法兰130。在示例性实施方式中，护罩主体110和法兰120、130(以及护罩102整体)可由CMC材料形成，尽管在替代实施方式中护罩主体110和法兰120、130(以及护罩102整体)可由另一种合适的材料(例如金属)等形成。在一些实施方式中，护罩主体110和法兰120、130可以是一体的并且因此通常形成为单个部件。
护罩主体110可包括前表面112和后表面114。后表面114与前表面112轴向分隔，例如当在涡轮风扇发动机10中时大致沿着轴向中心线轴线12。内表面116和外表面118可各自在前表面112和后表面114之间延伸。外表面118与内表面116径向分隔。当护罩102在涡轮风扇10中时，内表面116可暴露于气体流路70，而外表面118因此与气体流路70径向分隔。
前法兰120和后法兰130可各自从护罩主体110延伸，例如从其外表面118延伸。后法兰130可与前法兰120轴向分隔。此外，前法兰120可大致位于护罩主体110的前表面112附近，而后法兰130大致位于护罩主体110的后表面114附近。每个法兰120、130可分别包括前表面122、132(分别)和后表面124、134(分别)。如图所示，法兰120、130可各自沿其长度大致周向延伸，并因此是周向取向的。
此外，每个法兰120、130中可以分别限定一个以上钻孔126、136。一个以上钻孔126、136中的每个钻孔可例如大致轴向延伸穿过在相关联的前表面122、132和相关联的后表面124、134之间的相关联的法兰120、130。一个以上钻孔126、136通常用于将护罩102连接至吊架104。例如，可将销180插入一个以上钻孔126、136和吊架104的相关联的钻孔中，以将护罩102与吊架104连接。
仍然参考图3，显示了示例性吊架104。吊架104通常连接到并支撑涡轮风扇10中的护罩102，并且其自身由涡轮风扇10中的各种其他部件支撑。吊架104可包括吊架主体160，以及从吊架主体160延伸的前吊架臂162和后吊架臂164，例如从吊架主体160径向向外(远离气体流路70)延伸。吊架主体160因此可以在臂162、164之间延伸。如图所示，后臂164可以与前臂162轴向分隔。
吊架104还可包括一个以上从吊架主体160延伸的法兰，例如从吊架主体160径向向内(朝向气体流路70)延伸。例如，前法兰172和后法兰174可从吊架主体160延伸。后法兰174可与前法兰172轴向分隔。前法兰172可靠近前吊架臂162，后法兰174可靠近后吊架臂164。法兰172、174中可分别限定一个以上钻孔176、178。
当组装时，护罩法兰120、130的钻孔126、136可大致与相关联的吊架钻孔176、178对齐。例如，钻孔126可与钻孔176对齐，钻孔136可与钻孔178对齐。一个以上销180可插入穿过并因此延伸穿过相关联的钻孔以将吊架104和护罩102连接在一起。在所示一些实施方式中，销180可以延伸穿过对齐的钻孔126、176、136和178。可选地，可将单独的销用于对齐的钻孔126、176和对齐的钻孔136、178。
现在参考图4，显示了示例性氧化钇稳定的氧化锆浆料200。在所示实施方式中，氧化钇稳定的氧化锆浆料200通常包含分散在载体流体230内的具有不同粒径的多峰分布的多个多峰颗粒201。特别地，多个不同粒径的多峰颗粒201可包含粗颗粒212、中颗粒214和细颗粒216。出于示意性目的，图4显示了具有实心填充的粗颗粒212，具有点填充的中颗粒214，以及具有垂直线填充的细颗粒216。这些颗粒未按尺寸绘制并且仅为多个多峰颗粒201的一个实施方式。
通常，粗颗粒212、中颗粒214和细颗粒216各自独立地包含一种以上的一次(primary)氧化物的陶瓷，例如氧化铝、氧化锆、氧化钇、氧化铈、莫来石和二氧化硅。在示例性实施方式中，一种以上的一次氧化物可包括氧化钇和氧化锆，使得粗颗粒212、中颗粒214和细颗粒216独立地包括氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)成分，YSZ成分的化学式为(ZrO2)(1-x)(Y2O3)x。如本文所用，“x”是重量分数，式中x大于0且小于1(即0<x<1)。例如，x可以为0.05至0.55，例如0.06至0.35，例如0.07至0.20，例如0.075至0.10。在一个以上具体实施方式中，x为0.08。氧化钇稳定的氧化锆浆料200的组成使得：一旦固化，就会产生可磨损的(例如能够被磨损的)可磨损涂层202(如下文参考图4所述)。
在一个实施方式中，细颗粒216和/或中颗粒214可以额外地和/或可选地包括烧结添加剂。烧结添加剂可以是Fe2O3、B2O3或MgO中的一种以上。如本文所用，“烧结”指使用热和/或压缩形成固体和/或多孔物质的过程，通常不发生液化。具有不同粒径的多峰分布还可以帮助在较低温度下引发烧结，从而促进烧结速率的提高同时抑制涂层的分层以帮助涂层经受住发动机的向上冲击温度和高温。在一个特定实施方式中，粗颗粒212可以基本不含任何烧结添加剂，从而促进由粗颗粒212形成的晶界之间的烧结。
如上所述，粗颗粒212、中颗粒214和细颗粒216各自分散在载体流体230中。载体流体230可以是水系或有机系的。例如，载体流体230可以是甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇、庚醇、辛醇、壬醇、癸醇、十二烷醇、二乙酰醇、丙酮、甲基异丁基酮(MIBK)、甲乙酮(MEK)、甲苯、庚烷、二甲苯、乙醚或它们的组合。还应当理解，载体流体230可以是任何其他合适的有机载体流体。载体流体230的选择可以根据环境的湿度和/或温度进行调整，其可能会影响氧化钇稳定的氧化锆浆料200的干燥。氧化钇稳定的氧化锆浆料200可以配置为具有可以在潮湿条件下涂覆表面而不会滴落的蒸汽压。
在一个特定实施方式中，选择载体流体230使得粘合剂材料可溶于其中。例如，当粘合剂材料包含硅酮时，醇系载体流体是特别合适的。然后可以将粘合剂材料包含在载体流体230内直至其饱和点，使得基本上所有的粘合剂材料都溶解在载体流体230内。在一个实施方式中，粘合剂材料以浆料200内颗粒总重量(即粗颗粒212、中颗粒214和细颗粒216的重量总和)的2％至10％、例如2.5％至7.5％的重量包含在浆料200内。
在特定实施方式中，多个多峰颗粒201可以包含大于0至50体积％的粗颗粒212、40至90体积％的中颗粒214和10至40体积％的细颗粒216。不同粒径的多峰分布还可包括：粗颗粒与中颗粒(例如粗颗粒212与中颗粒214)粒径比率为1至5，例如2至4，例如2.5。中颗粒与细颗粒(例如中颗粒214与细颗粒216)粒径比率可以为1至15，例如5至10，例如7。
通常，粗颗粒212具有比中颗粒214更大的中值粒径。同样地，中颗粒214具有比细颗粒216更大的中值粒径。例如，粗颗粒212的中值粒径可为大于10μm至20μm，例如12μm至18μm(例如15μm至17μm)。中颗粒214的中值粒径可为4μm至10μm(例如6μm至9μm)，以帮助填充所得涂层中相邻粗颗粒212之间形成的空隙(例如涂层中粗微晶之间的间隙空隙)。细颗粒216的中值粒径可为0.001μm至小于4μm，例如0.01μm至3μm(例如0.1μm至2μm)，以填充所得涂层中粗颗粒212与中颗粒214之间的空隙。
在一些示例性实施方式中，粗颗粒212、中颗粒214和细颗粒216可以组合以包含15体积％至35体积％的氧化钇稳定的氧化锆浆料200。在其他实施方式中，粗颗粒212、中颗粒214和细颗粒216可以组合以包含20体积％至30体积％的氧化钇稳定的氧化锆浆料200。在一个特定的非限制性实施方式中，粗颗粒212、中颗粒214和细颗粒216可以组合以包含27体积％的氧化钇稳定的氧化锆浆料200。
如上所述，可以将具有多个多峰颗粒201的浆料200沉积到表面上以形成微结构具有孔隙的涂层。参考图5A和5B，氧化钇稳定的氧化锆浆料200(图4)可以施加在部件280(例如图3的燃气涡轮发动机14的部件)的表面281上并固化成可磨损涂层202以形成涂层部件285。在图5A所示实施方式中，可选的阻挡涂层295(例如热障涂层或环境阻挡涂层)位于部件280的表面281上，使得可磨损涂层202形成在阻挡涂层295上。因此，在所示实施方式中，阻挡涂层295位于部件280和可磨损涂层202之间。如图5B所示，可磨损涂层202直接形成在部件280的表面281上。
在图5A和5B所示实施方式中，涂层202包括多个第一粗微晶291，其具有大于10μm至20μm的粗中值晶粒尺寸。这些多个第一粗微晶291通常由多个粗颗粒212形成(图3)。涂层202中还包含多个第二中微晶293，其具有4μm至10μm的中等中值晶粒尺寸。多个第二中微晶293通常由多个中颗粒214(图3)形成并位于相邻粗微晶291的微晶之间的间隙区域内。涂层202还包含多个第三细微晶294，其具有0.001μm至小于4μm的细中值晶粒尺寸。多个第三细微晶294通常由多个细颗粒216(图3)形成并位于相邻粗微晶291与中微晶293的微晶之间的间隙区域内。如上所述，细微晶294可以为粗微晶291和中微晶293提供粘附强度，有助于在烧结后将涂层202、特别是粗微晶291粘附至部件280上。
在一个特定实施方式中，涂层202中具有细颗粒294的梯度，使得细颗粒294在最靠近部件280的表面281的涂层202的内表面处的浓度高于在最远离表面281的涂层202的外表面处的浓度。因此，粗微晶291可以在它的最靠近部件280的表面281的内表面处更牢固地粘合在一起。
孔隙290以相邻粗微晶291和中微晶293的微晶之间的空隙/孔的形式限定在可磨损涂层202中。可磨损涂层202的孔隙290可以在10体积％至80体积％、例如15体积％至70体积％、例如20体积％至50体积％的范围内。平均孔尺寸可以为0.1μm至30μm，例如0.5μm至20μm，例如1μm至10μm。孔可以是分离的、互连的或两者的组合。在至少一些实施方式中，孔将基本均匀地分布在可磨损涂层202内。在一个实施方式中，涂层202中具有孔隙290的梯度，使得涂层202在其外表面处的孔隙率高于最接近表面281的内表面处的孔隙率(即，涂层202在最靠近部件280的表面281处比相对的外表面处更致密)。
在微观水平上，涂层部件285也可以具有晶粒结构。具体地，当可磨损涂层202由单峰和/或多峰颗粒制备并且烧结期间多个颗粒之间的扩散导致了颗粒间的结合时，形成晶粒结构。目前将涂层施加于部件的技术包括使用空气等离子喷涂(APS)或电子束物理气相沉积(EBPVD)；然而，这些技术分别产生不同的微结构，例如层或柱状微结构。使用本文所述的氧化钇稳定的氧化锆浆料200用喷涂技术进行施加，产生具有不同晶粒尺寸的晶粒微观结构，如上文关于图5A和5B所述。
现在参考图6的实施方式，显示了涂层部件285(在部件的表面281的涂层区域297上具有可磨损涂层202)的示意图。特别地，将掩蔽材料283施加到表面281的未涂覆区域299上以防止在掩蔽区域(对应于未涂覆区域299)形成可磨损涂层202。即，将氧化钇稳定的氧化锆浆料200(图4)施加到未覆盖部分上以在部件280的表面281上以形成涂层区域297，该部件280位于燃气涡轮发动机14的气体流路70中。在该实施方式中，可先将掩蔽材料283施加到未涂覆区域299上，接着施加浆料200以在涂覆区域297中形成可磨损涂层202，然后移除掩蔽材料283以暴露表面281的未覆盖部分299。
可以施加氧化钇稳定的氧化锆浆料200以形成具有所需涂层厚度(例如1μm至3,000μm，例如1μm至1,000μm)的可磨损涂层202。
在一个特定实施方式中，在部件280(图6)原位位于燃气涡轮发动机14(图1)上时，各自施加掩蔽材料283和氧化钇稳定的氧化锆浆料200(图4)。因此，可磨损涂层202可以通过燃气涡轮发动机14的机翼上(on-wing)原位修复方法形成。在此种实施方式中，氧化钇稳定的氧化锆浆料200可以形成生涂层(green coating)，该生涂层在燃气涡轮发动机14的使用期间使用来自其的热量进行固化以烧结成可磨损涂层202。在某些实施方式中，可磨损涂层202可以为部件280上的本底涂层(native coating)(例如原始涂层)。然而，应当理解，氧化钇稳定的氧化锆浆料200可以额外地或替代地用于修复现有热障涂层(“TBC”)，例如，作为恢复性热障涂层。出于示例性目的，本文中将提及“可磨损涂层202”，通常指本底涂层和恢复性热障涂层。
在一些实施方式中，部件280可以是护罩组件100的一部分；例如，护罩102。再次参考图2，氧化钇稳定的氧化锆浆料200可以施加到第一护罩组件100A和第二护罩组件100B中的至少一个的面向桨叶尖端76、78的表面上，例如限定了间隙CL的表面上。氧化钇稳定的氧化锆浆料200在固化之后成为可被桨叶尖端76、78磨损的可磨损涂层202，以使间隙CL尽可能小。在燃气涡轮发动机14的运行期间，旋转桨叶58、68(统称为“桨叶68”)可能会摩擦护罩组件100，这可能会增加桨叶68和护罩组件100之间的间隙CL。然而，如果桨叶68继续侵蚀护罩组件100，例如，侵蚀到间隙过大的程度，燃气涡轮发动机14的效率可能会降低和/或可能需要更频繁地维护。因此，在已将氧化钇稳定的氧化锆浆料200施加到组件280(例如护罩102)上并固化至至少目标厚度T之后，桨叶尖端76、78可摩擦护罩102以提供最小间隙CL。最小间隙CL小到足以使桨叶尖端76、78离开护罩组件100，但又不会大到牺牲燃气涡轮发动机14的效率。
此外，在一些实施方式中，可以在施加氧化钇稳定的氧化锆浆料200之前准备部件280的表面281。例如，在施加氧化钇稳定的氧化锆浆料200以增加粘附和/或对涂层区域297的覆盖之前，涂层区域297可以被粗糙化。如下文将更深入地解释的，准备涂层区域297可以包括将涂层区域297粗糙化，例如通过喷砂处理和/或手工磨削以产生粗糙度。喷砂处理可包括使用便携式喷砂装置和/或喷砂柜。便携式喷砂器可用于施加50PSI至150PSI(0.34MPa至1.03MPa)、例如75PSI至125PSI(0.51MPa至0.86MPa)的压力。此外，在一些实施方式中，砂粒可包括16grit，100％介质流量(例如340μin(8.636μm))，其中介质包含SiC。在其他实施方式中，例如，在使用较大喷砂装置的情况下，可以在不同条件下使用各种介质来使表面281粗糙化。例如，可以使用12grit的SiC介质。在一些实施方式中，喷砂柜可以施加50PSI至100PSI(0.34MPa至0.69MPa)、例如60PSI至80PSI(0.41MPa至0.55MPa)的压力。在某些非限制性实施方式中，使部件280的表面281粗糙化可产生大于50μin、大于100μin(2.54μm)、大于200μin(5.08μm)或大于300μin(7.62μm)的粗糙度。准备部件280的表面281还可包括使用酒精擦拭物来清洁表面281的表面。也可在准备施加氧化钇稳定的氧化锆浆料200时施加蜡棒。然而，应当理解，可以使用任何使部件280的涂层区域297粗糙化的其他方法。
在一个实施方式中，可以将浆料200施加到任何残留的阻挡涂层上、任何残留的粘合涂层上或直接施加到任何暴露的基底(例如金属或氧化金属或陶瓷)上。
现在参考图7，总体上显示了用于涂覆部件的方法300的一个实施方式的流程示意图。示例性方法300包括，在310处，将氧化钇稳定的氧化锆浆料施加到部件的表面的至少一部分上。如上所述，氧化钇稳定的氧化锆浆料可包含多个不同粒径的多峰颗粒，包括粗颗粒、中颗粒和细颗粒。此外，在320处，方法300包括通过干燥浆料来去除载体流体，由施加的氧化钇稳定的氧化锆浆料形成干燥涂层。在部件为燃气涡轮发动机的部件的某些示例性实施方式中，该方法可在燃气涡轮发动机上原位进行。最后，在330处烧结干燥涂层以形成最终涂层，例如通过在足以烧结涂层的温度下操作。
特别地，在图7的方框310中，氧化钇稳定的氧化锆浆料200(图4)可以使用任何合适的方法施加到部件280(图6)的表面281的涂层区域297上。在一个实施方式中，氧化钇稳定的氧化锆浆料200(图4)可以在5℃至100℃、例如10℃至80℃、例如15℃至70℃、例如20℃至50℃的施加温度下施加。在一个实施方式中，施加温度可以为室温(例如20℃至25℃)。喷涂的氧化钇稳定的氧化锆浆料200的涂层厚度可为1微米(μm)以上(例如10μm至3毫米(mm))，例如20μm以上(例如20μm至3mm)，例如25μm以上(例如25μm至1mm)。可以将氧化钇稳定的氧化锆浆料200施加为可覆盖涂覆区域的单个连续层。可选地，可以将氧化钇稳定的氧化锆浆料200施加为层叠的若干层。
方法300还包括，在320处，去除载体流体230以形成干燥涂层。例如，氧化钇稳定的氧化锆浆料200可暴露于空气以蒸发载体流体230。载体流体230可在相对低的温度(例如20℃室温至100℃)下蒸发一段时间(例如5小时、10小时、15小时、20小时、24小时或以上)。在大多数实施方式中，去除载体流体230，而将粘合剂与多个多峰颗粒201一起留在干燥涂层内。
此外，方法300还可以包括在330处烧结涂层以固化由氧化钇稳定的氧化锆浆料形成的干燥涂层。在该方法在燃气涡轮发动机上原位进行的实施方式中，特别地，可以使用来自燃气涡轮发动机本身的热量来固化干燥的涂层。在一些实施方式中，固化氧化钇稳定的氧化锆浆料可包括烧尽粘合剂，例如“闲置固化”。在一些实施方式中，可以将氧化钇稳定的氧化锆浆料以10℃/min的速率加热斜升至所需温度，例如，燃气涡轮发动机的运行温度。在某些非限制性实施方式中，通过在511.11℃(952°F)下加热氧化钇稳定的氧化锆浆料1小时，从而在干燥涂层中固化粘合剂，例如当粘合剂是硅系粘合剂时形成二氧化硅。可以使用类似的温度程序(例如10℃/min斜降)将固化的干燥涂层冷却至室温。然而，应当理解，可以使用普通技术人员已知的其他方式来固化干燥的涂层，特别是在部件不是燃气涡轮发动机的一部分而是一些其他机器的一部分的情况下。替代地或额外地，燃气涡轮发动机可用于在900℃至1100℃(例如975℃至1050℃)的运行温度下加热干燥涂层至固化期(例如5小时至10小时)，例如“主动固化”。燃气涡轮发动机的温度可以以10℃/min的速率斜升至所需的最终温度。这可能包括8至10小时的升温时间和冷却时间。在另一个实施方式中，可使用炉和/或燃气涡轮发动机在运行温度和固化期下固化干燥的涂层。然而，应当理解，干燥涂层可以以本领域普通技术人员已知的任何其他方式固化。
此外，在其他实施方式中，烧结氧化钇稳定的氧化锆浆料可以增加多个多峰颗粒201的颗粒与颗粒之间的相互作用，从而增加所得涂层的强度。在这些特定实施方式中，氧化钇稳定的氧化锆浆料还可包含如上所述的烧结添加剂。
在一些实施方式中，该方法还可以包括将可磨损涂层202的厚度精制到目标厚度T。在示例性实施方式中，涂层厚度大于最小间隙CL(图2)的距离，例如，使得在施加氧化钇稳定的氧化锆浆料200之后基本没有间隙CL。换言之，氧化钇稳定的氧化锆浆料200被施加到一定厚度使得具有可磨损涂层202的护罩组件100接触桨叶尖端76、78。然后，桨叶尖端76、78和护罩组件100通过磨损限定间隙CL，使其尽可能小。
施加氧化钇稳定的氧化锆浆料的方法提供了对部件的保护。例如，一旦固化，可磨损涂层可具有耐热性以保护部件(例如护罩)，使其免受运行期间燃气涡轮发动机内的高温影响。在部件上具有可磨损涂层还有助于提高发动机效率、降低排气温度(“EGT”)裕度并减少燃料燃烧。此外，可磨损涂层与部件的材料相容，从而不需要粘合涂层和/或基底。例如，当部件为燃气涡轮发动机的护罩时，可磨损涂层与护罩的材料(其可包含金属和/或CMC)相容。具体地，这些金属可以包括铂铝化物(platinum aluminide)、NiCrAlY或CoNiCrAl。额外地和/或替代地，在其他实施方式中，护罩组件可由镍系超合金制成。
还应当理解，氧化钇稳定的氧化锆浆料可用在任何机器内的任何部件上。例如，氧化钇稳定的氧化锆浆料通常可用于涡轮机械，包括高旁通比涡轮风扇喷气发动机(“涡轮风扇”)、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机和/或涡轮轴燃气涡轮发动机，包括工业和海洋燃气涡轮发动机和辅助动力装置。
本发明的其他方面由以下条款的主题提供：
1.一种涂层部件，所述涂层部件包括：
具有表面的部件；以及
所述部件的表面上的涂层；其中，所述涂层包含多个第一粗微晶，所述第一粗微晶具有大于10μm至20μm的粗中值晶粒尺寸；多个第二中微晶，所述第二中微晶具有4μm至10μm的中等中值晶粒尺寸；多个第三细微晶，所述第三细微晶具有0.001μm至小于4μm的细中值晶粒尺寸；所述粗微晶、所述中微晶和所述细微晶各自独立地包含氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)成分，所述YSZ成分的化学式为(ZrO2)(1-x)(Y2O3)x，式中x为大于0至小于1。
2.前述条款中任一项的涂层部件，其中，所述第三细微晶还包含烧结剂。
3.前述条款中任一项的涂层部件，其中，所述部件的表面包含金属，所述涂层直接在表面上或在表面上的粘合涂层上。
4.前述条款中任一项的涂层部件，其中，所述涂层还包含二氧化硅。
5.前述条款中任一项的涂层部件，其中，所述涂层的孔隙率为10体积％至80体积％。
6.前述条款中任一项的涂层部件，其中，所述涂层从最靠近所述部件的表面的内表面延伸至与内表面相对的外表面；所述涂层中具有细微晶的梯度，使得所述细微晶在所述内表面处的浓度高于在所述外表面处的浓度。
7.前述条款中任一项的涂层部件，其中，所述涂层从最靠近所述部件的表面的内表面延伸至与内表面相对的外表面；所述涂层中具有孔隙率的梯度，使得所述涂层在所述外表面处的孔隙率高于在所述内表面处的孔隙率。
8.前述条款中任一项的涂层部件，其中，所述多个第一粗微晶包含第一氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)成分，所述第一YSZ成分的化学式为(ZrO2)(1-x)(Y2O3)x，式中x为大于0至小于1。
8.前述条款中任一项的涂层部件，其中，所述多个第一粗颗粒包含第一氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)成分，所述第一YSZ成分的化学式为(ZrO2)(1-x)(Y2O3)x，式中x为大于0至小于1。
9.前述条款中任一项的涂层部件，其中，所述多个第二中微晶包含第二氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)成分，所述第二YSZ成分的化学式为(ZrO2)(1-x)(Y2O3)x，式中x为大于0至小于1。
9.前述条款中任一项的涂层部件，其中，所述多个第二中颗粒包含第二氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)成分，所述第二YSZ成分的化学式为(ZrO2)(1-x)(Y2O3)x，式中x为大于0至小于1。
10.前述条款中任一项的涂层部件，其中，所述多个第三细微晶包含第三氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)成分，所述第三YSZ成分的化学式为(ZrO2)(1-x)(Y2O3)x，式中x为大于0至小于1。
10.前述条款中任一项的涂层部件，其中，所述多个第三细颗粒包含第三氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)成分，所述第三YSZ成分的化学式为(ZrO2)(1-x)(Y2O3)x，式中x为大于0至小于1。
11.一种使用氧化钇稳定的氧化锆浆料涂覆部件的表面的方法，所述方法包括：
将所述氧化钇稳定的氧化锆浆料施加到所述部件的表面的暴露部分上，所述氧化钇稳定的氧化锆浆料包含：
载体流体；
在所述载体流体内的粘合剂材料；
多个第一粗颗粒，所述第一粗颗粒分散在所述载体流体内且具有大于10μm至20μm的粗中值粒径；
多个第二中颗粒，所述第二中颗粒分散在所述载体流体内且具有4μm至10μm的中等中值粒径；以及
多个第三细颗粒，所述第三细颗粒分散在所述载体流体内且具有0.001μm至小于4μm的细中值粒径；
其中，所述粗颗粒、所述中颗粒和所述细颗粒各自独立地包含氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)成分，所述YSZ成分的化学式为(ZrO2)(1-x)(Y2O3)x，式中x为大于0至小于1。
12.前述条款中任一项的方法，其中，在5℃至100℃的施加温度下施加所述氧化钇稳定的氧化锆浆料。
13.前述条款中任一项的方法，其中，将所述氧化钇稳定的氧化锆浆料施加至1μm至3,000μm的涂层厚度。
14.前述条款中任一项的方法，其中，所述多个第一粗颗粒、所述多个第二中颗粒和所述多个第三细颗粒形成多峰分布，所述多峰分布包含大于0体积％至50体积％的粗颗粒、40体积％至90体积％的中颗粒和10体积％至40体积％的细颗粒。
15.前述条款中任一项的方法，其中，所述多峰分布的粗粒径/中粒径比率为2至4。
16.前述条款中任一项的方法，其中，所述多峰分布的中粒径/细粒径比率为5至10。
17.前述条款中任一项的方法，其中，所述多个第三细颗粒还包含烧结剂。
18.前述条款中任一项的方法，其中，所述粘合剂材料包含无机硅系粘合剂。
19.前述条款中任一项的方法，其中，所述方法还包括：在将所述氧化钇稳定的氧化锆浆料施加到所述部件的表面的暴露部分之前，将掩蔽材料施加到所述部件的表面的一部分上且所述暴露部分未被覆盖。
20.前述条款中任一项的方法，其中，所述方法还包括：将所述氧化钇稳定的氧化锆浆料施加到所述部件的表面的暴露部分之后，从所述表面的所述一部分上去除所述掩蔽材料。
21.前述条款中任一项的方法，其中，所述粘合剂材料被溶解在所述载体流体内。
22.前述条款中任一项的方法，其中，所述方法还包括：在将所述氧化钇稳定的氧化锆浆料施加到所述部件的表面的暴露部分之后，使所述载体流体蒸发，在所述部件的暴露部分上形成干燥涂层。
23.前述条款中任一项的方法，其中，所述表面的暴露部分包含其上没有涂层的金属、其上具有粘合涂层的金属、或其上具有热障涂层的金属。
24.一种氧化钇稳定的氧化锆浆料，其包含：
载体流体；
在所述载体流体内的粘合剂材料；
多个第一粗颗粒，所述第一粗颗粒分散在所述载体流体内且具有大于10μm至20μm的粗中值粒径；所述多个第一粗颗粒包含第一氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)成分，所述第一YSZ成分的化学式为(ZrO2)(1-x)(Y2O3)x，式中x为大于0至小于1；
多个第二中颗粒，所述第二中颗粒分散在所述载体流体内且具有4μm至10μm的中等中值粒径；所述多个第二中颗粒包含第二氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)成分，所述第二YSZ成分的化学式为(ZrO2)(1-x)(Y2O3)x，式中x为大于0至小于1；以及
多个第三细颗粒，所述第三细颗粒分散在所述载体流体内且具有0.001μm至小于4μm的细中值粒径；所述多个第三细颗粒包含第三氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)成分，所述第三YSZ成分的化学式为(ZrO2)(1-x)(Y2O3)x，式中x为大于0至小于1；
其中，所述多个第一粗颗粒、所述多个第二中颗粒和所述多个第三细颗粒形成多峰分布，所述多峰分布包含大于0体积％至50体积％的粗颗粒、40体积％至90体积％的中颗粒和10体积％至40体积％的细颗粒；所述多峰分布的粗粒径/中粒径比率为2至4且中粒径/细粒径比率为5至10。
实施例
将示例性氧化钇稳定的氧化锆浆料喷涂到基底的表面上。氧化钇稳定的浆料具有42.5体积％的中值粒径为16μm的粗颗粒、42.5体积％的中值粒径为8μm的中颗粒和15体积％的中值粒径为1μm的细颗粒。氧化钇稳定的氧化锆浆料还包含占粉末总重量的5重量％的硅酮系粘合剂，其为从陶氏化学公司商购的-249。氧化钇稳定的氧化锆浆料还包含丁醇和乙醇的混合物作为载体流体，并且占粉末总重量的30至40重量％。
浆料通过如下制备：首先将硅酮系粘合剂(DOW 249)溶解在有机溶剂(用作载体流体)中，直至溶液澄清且没有任何未溶解的粘合剂颗粒悬浮在其中。分别地，将三种不同粒径(粗、中和细)的YSZ粉末用研钵-研杵进行混合。然后将粉末混合物加入有机溶液中，在1500rpm下混合约5分钟。
使用手持喷枪在约40PSI的压力和22℃的温度下喷涂氧化钇稳定的氧化锆浆料。然后使氧化钇稳定的氧化锆浆料在相同温度下干燥。
本说明书使用实施例来公开本文阐述的主题的若干实施方式，包括其最佳模式，并且还使本领域的普通技术人员能够实施所公开主题的实施方式，包括制作和使用设备或系统以及执行方法。本文描述主题的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域普通技术人员想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有与权利要求的文字语言没有区别的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的文字语言没有实质性差异的等同结构元素，则这些其他实施例旨在落入权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种涂层部件，所述涂层部件包括：
具有表面的部件；以及
所述部件的表面上的涂层；其中，所述涂层包含多个第一粗微晶，所述第一粗微晶具有大于10μm至20μm的粗中值晶粒尺寸；多个第二中微晶，所述第二中微晶具有4μm至10μm的中等中值晶粒尺寸；多个第三细微晶，所述第三细微晶具有0.001μm至小于4μm的细中值晶粒尺寸；所述粗微晶、所述中微晶和所述细微晶各自独立地包含氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)成分，所述YSZ成分的化学式为(ZrO2)(1-x)(Y2O3)x，式中x为大于0至小于1。
2.根据权利要求1所述的涂层部件，其中，所述多个第三细微晶还包含烧结剂。
3.根据权利要求1所述的涂层部件，其中，所述部件的表面包含金属，所述涂层直接在表面上或在表面上的粘合涂层上。
4.根据权利要求1所述的涂层部件，其中，所述涂层还包含二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的涂层部件，其中，所述涂层的孔隙率为10体积％至80体积％。
6.根据权利要求1所述的涂层部件，其中，所述涂层从最靠近所述部件的表面的内表面延伸至与内表面相对的外表面；所述涂层中具有细微晶的梯度，使得所述细微晶在所述内表面处的浓度高于在所述外表面处的浓度。
7.根据权利要求1所述的涂层部件，其中，所述涂层从最靠近所述部件的表面的内表面延伸至与内表面相对的外表面；所述涂层中具有孔隙率的梯度，使得所述涂层在所述外表面处的孔隙率高于在所述内表面处的孔隙率。
8.根据权利要求1所述的涂层部件，其中，所述多个第一粗颗粒包含第一氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)成分，所述第一YSZ成分的化学式为(ZrO2)(1-x)(Y2O3)x，式中x为大于0至小于1。
9.一种使用氧化钇稳定的氧化锆浆料涂覆部件的表面的方法，所述方法包括：
将所述氧化钇稳定的氧化锆浆料施加到所述部件的表面的暴露部分上，所述氧化钇稳定的氧化锆浆料包含：
载体流体；
在所述载体流体内的粘合剂材料；
多个第一粗颗粒，所述第一粗颗粒分散在所述载体流体内且具有大于10μm至20μm的粗中值粒径；
多个第二中颗粒，所述第二中颗粒分散在所述载体流体内且具有4μm至10μm的中等中值粒径；以及
多个第三细颗粒，所述第三细颗粒分散在所述载体流体内且具有0.001μm至小于4μm的细中值粒径；
其中，所述粗颗粒、所述中颗粒和所述细颗粒各自独立地包含氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)成分，所述YSZ成分的化学式为(ZrO2)(1-x)(Y2O3)x，式中x为大于0至小于1。
10.一种氧化钇稳定的氧化锆浆料，其包含：
载体流体；
在所述载体流体内的粘合剂材料；
多个第一粗颗粒，所述第一粗颗粒分散在所述载体流体内且具有大于10μm至20μm的粗中值粒径；所述多个第一粗颗粒包含第一氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)成分，所述第一YSZ成分的化学式为(ZrO2)(1-x)(Y2O3)x，式中x为大于0至小于1；
多个第二中颗粒，所述第二中颗粒分散在所述载体流体内且具有4μm至10μm的中等中值粒径；所述多个第二中颗粒包含第二氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)成分，所述第二YSZ成分的化学式为(ZrO2)(1-x)(Y2O3)x，式中x为大于0至小于1；以及
多个第三细颗粒，所述第三细颗粒分散在所述载体流体内且具有0.001μm至小于4μm的细中值粒径；所述多个第三细颗粒包含第三氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)成分，所述第三YSZ成分的化学式为(ZrO2)(1-x)(Y2O3)x，式中x大于0且小于1；
其中，所述多个第一粗颗粒、所述多个第二中颗粒和所述多个第三细颗粒形成多峰分布，所述多峰分布包含大于0体积％至50体积％的粗颗粒、40体积％至90体积％的中颗粒和10体积％至40体积％的细颗粒；所述多峰分布的粗粒径/中粒径比率为2至4且中粒径/细粒径比率为5至10。
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