CN1763246A - 弥散强化稀土稳定的氧化锆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在基底，如涡轮发动机机部件上形成涂层的工艺。该工艺包括以下步骤：提供第一稀土氧化物稳定的氧化锆组合物；提供第二组合物，其选自氧化钇稳定的氧化锆组合物、氧化铈稳定的氧化锆组合物、氧化铝、氧化铬一氧化铝组合物、氧化钆稳定的氧化锆组合物及其混合物；将第一稀土氧化物稳定的氧化锆组合物和第二组合物共混形成共混粉末；将该共混粉末沉积到基底上。还描述了具有用上述工艺过程形成的涂层的制品。

Description

弥散强化稀土稳定的氧化锆
技术领域
本发明涉及一种用于涡轮发动机部件的包含弥散强化稀土稳定的氧化锆的陶瓷涂层以及形成这种涂层的方法。
背景技术
陶瓷热障涂层用来延长燃烧器和高速涡轮机的固定和旋转部件的寿命已有数十年。氧化锆是典型的基陶瓷。加入稳定剂是为了阻止从高温稳定的立方相或正方相变成单斜相的有害相变。早期采用如22wt％的氧化镁作为稳定剂，但当涡轮机温度升高到超过1900华氏度时，氧化镁稳定的氧化锆的耐久性就会变差，因为氧化镁稳定的氧化锆在1750华氏度以上时结晶不稳定。对组成进行改进得到了7wt％的氧化钇稳定的氧化锆。用这种组成，热障涂层在耐久性即热氧化周期，稳定性即烧结和相稳定性，机械特性即断裂韧性、耐腐蚀性和粘附性，以及热特性即导热性和热膨胀之间取得了良好的平衡。
由于当前的发动机模式持续提升温度并确保减少部件重量，所以仍然在探求先进的陶瓷材料。已开发出一种氧化锆基涂层，例如在共有的美国专利No.6177200中描述的氧化钆-氧化锆涂层，其提供了一种已降低导热性的陶瓷热障涂层。然而，这种涂层将受益于已改进的机械特性，如断裂韧性和耐腐蚀性。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供呈现所需机械特性的弥散强化稀土稳定的氧化锆涂层组合物。
本发明的一个进一步的目的是提供包含该改进涂层组合物的涂层形成工艺。
前述的目的由本发明来实现。
按照本发明的第一方面，提供了一种在基底上，如在涡轮发动机部件上形成涂层的工艺。该工艺包括以下步骤：提供第一稀土氧化物稳定的氧化锆组合物；提供第二组合物，其选自氧化钇稳定的氧化锆组合物、氧化铈稳定的氧化锆组合物、氧化铝、氧化铬-氧化铝组合物、氧化钆稳定的氧化锆组合物及其混合物；将该第一稀土氧化物稳定的氧化锆组合物和该第二组合物混合形成混合粉末；沉积该混合粉末到基底上。在本发明的一个优选实施方案中，该稀土氧化物稳定的氧化锆组合物包含至少一种稀土氧化物，并且该稀土氧化物的总量最少为5.0wt％。
按照本发明的第二方面，提供了一种包括基底和沉积在该基底上的涂层的制品。该涂层由第一稀土氧化物稳定的氧化锆粉末和第二粉末共混形成，该第二粉末选自氧化钇稳定的氧化锆组合物、氧化铈稳定的氧化锆组合物、氧化铝、氧化铬-氧化铝组合物、氧化钆稳定的氧化锆组合物及其混合物。
本发明的弥散强化稀土氧化物稳定的氧化锆涂层的其他细节以及其他目的和由此带来的优点将在下面的详细描述和附图中阐述。
附图说明
图1表示等离子喷涂的氧化钆稳定的氧化锆涂层与等离子喷涂的弥散强化粉末涂层的相对热障涂层剥落寿命，其中该弥散强化粉末涂层具有55wt％的氧化钆稳定的氧化锆和4-25wt％的氧化钇稳定的氧化锆，并以80wt％该第一粉末和20wt％该第二粉末的比例进行混合。
图2表示等离子喷涂的氧化钆稳定的氧化锆涂层与等离子喷涂的弥散强化粉末涂层的相对热障涂层腐蚀寿命，其中该弥散强化粉末涂层具有55wt％的氧化钆稳定的氧化锆和4-25wt％的氧化钇稳定的氧化锆，并以80wt％该第一粉末和20wt％该第二粉末的比例进行混合。
具体实施方式
依照本发明，其提供了一种应用弥散强化机理的低导热性涂层。该涂层包括至少两种粉末，在其沉积于基底，如涡轮发动机部件，之前，该粉末要机械混合、熔合或以其他方式共混。这里使用的术语“共混”指共混、混合和/或组合该至少两种粉末。
用于形成涂层的第一粉末是一种组合物，其包含至少一种稀土氧化物，如氧化钆(gadolinia)、氧化钇(yttria)和氧化锆(zirconia)。第一粉末中的稀土氧化物优选总量最少为5.0wt％。当用在第一粉末中时，氧化钆的重量范围优选从10.0wt％至80wt％。当用在第一粉末中时，氧化钇的重量范围优选从4.0wt％至25.0wt％。当用在第一粉末中时，氧化锆作为该粉末组合物的余量部分。第一粉末还可以包含其他的稀土组分，包括但不限于：氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化铽、氧化镝、氧化钬、氧化铒、氧化铥、氧化镱、氧化镥及其混合物。其他可用于第一粉末组合物的氧化物包括氧化铱和氧化钪中的至少一种。一种或多种这些氧化物可代替氧化钇或其他氧化物使用。氧化铱和/或氧化钪的重量范围可从10wt％至80wt％。
在一个优选实施方案中，第一粉末组合物由40wt％的氧化钆、7wt％的氧化钇和余量氧化锆组成。
形成第一粉末的组分优选在粉末制造过程中混合在一起以产生单一相产品。由这种粉末制成的涂层的导热性只有空气等离子喷涂7％氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)的导热性的50-60％，并具有良好的相稳定性、改进的断裂韧性和延长的剥落寿命。
第一粉末通过机械、熔合或以其他方式与第二粉末共混在一起。第二粉末可选自氧化钇稳定的氧化锆、氧化铈稳定的氧化锆、氧化铝、氧化铬-氧化铝、稀土稳定的氧化锆及其混合物。当用于形成第二粉末组合物时，稀土稳定的氧化锆可包括至少一种稀土，其选自氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化铽、氧化镝、氧化钬、氧化铒、氧化铥、氧化镱、氧化镥及其混合物。使用时该稀土氧化物的重量范围可在10至80wt％。例如，第二粉末可以是4.0-25.0wt％YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)。可选地，第二粉末也可以是氧化铈稳定的氧化锆，其组成由5.0wt％至60.0wt％，优选5.0至30.0wt％的氧化铈，0.5wt％至5.0wt％的氧化铪和余量氧化锆组成。在一个优选实施方案中，氧化铈稳定的氧化锆具有由21.4wt％的氧化铈，1.5wt％的氧化铪和余量氧化锆组成的组成。此外，第二粉末的组成还可由约10.0wt％至80.0wt％，优选15wt％的氧化钆和余量的氧化锆组成。氧化钆稳定的氧化锆粉末具有一额外的优势，即通过增加氧化钆的量能够进一步降低涂层的导热性并且不影响断裂韧性。在本发明的另一个实施方案中，第二粉末可以是氧化铝或氧化铬-氧化铝，其中该氧化铬-氧化铝的组成范围为5.0至40.0wt％的氧化铝和余量为氧化铬。
所有前述的第二粉末与第一粉末共混时提供增加的涂层韧性，当与单独使用第一粉末组合物的涂层相比时，这就转化为延长的剥落寿命(见图1)和提高的耐腐蚀性(见图2)。
在另一实施方案中，该前两种粉末可以和第三挥发性稀释剂粉末混合，例如聚酯或丙烯酸树脂(聚甲基丙烯酸甲酯)粉末，其中该挥发性稀释剂粉末的粒度范围从10.0至250微米，以增加孔隙率的形式改变涂层的微观结构。与不加入挥发性稀释剂的涂层相比，加入的挥发性稀释剂粉末可使涂层具有显著降低的导热性。使用时，加入的挥发性稀释剂粉末的重量范围可从1.0wt％至20wt％。
第一和第二粉末的粒度范围都从5.0至250微米，优选从10.0至125微米。
第一和第二粉末以以下比例共混，从而第一粉末占涂层粉末的50wt％至90wt％，第二粉末占涂层粉末的10wt％至50wt％。在一个优选实施方案中，第一粉末占80wt％，而第二粉末占20wt％。
粉末在沉积之前共混在一起以增加所得到涂层的断裂韧性。由第一和第二粉末混合得到的最终涂层具有两相微观结构，这种涂层和单独使用第二粉末组合物的涂层相比具有更低的导热性和更好的抗剥落性。在氧化钆稳定的氧化锆和氧化钇稳定的粉末相混合的情况下，该微观结构在立方氧化钆稳定的氧化锆矩阵中具有正方氧化钇稳定的氧化锆。当使用两种粉末形成涂层时，最终涂层具有与两种粉末相同的百分比。例如，如果该涂层由80wt％的第一粉末和20wt％的第二粉末形成，最终涂层将也有80wt％的第一粉末和20wt％的第二粉末。最终涂层的热导率的优选范围从2.5到4.5BTU-in/hr-ft2-°F(0.36-0.65W/m-K)。
如上所述，两种或多种粉末可通过机械混合或以其他方式混合，例如但不限于，等离子密化(plasma densification)、熔融并碾压，喷干/烧结以及喷干/等离子密化(plasma densified)。
混合过程完成之后，可以采用公知的任何适用技术将两种粉末沉积在基底上。例如，该粉末可被等离子喷涂沉积在基底上或者采用EB-PVD技术沉积在基底上。由于等离子喷涂热障涂层通常在陶瓷中的粘结层界面附近明显失效，因此如上所述增强陶瓷将如附图所示改进氧化耐久性达到4-5X倍。采用氧化钇稳定的氧化锆作为增强剂就能够使用更高重量百分比的相对较弱的氧化钆氧化锆系统，这样可以进一步降低涂层的导热性并且不影响涂层的剥落寿命。
使用本发明涂层的制品包括但不限于燃烧器部件、高压涡轮机的叶轮和叶片、焊嘴、套管、喷嘴和密封部件。
本发明的涂层可用在需要热障涂层/磨损系统或余隙控制系统的任何机器部件上。
本发明涂层的低导热性的另一个优点是，该涂层可采用更小的厚度，这样在维持和传统涂层相同的热保护时更加节省重量。
本发明涂层称作弥散强化涂层是因为其包括弥散的第二相，该第二相改进了涂层韧性。
如果需要，包含本发明涂层的制品可以在由混合粉末形成的涂层之下于基底上沉积一附加层，也即一陶瓷粘结层，并且/或者在该涂层之上沉积一附加层。每个附加层的厚度范围可在0.0005至0.009英寸之间，并可由氧化钇稳定的氧化锆形成，例如，7.0wt％的氧化钇稳定的氧化锆、氧化铝、氧化铬-氧化铝、碳化硅、氮化硅及其混合物。该附加层可改进涂层的抗剥落性、抗腐蚀性和对环境因素影响的抵抗性。当附加层沉积在基底上时，现有技术中已知的任何适用的材料形成的粘结层可以位于附加层和基底之间。
很明显，按照本发明提供的弥散强化稀土稳定的氧化锆完全满足前面提出的目的、方法和优点。尽管本发明描述了具体实施方式，但其他的替换、修改和改变对读过前面描述的本领域技术人员来说是显而易见的。因此，那些替换、修改和改变都落入权利要求的保护范围之内。

Claims (47)

1.一种在基底上形成涂层的工艺，包括以下步骤：
提供第一稀土氧化物稳定的氧化锆组合物；
提供第二组合物，其选自氧化钇稳定的氧化锆组合物、氧化铈稳定的氧化锆组合物、氧化铝、氧化铬-氧化铝组合物、氧化钆稳定的氧化锆组合物及其混合物；
将所述第一稀土稳定的氧化锆组合物和所述第二组合物共混形成共混粉末；
将所述共混粉末沉积到所述基底上。
2.按照权利要求1所述的工艺，其中所述提供第一稀土氧化物稳定的氧化锆组合物的步骤包括提供氧化钇和氧化锆组合物，该组合物包含稀土氧化物，其选自氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧化铽、氧化镝、氧化钬、氧化铒、氧化铥、氧化镱、氧化镥及其混合物。
3.按照权利要求1所述的工艺，其中所述提供第一稀土氧化物稳定的氧化锆组合物的步骤包括提供氧化锆组合物，该组合物包含稀土氧化物，其选自氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧化铽、氧化镝、氧化钬、氧化铒、氧化铥、氧化镱、氧化镥及其混合物。
4.按照权利要求1所述的工艺，其中所述提供第一稀土稳定的氧化锆组合物的步骤包括提供氧化钆稳定的氧化锆粉末组合物。
5.按照权利要求4所述的工艺，其中所述提供氧化钆稳定的氧化锆组合物的步骤包括提供由10-80wt％的氧化钆、4.0-25wt％的氧化钇和余量的氧化锆组成的组合物。
6.按照权利要求1所述的工艺，其中所述提供第二组合物的步骤包括提供4.0-25wt％的氧化钇稳定的氧化锆。
7.按照权利要求1所述的工艺，其中所述提供第二组合物的步骤包括提供氧化铈稳定的氧化锆组合物，其由5.0-30wt％的氧化铈、0.5-5.0wt％的氧化铪和余量的氧化锆组成。
8.按照权利要求1所述的工艺，其中所述提供第二组合物的步骤包括提供氧化钆稳定的氧化锆，其由10-80wt％的氧化钆和余量的氧化锆组成。
9.按照权利要求1所述的工艺，其中所述提供第二组合物的步骤包括提供氧化钆稳定的氧化锆，其含有10-80wt％的氧化钆或其他稀土氧化物，该其他稀土氧化物选自氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化铽、氧化镝、氧化钬、氧化铒、氧化铥、氧化镱、氧化镥及其混合物。
10.按照权利要求1所述的工艺，其中所述共混步骤包括共混所述两种组合物从而所述第一组合物占50wt％至90wt％，且第二组合物占10wt％至50wt％。
11.按照权利要求1所述的工艺，其中所述共混步骤包括共混所述两种组合物从而所述第一组合物占80wt％，且第二组合物占20wt％。
12.按照权利要求1所述的工艺，其中所述提供第一组合物的步骤包括以粒度范围在5至250微米的粉末形式提供所述第一组合物，所述提供第二组合物的步骤包括以粒度范围在5至250微米的粉末形式提供所述第二组合物。
13.按照权利要求1所述的工艺，其中所述沉积步骤包括将所述粉末沉积到涡轮发动机部件上。
14.按照权利要求1所述的工艺，进一步包括：
提供第三粉末组合物来改变涂层微观结构以增加孔隙率；和
所述共混步骤包括将所述第三粉末组合物和所述第一及第二组合物共混。
15.按照权利要求14所述的工艺，其中所述提供第三粉末组合物的步骤包括提供是挥发性稀释剂粉末的第三粉末。
16.按照权利要求14所述的工艺，其中所述提供第三粉末组合物的步骤包括提供一粉末，其选自聚酯和丙烯酸树脂粉末。
17.按照权利要求1所述的工艺，进一步包括在所述共混粉末的沉积步骤之前，沉积一材料层到所述基底上，其中该材料选自氧化钇稳定的氧化锆、氧化铝、氧化铬-氧化铝、碳化硅、氮化硅及其混合物。
18.按照权利要求1所述的工艺，进一步包括在所述共混粉末的沉积步骤之后，沉积一材料层到所述已沉积的共混粉末上，其中该材料选自氧化钇稳定的氧化锆、氧化铝、氧化铬-氧化铝、碳化硅、氮化硅及其混合物。
19.按照权利要求18所述的工艺，进一步包括在所述共混粉末的沉积步骤之前，沉积一材料层到所述基底上，其中该材料选自氧化钇稳定的氧化锆、氧化铝、氧化铬-氧化铝、碳化硅、氮化硅及其混合物。
20.按照权利要求1所述的工艺，其中所述提供第一稀土氧化物稳定的氧化锆组合物的步骤包括提供稳定的氧化锆组合物，其含有氧化铱和氧化钪中的至少一种，且重量范围从约10wt％到80wt％。
21.按照权利要求1所述的工艺，其中所述提供第二组合物的步骤包括提供氧化钆稳定的氧化锆，其由15wt％的氧化钆和余量的氧化锆组成。
22.一种制品，其包括：
基底；
在所述基底上沉积的涂层；和
所述涂层由第一稀土氧化物稳定的氧化锆粉末与第二粉末共混形成，其中该第二粉末选自氧化钇稳定的氧化锆组合物、氧化铝、氧化铬-氧化铝组合物、氧化铈稳定的氧化锆组合物、氧化钆稳定的氧化锆组合物及其混合物。
23.按照权利要求22所述的制品，其中所述第一稀土稳定的氧化锆粉末包括一种含氧化物的粉末，其中该氧化物选自氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧化铽、氧化镝、氧化钬、氧化铒、氧化铥、氧化镱、氧化镥、氧化钇及其混合物。
24.按照权利要求22所述的制品，其中所述稀土稳定的氧化锆粉末包括氧化钆稳定的氧化锆粉末。
25.按照权利要求24所述的制品，其中所述氧化钆稳定的氧化锆组合物包括由10-80wt％的氧化钆、4-25wt％的氧化钇和余量的氧化锆组成的组成。
26.按照权利要求22所述的制品，其中所述第二组合物包括4.0-25wt％的氧化钇稳定的氧化锆。
27.按照权利要求22所述的制品，其中所述第二组合物包括氧化铈稳定的氧化锆组合物，该组合物由5.0-30wt％的氧化铈、0.5-5.0wt％的氧化铪和余量的氧化锆组成。
28.按照权利要求22所述的制品，其中所述第二组合物包括氧化钆稳定的氧化锆，其由15wt％的氧化钆和余量的氧化锆组成。
29.按照权利要求22所述的制品，其中所述第二组合物包含10-80wt％的氧化钆和余量的氧化锆。
30.按照权利要求22所述的制品，其中所述第一组合物占50wt％至90wt％，且第二组合物占10wt％至50wt％。
31.按照权利要求22所述的制品，其中所述第一组合物占80wt％，且第二组合物占20wt％。
32.按照权利要求22所述的制品，其中所述第一组合物是粒度范围在5至250微米的粉末，所述第二组合物是粒度范围在5至250微米的粉末。
33.按照权利要求22所述的制品，其中所述第一稀土氧化物稳定的氧化锆粉末包含氧化铱和氧化钪中的至少一种。
34.按照权利要求22所述的制品，其中所述涂层由约1.0wt％至20wt％的第三粉末与所述第一和第二粉末共混形成，且其中所述第三粉末包含改变涂层微观结构以增加涂层孔隙率的粉末。
35.按照权利要求34所述的制品，其中所述第三粉末是挥发性稀释剂粉末。
36.按照权利要求34所述的制品，其中所述第三粉末选自聚酯和丙烯酸树脂粉末。
37.按照权利要求22所述的制品，进一步包括一材料层，该材料选自氧化钇稳定的氧化锆、氧化铝、氧化铬-氧化铝、碳化硅、氮化硅及其混合物，并且所述层位于所述基底和所述涂层之间。
38.按照权利要求22所述的制品，进一步包括一材料层，该材料选自氧化钇稳定的氧化锆、氧化铝、氧化铬-氧化铝、碳化硅、氮化硅及其混合物，并且所述层位于所述涂层上。
39.按照权利要求22所述的制品，进一步包括第一材料层，该材料选自氧化钇稳定的氧化锆、氧化铝、氧化铬-氧化铝、碳化硅、氮化硅及其混合物，并且所述层位于所述基底和所述涂层之间，和第二材料层，该材料选自氧化钇稳定的氧化锆、氧化铝、氧化铬-氧化铝、碳化硅、氮化硅及其混合物，并且所述层位于所述涂层上。
40.一种用于形成涂层的组合物，其由10-80wt％的氧化钆、4.0-25wt％的氧化钇稳定的氧化锆和余量的氧化锆组成。
41.按照权利要求40所述的组合物，其中所述组合物是粉末且其粒度范围在5至250微米。
42.一种用于形成涂层的组合物，其由5.0-30wt％的氧化铈、0.5-5.0wt％的氧化铪和余量的氧化锆组成。
43.按照权利要求42所述的组合物，其中所述组合物是粉末且其粒度范围在5至250微米。
44.一种用于形成涂层的组合物，其由15wt％的氧化钆和余量的氧化锆组成。
45.按照权利要求44所述的组合物，其中所述组合物是粉末且其粒度范围在5至250微米。
46.一种用于形成涂层的组合物，其由10-80wt％的氧化钆和余量的氧化锆组成。
47.按照权利要求46所述的组合物，其中所述组合物是粉末且其粒度范围在5至250微米。
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C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication