RU2436752C2 - Highly pure powder and coating made from said powder - Google Patents

Highly pure powder and coating made from said powder Download PDF

Info

Publication number
RU2436752C2
RU2436752C2 RU2008151785/03A RU2008151785A RU2436752C2 RU 2436752 C2 RU2436752 C2 RU 2436752C2 RU 2008151785/03 A RU2008151785/03 A RU 2008151785/03A RU 2008151785 A RU2008151785 A RU 2008151785A RU 2436752 C2 RU2436752 C2 RU 2436752C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
coating
oxide
powder
cracks
yttrium
Prior art date
Application number
RU2008151785/03A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2008151785A (en
Inventor
Томас А. ТЭЙЛОР (US)
Томас А. ТЭЙЛОР
Альберт ФОЙЕРШТАЙН (US)
Альберт ФОЙЕРШТАЙН
Энн БОЛКАВАДЖ (US)
Энн БОЛКАВАДЖ
Дэнни Ли ЭППЛБАЙ (US)
Дэнни Ли ЭППЛБАЙ
Нейл ХИТЧМАН (US)
Нейл ХИТЧМАН
Джеймс МАНРОУ (US)
Джеймс МАНРОУ
Original Assignee
Праксайр Текнолоджи, Инк.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US11/796,271 external-priority patent/US20080026160A1/en
Priority claimed from US11/796,472 external-priority patent/US8728967B2/en
Application filed by Праксайр Текнолоджи, Инк. filed Critical Праксайр Текнолоджи, Инк.
Publication of RU2008151785A publication Critical patent/RU2008151785A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2436752C2 publication Critical patent/RU2436752C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: present invention relates to highly pure zirconium oxide powder for applying coatings on substrates meant for use in conditions with cyclic thermal loads, such as blades, guide devices and on the sealing surface of gas-turbine engines. The highly pure zirconium oxide powder, which is stabilised with yttrium or ytterbium, contains from approximately 0 to approximately 2 wt % hafnium oxide, from approximately 6 to approximately 25 wt % yttrium oxide or from approximately 10 to approximately 36 wt % ytterbium oxide, from approximately 0 to approximately 0.15 wt % impurity oxides. The impurity oxides include the following in wt %: 0-0.02 SiO2, 0-0.005 Al2O3, 0-0.01 CaO, 0-0.01 Fe2O3, 0-0.005 MgO, 0-0.01 TiO2. The coatings which form a thermal barrier have multiple vertical microcracks which are uniformly distributed on the entire coating, which increases resistance of the coatings to thermal fatigue. The coatings are applied via thermal spraying with possible subsequent thermal treatment.
EFFECT: longer service life of coated substrates.
15 cl, 7 ex, 9 tbl, 11 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к высокочистым порошкам оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, покрытиям, изготовленным из высокочистых порошков оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, и способам нанесения покрытий на подложки, предназначенным для эксплуатации в условиях циклических термических нагрузок, где покрытия обладают в значительной степени однородным распределением вертикальных макротрещин по всему покрытию, что улучшает его сопротивление термической усталости.The present invention relates to high purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powders, coatings made from yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powders, and methods for coating substrates intended for use under cyclic thermal loads, where the coatings have a substantially uniform distribution of vertical macrocracks over the entire coating, which improves its resistance to thermal fatigue.

Уровень техникиState of the art

Современные газотурбинные двигатели работают в условиях высоких температур, превышающих 2000°F (1094°C), при которых горячие газы расширяются в направлении, поперечном рядам лопаток турбины. К лопаткам турбины прилегают воздушное уплотнение или сегменты бандажа, предельно уменьшающие потери газа вдоль концевой части лопаток. Было обнаружено, что использование создающих термический барьер покрытий на лопатках газовой турбины и таких поверхностях, как сегменты бандажа, имеет ряд преимуществ. Благодаря использованию создающих термический барьер покрытий может быть достигнута более высокая эффективность эксплуатации, так как для поддержания температуры лопатки или бандажа нужно меньше охлаждающего воздуха. Кроме того, увеличивается срок службы деталей, поскольку из-за теплоизолирующего эффекта, создающего термический барьер покрытия, уменьшается интенсивность изменения температуры металла.Modern gas turbine engines operate at high temperatures in excess of 2000 ° F (1094 ° C), in which hot gases expand in the direction transverse to the rows of turbine blades. An air seal or band segments are adjacent to the turbine blades to minimize gas loss along the end of the blades. It has been found that the use of thermal barrier coatings on gas turbine blades and surfaces such as band segments has several advantages. By using thermal barrier coatings, higher operational efficiencies can be achieved, since less cooling air is needed to maintain the temperature of the blade or bandage. In addition, the service life of the parts increases, since due to the heat-insulating effect that creates the thermal barrier of the coating, the rate of change in the temperature of the metal decreases.

Чтобы изолировать металлические детали от потока горячего газа, на их поверхность наносят создающие термический барьер покрытия на основе оксида циркония, имеющие низкую теплопроводность. Стабилизированный оксид циркония разрабатывался и использовался как создающее термический барьер покрытие для деталей турбин и элементов бандажа. Были опробованы покрытия, такие как оксид циркония, стабилизированный СаО, оксид циркония, стабилизированный MgO, и оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия; наилучшие результаты получены для оксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия.In order to isolate metal parts from the flow of hot gas, zirconium oxide-based coatings that create a thermal barrier are applied to their surface and have low thermal conductivity. Stabilized zirconia was developed and used as a thermal barrier coating for turbine parts and brace elements. Coatings such as zirconia stabilized with CaO, zirconia stabilized with MgO, and zirconia stabilized with yttrium have been tested; best results were obtained for zirconium oxide partially stabilized with yttrium oxide.

В патенте США 5073433 описано создающее термический барьер покрытие для подложек, содержащее оксид циркония, частично стабилизированный оксидом иттрия, и обладающее плотностью, превышающей 88% теоретической плотности, со множеством вертикальных макротрещин, однородно распределенных по всему покрытию, что улучшает его сопротивление термической усталости. В этом патенте также описан способ нанесения создающего термический барьер покрытия.U.S. Pat. This patent also describes a method for applying a thermal barrier coating.

В данной области остается потребность в создающих термических барьер покрытиях с усовершенствованными свойствами, предназначенных для использования в условиях циклических термических нагрузок, например, на поверхности лопаток газовых турбин, направляющих устройств и уплотнений, открытых для воздействия условий высокотемпературной зоны газотурбинных двигателей.In this area, there remains a need for thermal barrier coatings with improved properties intended for use in cyclic thermal loads, for example, on the surface of gas turbine blades, guides, and seals that are exposed to the high-temperature zone of gas turbine engines.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к высокочистым порошкам оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, содержащим от примерно 0 до примерно 0,15% вес. примесных оксидов, от примерно 0 до примерно 2% вес. оксида гафния, от примерно 6 до примерно 25% вес. оксида иттрия или от примерно 10 до примерно 36% вес. оксида иттербия и остальное - оксид циркония.The present invention relates to high purity yttrium or ytterbium oxide zirconia powders containing from about 0 to about 0.15% by weight. impurity oxides, from about 0 to about 2% weight. hafnium oxide, from about 6 to about 25% weight. yttrium oxide or from about 10 to about 36% weight. ytterbium oxide and the rest is zirconium oxide.

Настоящее изобретение также относится к наносимым термическим напылением покрытиям из высокочистого порошка, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия оксида циркония, где высокочистый порошок стабилизированного оксидами иттрия или иттербия оксида циркония, содержит от примерно 0 до примерно 0,15% вес. примесных оксидов, от примерно 0 до примерно 2% вес. оксида гафния, от примерно 6 до примерно 25% вес. оксида иттрия или от примерно 10 до примерно 36% вес. оксида иттербия и остальное - оксид циркония.The present invention also relates to thermal spray coatings of a high purity powder stabilized with yttrium or ytterbium zirconia, where a high purity powder stabilized with yttrium or ytterbium oxide of zirconium contains from about 0 to about 0.15% by weight. impurity oxides, from about 0 to about 2% weight. hafnium oxide, from about 6 to about 25% weight. yttrium oxide or from about 10 to about 36% weight. ytterbium oxide and the rest is zirconium oxide.

Настоящее изобретение также относится к создающему термический барьер покрытию для подложек, содержащему частично стабилизированный оксидом иттрия или иттербия оксид циркония и обладающему плотностью, превышающей 88% теоретической плотности, со множеством вертикальных макротрещин, по существу, однородно распределенных по всему покрытию, в котором поперечное сечение перпендикулярно подложке открывает множество вертикальных макротрещин, простирающихся, по меньшей мере, на половину толщины покрытия и достигающих в длину величины, равной полной толщине покрытия, и которое имеет от примерно 5 до примерно 200 вертикальных макротрещин на линейный дюйм (2-78,7 на см), отмеряемый по линии, параллельной поверхности подложки и лежащей в плоскости, перпендикулярной поверхности подложки, где указанное создающее термический барьер покрытие образовано нанесенным термическим напылением покрытием из высокочистого порошка, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия оксида циркония, где высокочистый порошок стабилизированного оксидами иттрия или иттербия оксида циркония, содержит от примерно 0 до примерно 0,15% вес. примесных оксидов, от примерно 0 до примерно 2% вес. оксида гафния, от примерно 6 до примерно 25% вес. оксида иттрия или от примерно 10 до примерно 36% вес. оксида иттербия и остальное - оксид циркония.The present invention also relates to a thermal barrier coating for substrates containing partially stabilized yttrium or ytterbium oxide zirconia and having a density exceeding 88% of theoretical density, with many vertical macrocracks substantially uniformly distributed throughout the coating, in which the cross section is perpendicular the substrate opens up many vertical macrocracks, extending at least half the thickness of the coating and reaching a length equal to the full thickness of the coating, and which has from about 5 to about 200 vertical macrocracks per linear inch (2-78.7 per cm), measured along a line parallel to the surface of the substrate and lying in a plane perpendicular to the surface of the substrate, where the specified thermal barrier the coating is formed by thermal spraying a coating of a high-purity powder stabilized with yttrium or ytterbium oxides of zirconium oxide, where a high-purity powder stabilized with yttrium or ytterbium oxides of zirconium oxide um from about 0 to about 0.15% by weight. impurity oxides, from about 0 to about 2% weight. hafnium oxide, from about 6 to about 25% weight. yttrium oxide or from about 10 to about 36% weight. ytterbium oxide and the rest is zirconium oxide.

Кроме того, настоящее изобретение относится к способу получения создающего термический барьер покрытия, включающемуIn addition, the present invention relates to a method for producing a thermal barrier coating, comprising

а) термическое осаждение высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, где порошок содержит от примерно 0 до примерно 0,15% вес. примесных оксидов, от примерно 0 до примерно 2% вес. оксида гафния, от примерно 6 до примерно 25% вес. оксида иттрия или от примерно 10 до примерно 36% вес. оксида иттербия и остальное - оксид циркония, на подложку с образованием монослоя, имеющего, по меньшей мере, два наложенных зерна осажденного на подложке порошка, причем температура позже осажденного зерна выше, чем осажденного ранее;a) thermal precipitation of a high purity yttrium or ytterbium oxide zirconia powder, wherein the powder contains from about 0 to about 0.15% by weight. impurity oxides, from about 0 to about 2% weight. hafnium oxide, from about 6 to about 25% weight. yttrium oxide or from about 10 to about 36% weight. ytterbium oxide and the rest is zirconium oxide on the substrate to form a monolayer having at least two superimposed grains of powder deposited on the substrate, the temperature of the later deposited grain being higher than the previously deposited grain;

b) охлаждение и отверждение указанного монослоя, полученного на стадии а), после чего указанный монослой приобретает плотность, по меньшей мере, 88% теоретической плотности и в котором в результате усадки осажденных зерен образуется множество вертикальных макротрещин;b) cooling and curing the specified monolayer obtained in stage a), after which the specified monolayer acquires a density of at least 88% of the theoretical density and in which, as a result of the shrinkage of the deposited grains, many vertical macrocracks form;

с) повторение стадий а) и b), по меньшей мере, один раз с целью получения слоя с полным поверхностным покрытием, в котором в каждом монослое имеются вертикальные трещины, проходящие сквозь зерна, и в котором множество вертикальных трещин каждого монослоя направлены так же, как вертикальные трещины соседнего монослоя, с образованием вертикальных макротрещин длиной, по меньшей мере, в половину толщины покрытия и достигающих в длину полной толщины покрытия, где нанесенный слой характеризуется наличием, по меньшей мере, 5 вертикальных макротрещин на линейный дюйм (2 на 1 см), измеренный вдоль линии, параллельной поверхности подложки и лежащей в плоскости, перпендикулярной поверхности подложки.c) repeating steps a) and b) at least once in order to obtain a layer with a full surface coating, in which each monolayer has vertical cracks passing through the grains, and in which many vertical cracks of each monolayer are directed in the same way as vertical cracks of an adjacent monolayer, with the formation of vertical macrocracks with a length of at least half the coating thickness and reaching a full coating thickness in length, where the applied layer is characterized by the presence of at least 5 vertical macrocracks in per linear inch (2 per 1 cm), measured along a line parallel to the surface of the substrate and lying in a plane perpendicular to the surface of the substrate.

Настоящее изобретение также относится к способу термического напыления, включающему термическое осаждение высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, где порошок содержит от примерно 0 до примерно 0,15% вес. примесных оксидов, от примерно 0 до примерно 2% вес. оксида гафния, от примерно 6 до примерно 25% вес. оксида иттрия или от примерно 10 до примерно 36% вес. оксида иттербия и остальное - оксид циркония, на подложку с получением покрытия с вертикальными сегментами из трещин, распределенными, по существу, по всей толщине покрытия, характеризующегося наличием от примерно 5 до примерно 200 трещин на линейный дюйм (2-78,9 на 1 см), отмеряемый вдоль линии, параллельной плоскости покрытия, и наличием структуры горизонтальных трещин, которых достаточно для снижения теплопроводности до менее чем 0,012 Вт/см при 25°C по толщине покрытия.The present invention also relates to a thermal spraying method, comprising thermally depositing a high purity yttrium or ytterbium oxide zirconia powder, wherein the powder contains from about 0 to about 0.15% by weight. impurity oxides, from about 0 to about 2% weight. hafnium oxide, from about 6 to about 25% weight. yttrium oxide or from about 10 to about 36% weight. ytterbium oxide and the rest - zirconium oxide, on the substrate to obtain a coating with vertical segments of cracks distributed essentially over the entire thickness of the coating, characterized by the presence of from about 5 to about 200 cracks per linear inch (2-78.9 per 1 cm ), measured along a line parallel to the coating plane, and the presence of a horizontal crack structure that is sufficient to reduce thermal conductivity to less than 0.012 W / cm at 25 ° C over the coating thickness.

Настоящее изобретение также относится к способу термического напыления, включающему термическое осаждение высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, где порошок содержит от примерно 0 до примерно 0,15% вес. примесных оксидов, от примерно 0 до примерно 2% вес. оксида гафния, от примерно 6 до примерно 25% вес. оксида иттрия или от примерно 10 до примерно 36% вес. оксида иттербия и остальное - оксид циркония, на подложку с получением покрытия с вертикальными сегментами из трещин, распределенными, по существу, по всей толщине покрытия, характеризующегося наличием от примерно 5 до примерно 200 трещин на линейный дюйм (2-78,7 на 1 см), отмеряемый вдоль линии, параллельной плоскости покрытия, и имеющего толщину от примерно 5 до примерно 200 мил (127-5080 мкм); и имеющего конечный поверхностный слой, образованный из указанного высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, толщиной до примерно 5 мил (127 мкм) с по существу нулевым сегментированием вертикальными трещинами.The present invention also relates to a thermal spraying method, comprising thermally depositing a high purity yttrium or ytterbium oxide zirconia powder, wherein the powder contains from about 0 to about 0.15% by weight. impurity oxides, from about 0 to about 2% weight. hafnium oxide, from about 6 to about 25% weight. yttrium oxide or from about 10 to about 36% weight. ytterbium oxide and the rest - zirconium oxide, on the substrate to obtain a coating with vertical segments of cracks distributed essentially over the entire thickness of the coating, characterized by the presence of from about 5 to about 200 cracks per linear inch (2-78.7 per 1 cm ), measured along a line parallel to the plane of the coating, and having a thickness of from about 5 to about 200 mils (127-5080 microns); and having a final surface layer formed from said high purity zirconia powder stabilized with yttrium or ytterbium oxides up to about 5 mils (127 μm) thick with essentially zero segmentation by vertical cracks.

Настоящее изобретение, кроме того, относится к способу термического напыления, включающему термическое осаждение высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, где порошок содержит от примерно 0 до примерно 0,15% вес. примесных оксидов, от примерно 0 до примерно 2% вес. оксида гафния, от примерно 6 до примерно 25% вес. оксида иттрия или от примерно 10 до примерно 36% вес. оксида иттербия и остальное - оксид циркония, на подложку с получением покрытия с вертикальными сегментами из трещин, распределенными, по существу, по всей толщине покрытия, характеризующегося наличием от примерно 5 до примерно 200 трещин на линейный дюйм (2-78,7 на 1 см), отмеряемый вдоль линии, параллельной плоскости покрытия, и имеющего толщину от примерно 5 до примерно 200 мил (127-5080 мкм); и имеющего конечный поверхностный слой, содержащий полученное погружением или распылением раствора покрытие из керамической фритты толщиной до примерно 5 мил (127 мкм); и высокотемпературную обработку указанного поверхностного слоя горячим воздухом с целью связывания и закрепления поверхностного слоя.The present invention further relates to a thermal spraying method comprising the thermal deposition of a high purity yttrium or ytterbium oxide zirconia powder, wherein the powder contains from about 0 to about 0.15% by weight. impurity oxides, from about 0 to about 2% weight. hafnium oxide, from about 6 to about 25% weight. yttrium oxide or from about 10 to about 36% weight. ytterbium oxide and the rest - zirconium oxide, on the substrate to obtain a coating with vertical segments of cracks distributed essentially over the entire thickness of the coating, characterized by the presence of from about 5 to about 200 cracks per linear inch (2-78.7 per 1 cm ), measured along a line parallel to the plane of the coating, and having a thickness of from about 5 to about 200 mils (127-5080 microns); and having a final surface layer comprising a ceramic frit coating obtained by immersion or spraying a solution of a thickness of up to about 5 mils (127 μm); and high temperature treatment of the surface layer with hot air to bind and fix the surface layer.

Настоящее изобретение также относится к изделиям с создающим термический барьер покрытием, причем создающее термический барьер покрытие содержит нанесенное термическим напылением покрытие из высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, где порошок содержит от примерно 0 до примерно 0,15% вес. примесных оксидов, от примерно 0 до примерно 2% вес. оксида гафния, от примерно 6 до примерно 25% вес. оксида иттрия или от примерно 10 до примерно 36% вес. оксида иттербия и остальное - оксид циркония.The present invention also relates to articles with a thermal barrier coating, the thermal barrier coating comprising a thermal spray coating of a high purity yttrium or ytterbium oxide oxide powder, wherein the powder contains from about 0 to about 0.15% by weight. impurity oxides, from about 0 to about 2% weight. hafnium oxide, from about 6 to about 25% weight. yttrium oxide or from about 10 to about 36% weight. ytterbium oxide and the rest is zirconium oxide.

Настоящее изобретение также относится к изделиям с создающим термический барьер покрытием, содержащим оксид циркония, частично стабилизированный оксидами иттрия или иттербия, обладающим плотностью более чем 88% от теоретической, и имеющим множество вертикальных макротрещин, по существу, однородно распределенных по всему покрытию, в котором поперечное, перпендикулярное подложке, сечение открывает множество вертикальных макротрещин, простирающихся, по меньшей мере, на половину толщины покрытия и достигающих в длину величины, равной полной толщине покрытия, и которое имеет от примерно 5 до примерно 200 вертикальных макротрещин на линейный дюйм (2-78,7 на 1 см), отмеряемый по линии, параллельной поверхности подложки и лежащей в плоскости, перпендикулярной поверхности подложки, где создающее термический барьер покрытие образовано нанесенным термическим напылением покрытием из высокочистого порошка стабилизированного оксидами иттрия или иттербия оксида циркония, где высокочистый порошок стабилизированного оксидами иттрия или иттербия оксида циркония содержит от примерно 0 до примерно 0,15% вес. примесных оксидов, от примерно 0 до примерно 2% вес. оксида гафния, от примерно 6 до примерно 25% вес. оксида иттрия или от примерно 10 до примерно 36% вес. оксида иттербия и остальное - оксид циркония.The present invention also relates to products with a thermal barrier coating containing zirconia partially stabilized with yttrium or ytterbium oxides, having a density of more than 88% of theoretical, and having many vertical macrocracks substantially uniformly distributed throughout the coating, in which perpendicular to the substrate, the cross section reveals many vertical macrocracks that extend at least half the thickness of the coating and reach a length equal to half the thickness of the coating, and which has from about 5 to about 200 vertical macrocracks per linear inch (2-78.7 per 1 cm), measured along a line parallel to the surface of the substrate and lying in a plane perpendicular to the surface of the substrate, where the thermal barrier coating formed by thermal spraying a coating of a high-purity powder stabilized by yttrium or ytterbium oxide zirconium oxide, where a high-purity powder stabilized by yttrium or ytterbium oxide zirconium oxide contains from about 0 of about 0.15% by weight. impurity oxides, from about 0 to about 2% weight. hafnium oxide, from about 6 to about 25% weight. yttrium oxide or from about 10 to about 36% weight. ytterbium oxide and the rest is zirconium oxide.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг.1 графически представлена эффективность осаждения нового высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (т.е. порошка С или ZrO-300, которому соответствует сплошная линия) и обычного порошка оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (т.е. порошка D или ZrO-137, которому соответствует пунктирная линия) с целью получения покрытий на квадратных стальных пластинах 3/8 дюйма (9,525 мм).1 graphically depicts the deposition efficiency of a new high-purity yttrium oxide stabilized zirconia powder (i.e., a C line or ZrO-300 powder, which corresponds to a solid line) and conventional yttrium oxide stabilized zirconia powder (i.e. a powder D or ZrO-137, which corresponds to the dashed line) in order to obtain coatings on 3/8 inch (9.525 mm) square steel plates.

На фиг.2 графически представлена измеренная плотность покрытий, полученных при расстоянии от подложки до горелки 1 дюйм (25,4 мм) на квадратных стальных пластинах 3/8 дюйма (9,525 мм) для нового высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (т.е. порошка С или ZrO-300, которому соответствует сплошная линия), и для обычного порошка оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (т.е. порошка D или ZrO-137, которому соответствует пунктирная линия).Figure 2 graphically shows the measured density of coatings obtained at a distance of 1 inch (25.4 mm) from the substrate to the burner on 3/8 inch (9.525 mm) square steel plates for a new high-purity yttrium oxide stabilized zirconia powder (i.e. i.e., C or ZrO-300 powder, which corresponds to the solid line), and for the usual yttrium-stabilized zirconia powder (i.e., D or ZrO-137 powder, to which the dashed line corresponds).

На фиг.3 графически представлена зависимость плотности вертикальных сегментов трещин (число трещин на линейный дюйм (CPI) длины полированного поперечного сечения покрытия) от высоты монослоя для покрытия, полученного из нового высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (т.е. порошка С или ZrO-300) на подложке в форме диска диаметром 1,0 дюйм (25,40 мм) (сплошная линия) и для покрытия, полученного из обычного порошка оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (т.е. порошка D или ZrO-137) на подложке в форме диска диаметром 1,0 дюйм (25,40 мм) (пунктирная линия).Figure 3 graphically shows the dependence of the density of the vertical segments of the cracks (number of cracks per linear inch (CPI) of the length of the polished coating cross section) on the height of the monolayer for the coating obtained from a new high-purity yttria stabilized zirconia powder (i.e., powder C or ZrO-300) on a disk-shaped substrate with a diameter of 1.0 inch (25.40 mm) (solid line) and for a coating obtained from a conventional yttrium oxide stabilized zirconia powder (i.e., D or ZrO-137 powder ) on a disk-shaped substrate with a diameter of trom 1.0 inch (25.40 mm) (dashed line).

Фиг.4 представляет собой фазовую диаграмму обогащенной оксидом циркония области системы ZrO2 - Y2O3. (См. Bratton and Lau, Science & Technology of Zirconia, Amer. Ceram. Soc., 1981, р.226-240).Figure 4 is a phase diagram of a zirconia-rich region of the ZrO 2 - Y 2 O 3 system . (See Bratton and Lau, Science & Technology of Zirconia, Amer. Ceram. Soc., 1981, p. 226-240).

На фиг.5 представлен спектр рентгеноструктурного анализа с использованием К-альфа излучения меди для покрытия из обычного порошка ZrO-137 после его выдерживания в течение 100 часов на воздухе при 1400°C. Начальная строгая тетрагональная структура трансформировалась в структуру на 19,4% моноклинную.Figure 5 presents the spectrum of x-ray diffraction analysis using K-alpha radiation of copper for coating from a conventional powder ZrO-137 after it is kept for 100 hours in air at 1400 ° C. The initial strict tetragonal structure was transformed into a 19.4% monoclinic structure.

На фиг.6 представлен спектр рентгеноструктурного анализа с использованием К-альфа излучения меди для покрытия из нового высокочистого порошка ZrO-300 после его выдерживания в течение 100 часов на воздухе при 1400°C. Начальная строгая тетрагональная структура спустя 100 часов при 1400°C не изменилась.Figure 6 presents the spectrum of x-ray diffraction analysis using K-alpha radiation of copper for coating of a new high-purity powder ZrO-300 after it was kept for 100 hours in air at 1400 ° C. The initial strict tetragonal structure after 100 hours at 1400 ° C did not change.

На фиг.7 графически представлена зависимость плотности покрытия из обычного порошка ZrO-137 от времени при температуре от 1200°C до 1400°C на воздухе. Плотность после нанесения покрытия (пунктир короткими штрихами) составила 91,5% от теоретической. Эта доля еще уменьшилась при 1300°C (сплошная линия) и 1400°C (пунктир длинными штрихами).Figure 7 graphically shows the dependence of the density of the coating of conventional ZrO-137 powder on time at a temperature of from 1200 ° C to 1400 ° C in air. The density after coating (dotted lines with short strokes) was 91.5% of the theoretical. This fraction still decreased at 1300 ° C (solid line) and 1400 ° C (dotted line with long strokes).

На фиг.8 графически представлена зависимость плотности покрытия из нового высокочистого порошка ZrO-300 от времени при температуре от 1200°C до 1400°C на воздухе. Плотность после нанесения покрытия (пунктирная линия) составила 92,7% от теоретической. После выдерживания в течение, по меньшей мере, 100 часов при 1400°C эта доля не изменилась (сплошная линия).On Fig graphically presents the dependence of the density of the coating of the new high-purity powder ZrO-300 from time to time at a temperature of from 1200 ° C to 1400 ° C in air. The density after coating (dashed line) was 92.7% of theoretical. After aging for at least 100 hours at 1400 ° C, this fraction did not change (solid line).

На фиг.9 графически представлено соотношение доли разламывающих (горизонтальных) трещин и плотности вертикальных сегментов трещин (CPI) для покрытия из нового высокочистого порошка ZrO-300 (пунктирная линия) и из обычного порошка ZrO-137 (сплошная линия).Figure 9 graphically shows the ratio of the fraction of fracturing (horizontal) cracks and the density of vertical crack segments (CPI) for coating from a new high-purity powder ZrO-300 (dashed line) and from ordinary powder ZrO-137 (solid line).

На фиг.10 графически представлена зависимость доли краевых трещин после 2000 циклов испытания JETS от плотности вертикальных сегментов из трещин (в CPI) для покрытия из нового высокочистого порошка ZrO-300 без дополнительной обработки после нанесения. При растрескивании более 15% покрытие признавали негодным, что при примерно 10 CPI (4 на 1 см) или более не происходило.Figure 10 graphically shows the dependence of the proportion of edge cracks after 2000 JETS test cycles on the density of vertical segments from cracks (in CPI) for coating of a new high-purity ZrO-300 powder without additional processing after application. With cracking of more than 15%, the coating was deemed unfit, which at approximately 10 CPI (4 per 1 cm) or more did not occur.

На фиг.11 графически представлена зависимость доли краевых трещин после 2000 циклов испытания JETS от плотности вертикальных сегментов трещин (в CPI) для покрытия из нового высокочистого порошка ZrO-300, подвергнутого тепловой обработке (4 часа/1975°F/вакуум). При растрескивании более 15% покрытие признавали негодным, что при примерно 5 CPI (2 на 1 см) или более не происходило.11 graphically shows the dependence of the fraction of edge cracks after 2000 JETS test cycles on the density of the vertical crack segments (in CPI) for the coating of the new high-purity powder ZrO-300 subjected to heat treatment (4 hours / 1975 ° F / vacuum). With cracking of more than 15%, the coating was deemed unfit, which at approximately 5 CPI (2 per 1 cm) or more did not occur.

Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Была обнаружена новая морфология порошка оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, которая также применима к другим порошкам на основе оксида циркония с другими стабилизаторами помимо или в дополнение к оксидам иттрия или иттербия. Было обнаружено, что новые высокочистые порошки оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, в сочетании с новыми условиями плазменного напыления или термического напыления при помощи детонационной пушки обладают намного более высокой эффективностью осаждения, плотностью, допустимым отклонением параметров покрытия и пригодны для формирования нужной структуры трещин, обеспечивающей стойкость к механическим воздействиям. При испытании на тепловой удар при высокой температуре было обнаружено, что покрытия из новых высокочистых порошков оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, превосходят известные создающие термический барьер сегментированные покрытия из стабилизированного оксидом иттрия оксида циркония.A new morphology of yttrium oxide stabilized zirconia powder has been discovered, which is also applicable to other zirconium oxide powders with other stabilizers in addition to or in addition to yttrium or ytterbium oxides. It was found that new high-purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powders, combined with new conditions for plasma spraying or thermal spraying using a detonation gun, have much higher deposition efficiency, density, acceptable deviation of coating parameters and are suitable for forming the desired crack structure providing resistance to mechanical stress. In a heat shock test at a high temperature, it was found that coatings from new high-purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powders are superior to the known thermal barrier segmented yttrium oxide-stabilized zirconia coatings.

В контексте настоящего документа под зерном понимается отдельная расплавленная частица порошка, упавшая на поверхность подложки, где она расплющивается с образованием тонкой пластинки. Как правило, эти пластинки имеют от 5 до 100 мкм в диаметре и от 1 до 5 мкм в толщину, вообще, около 2 мкм в толщину.In the context of this document, grain is understood as a separate molten particle of powder falling onto the surface of a substrate, where it is flattened to form a thin plate. Typically, these plates are 5 to 100 microns in diameter and 1 to 5 microns in thickness, generally about 2 microns in thickness.

В контексте настоящего документа вертикальная макротрещина представляет собой трещину в покрытии, которая, продолженная до контакта с поверхностью подложки, образует угол от 30° до 0°, с прямой, проходящей от указанной точки контакта перпендикулярно поверхности подложки. Предпочтительно, вертикальные макротрещины образуют с этим перпендикуляром угол от 10° до 0°. Помимо вертикальных макротрещин в покрытии может образоваться одна или более горизонтальных макротрещин. Предпочтительно, покрытие не должно иметь горизонтальных макротрещин. Горизонтальная макротрещина представляет собой трещину, образующую с плоскостью, делящей указанную трещину пополам и расположенную параллельно поверхности подложки, угол от 10° до 0°. Горизонтальные трещины, если они есть, предпочтительно, не должны иметь протяженность, позволяющую им пересекать более одной вертикальной макротрещины, поскольку это может ослабить покрытие и вызвать его скалывание. Длина вертикальной макротрещины и длина горизонтальной макротрещины представляют собой расстояние по прямой от одного конца трещины до противоположного конца этой трещины. Длина горизонтальной трещины, если она имеется, должна составлять от примерно 5 до 25% поперечного сечения покрытия, учитывая только те горизонтальные трещины, которые соприкасаются с двумя или более вертикальными сегментационными трещинами.In the context of this document, a vertical macrocrack is a crack in the coating, which, extended to contact with the surface of the substrate, forms an angle of 30 ° to 0 °, with a straight line extending from the specified point of contact perpendicular to the surface of the substrate. Preferably, the vertical macrocracks form an angle of 10 ° to 0 ° with this perpendicular. In addition to vertical macrocracks, one or more horizontal macrocracks can form in the coating. Preferably, the coating should not have horizontal macrocracks. A horizontal macrocrack is a crack forming, with a plane dividing the crack in half and parallel to the surface of the substrate, an angle of 10 ° to 0 °. Horizontal cracks, if present, should preferably not have a length allowing them to cross more than one vertical macrocrack, as this can weaken the coating and cause it to crack. The length of the vertical macrocrack and the length of the horizontal macrocrack are the distance in a straight line from one end of the crack to the opposite end of the crack. The length of the horizontal crack, if any, should be between about 5 and 25% of the cross section of the coating, considering only those horizontal cracks that come in contact with two or more vertical segmentation cracks.

Покрытия настоящего изобретения представляют собой создающие термический барьер покрытия с низкой теплопроводностью, по природе присущей материалам из оксида циркония. Пористость и границы раздела внутри покрытия также являются препятствиями для теплового потока и, следовательно, ведут к снижению эффективной теплопроводности. Однако в соответствии с настоящим изобретением специально предусматривается, что такое покрытие обладает высокой плотностью (низкой пористостью) и, следовательно, высокой эрозионной стойкостью и склонностью к образованию сегментов трещин в результате описанного в настоящем документе процесса. Обычно подразумевается, что оно также обладает низкой плотностью горизонтальных трещин, поскольку это может влиять на срок службы в условиях тепловых ударов. Однако в соответствии с настоящим изобретением плотность горизонтальных трещин можно свести к минимуму или к максимуму, так как могут быть применены обе структуры. В случае, когда воздействие тепловых ударов не слишком интенсивно, можно специально увеличить плотность горизонтальных трещин и таким образом уменьшить теплопроводность. Это осуществляют в процессе нанесения покрытия, используя плазменную горелку для создания разрывов в обычно хорошо связанных границах раздела, образующихся при последовательных проходах горелки.The coatings of the present invention are thermal barrier coatings with low thermal conductivity inherent to zirconia materials. Porosity and interface within the coating are also obstacles to the heat flux and, therefore, lead to a decrease in effective thermal conductivity. However, in accordance with the present invention, it is expressly provided that such a coating has a high density (low porosity) and, therefore, high erosion resistance and a tendency to form crack segments as a result of the process described herein. It is usually understood that it also has a low horizontal crack density, as this can affect the service life under thermal shock. However, in accordance with the present invention, the density of horizontal cracks can be minimized or maximized, since both structures can be applied. In the case when the effect of thermal shock is not too intense, it is possible to specifically increase the density of horizontal cracks and thus reduce thermal conductivity. This is carried out during the coating process using a plasma torch to create gaps at the usually well-connected interfaces formed by successive passes of the torch.

Как указано выше, настоящее изобретение относится к высокочистым порошкам оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, содержащим от примерно 0 до примерно 0,15, предпочтительно от примерно 0 до примерно 0,12% вес. примесных оксидов, от примерно 0 до примерно 2, предпочтительно от примерно 0 до примерно 1,5% вес. оксида гафния, от примерно 6 до примерно 25, предпочтительно от примерно 6 до примерно 10, более предпочтительно от примерно 6,5 до примерно 8% вес. оксида иттрия или от примерно 10 до примерно 36, предпочтительно от примерно 10 до примерно 16, более предпочтительно от примерно 11 до примерно 14% вес. оксида иттербия и остальное - оксид циркония. Примесные оксиды содержат от примерно 0 до примерно 0,02, предпочтительно от примерно 0 до примерно 0,01% вес. диоксида кремния, от примерно 0 до примерно 0,005, предпочтительно от примерно 0 до примерно 0,002% вес. оксида алюминия, от примерно 0 до примерно 0,01, предпочтительно от примерно 0 до примерно 0,005% вес. оксида кальция, от примерно 0 до примерно 0,01, предпочтительно от примерно 0 до примерно 0,005% вес. оксида железа, от примерно 0 до примерно 0,005, предпочтительно от примерно 0 до примерно 0,002% вес. оксида магния и от примерно 0 до примерно 0,01, предпочтительно от примерно 0 до примерно 0,005% вес. диоксида титана.As indicated above, the present invention relates to high purity yttrium or ytterbium oxide zirconia powders containing from about 0 to about 0.15, preferably from about 0 to about 0.12% by weight. impurity oxides, from about 0 to about 2, preferably from about 0 to about 1.5%, by weight. hafnium oxide, from about 6 to about 25, preferably from about 6 to about 10, more preferably from about 6.5 to about 8% by weight. yttrium oxide or from about 10 to about 36, preferably from about 10 to about 16, more preferably from about 11 to about 14% by weight. ytterbium oxide and the rest is zirconium oxide. Impurity oxides contain from about 0 to about 0.02, preferably from about 0 to about 0.01% by weight. silica, from about 0 to about 0.005, preferably from about 0 to about 0.002%, by weight. alumina, from about 0 to about 0.01, preferably from about 0 to about 0.005%, by weight. calcium oxide, from about 0 to about 0.01, preferably from about 0 to about 0.005%, by weight. iron oxide, from about 0 to about 0.005, preferably from about 0 to about 0.002%, by weight. magnesium oxide and from about 0 to about 0.01, preferably from about 0 to about 0.005%, by weight. titanium dioxide.

Высокочистые порошки оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, настоящего изобретения могут содержать смеси двух или более высокочистых порошков оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия. Например, высокочистый порошок оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, настоящего изобретения может содержать от примерно 55 до примерно 95% об. первого высокочистого порошка оксида циркония, частично стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, содержащего от примерно 0 до примерно 0,15% вес. примесных оксидов, от примерно 0 до примерно 2% вес. оксида гафния, от примерно 6 до примерно 10, предпочтительно от примерно 6 до примерно 8% вес. оксида иттрия или от примерно 10 до примерно 14, предпочтительно от примерно 10 до примерно 12% вес. оксида иттербия и остальное - оксид циркония, и от примерно 5 до примерно 45% об. второго высокочистого порошка оксида циркония, полностью стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, содержащего от примерно 0 до примерно 0,15% вес. примесных оксидов, от примерно 0 до примерно 2% вес. оксида гафния, от примерно 16 до примерно 22% вес. оксида иттрия или от примерно 25 до примерно 33% вес. оксида иттербия и остальное - оксид циркония.High purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powders of the present invention may contain mixtures of two or more yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powders. For example, a high purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powder of the present invention may contain from about 55 to about 95% vol. a first highly pure zirconium oxide powder partially stabilized with yttrium or ytterbium oxides containing from about 0 to about 0.15% by weight. impurity oxides, from about 0 to about 2% weight. hafnium oxide, from about 6 to about 10, preferably from about 6 to about 8%, by weight. yttrium oxide or from about 10 to about 14, preferably from about 10 to about 12%, by weight. ytterbium oxide and the rest is zirconium oxide, and from about 5 to about 45% vol. a second highly pure zirconium oxide powder, fully stabilized with yttrium or ytterbium oxides, containing from about 0 to about 0.15% by weight. impurity oxides, from about 0 to about 2% weight. hafnium oxide, from about 16 to about 22% weight. yttrium oxide or from about 25 to about 33% weight. ytterbium oxide and the rest is zirconium oxide.

Смеси высокочистых порошков оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, могут содержать смесь двух или более высокочистых порошков оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, которые снижают теплопроводность изготовленного из них составного покрытия и сохраняют термостойкость, свойственную покрытию из оксида циркония, частично стабилизированного 6-10, предпочтительно 6-8% вес. оксида иттрия. В одном из вариантов осуществления изобретения такие смеси содержат от примерно 20 до примерно 45% об. второго высокочистого порошка оксида циркония, полностью стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, и от примерно 55 до примерно 80% об. первого высокочистого порошка оксида циркония, частично стабилизированного оксидами иттрия или иттербия.A mixture of high-purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powders may contain a mixture of two or more high-purity yttrium or ytterbium oxide zirconia powders that reduce the thermal conductivity of the composite coating made from them and retain the heat resistance characteristic of a partially stabilized zirconia 6 -10, preferably 6-8% by weight. yttrium oxide. In one of the embodiments of the invention, such mixtures contain from about 20 to about 45% vol. the second highly pure zirconium oxide powder, fully stabilized with yttrium or ytterbium oxides, and from about 55 to about 80% vol. the first highly pure zirconium oxide powder partially stabilized with yttrium or ytterbium oxides.

Покрытия, в которых к оксиду циркония добавлено 6,5-8% вес. оксида иттрия, обладают искомой термостойкостью, как полагают, вследствие процесса термического улучшения на переднем крае растущей трещины, где при нагружении происходит трансформация тетрагональной фазы в моноклинную. Однако оксид циркония, стабилизированный 20% вес. оксида иттрия, называемый полностью стабилизированным, так как он обладает кубической структурой и не претерпевает фазовой трансформации, имеет более низкую теплопроводность. Обычно термостойкость более важна, чем низкая теплопроводность, поэтому в промышленности чаще используют оксид циркония, стабилизированный 7% вес. оксида иттрия.Coatings in which 6.5-8% by weight is added to zirconium oxide. yttrium oxide, have the desired heat resistance, is believed to be due to the process of thermal improvement at the leading edge of the growing crack, where the tetragonal phase transforms into monoclinic during loading. However, zirconia stabilized with 20% weight. yttrium oxide, called fully stabilized, since it has a cubic structure and does not undergo phase transformation, has a lower thermal conductivity. Typically, heat resistance is more important than low thermal conductivity, therefore, in industry, zirconia stabilized at 7% weight is more often used. yttrium oxide.

В соответствии с настоящим изобретением, если в покрытии материал, стабилизированный небольшим количеством оксида иттрия, образует непрерывную фазу, а материал, стабилизированный большим количеством оксида иттрия, при этом изолирован в матрице, существует возможность извлечения пользы из более низкой теплопроводности материала, стабилизированного большим количеством оксида иттрия, поскольку тепловой поток, проходящий сквозь покрытие, т.е. все составляющие его материалы, границы раздела и поры, усредняется. Если под воздействием теплового удара в частицах с высоким содержанием оксида иттрия появляются трещины, они оказывают влияние только на эту фазу и не переходят в окружающую матрицу с низким содержанием оксида иттрия.According to the present invention, if a material stabilized with a small amount of yttrium oxide in the coating forms a continuous phase and a material stabilized with a large amount of yttrium oxide is isolated in the matrix, it is possible to benefit from the lower thermal conductivity of the material stabilized with a large amount of oxide yttrium, since the heat flux passing through the coating, i.e. all its constituent materials, interfaces and pores, are averaged. If cracks appear in particles with a high content of yttrium oxide under the influence of thermal shock, they affect only this phase and do not pass into the surrounding matrix with a low content of yttrium oxide.

Этого достигают путем смешивания в нужной пропорции двух отдельных порошков и их термического напыления с образованием составного покрытия. Основным компонентом должен быть порошок с низким содержанием оксида иттрия, так, чтобы он образовывал непрерывную фазу, или матрицу, покрытия. Уровень снижения теплопроводности компенсируют увеличением количества оксида циркония с высоким содержанием оксида иттрия, т.е. в соответствии с предполагаемым назначением подбирают соотношение компонентов. Если воздействие тепловых ударов не слишком интенсивно, может быть добавлено больше компонента с высоким содержанием оксида иттрия.This is achieved by mixing in the right proportion two separate powders and their thermal spraying with the formation of a composite coating. The main component should be a powder with a low content of yttrium oxide, so that it forms a continuous phase, or matrix, of the coating. The level of decrease in thermal conductivity is compensated by an increase in the amount of zirconium oxide with a high content of yttrium oxide, i.e. in accordance with the intended purpose, the ratio of the components is selected. If the effects of thermal shock are not too intense, more of the high yttrium oxide component may be added.

В контексте настоящего изобретения также применимы составные высокочистые порошки оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, предназначенные для улучшения абразивных свойств. Если покрытие содержит второй компонент, обладающий более высокой абразивной способностью, чем оксид циркония, предпочтительно, чтобы размер частиц второго компонента составлял в любом направлении, по меньшей мере, 2 мил (50,8 мкм) и до 95% толщины покрытия. В этом варианте осуществления изобретения, предусматривающем использование, по меньшей мере, двух порошков, является предпочтительным, чтобы тонкодисперсные частицы оксида циркония прилипали к поверхности более крупных абразивных частиц. Подходящие абразивные частицы могут представлять собой оксид алюминия, оксид хрома или их сплавы, введенные в порошковую композицию в количестве от 10 до 40% вес. общего веса порошка, предпочтительно от 20 до 30% вес. общего веса порошковой композиции.Compound high purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powders are also useful in the context of the present invention, designed to improve abrasive properties. If the coating contains a second component having a higher abrasive ability than zirconium oxide, it is preferable that the particle size of the second component be in any direction at least 2 mils (50.8 μm) and up to 95% of the coating thickness. In this embodiment of the invention, using at least two powders, it is preferred that the fine particles of zirconium oxide adhere to the surface of the larger abrasive particles. Suitable abrasive particles may be alumina, chromium oxide or alloys thereof, incorporated into the powder composition in an amount of from 10 to 40% by weight. the total weight of the powder, preferably from 20 to 30% weight. total weight of the powder composition.

В объем настоящего изобретения также включаются составные высокочистые порошки оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, предназначенные для снижения теплопроводности. Пояснительным примером составных порошков является составной высокочистый порошок оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, содержащий высокочистый порошок оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, в котором от примерно 0 до примерно 0,15% вес. составляют примесные оксиды, от примерно 0 до примерно 2% вес. составляет оксид гафния, от примерно 6 до примерно 25% вес. - оксид иттрия или от примерно 10 до примерно 36% вес. - оксид иттербия и остальное - оксид циркония, и который имеет номинальный средний размер частиц 20-60 мкм, с поверхностью которых связаны частицы оксида гадолиния с номинальным средним размером 0,5-2 мкм.Also included within the scope of the present invention are composite high-purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powders designed to reduce thermal conductivity. An illustrative example of composite powders is a composite high purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powder containing a high purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powder in which about 0 to about 0.15% by weight. constitute impurity oxides, from about 0 to about 2% weight. is hafnium oxide, from about 6 to about 25% weight. - yttrium oxide or from about 10 to about 36% weight. - ytterbium oxide and the rest is zirconium oxide, and which has a nominal average particle size of 20-60 microns, to the surface of which are connected particles of gadolinium oxide with a nominal average size of 0.5-2 microns.

Составные высокочистые порошки оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, предназначенные для снижения теплопроводности, предоставляют простую и рентабельную возможность дополнительного регулирования теплопроводности порошка. Обычно такой порошок может быть изготовлен одним из описанных в настоящем документе способов, таких как способ плавления и дробления. В расплавленную смесь в нужном количестве может быть добавлен дополнительный компонент, например оксид гадолиния. Эту операцию обычно осуществляют для больших порций, например 100 фунтов или более. Если введенное количество немного отличается от заданного, вся порция может пойти в отходы, что представляет собой значительные издержки.Compound high-purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powders designed to reduce thermal conductivity provide a simple and cost-effective ability to further control the thermal conductivity of the powder. Typically, such a powder may be made by one of the methods described herein, such as a melting and crushing method. An additional component, for example gadolinium oxide, may be added to the molten mixture in the right amount. This operation is usually carried out for large portions, for example 100 pounds or more. If the amount entered is slightly different from the set, the whole portion can go to waste, which represents a significant cost.

Кроме того, на стадии сортировки по размеру сплавленная масса может быть раздроблена в тонкодисперсный порошок. Обычно эта операция связана с большими потерями, так как более крупные и более мелкие частицы идут в отходы. В данном варианте осуществления настоящего изобретения основной материал может быть изготовлен обычным образом, например представлять собой оксид циркония, стабилизированный 7% вес. оксида иттрия, с нужным размером частиц. Частицы большего и меньшего размера можно повторно использовать на стадии плавления следующей порции. Затем основной порошок с нужным размером частиц, обычно со средним размером около 20-60 мкм, смешивают с ультрадисперсными частицами оксида гадолиния с добавлением связующего, такого как разбавленный белый клей. Порошок сушат и немного встряхивают для разделения слипшихся крупных частиц. Тонкодисперсный оксид гадолиния прилипает к поверхности крупных основных частиц в примерно нужном количестве.In addition, at the stage of sorting by size, the fused mass can be crushed into a fine powder. Usually this operation is associated with large losses, as larger and smaller particles go to waste. In this embodiment of the present invention, the base material can be manufactured in the usual manner, for example, be zirconia stabilized at 7% by weight. yttrium oxide, with the desired particle size. Larger and smaller particles can be reused in the melting stage of the next batch. Then, a basic powder with the desired particle size, usually with an average size of about 20-60 microns, is mixed with ultrafine particles of gadolinium oxide with the addition of a binder, such as diluted white glue. The powder is dried and shaken a little to separate coalesced large particles. The finely dispersed gadolinium oxide adheres to the surface of large basic particles in about the right amount.

Можно рассчитать, сколько тонкодисперсного оксида гадолиния или аналогичного ему компонента нужно добавить в смесь, чтобы получить заданный составной порошок. Это делают путем измерения среднего объема крупных основных частиц при помощи анализатора крупности Microtrac. Ту же операцию проводят с ультрадисперсными частицами добавки. Важно, чтобы добавляемые частицы были очень мелкими, тогда они могут быть однородно распределены и склеены с крупными частицами в нужной пропорции. Надлежащим считается размер примерно 0,5-2 мкм для тонкодисперсных и примерно 60 мкм для крупных основных частиц. Чтобы найти адекватное количество добавки, в каждом случае следует выполнять такой расчет. Затем составные частицы напыляют при помощи любого устройства термического напыления, в котором в результате плавления частиц сплавляется вся композиция. Этот способ позволяет изготавливать и маленькие, и большие порции; путем добавления к заданной массе основных крупных частиц большего или меньшего количества ультрадисперсного компонента может быть получена любая составная композиция.It is possible to calculate how many finely divided gadolinium oxide or a similar component need to be added to the mixture in order to obtain a given composite powder. This is done by measuring the average volume of large bulk particles using a Microtrac particle size analyzer. The same operation is carried out with ultrafine particles of the additive. It is important that the added particles are very small, then they can be uniformly distributed and glued to the large particles in the right proportion. A size of about 0.5-2 microns for fine particles and about 60 microns for large base particles is considered appropriate. In order to find an adequate amount of additives, in each case, such a calculation should be performed. The composite particles are then sprayed using any thermal spraying device in which the entire composition is fused as a result of melting the particles. This method allows to produce both small and large portions; by adding to a given mass of the major coarse particles more or less ultrafine component, any composite composition can be obtained.

Средний размер частиц наносимых термическим напылением порошков, применимых в контексте настоящего изобретения, устанавливают, предпочтительно, в соответствии с типом устройства термического напыления и используемых условий термического напыления. Средний размер частиц может составлять от примерно 1 до примерно 150 мкм, предпочтительно от примерно 5 до примерно 50 мкм, более предпочтительно от примерно 10 до примерно 45 мкм.The average particle size of the thermal sprayable powders applicable in the context of the present invention is preferably set according to the type of thermal spraying device and the thermal spraying conditions used. The average particle size may be from about 1 to about 150 microns, preferably from about 5 to about 50 microns, more preferably from about 10 to about 45 microns.

Настоящим изобретением обеспечиваются высокочистые порошки оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, из которых может быть образовано наносимое термическим напылением покрытие плотностью более 88% от теоретической со множеством вертикальных макротрещин, распределенных, по существу, однородно по всему покрытию, в котором поперечное сечение покрытия, перпендикулярное подложке, открывает множество вертикальных макротрещин, простирающихся, по меньшей мере, на половину толщины покрытия и достигающих в длину величины полной толщины покрытия, и в котором имеется от примерно 5 до примерно 200 (2-78,7 на 1 см), предпочтительно, от примерно 20 до примерно 200 (7,9-78,7 на 1 см), более предпочтительно, от примерно 40 до примерно 100 вертикальных макротрещин на линейный дюйм (15,7-39,3 на 1 см), отмеряемый по линии, параллельной поверхности подложки и лежащей в плоскости, перпендикулярной поверхности подложки.The present invention provides high-purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powders from which a thermal spray coating with a density of more than 88% of theoretical can be formed with many vertical macrocracks distributed substantially uniformly throughout the coating, in which the cross section of the coating, perpendicular to the substrate, opens up many vertical macrocracks that extend at least half the thickness of the coating and reach lengths of other full thickness of the coating, and in which there is from about 5 to about 200 (2-78.7 per 1 cm), preferably from about 20 to about 200 (7.9-78.7 per 1 cm), more preferably from about 40 to about 100 vertical macrocracks per linear inch (15.7-39.3 per 1 cm), measured along a line parallel to the surface of the substrate and lying in a plane perpendicular to the surface of the substrate.

Наносимые термическим напылением порошки, применимые в контексте настоящего изобретения, могут быть получены обычными способами, такими как агломерация (распылительная сушка и спекание или спекание и дробление) или литье и дробление. В соответствии со способом распылительной сушки и спекания сначала готовят суспензию, смешивая множество порошкообразных исходных материалов и надлежащую дисперсионную среду. Затем, в ходе распылительной сушки, эту суспензию гранулируют, после чего гранулированный порошок подвергают спеканию с образованием когерентных частиц порошка. Порошок для термического напыления получают путем просеивания и сортировки (если агломераты слишком велики, их размер уменьшают путем дробления). Температура спекания гранулированного порошка составляет, предпочтительно, 1000-1300°C.Thermally sprayed powders useful in the context of the present invention can be obtained by conventional methods such as agglomeration (spray drying and sintering or sintering and crushing) or casting and crushing. According to the spray drying and sintering method, a suspension is first prepared by mixing a plurality of powdered starting materials and an appropriate dispersion medium. Then, during spray drying, this suspension is granulated, after which the granular powder is sintered to form coherent powder particles. Thermal spraying powder is obtained by sieving and sorting (if the agglomerates are too large, their size is reduced by crushing). The sintering temperature of the granular powder is preferably 1000-1300 ° C.

Наносимые термическим напылением порошки, соответствующие настоящему изобретению, могут быть получены другим способом, включающим агломерацию, спекание и дробление. При спекании и дроблении сначала получают прессовку, смешивая множество порошкообразных исходных материалов, которые прессуют и затем спекают при температуре от 1200 до 1400°C. Затем путем дробления и сортировки образовавшейся спеченной прессовки в соответствии с заданным гранулометрическим составом получают порошок для термического напыления.Thermally sprayed powders according to the present invention can be obtained in another way, including agglomeration, sintering and crushing. During sintering and crushing, a compact is first obtained by mixing a variety of powdery starting materials, which are pressed and then sintered at a temperature of from 1200 to 1400 ° C. Then, by crushing and sorting the resulting sintered compact in accordance with a given particle size distribution, a powder for thermal spraying is obtained.

Наносимые термическим напылением порошки, соответствующие настоящему изобретению, также могут быть получены способом литья (плавки) и дробления, заменяющего способ агломерации. В соответствии со способом плавки и дробления, сначала, путем смешивания множества порошкообразных исходных материалов и последующего быстрого нагревания, литья и охлаждения получают слиток. После этого путем дробления этого слитка и сортировки частиц получают порошок для термического напыления.Thermally sprayed powders according to the present invention can also be obtained by casting (smelting) and crushing, replacing the agglomeration method. In accordance with the melting and crushing method, first, by mixing a plurality of powdery starting materials and subsequent rapid heating, casting and cooling, an ingot is obtained. After that, by crushing this ingot and sorting the particles, a powder is obtained for thermal spraying.

Как правило, порошки для термического напыления могут быть получены следующими обычными способами:Typically, powders for thermal spraying can be obtained by the following conventional methods:

способ распылительной сушки и спекания - порошкообразные исходные материалы смешивают с получением суспензии, которую гранулируют путем распылительной сушки. Затем агломерированный порошок спекают при высокой температуре (по меньшей мере 1000°C) и просеивают с целью отделения нужного для напыления гранулометрического состава частиц;spray drying and sintering method - the powdered starting materials are mixed to obtain a suspension, which is granulated by spray drying. Then, the agglomerated powder is sintered at a high temperature (at least 1000 ° C) and sieved to separate the particle size distribution necessary for spraying;

способ спекания и дробления - порошкообразные исходные материалы спекают при высокой температуре в атмосфере водорода или инертного газа (при низком парциальном давлении кислорода), затем подвергают механическому дроблению и просеивают с целью отделения нужного для напыления гранулометрического состава частиц;sintering and crushing method — the powdered starting materials are sintered at a high temperature in an atmosphere of hydrogen or an inert gas (at a low partial pressure of oxygen), then subjected to mechanical crushing and sieved to separate the particle size distribution necessary for spraying;

способ литья и дробления - порошкообразные исходные материалы расплавляют в тигле, полученную отливку подвергают механическому дроблению и просеивают частицы; иcasting and crushing method - the powdered starting materials are melted in a crucible, the resulting casting is subjected to mechanical crushing and the particles are sieved; and

способ уплотнения - порошок, полученный любым из описанных выше способов (i)-(iii), нагревают плазменной струей или лазером и просеивают (способы плазменного уплотнения или лазерного уплотнения).compaction method — a powder obtained by any of the above methods (i) to (iii) is heated by a plasma jet or laser and sieved (plasma compaction or laser compaction methods).

Средний размер частиц порошка каждого из исходных материалов, используемых в способе распылительной сушки, составляет предпочтительно не менее 0,1 мкм, более предпочтительно не менее 0,2 мкм, но предпочтительно не более 10 мкм. Если средний размер частиц порошка исходного материала слишком мал, могут увеличиться затраты. Если средний размер частиц порошка исходного материала слишком велик, может усложниться достижение равномерного распределения порошка исходного материала. The average particle size of the powder of each of the starting materials used in the spray drying method is preferably not less than 0.1 microns, more preferably not less than 0.2 microns, but preferably not more than 10 microns. If the average particle size of the powder of the starting material is too small, costs may increase. If the average particle size of the starting material powder is too large, it may be difficult to achieve an even distribution of the starting material powder.

Отдельные частицы, составляющие порошок для термического напыления, предпочтительно обладают достаточной механической прочностью, чтобы в процессе термического напыления оставаться когерентными. Если их механическая прочность слишком мала, частицы порошка могут разрушаться, засоряя сопло, или накапливаться на внутренних стенках устройства термического напыления.The individual particles constituting the powder for thermal spraying preferably have sufficient mechanical strength to remain coherent during the thermal spraying process. If their mechanical strength is too low, the powder particles may break down, clogging the nozzle, or accumulate on the inner walls of the thermal spraying device.

Процесс нанесения покрытия включает протекание порошка сквозь устройство термического напыления, нагревающее порошок и придающее ему ускорение в направлении подложки. При соударении нагретая частица деформируется, превращаясь в нанесенную термическим напылением чешуйку или зерно. Из перекрывающихся зерен состоит структура покрытия. Способ детонации, применимый в контексте настоящего изобретения, описан в патенте США №2714563, включаемом в настоящее описание путем ссылки. Более того, способ детонации описан в патентах США №4519840 и №4626476, включаемых в настоящее описание путем ссылки. В патенте США №6503290, включаемом в настоящее описание путем ссылки, описан применимый в контексте настоящего изобретения способ использования кислородного топлива, имеющего высокую скорость.The coating process involves the flow of powder through a thermal spraying device, heating the powder and giving it acceleration in the direction of the substrate. Upon collision, the heated particle is deformed, turning into a flake or grain caused by thermal spraying. The overlapping grains comprise the coating structure. The detonation method applicable in the context of the present invention is described in US patent No. 2714563, incorporated herein by reference. Moreover, the method of detonation is described in US patent No. 4519840 and No. 4626476, incorporated herein by reference. US Pat. No. 6,503,290, incorporated herein by reference, describes a method for using oxygen fuel having a high speed that is applicable in the context of the present invention.

Как указано выше, настоящее изобретение относится к покрытиям, наносимым термическим напылением, например, создающим термический барьер покрытиям, из высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, где высокочистый порошок оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, содержит от примерно 0 до примерно 0,15% вес. примесных оксидов, от примерно 0 до примерно 2% вес. оксида гафния, от примерно 6 до примерно 25% вес. оксида иттрия или от примерно 10 до примерно 36% вес. оксида иттербия и остальное - оксид циркония. Выше описаны высокочистые порошки оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, применимые для получения наносимых термическим напылением покрытий.As indicated above, the present invention relates to thermal spray coatings, for example, thermal barrier coatings, of a high purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powder, where a high purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powder contains from about 0 to about 0.15% weight. impurity oxides, from about 0 to about 2% weight. hafnium oxide, from about 6 to about 25% weight. yttrium oxide or from about 10 to about 36% weight. ytterbium oxide and the rest is zirconium oxide. The above described are high-purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powders that are suitable for the production of thermal spray coatings.

Наносимые термическим напылением покрытия, например создающие термический барьер покрытия, обычно обладают плотностью, составляющей более 88% теоретической, и множеством вертикальных макротрещин, по существу, однородно распределенных по всему покрытию, в котором поперечное, перпендикулярное подложке, сечение открывает множество вертикальных макротрещин, простирающихся, по меньшей мере, на половину толщины покрытия и достигающих в длину величины, равной полной толщине покрытия, предпочтительно, плотностью, составляющей от 90% до 98% от теоретической, и множеством указанных вертикальных макротрещин, простирающихся, по меньшей мере, на половину толщины покрытия и достигающих в длину величины, равной полной толщине покрытия, которое имеет от примерно 5 до примерно 200 вертикальных макротрещин на линейный дюйм (2-78,7 на 1 см), предпочтительно от примерно 20 до примерно 100 вертикальных макротрещин на линейный дюйм (7,9-39,3 на 1 см), более предпочтительно от примерно 40 до примерно 60 вертикальных макротрещин на линейный дюйм (15,7-23,6 на см), отмеряемый по линии, параллельной поверхности подложки и лежащей в плоскости, перпендикулярной поверхности подложки. Ширина вертикальных макротрещин обычно составляет менее примерно 1 мил (25,4 мкм). В одном из вариантов осуществления изобретения покрытия, наносимые термическим напылением, могут иметь вертикальные сегментационные трещины, которые в толще покрытия образуют трехмерные ячейки со средней шириной ячейки 0,02 дюйма (508 мкм) при диапазоне от примерно 0,005 до примерно 0,2 дюйма (127-5080 мкм).Thermally sprayed coatings, for example, creating a thermal barrier to a coating, typically have a density of more than 88% theoretical and a plurality of vertical macrocracks substantially uniformly distributed throughout the coating, in which a cross-section perpendicular to the substrate opens up a plurality of vertical macrocracks that extend at least half the thickness of the coating and reaching a length equal to the total thickness of the coating, preferably a density of 90% to 98% of those retic, and many of these vertical macrocracks, extending at least half the thickness of the coating and reaching a length equal to the total thickness of the coating, which has from about 5 to about 200 vertical macrocracks per linear inch (2-78.7 per 1 cm), preferably from about 20 to about 100 vertical macrocracks per linear inch (7.9-39.3 per 1 cm), more preferably from about 40 to about 60 vertical macrocracks per linear inch (15.7-23.6 per cm), measured along a line parallel to the surface of the substrate ki and lying in a plane perpendicular to the surface of the substrate. The width of the vertical macrocracks is usually less than about 1 mils (25.4 microns). In one embodiment of the invention, the thermal spray coatings may have vertical segmentation cracks that form three-dimensional cells in the thickness of the coating with an average cell width of 0.02 inches (508 μm) in the range of about 0.005 to about 0.2 inches (127 -5080 μm).

Наносимые термическим напылением покрытия, например создающие термический барьер покрытия, могут иметь одну или более горизонтальных макротрещин, проходящих внутри покрытия параллельно поверхности подложки. Горизонтальные макротрещины, предпочтительно, не контактируют более чем с одной вертикальной макротрещиной. Наносимые термическим напылением покрытия могут содержать сегменты горизонтальных трещин, соединяющие любые две вертикальные сегментационные трещины, суммарная общая длина которых, измеренная в полированном поперечном сечении, составляет менее 10% ширины покрытия.Thermally sprayed coatings, for example, creating a thermal barrier to the coating, can have one or more horizontal macrocracks extending parallel to the surface of the substrate inside the coating. Horizontal macrocracks are preferably not in contact with more than one vertical macrocrack. Thermally sprayed coatings may contain horizontal crack segments connecting any two vertical segmentation cracks, the total total length of which, measured in the polished cross section, is less than 10% of the coating width.

В одном из вариантов осуществления изобретения между подложкой и наносимым термическим напылением покрытием, например создающим термический барьер покрытием, может быть нанесено связующее покрытие. Связующее покрытие обычно содержит сплав хрома, алюминия, иттрия с металлом, подбираемым из группы, состоящей из никеля, кобальта и железа. Связующее покрытие предпочтительно представляет собой покрытие MCrAlY+X, наносимое способами плазменного напыления, или способами детонационного напыления, или способами электроосаждения, где М означает Ni, Со или Fe или любую комбинацию этих трех элементов, Х означает добавление Pt, Ta, Hf, Re или других редкоземельных металлов или тонкодисперсных частиц оксида алюминия - диспергирующего агента, отдельно или в сочетании.In one embodiment, a binder coating may be applied between the substrate and the thermal spray coating, for example, a thermal barrier coating. The bonding coating usually contains an alloy of chromium, aluminum, yttrium with a metal selected from the group consisting of nickel, cobalt and iron. The binder coating is preferably an MCrAlY + X coating applied by plasma spraying methods, or by detonation spraying methods, or by electrodeposition methods, where M is Ni, Co or Fe, or any combination of these three elements, X is the addition of Pt, Ta, Hf, Re or other rare earth metals or fine particles of aluminum oxide - dispersing agent, separately or in combination.

Наносимые термическим напылением покрытия, например создающие термический барьер покрытия, настоящего изобретения обладают несколькими желательными свойствами, включая следующие: повышенная устойчивость к спеканию, т.е. при 1200°C их плотность через 4 часа увеличивается менее чем на 0,5%; модуль упругости в плоскости покрытия менее 0,6 МПа и когезионная прочность в направлении толщины покрытия более 40 МПа; после выдерживания в течение 4 часов при 1200°C модуль упругости в плоскости покрытия менее 0,9 МПа и когезионная прочность в направлении толщины покрытия более 45 МПа; теплопроводность в направлении вдоль толщины покрытия менее 0,014 Вт/см при 25°C и менее 0,0135 Вт/см при 500°C; спустя 4 часа при 1200°C теплопроводность в направлении вдоль толщины покрытия менее 0,015 Вт/см при 25°C и менее 0,014 Вт/см при 500°C; скорость эрозии частиц при бомбардировке заостренными частицами оксида алюминия 50 мкм под углом 20° со скоростью 200 фут/с (61 м/с) при 25°C менее 1 мг на 1 г эродента; спустя 4 часа при 1200°C скорость эрозии частиц при бомбардировке заостренными частицами оксида алюминия 50 мкм под углом 20° со скоростью 200 фут/с (61 м/с) при 25°C менее 0,5 мг на 1 г эродента; менее 3% моноклинной фазы, обнаруживаемой рентгеноструктурными методами; спустя 4 часа при 1200°C менее 3% моноклинной фазы, обнаруживаемой рентгеноструктурными методами.Thermally sprayed coatings, for example, providing a thermal barrier to a coating, of the present invention have several desirable properties, including the following: increased sintering resistance, i.e. at 1200 ° C their density after 4 hours increases by less than 0.5%; the elastic modulus in the coating plane is less than 0.6 MPa and the cohesive strength in the direction of the coating thickness is more than 40 MPa; after 4 hours at 1200 ° C, the elastic modulus in the coating plane is less than 0.9 MPa and the cohesive strength in the direction of the coating thickness is more than 45 MPa; thermal conductivity in the direction along the coating thickness of less than 0.014 W / cm at 25 ° C and less than 0.0135 W / cm at 500 ° C; 4 hours later at 1200 ° C, thermal conductivity in the direction along the coating thickness is less than 0.015 W / cm at 25 ° C and less than 0.014 W / cm at 500 ° C; particle erosion rate during bombardment with pointed alumina particles of 50 μm at an angle of 20 ° at a speed of 200 ft / s (61 m / s) at 25 ° C less than 1 mg per 1 g of erodent; after 4 hours at 1200 ° C, the rate of particle erosion when bombarded with pointed alumina particles of 50 μm at an angle of 20 ° at a speed of 200 ft / s (61 m / s) at 25 ° C is less than 0.5 mg per 1 g of erodent; less than 3% of the monoclinic phase detected by x-ray diffraction methods; after 4 hours at 1200 ° C, less than 3% of the monoclinic phase detected by X-ray diffraction methods.

Наносимые термическим напылением покрытия настоящего изобретения могут быть дополнительно стабилизированы путем тепловой обработки в вакууме или на воздухе при температуре 1000°C или выше. Как указано более подробно в примере 7, приводимом ниже, пороговое значение CPI, соответствующее отличной выносливости к тепловым ударам, было снижено с 20 CPI (7,9 на 1 см) для покрытий из обычного порошка ZrO-137 до примерно 5 CPI (2 на 1 см) для покрытий из нового высокочистого порошка ZrO-300. Одним из вариантов осуществления настоящего изобретения является нанесение покрытий из высокочистого порошка ZrO-300 со структурой с безопасным уровнем CPI и затем тепловая обработка изделия с покрытием.Thermally sprayed coatings of the present invention can be further stabilized by heat treatment in vacuum or in air at a temperature of 1000 ° C or higher. As described in more detail in Example 7 below, the threshold CPI value corresponding to excellent thermal shock resistance was reduced from 20 CPI (7.9 per 1 cm) for coatings of conventional ZrO-137 powder to about 5 CPI (2 per 1 cm) for coatings from the new high-purity powder ZrO-300. One of the embodiments of the present invention is the coating of high-purity powder ZrO-300 with a structure with a safe level of CPI and then heat treatment of the coated product.

Как указано выше, настоящее изобретение относится к создающим термический барьер покрытиям, предназначенным для защиты подложки, например поверхностей лопаток, направляющих устройств и уплотнений газотурбинных двигателей, где покрытия содержат частично стабилизированный оксидом иттрия оксид циркония, обладают плотностью более 88% теоретической и имеют множество вертикальных макротрещин, по существу, однородно распределенных по всему покрытию, в котором поперечное, перпендикулярное подложке, сечение открывает множество вертикальных макротрещин, простирающихся, по меньшей мере, на половину толщины покрытия, предпочтительно, по меньшей мере, на 2/3 толщины покрытия и достигающих в длину величины, равной полной толщине покрытия, и которое имеет от примерно 5 до примерно 200 (2-78,7 на 1 см), предпочтительно от примерно 20 до примерно 200 вертикальных макротрещин (7,9-78,7 на 1 см), более предпочтительно от примерно 40 до примерно 100 вертикальных макротрещин на линейный дюйм (15,7-39,3 на 1 см), отмеряемый по линии, параллельной поверхности подложки и лежащей в плоскости, перпендикулярной поверхности подложки. Длина множества вертикальных макротрещин должна составлять, по меньшей мере, половину толщины покрытия и достигать величины полной толщины покрытия с тем, чтобы трещины проходили, по меньшей мере, через 50 зерен осажденного порошка.As indicated above, the present invention relates to thermal barrier coatings designed to protect a substrate, for example, the surfaces of vanes, guides and gas turbine engine seals, where the coatings contain partially stabilized yttrium oxide zirconia, have a density of more than 88% theoretical and have many vertical macrocracks essentially uniformly distributed throughout the coating, in which a transverse, perpendicular to the substrate, the cross section opens up many vertical macrocracks extending at least half the coating thickness, preferably at least 2/3 of the coating thickness and reaching a length equal to the full thickness of the coating, and which has from about 5 to about 200 (2-78, 7 per 1 cm), preferably from about 20 to about 200 vertical macrocracks (7.9-78.7 per 1 cm), more preferably from about 40 to about 100 vertical macrocracks per linear inch (15.7-39.3 per 1 cm), measured along a line parallel to the surface of the substrate and lying in a plane perpendicular to the Nost substrate. The length of the plurality of vertical macrocracks should be at least half the thickness of the coating and reach the full thickness of the coating so that the cracks pass through at least 50 grains of the deposited powder.

Во многих случаях использования покрытия его плотность, предпочтительно, должна составлять от 90% до 98% теоретической, наиболее предпочтительно, около 92% теоретической плотности. Вертикальные макротрещины формируются в покрытии при плазменном нанесении порошков покрытия на поверхность подложки отдельными монослоями, в которых толщина каждого монослоя образована, по меньшей мере, двумя перекрывающимися зернами осаждаемого порошка (около 0,16 мил (4 мкм)) и содержит предпочтительно от примерно трех до пяти зерен осаждаемого порошка (от примерно 0,24 мил (6 мкм) и 0,40 мил (10,2 мкм) соответственно).In many cases of using a coating, its density should preferably be from 90% to 98% of theoretical, most preferably about 92% of theoretical density. Vertical macrocracks are formed in the coating by plasma coating of the coating powders on the substrate surface in separate monolayers in which the thickness of each monolayer is formed by at least two overlapping grains of the deposited powder (about 0.16 mils (4 μm)) and preferably contains from about three to five grains of the deposited powder (from about 0.24 mils (6 microns) and 0.40 mils (10.2 microns, respectively).

Без связи с определенной теорией полагают, что результатом осаждения двух или более перекрывающихся зерен порошка является то, что второе и последующие зерна осаждаются при более высокой температуре, чем предыдущие. Причина этого в том, что первое зерно порошка осаждается на относительно более холодную подложку, тогда как второе и последующие зерна осаждаются на предыдущие зерна, температура которых более и более повышается. Таким образом, осаждение двух или более зерен в целом приводит к созданию температурного градиента, т.е. температура увеличивается к верхней поверхности. При охлаждении и отверждении осажденного монослоя второе и последующие зерна дают большую усадку, чем предыдущие зерна, в результате чего образуются вертикальные макротрещины, пересекающие осажденный слой.Without being bound by a specific theory, it is believed that the result of the deposition of two or more overlapping grains of powder is that the second and subsequent grains precipitate at a higher temperature than the previous ones. The reason for this is that the first grain of the powder is deposited on a relatively colder substrate, while the second and subsequent grains are deposited on the previous grains, the temperature of which increases more and more. Thus, the deposition of two or more grains as a whole leads to the creation of a temperature gradient, i.e. temperature rises to the top surface. During cooling and curing of the deposited monolayer, the second and subsequent grains shrink more than the previous grains, resulting in the formation of vertical macrocracks intersecting the deposited layer.

При осаждении на подложку дополнительных перекрывающихся монослоев в каждом монослое образуются вертикальные макротрещины, которые имеют тенденцию располагаться так же, как ранее образовавшиеся макротрещины в предыдущих монослоях. Таким образом, в сущности, образуются несколько макротрещин, проходящих, по существу, по всей толщине покрытия. Ширина вертикальных макротрещин, т.е. расстояние между противоположными берегами, образующими вертикальную макротрещину, как правило, меньше примерно 1 мил (25,4 мкм), предпочтительно меньше ½ мил (12,7 мкм).When additional overlapping monolayers are deposited on the substrate, vertical macrocracks are formed in each monolayer, which tend to be located in the same way as previously formed macrocracks in previous monolayers. Thus, in essence, several macrocracks are formed that extend essentially over the entire thickness of the coating. Width of vertical macrocracks, i.e. the distance between opposing sides forming a vertical macrocrack is typically less than about 1 mils (25.4 microns), preferably less than ½ mils (12.7 microns).

Если плотность покрытия составляет менее 88% теоретической, напряжение, создаваемое усадкой зерен в монослое, может быть амортизировано или компенсировано пористостью покрытия. Это фактически предотвращает образование макротрещин по всему покрытию, как было бы нужно в соответствии с настоящим изобретением, и препятствует получению покрытия с надлежащим сопротивлением термической усталости. По существу, однородное распределение вертикальных макротрещин по всему покрытию, необходимое в контексте настоящего изобретения, позволяет снизить модуль упругости покрытия и, следовательно, снизить местное напряжение. В результате покрытие приобретает надлежащее сопротивление термической усталости, т.е. возможность безотказно функционировать в условиях циклических термических нагрузок.If the coating density is less than 88% of theoretical, the stress created by the shrinkage of the grains in a monolayer can be amortized or compensated by the porosity of the coating. This effectively prevents the formation of macrocracks over the entire coating, as would be necessary in accordance with the present invention, and prevents the formation of a coating with adequate thermal fatigue resistance. The substantially uniform distribution of vertical macrocracks over the entire coating, necessary in the context of the present invention, can reduce the modulus of elasticity of the coating and, therefore, reduce local stress. As a result, the coating acquires the proper resistance to thermal fatigue, i.e. the ability to function smoothly under cyclic thermal loads.

Плотность вертикальных макротрещин должна составлять предпочтительно 20 или более, наиболее предпочтительно 40 или более вертикальных макротрещин на линейный дюйм (соответственно 7,9 или более, 15,7 или более на 1 см), отмеряемый в плоскости поперечного сечения покрытия вдоль линии, параллельной поверхности подложки. Это является гарантией наличия в покрытии такого количества макротрещин, которого достаточно для обеспечения надлежащего сопротивления термической усталости. Чтобы получить нужное количество вертикальных макротрещин в данном покрытии, плазменное устройство должно обладать высокой эффективностью и стабильностью в течение всего периода нанесения покрытия. Горелка-распылитель должна быть расположена на фиксированном расстоянии от подложки, скорость движения горелки относительно подложки нужно регулировать так, чтобы гарантировать, что монослой, наносимый горелкой за один раз, достаточен для перекрывания осажденных зерен порошка, при котором, по изложенным выше причинам, второе и последующие осажденные зерна имеют более высокую температуру, чем зерна, осажденные ранее.The density of vertical macrocracks should preferably be 20 or more, most preferably 40 or more vertical macrocracks per linear inch (respectively 7.9 or more, 15.7 or more per 1 cm), measured in the plane of the cross section of the coating along a line parallel to the surface of the substrate . This ensures that there are as many macrocracks in the coating as are sufficient to provide adequate resistance to thermal fatigue. To obtain the desired number of vertical macrocracks in a given coating, the plasma device must have high efficiency and stability throughout the entire coating period. The spray gun must be located at a fixed distance from the substrate, the speed of the burner relative to the substrate must be adjusted so as to ensure that the monolayer applied by the burner at a time is sufficient to overlap the deposited powder grains, for which, for the reasons stated above, the second and subsequent precipitated grains have a higher temperature than grains precipitated previously.

Общая толщина покрытия может изменяться в зависимости от назначения изделия. Для деталей газотурбинных двигателей толщина покрытия может изменяться от 0,0025 до 0,10 дюйма (63,5-2540 мкм). Предпочтительным оксидом циркония, частично стабилизированным оксидом иттрия, является порошок, содержащий 6-8% вес. оксида иттрия и остальное - оксид циркония, наиболее предпочтительно около 7% вес. оксида иттрия и остальное - оксид циркония. Создающие термический барьер покрытия настоящего изобретения идеально подходят для использования в качестве верхнего покрытия подложки, имеющей металлическое связующее покрытие, а именно лопатки, направляющие устройства и уплотнения газотурбинных двигателей. Предпочтительное металлическое связующее покрытие содержит (i) сплав хрома, алюминия, иттрия с металлом, выбранным из группы, состоящей из никеля, кобальта и железа, или (ii) сплав алюминия и никеля. Это связующее покрытие может быть нанесено обычным способом плазменного напыления или любым другим обычным способом. Подложка может представлять собой любой подходящий материал, такой как сплав на основе никеля, кобальта или железа.The total coating thickness may vary depending on the purpose of the product. For gas turbine engine parts, the coating thickness can vary from 0.0025 to 0.10 inches (63.5-2540 microns). A preferred zirconia partially stabilized yttrium oxide is a powder containing 6-8% by weight. yttrium oxide and the rest is zirconium oxide, most preferably about 7% by weight. yttrium oxide and the rest is zirconium oxide. The thermal barrier coatings of the present invention are ideally suited for use as a topcoat on a substrate having a metal bonding coating, namely blades, guiding devices, and gas turbine engine seals. A preferred metal bonding coating comprises (i) an alloy of chromium, aluminum, yttrium with a metal selected from the group consisting of nickel, cobalt and iron, or (ii) an alloy of aluminum and nickel. This binder coating may be applied by a conventional plasma spraying method or by any other conventional method. The substrate may be any suitable material, such as an alloy based on nickel, cobalt or iron.

Создающие термический барьер покрытия настоящего изобретения могут быть дополнительно стабилизированы путем тепловой обработки в вакууме или на воздухе при температуре 1000°C или выше. Как указано более подробно в примере 7, приводимом ниже, пороговое значение CPI, соответствующее отличной выносливости к тепловым ударам, было снижено с 20 CPI (7,9 на 1 см) для покрытий из обычного порошка ZrO-137 до примерно 5 CPI (2 на 1 см) для покрытий из нового высокочистого порошка ZrO-300. Одним из вариантов осуществления настоящего изобретения является нанесение покрытий из высокочистого порошка ZrO-300 со структурой с безопасным уровнем CPI и затем тепловая обработка изделия с покрытием.The thermal barrier coatings of the present invention can be further stabilized by heat treatment in vacuum or in air at a temperature of 1000 ° C or higher. As described in more detail in Example 7 below, the threshold CPI value corresponding to excellent thermal shock resistance was reduced from 20 CPI (7.9 per 1 cm) for coatings of conventional ZrO-137 powder to about 5 CPI (2 per 1 cm) for coatings from the new high-purity powder ZrO-300. One of the embodiments of the present invention is the coating of high-purity powder ZrO-300 with a structure with a safe level of CPI and then heat treatment of the coated product.

Создающие термический барьер покрытия настоящего изобретения являются в высокой степени термостойкими и пригодными для длительной службы при высокой температуре, в условиях циклических температурных нагрузок, например, в применении к деталям авиационных двигателей, промышленных газовых турбин, опорным валкам линий отжига стали и стекла и т.д. Обычно создающие термический барьер покрытия после нанесения обладают высокой плотностью (например, около 88% или более от теоретической плотности), тетрагональной кристаллографической структурой с отсутствием моноклинной фазы и имеют от примерно 5 до примерно 200 вертикальных сегментов трещин, проходящих по всей толщине покрытия. Создающие термический барьер покрытия обладают термостойкостью, даже если нанесены толщиной 2 мм или более.The thermal barrier coatings of the present invention are highly heat-resistant and suitable for long-term service at high temperatures, under cyclic temperature loads, for example, as applied to parts of aircraft engines, industrial gas turbines, back rolls of steel and glass annealing lines, etc. . Typically, thermal barrier coatings after application have a high density (e.g., about 88% or more of theoretical density), a tetragonal crystallographic structure with no monoclinic phase, and have about 5 to about 200 vertical crack segments extending across the entire thickness of the coating. Thermal barrier coatings are heat resistant even when applied with a thickness of 2 mm or more.

Как указано выше, настоящее изобретение относится к способу получения создающего термический барьер покрытия, включающемуAs indicated above, the present invention relates to a method for producing creating a thermal barrier coating, including

а) термическое осаждение высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, где порошок содержит от примерно 0 до примерно 0,15% вес. примесных оксидов, от примерно 0 до примерно 2% вес. оксида гафния, от примерно 6 до примерно 25% вес. оксида иттрия или от примерно 10 до примерно 36% вес. оксида иттербия и остальное - оксид циркония, на подложку с образованием монослоя, имеющего, по меньшей мере, два наложенных зерна осажденного на подложке порошка, причем температура позже осажденного зерна выше, чем осажденного ранее;a) thermal precipitation of a high purity yttrium or ytterbium oxide zirconia powder, wherein the powder contains from about 0 to about 0.15% by weight. impurity oxides, from about 0 to about 2% weight. hafnium oxide, from about 6 to about 25% weight. yttrium oxide or from about 10 to about 36% weight. ytterbium oxide and the rest is zirconium oxide on the substrate to form a monolayer having at least two superimposed grains of powder deposited on the substrate, the temperature of the later deposited grain being higher than the previously deposited grain;

b) охлаждение и отверждение указанного монослоя, полученного на стадии а), после чего указанный монослой приобретает плотность, по меньшей мере, 88% от теоретической плотности и в котором в результате усадки осажденных зерен образуется множество вертикальных макротрещин;b) cooling and curing the specified monolayer obtained in stage a), after which the specified monolayer acquires a density of at least 88% of the theoretical density and in which as a result of the shrinkage of the deposited grains many vertical macrocracks form;

с) повторение стадий а) и b), по меньшей мере, один раз с целью получения слоя с полным поверхностным покрытием, в котором в каждом монослое имеются вертикальные трещины, проходящие сквозь зерна, и в котором множество вертикальных трещин каждого монослоя направлено так же, как вертикальные трещины соседнего монослоя, с образованием вертикальных макротрещин длиной, по меньшей мере, в половину толщины покрытия и достигающих в длину полной толщины покрытия, где нанесенный слой характеризуется наличием, по меньшей мере 5, предпочтительно по меньшей мере 20, вертикальных макротрещин на линейный дюйм (соответственно, 2, предпочтительно 7,9 на 1 см), измеренный вдоль линии, параллельной поверхности подложки и лежащей в плоскости, перпендикулярной поверхности подложки.c) repeating steps a) and b) at least once in order to obtain a layer with a full surface coating, in which each monolayer has vertical cracks passing through the grains, and in which many vertical cracks of each monolayer are directed in the same way as vertical cracks in an adjacent monolayer, with the formation of vertical macrocracks with a length of at least half the coating thickness and reaching a length of the full coating thickness, where the applied layer is characterized by the presence of at least 5, preferably necks least 20 vertical macrocracks per linear inch (or 2, preferably 7.9 to 1 cm), measured along a line parallel to the substrate surface and lying in a plane perpendicular to the substrate surface.

Настоящее изобретение относится к способу термического напыления, включающему термическое осаждение высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия или иттербия, где порошок содержит от примерно 0 до примерно 0,15% вес. примесных оксидов, от примерно 0 до примерно 2% вес. оксида гафния, от примерно 6 до примерно 25% вес. оксида иттрия или от примерно 10 до примерно 36% вес. оксида иттербия и остальное - оксид циркония, на подложку с получением покрытия с вертикальными сегментами из трещин, распределенными, по существу, по всей толщине покрытия, характеризующегося наличием от примерно 5 до примерно 200 трещин на линейный дюйм (2-78,7 на 1 см), отмеряемый вдоль линии, параллельной плоскости покрытия, и наличием структуры горизонтальных трещин, которых достаточно для снижения теплопроводности до менее чем 0,012 Вт/см при 25°C по всей толщине покрытия.The present invention relates to a thermal spraying method, comprising thermally depositing a high purity yttrium or ytterbium oxide zirconia powder, wherein the powder contains from about 0 to about 0.15% by weight. impurity oxides, from about 0 to about 2% weight. hafnium oxide, from about 6 to about 25% weight. yttrium oxide or from about 10 to about 36% weight. ytterbium oxide and the rest - zirconium oxide, on the substrate to obtain a coating with vertical segments of cracks distributed essentially over the entire thickness of the coating, characterized by the presence of from about 5 to about 200 cracks per linear inch (2-78.7 per 1 cm ), measured along a line parallel to the coating plane, and the presence of a horizontal crack structure, which is sufficient to reduce thermal conductivity to less than 0.012 W / cm at 25 ° C over the entire thickness of the coating.

В способе термического напыления настоящего изобретения число горизонтальных трещин можно регулировать с целью снижения теплопроводности нанесенного слоя. Структура горизонтальных трещин наносимых термическим напылением покрытий является однородной по всей толщине покрытия и выраженная как сумма сегментов горизонтальных трещин вдоль любой линии, параллельной плоскости покрытия в полированном поперечном сечении, составляет, по меньшей мере, 25% ширины покрытия; такая структура может быть стабилизирована путем необязательной тепловой обработки в вакууме или на воздухе при температуре 1000°C или выше.In the thermal spraying method of the present invention, the number of horizontal cracks can be adjusted to reduce the thermal conductivity of the applied layer. The structure of horizontal cracks caused by thermal spraying of coatings is uniform over the entire thickness of the coating and expressed as the sum of the segments of horizontal cracks along any line parallel to the plane of the coating in a polished cross-section is at least 25% of the coating width; such a structure can be stabilized by optional heat treatment in vacuum or in air at a temperature of 1000 ° C or higher.

Настоящее изобретение относится к способу термического напыления, включающему термическое осаждение высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, где порошок содержит от примерно 0 до примерно 0,15% вес. примесных оксидов, от примерно 0 до примерно 2% вес. оксида гафния, от примерно 6 до примерно 25% вес. оксида иттрия или от примерно 10 до примерно 36% вес. оксида иттербия и остальное - оксид циркония, на подложку с получением покрытия с вертикальными сегментами из трещин, распределенными, по существу, по всей толщине покрытия, характеризующегося наличием от примерно 5 до примерно 200 трещин на линейный дюйм (2-78,7 на 1 см), отмеряемый вдоль линии, параллельной плоскости покрытия, и имеющего толщину от примерно 5 до примерно 200 мил (127-5080 мкм); и имеющего конечный поверхностный слой, образованный из указанного высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, толщиной до примерно 5 мил (127 мкм) с, по существу, нулевым сегментированием вертикальными трещинами.The present invention relates to a method of thermal spraying, including thermal deposition of a high-purity yttrium or ytterbium oxide zirconia powder, wherein the powder contains from about 0 to about 0.15% by weight. impurity oxides, from about 0 to about 2% weight. hafnium oxide, from about 6 to about 25% weight. yttrium oxide or from about 10 to about 36% weight. ytterbium oxide and the rest - zirconium oxide, on the substrate to obtain a coating with vertical segments of cracks distributed essentially over the entire thickness of the coating, characterized by the presence of from about 5 to about 200 cracks per linear inch (2-78.7 per 1 cm ), measured along a line parallel to the plane of the coating, and having a thickness of from about 5 to about 200 mils (127-5080 microns); and having a final surface layer formed from said high purity zirconia powder stabilized with yttrium or ytterbium oxides up to about 5 mils (127 μm) thick with essentially zero segmentation by vertical cracks.

Настоящее изобретение относится к способу термического напыления, включающему термическое осаждение высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, где порошок содержит от примерно 0 до примерно 0,15% вес. примесных оксидов, от примерно 0 до примерно 2% вес. оксида гафния, от примерно 6 до примерно 25% вес. оксида иттрия или от примерно 10 до примерно 36% вес. оксида иттербия и остальное - оксид циркония, на подложку с получением покрытия с вертикальными сегментами из трещин, распределенными, по существу, по всей толщине покрытия, характеризующегося наличием от примерно 5 до примерно 200 трещин на линейный дюйм (2-78,7 на 1 см), отмеряемый вдоль линии, параллельной плоскости покрытия, и имеющего толщину от примерно 5 до примерно 200 мил (127-5080 мкм); и имеющего конечный поверхностный слой, содержащий полученное погружением или распылением раствора покрытие из керамической фритты толщиной до примерно 5 мил (127 мкм); и высокотемпературную обработку указанного поверхностного слоя горячим воздухом с целью связывания и закрепления поверхностного слоя.The present invention relates to a method of thermal spraying, including thermal deposition of a high-purity yttrium or ytterbium oxide zirconia powder, wherein the powder contains from about 0 to about 0.15% by weight. impurity oxides, from about 0 to about 2% weight. hafnium oxide, from about 6 to about 25% weight. yttrium oxide or from about 10 to about 36% weight. ytterbium oxide and the rest - zirconium oxide, on the substrate to obtain a coating with vertical segments of cracks distributed essentially over the entire thickness of the coating, characterized by the presence of from about 5 to about 200 cracks per linear inch (2-78.7 per 1 cm ), measured along a line parallel to the plane of the coating, and having a thickness of from about 5 to about 200 mils (127-5080 microns); and having a final surface layer comprising a ceramic frit coating obtained by immersion or spraying a solution of a thickness of up to about 5 mils (127 μm); and high temperature treatment of the surface layer with hot air to bind and fix the surface layer.

В описанном выше способе термического напыления слой фритты наносят путем нетеплового напыления или путем термического напыления порошка, представляющего собой смесь оксидов, включающую оксид кремния, оксид алюминия и оксиды никеля, хрома, магния, меди, кальция и железа.In the above thermal spraying method, a frit layer is applied by non-thermal spraying or by thermal spraying of a powder, which is a mixture of oxides, including silicon oxide, aluminum oxide and oxides of nickel, chromium, magnesium, copper, calcium and iron.

Способы настоящего изобретения могут быть осуществлены при помощи плазменной горелки, работающей на газовой смеси аргон-водород или азот-водород, или при помощи детонационной пушки или устройства, работающего на газовой смеси кислород-ацетилен или кислород-ацетилен-пропилен.The methods of the present invention can be carried out using a plasma torch operating on a gas mixture of argon-hydrogen or nitrogen-hydrogen, or using a detonation gun or device operating on a gas mixture of oxygen-acetylene or oxygen-acetylene-propylene.

Настоящее изобретение относится к изделиям с создающим термический барьер покрытием, где создающее термический барьер покрытие содержит нанесенное термическим напылением покрытие из высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, где высокочистый порошок оксида циркония, стабилизированный оксидами иттрия или иттербия, содержит от примерно 0 до примерно 0,15% вес. примесных оксидов, от примерно 0 до примерно 2% вес. оксида гафния, от примерно 6 до примерно 25% вес. оксида иттрия или от примерно 10 до примерно 36% вес. оксида иттербия и остальное - оксид циркония.The present invention relates to thermal barrier coating products, wherein the thermal barrier coating comprises a thermal spray coating of a high purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powder, where a high purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powder contains from about 0 to about 0.15% weight. impurity oxides, from about 0 to about 2% weight. hafnium oxide, from about 6 to about 25% weight. yttrium oxide or from about 10 to about 36% weight. ytterbium oxide and the rest is zirconium oxide.

Настоящее изобретение относится к изделиям с создающим термический барьер покрытием, содержащим оксид циркония, частично стабилизированный оксидами иттрия или иттербия, обладающим плотностью более 88% теоретической и имеющим множество вертикальных макротрещин, по существу, однородно распределенных по всему покрытию, в котором поперечное, перпендикулярное подложке сечение открывает множество вертикальных макротрещин, простирающихся, по меньшей мере, на половину толщины покрытия и достигающих в длину величины, равной полной толщине покрытия, и которое имеет от примерно 5 до примерно 200 (2-78,7 на 1 см), предпочтительно от примерно 20 до примерно 200 (7,9-78,7 на 1 см), более предпочтительно от примерно 40 до примерно 100 вертикальных макротрещин на линейный дюйм (15,7-39,3 на 1 см), отмеряемый по линии, параллельной поверхности подложки и лежащей в плоскости, перпендикулярной поверхности подложки, где создающее термический барьер покрытие образовано нанесенным термическим напылением покрытием из высокочистого порошка стабилизированного оксидами иттрия или иттербия оксида циркония, где высокочистый порошок стабилизированного оксидами иттрия или иттербия оксида циркония содержит от примерно 0 до примерно 0,15% вес. примесных оксидов, от примерно 0 до примерно 2% вес. оксида гафния, от примерно 6 до примерно 25% вес. оксида иттрия или от примерно 10 до примерно 36% вес. оксида иттербия и остальное - оксид циркония.The present invention relates to products with a thermal barrier coating containing zirconium oxide, partially stabilized with yttrium or ytterbium oxides, having a density of more than 88% theoretical and having many vertical macrocracks substantially uniformly distributed over the entire coating, in which the cross section is perpendicular to the substrate opens up many vertical macrocracks extending at least half the thickness of the coating and reaching a length equal to the full thickness along covering, and which has from about 5 to about 200 (2-78.7 per 1 cm), preferably from about 20 to about 200 (7.9-78.7 per 1 cm), more preferably from about 40 to about 100 vertical macrocracks per linear inch (15.7-39.3 per 1 cm), measured along a line parallel to the surface of the substrate and lying in a plane perpendicular to the surface of the substrate, where the thermal barrier coating is formed by thermal spray coating of a high-purity powder stabilized with yttrium oxides or ytterbium zirconium oxide where you the high-purity zirconium oxide stabilized yttrium or ytterbium oxide powder contains from about 0 to about 0.15% by weight. impurity oxides, from about 0 to about 2% weight. hafnium oxide, from about 6 to about 25% weight. yttrium oxide or from about 10 to about 36% weight. ytterbium oxide and the rest is zirconium oxide.

Нанесенные термическим напылением на изделия настоящего изобретения покрытия могут быть дополнительно стабилизированы путем тепловой обработки в вакууме или на воздухе при температуре 1000°C или выше. Как указано более подробно в примере 7, приводимом ниже, пороговое значение CPI, соответствующее отличной выносливости к тепловым ударам, было снижено с 20 CPI (7,9 на 1 см) для покрытий из обычного порошка ZrO-137 до примерно 5 CPI (2 на 1 см) для покрытий из нового высокочистого порошка ZrO-300. Одним из вариантов осуществления настоящего изобретения является нанесение покрытий из высокочистого порошка ZrO-300 со структурой с безопасным уровнем CPI и затем тепловая обработка изделия с покрытием.Thermally sprayed coatings of articles of the present invention can be further stabilized by heat treatment in a vacuum or in air at a temperature of 1000 ° C. or higher. As described in more detail in Example 7 below, the threshold CPI value corresponding to excellent thermal shock resistance was reduced from 20 CPI (7.9 per 1 cm) for coatings of conventional ZrO-137 powder to about 5 CPI (2 per 1 cm) for coatings from the new high-purity powder ZrO-300. One of the embodiments of the present invention is the coating of high-purity powder ZrO-300 with a structure with a safe level of CPI and then heat treatment of the coated product.

К примерам изделий, на которые может быть нанесено покрытие в соответствии с настоящим изобретением, относятся лопатки турбины или направляющие устройства, изготовленные из сплава на основе никеля или кобальта, на которые сначала нанесено металлическое связующее покрытие, а затем слой указанного создающего термический барьер покрытия, при этом создающее термический барьер покрытие имеет толщину от примерно 5 до примерно 25 мил (127-635 мкм) и структуру вертикальных сегментов трещин, характеризующуюся наличием от примерно 5 до примерно 200 трещин на линейный дюйм (2-78,7 на 1 см), отмеряемый в полированном поперечном сечении в направлении, параллельном поверхности покрытия, учитывая те трещины, длина которых составляет, по меньшей мере, половину толщины покрытия.Examples of products that can be coated in accordance with the present invention include turbine blades or guides made of an alloy based on nickel or cobalt, which are first coated with a metal binder, and then a layer of said thermal barrier coating, when this creates a thermal barrier coating has a thickness of from about 5 to about 25 mils (127-635 μm) and the structure of the vertical segments of the cracks, characterized by the presence of from about 5 to about 200 tre tire per linear inch (2-78.7 per 1 cm), measured in a polished cross-section in a direction parallel to the surface of the coating, taking into account those cracks whose length is at least half the thickness of the coating.

К другим изделиям относятся камеры сгорания турбинного двигателя, изготовленные из сплава на основе никеля или кобальта, на которые сначала нанесено металлическое связующее покрытие, а затем слой указанного создающего термический барьер покрытия, при этом создающее термический барьер покрытие имеет толщину от примерно 5 до примерно 200 мил (127-5080 мкм) и структуру вертикальных сегментов трещин, характеризующуюся наличием от примерно 5 до примерно 200 трещин на линейный дюйм (2-78,7 на 1 см), отмеряемый в полированном поперечном сечении в направлении, параллельном поверхности покрытия, учитывая те трещины, длина которых составляет, по меньшей мере, половину толщины покрытия.Other products include turbine engine combustion chambers made of nickel or cobalt-based alloy, which are first coated with a metal binder, and then a layer of said thermal barrier coating, the thermal barrier coating being about 5 to about 200 mils thick. (127-5080 μm) and the structure of the vertical segments of the cracks, characterized by the presence of from about 5 to about 200 cracks per linear inch (2-78.7 per 1 cm), measured in a polished cross section in the direction parallel to the surface of the coating, taking into account those cracks whose length is at least half the thickness of the coating.

К другим изделиям относятся сегменты воздушного уплотнения или кольцо воздушного уплотнения турбинного двигателя, изготовленные из сплава на основе никеля или кобальта, на которые сначала нанесено металлическое связующее покрытие, а затем слой указанного создающего термический барьер покрытия, при этом создающее термический барьер покрытие имеет толщину от примерно 5 до примерно 150 мил (127-3175 мкм) и структуру вертикальных сегментов трещин, характеризующуюся наличием от примерно 5 до примерно 200 трещин на линейный дюйм (2-78,7 на 1 см), отмеряемый в полированном поперечном сечении в направлении, параллельном поверхности покрытия, учитывая те трещины, длина которых составляет, по меньшей мере, половину толщины покрытия.Other products include air seal segments or a turbine engine air seal ring made of nickel or cobalt-based alloy, on which a metal bonding coating is applied, and then a layer of said thermal barrier coating, wherein the thermal barrier coating has a thickness of about 5 to about 150 mils (127-3175 μm) and the structure of the vertical segments of the cracks, characterized by the presence of from about 5 to about 200 cracks per linear inch (2-78.7 per 1 cm), measuring my in the polished cross section in a direction parallel to the coating surface, given the crack length which is at least half the thickness of the coating.

К другим изделиям относятся лопатки турбины или компрессора, изготовленные из сплава на основе никеля или кобальта, на которые сначала нанесено металлическое связующее покрытие, а затем слой указанного создающего термический барьер покрытия, при этом создающее термический барьер покрытие имеет толщину от примерно 5 до примерно 45 мил (127-1143 мкм) и структуру вертикальных сегментов трещин, характеризующуюся наличием от примерно 5 до примерно 200 трещин на линейный дюйм (2-78,7 на 1 см), отмеряемый в полированном поперечном сечении в направлении, параллельном поверхности покрытия, учитывая те трещины, длина которых составляет, по меньшей мере, половину толщины покрытия.Other products include turbine or compressor blades made of nickel or cobalt-based alloy that are first coated with a metal binder and then coated with a thermal barrier coating layer, the thermal barrier coating being about 5 to about 45 mils thick (127-1143 μm) and the structure of the vertical segments of the cracks, characterized by the presence of from about 5 to about 200 cracks per linear inch (2-78.7 per 1 cm), measured in a polished cross section in the direction -parallel surface coating, considering the fracture length which is at least half the thickness of the coating.

К другим изделиям относятся цилиндры или транспортные валки линий отжига стали и стекла, на которые сначала нанесено металлическое связующее покрытие, а затем слой указанного создающего термический барьер покрытия, при этом создающее термический барьер покрытие имеет толщину от примерно 5 до примерно 45 мил (127-1143 мкм) и структуру вертикальных сегментов трещин, характеризующуюся наличием от примерно 5 до примерно 200 трещин на линейный дюйм (2-78,7 на 1 см), отмеряемый в полированном поперечном сечении в направлении, параллельном поверхности покрытия, учитывая те трещины, длина которых составляет, по меньшей мере, половину толщины покрытия.Other products include cylinders or transport rolls of steel and glass annealing lines, which are first coated with a metal bonding coating, and then a layer of said thermal barrier coating, the thermal barrier coating being about 5 to about 45 mils thick (127-1143 μm) and the structure of the vertical segments of the cracks, characterized by the presence of from about 5 to about 200 cracks per linear inch (2-78.7 per 1 cm), measured in a polished cross-section in a direction parallel to the surface along rytiya, considering the fracture length which is at least half the thickness of the coating.

Хотя были описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что в высокочистые порошки оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, покрытия, изготовленные из высокочистых порошков оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, и способы нанесения покрытий на подложки, предназначенные для эксплуатации в условиях циклических термических нагрузок, могут быть внесены различные модификации, не выходящие за пределы существа и объема настоящего изобретения.Although preferred embodiments of the present invention have been described, it should be understood that in high purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powders, coatings made from yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powders and coating methods for use in substrates under cyclic thermal loads, various modifications can be made without departing from the spirit and scope of the present invention.

Пример 1Example 1

В приведенной ниже таблице А показан состав обычного порошка оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (т.е. порошка В), и высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (т.е. порошка А). Данные о составе обычного получаемого плавкой и дроблением порошка взяты из его технического описания и представляют собой максимально допустимые значения, при этом анализ реальной партии обычно дает значения 10-50% от максимальных. Состав нового высокочистого порошка получен в результате анализа пяти реальных партий, при этом для любой партии даны только максимальные величины. Подразумевается, что в оксиде циркония, стабилизированном оксидом иттрия, оксид иттрия составляет от 6,5 до 8% вес. и стабилизирует тетрагональную фазу в структуре материала. Роль оксида гафния неизвестна, однако обычно он присутствует в количестве примерно 1,5% вес. Из таблицы А видно, что порошок А существенно более чистый, чем порошок В, в части содержания нежелательных примесей - оксида алюминия, оксида кремния, оксида железа, оксида титана и оксида магния.Table A below shows the composition of a typical yttrium oxide stabilized zirconia powder (i.e., powder B) and a high purity yttrium oxide stabilized zirconia powder (i.e., powder A). Data on the composition of the usual powder obtained by melting and crushing are taken from its technical description and represent the maximum allowable values, while the analysis of a real batch usually gives values of 10-50% of the maximum. The composition of the new high-purity powder was obtained as a result of the analysis of five real batches, while for any batch only the maximum values are given. It is understood that in zirconia stabilized with yttrium oxide, yttrium oxide is from 6.5 to 8% by weight. and stabilizes the tetragonal phase in the structure of the material. The role of hafnium oxide is unknown, but it is usually present in an amount of about 1.5% by weight. From table A it can be seen that powder A is significantly purer than powder B, in terms of the content of undesirable impurities - aluminum oxide, silicon oxide, iron oxide, titanium oxide and magnesium oxide.

Таблица АTable a Состав порошков (% вес.)The composition of the powders (% wt.) Порошок ВPowder B Порошок АPowder A Оксид цирконияZirconium oxide ОстальноеRest ОстальноеRest Оксид иттрияYttrium oxide 6,5-86.5-8 6,5-86.5-8 Оксид гафнияHafnium oxide 2,52.5 2,02.0 Оксид алюминияAluminium oxide 0,70.7 0,0010.001 Оксид кремнияSilica 1,51,5 0,0110.011 Оксид железаIron oxide 0,50.5 0,0040.004 Оксид титанаTitanium oxide 0,50.5 0,0090.009 Оксид магнияMagnesium oxide 0,30.3 0,0020.002

Морфология/структура порошка является важной характеристикой высокочистых порошков оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, настоящего изобретения. Истинную плотность порошка определяли методом стереопикнометрии. В соответствии с этим методом точно определяют объем контейнера, измеряя объем наполняющего его газа, добавляют известную массу порошка и определяют объем контейнера с порошком. На основании этого рассчитывают объем порошка и, деля массу пробы порошка на ее объем, получают истинную плотность порошка. В таблице В приведены результаты определения истинной плотности порошка В и порошка А.The morphology / structure of the powder is an important characteristic of the high purity yttrium oxide stabilized zirconia powders of the present invention. The true density of the powder was determined by stereopyknometry. In accordance with this method, the volume of the container is accurately determined by measuring the volume of the gas filling it, a known mass of powder is added, and the volume of the container with the powder is determined. Based on this, the volume of the powder is calculated, and dividing the mass of the powder sample by its volume, the true density of the powder is obtained. Table B shows the results of determining the true density of powder B and powder A.

Таблица ВTable B Истинная плотность порошковTrue Powder Density Порошок ВPowder B Порошок АPowder A 5,925.92 6,006.00 г/см3 g / cm 3 9898 9999 Процент от теоретической плотностиPercentage of Theoretical Density

Приведенная в таблице В теоретическая плотность была рассчитана для конкретного содержания оксида иттрия в порошке. Теоретическая плотность составила 6,05 г/см3. Плотность и порошка А, и порошка В была очень близка к теоретической, что указывает на малую внутреннюю пористость. Порошок А был таким же плотным, как и порошок В, однако на полированном сечении были обнаружены небольшие поры в центре многих частиц, стенки которых были толстыми и плотными.The theoretical density given in Table B was calculated for the specific yttrium oxide content of the powder. The theoretical density was 6.05 g / cm 3 . The density of both powder A and powder B was very close to theoretical, which indicates a low internal porosity. Powder A was as dense as powder B, but small pores were found in the center of many particles on the polished section, the walls of which were thick and dense.

Кроме того, порошок А имел по сравнению с порошком В более тонкодисперсный состав. Методом измерения гранулометрического состава порошка является метод Microtrac, в соответствии с которым для определения среднего диаметра отдельных частиц в потоке вдоль детектора используют лазер. Сведение в таблицу полученных при помощи лазера результатов для тысяч и миллионов частиц дает возможность точнее определить распределение частиц по размерам, чем просеивание, при более мелкой градации размеров. При помощи этого метода было определено, что средний размер частиц порошка В составляет от 34 до 38 мкм. При помощи того же метода было определено, что средний размер частиц порошка А составляет от 26 до 34 мкм. Такой диапазон размеров частиц обеспечивает лучшее плавление порошка в устройстве термического напыления.In addition, powder A had a finer composition compared to powder B. The method of measuring the particle size distribution of the powder is the Microtrac method, according to which a laser is used to determine the average diameter of individual particles in the stream along the detector. The tabulation of the results obtained using a laser for thousands and millions of particles makes it possible to more accurately determine the distribution of particle sizes than sieving, with a finer gradation of sizes. Using this method, it was determined that the average particle size of powder B is between 34 and 38 microns. Using the same method, it was determined that the average particle size of powder A is from 26 to 34 microns. This range of particle sizes provides better melting of the powder in the thermal spraying device.

Полагают, что из-за высокой чистоты, отличной морфологии/структуры и более тонкодисперсного состава частиц порошок А обладает улучшенными свойствами, проявляющимися при термическом напылении, как описано ниже.It is believed that, due to its high purity, excellent morphology / structure, and finer particle size distribution, powder A has improved thermal spray properties, as described below.

Пример 2Example 2

В данном примере использовали плазменную горелку модели Praxair 1108, хотя можно подобрать условия нанесения заданных покрытий при помощи других горелок, например детонационной пушки Praxair или супердетонационной пушки Praxair, причем в последнем случае скорость и температура частиц даже выше. В плазменной горелке модели Praxair 1108 плазма создается в потоке аргона и водорода под действием электродугового разряда между электродом и анодом. Порошок переносится другим потоком аргона и вводится выше дугового разряда по ходу потока, чтобы использовать полный проход по зоне дуги. Можно изменять параметры этих потоков и электрического тока, чтобы определить их влияние на скорость осаждения покрытия.In this example, a plasma torch of the Praxair 1108 model was used, although it is possible to select the conditions for applying the desired coatings with other torches, for example, the Praxair detonation gun or the Praxair super-detonation gun, in which case the particle speed and temperature are even higher. In a Praxair 1108 plasma torch, plasma is created in an argon and hydrogen stream under the influence of an electric arc discharge between the electrode and the anode. The powder is transported by another argon stream and introduced above the arc discharge along the stream in order to use the full passage along the arc zone. You can change the parameters of these flows and electric current to determine their effect on the deposition rate of the coating.

В таблице С представлен состав порошков, использованных в данном примере для нанесения покрытия. Порошок С значительно более чистый, чем порошок D, в части содержания нежелательных примесей - оксида алюминия, оксида кремния, оксида железа, оксида титана и оксида магния.Table C presents the composition of the powders used in this example for coating. Powder C is significantly cleaner than powder D, in terms of the content of undesirable impurities - aluminum oxide, silicon oxide, iron oxide, titanium oxide and magnesium oxide.

Таблица СTable C Состав порошков (% вес.)The composition of the powders (% wt.) Порошок DPowder D Порошок СPowder C Оксид цирконияZirconium oxide ОстальноеRest ОстальноеRest Оксид иттрияYttrium oxide 6,936.93 7,417.41 Оксид гафнияHafnium oxide 1,51,5 1,61,6 Оксид алюминияAluminium oxide 0,20.2 0,0010.001 Оксид кремнияSilica 0,10.1 0,0080.008 Оксид железаIron oxide 0,10.1 0,0030.003 Оксид титанаTitanium oxide 0,20.2 0,0050.005 Оксид магнияMagnesium oxide 0,20.2 0,0020.002 Оксид кальцияCalcium oxide 0,10.1 0,0030.003 Все другие оксидыAll other oxides 0,30.3 0,10.1

При осаждении в виде покрытий порошка С и порошка D использовали следующие параметры: общий расход газа 220 куб.футов/час (6,23 м3/ч) (он складывался из 90 куб.футов/час (2,549 м3/ч) аргона в горелке, 90 куб.футов/час (2,549 м3/ч) газа-носителя порошка (аргон) и 40 куб.футов/час (1,133 м3/ч) вспомогательного водорода), 500 куб.футов/час (14,16 м3/ч) коаксиального экранирующего газа (аргон), ток дугового разряда 170 А (т.е. примерно 80 В при примерно 13,6 кВт). Сравнение порошка D и порошка С производили на основании одинаковых начальных условий.The following parameters were used during deposition in the form of coatings of powder C and powder D: total gas flow rate of 220 cubic feet / hour (6.23 m 3 / h) (it consisted of 90 cubic feet / hour (2.549 m 3 / h) of argon in the burner, 90 cubic feet / hour (2.549 m 3 / h) of carrier gas powder (argon) and 40 cubic feet / hour (1.133 m 3 / h) auxiliary hydrogen), 500 cubic feet / hour (14, 16 m 3 / h) of coaxial shielding gas (argon), an arc discharge current of 170 A (i.e., approximately 80 V at approximately 13.6 kW). Comparison of powder D and powder C was made on the basis of the same initial conditions.

На фиг.1 показана эффективность осаждения этих порошков при расстоянии от подложки до горелки 1 дюйм (25,4 мм) на квадратных стальных пластинах 3/8 дюйма (9,525 мм) в обоих случаях. Для порошка С (сплошная линия на фиг.1) эффективность оказалась заметно выше, чем для порошка D (пунктирная линия на фиг.1). Частично такое улучшение является следствием немного меньшего размера частиц порошка С, однако частично, вероятно, это происходит благодаря морфологии/структуре порошка С.Figure 1 shows the deposition efficiency of these powders at a distance of 1 inch (25.4 mm) from the substrate to the burner on 3/8 inch (9.525 mm) square steel plates in both cases. For powder C (solid line in FIG. 1), the efficiency was noticeably higher than for powder D (dashed line in FIG. 1). Part of this improvement is due to a slightly smaller particle size of powder C, however, in part, this is probably due to the morphology / structure of powder C.

На фиг.2 представлена измеренная плотность покрытий, нанесенных при расстоянии от подложки до горелки 1 дюйм (25,4 мм) на квадратные стальные пластины 3/8 дюйма (9,525 мм), в обоих случаях - для порошка С (сплошная линия) и порошка D (пунктирная линия) - при исходных параметрах потока и тока горелки. Для порошка С плотность при той же скорости подачи порошка оказалась, по меньшей мере, на 1-2% выше. Кроме того, при повышении скорости подачи он осыпался не так быстро, как порошок D. Такие свойства, как полагают, можно объяснить улучшением параметров плавления и, возможно, тем, что порошок С дольше остается расплавленным из-за меньшего размера частиц и большей чистоты соответственно.Figure 2 shows the measured density of coatings deposited at a distance of 1 inch (25.4 mm) from the substrate to the burner on 3/8 inch square steel plates (9.525 mm), in both cases for powder C (solid line) and powder D (dashed line) - with the initial parameters of the flow and current of the burner. For powder C, the density at the same powder feed rate was at least 1-2% higher. In addition, with an increase in the feed rate, it did not crumble as fast as the powder D. Such properties are believed to be explained by an improvement in the melting parameters and, possibly, because the powder C remains longer melted due to the smaller particle size and greater purity, respectively .

Было обнаружено, что при переходе к большему, чем 1 дюйм (25,4 мм) расстоянию до горелки, эффективность осаждения порошка С оставалась выше, чем порошка D, что, вероятно, также свидетельствует о том, что он дольше остается расплавленным. Плотность покрытия при увеличенном расстоянии до горелки также была выше, чем для порошка D.It was found that when moving to a greater than 1 inch (25.4 mm) distance to the burner, the deposition efficiency of powder C remained higher than powder D, which probably also indicates that it remains molten longer. The coating density at an increased distance to the burner was also higher than for powder D.

Пример 3Example 3

Была проведена оценка различных параметров потока газа в горелке и энергоснабжения. В соответствии с условиями разработанного для этого эксперимента общий поток газа составлял от 176 до 264 куб.футов/час (5-7,48 м3/ч), а ток дугового разряда от 160 до 190 А (т.е. мощность изменялась от 11,7 до 14,8 кВт). Было обнаружено, что уменьшение общего потока газа до 176 куб.футов/час (5 м3/ч) при 14,3 кВт соответствует наивысшей эффективности осаждения, что на 10% выше, чем показано на фиг.1 для порошка С. Полагают, что при этих условиях вовлекаются фракции порошка с более высокой температурой плавления, так как частицы при прохождении зоны дуги немного затормаживаются и повышается расходующаяся на плавление энтальпия. Возможно, все не так уж просто, поскольку условие наивысшей мощности или энтальпии не является достаточным для получения наивысшей эффективности осаждения. Многофакторный корреляционный анализ результатов эксперимента по определению эффективности осаждения показал неожиданное увеличение эффективности при увеличении тока горелки и уменьшение при увеличении общего расхода газа, однако также не исключено взаимное влияние этих двух переменных.An assessment was made of various parameters of the gas flow in the burner and power supply. In accordance with the conditions of the experiment developed for this experiment, the total gas flow ranged from 176 to 264 cubic feet / hour (5-7.48 m 3 / h), and the arc discharge current from 160 to 190 A (i.e., the power varied from 11.7 to 14.8 kW). It was found that reducing the total gas flow to 176 cubic feet / hour (5 m 3 / h) at 14.3 kW corresponds to the highest deposition efficiency, which is 10% higher than that shown in FIG. 1 for powder C. It is believed that under these conditions powder fractions with a higher melting point are involved, since particles passing through the arc zone are slightly inhibited and the enthalpy spent on melting increases. Perhaps everything is not so simple, since the condition of the highest power or enthalpy is not sufficient to obtain the highest deposition efficiency. A multivariate correlation analysis of the results of the experiment to determine the deposition efficiency showed an unexpected increase in efficiency with an increase in the burner current and a decrease with an increase in the total gas flow, however, the mutual influence of these two variables is also possible.

Была произведена оценка влияния скорости осаждения, расстояния от горелки до подложки и скорости движения поверхности подложки относительно горелки на образование вертикальных сегментов трещин в покрытии. Эти переменные рационализировали в виде комбинированной величины, названной высота монослоя. Высота монослоя представляет собой мгновенную толщину покрытия, осаждаемого при движении подложки под соплом горелки. В ней сочетается объем материала, поданного на подложку (скорость осаждения) и площадь, на которую этот материал осажден, определяемая расстоянием до горелки и скоростью движения подложки. Она также зависит от угла распыления потока, выходящего из сопла, определяемого моделью горелки и общим расходом газа, используемым в эксперименте. Высоту монослоя выражают в единицах толщины, таких как мил или мкм.The effect of the deposition rate, the distance from the burner to the substrate and the velocity of the surface of the substrate relative to the burner on the formation of vertical cracks in the coating was evaluated. These variables were rationalized as a combined quantity called the monolayer height. The height of the monolayer is the instantaneous thickness of the coating deposited when the substrate moves under the burner nozzle. It combines the volume of material fed to the substrate (deposition rate) and the area over which this material is deposited, determined by the distance to the burner and the speed of movement of the substrate. It also depends on the spray angle of the stream exiting the nozzle, determined by the burner model and the total gas flow rate used in the experiment. The height of the monolayer is expressed in units of thickness, such as mils or microns.

Полагают, что остаточное напряжение покрытия представляет собой растяжение в плоскости покрытия и что это напряжение увеличивается с высотой монослоя. На фиг.3 показана зависимость плотности вертикальных сегментов трещин (число трещин на линейный дюйм (CPI) длины полированного поперечного сечения покрытия) от высоты монослоя. Для покрытия из порошка D, нанесенного на подложку в форме диска диаметром 1,0 дюйм (25,40 мм) (пунктирная линия на фиг.3), обнаружена линейная зависимость образования трещин от высоты монослоя, однако только после превышения порогового значения высоты монослоя в примерно 0,12 мил (3,05 мкм). Для случаев, когда мгновенная толщина покрытия превышает это значение, плотность трещин возрастает пропорционально высоте монослоя.It is believed that the residual stress of the coating is an extension in the plane of the coating and that this stress increases with the height of the monolayer. Figure 3 shows the dependence of the density of the vertical segments of the cracks (the number of cracks per linear inch (CPI) of the length of the polished coating cross section) on the height of the monolayer. For a coating of powder D deposited on a substrate in the form of a disk with a diameter of 1.0 inch (25.40 mm) (dashed line in Fig. 3), a linear dependence of crack formation on the height of the monolayer was found, but only after exceeding the threshold value of the height of the monolayer in approximately 0.12 mil (3.05 microns). For cases when the instantaneous coating thickness exceeds this value, the crack density increases in proportion to the height of the monolayer.

Однако для покрытия из порошка С, нанесенного на подложку в форме диска диаметром 1,0 дюйм (25,40 мм) (сплошная линия на фиг.3), растрескивание начинается при совершенно ином пороговом значении высоты монослоя, примерно 0,22 мил (5,59 мкм). После этого линейная зависимость от высоты монослоя имеет примерно тот же угол, что и ранее. Такое намного более высокое пороговое значение высоты монослоя можно связать со свойствами порошка С. Полагают, что намного более высокая степень чистоты порошка является причиной более высокого сопротивления разрушению, присущего покрытию. Это может происходить из-за более высокой плотности покрытий, получаемых из порошка С, однако более высокое сопротивление разрушению может иметь место даже при той же плотности, что у покрытий из порошка D.However, for a powder coating C deposited on a disk-shaped substrate with a diameter of 1.0 inch (25.40 mm) (solid line in FIG. 3), cracking begins at a completely different threshold value for the monolayer height, about 0.22 mils (5 , 59 μm). After that, the linear dependence on the height of the monolayer has approximately the same angle as before. Such a much higher threshold value for the height of the monolayer can be associated with the properties of the powder C. It is believed that a much higher degree of purity of the powder is the reason for the higher fracture resistance inherent in the coating. This may be due to the higher density of coatings obtained from powder C, however, higher fracture resistance can occur even at the same density as coatings of powder D.

Полагают, что покрытия из порошка С с более высокой плотностью обладают повышенной эрозионной стойкостью. Если создающие термический барьер покрытия из этого материала используют, например, в авиационных газотурбинных двигателях, где они обычно подвергаются воздействию пыли со взлетно-посадочной полосы и пыли, летающей в воздухе, важно, чтобы покрытие обладало высокой эрозионной стойкостью.It is believed that coatings of powder C with a higher density have increased erosion resistance. If thermal barrier coatings of this material are used, for example, in aircraft gas turbine engines, where they are usually exposed to dust from the runway and dust flying in the air, it is important that the coating has high erosion resistance.

Пример 4Example 4

Была проведена оценка влияния тепловой обработки различных покрытий. Одним из рассматриваемых эффектов стала трансформация тетрагональной кристаллической структуры покрытия в моноклинную. Для покрытия из оксида циркония, стабилизированного 7% вес. оксида иттрия (YSZ), равновесная структура должна быть моноклинной и кубической, что отражено на равновесной фазовой диаграмме, приведенной на фиг.4. Однако при плазменном напылении путем быстрого отверждения полностью расплавленных зерен оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, была получена неравновесная тетрагональная структура. Чтобы была возможна обратная трансформация в равновесную структуру, необходимо разделение на равновесные фазы с низким содержанием оксида иттрия и с высоким содержанием оксида иттрия в результате высокотемпературной химической диффузии, как показано на фиг.4. См. Bratton and Lau, Science & Technology of Zirconia, Amer. Ceram. Soc., 1981, р.226-240. Фаза с низким содержанием оксида иттрия может затем при примерно 1000-1200°C трансформироваться из высокотемпературной тетрагональной в низкотемпературную моноклинную. Фактически такая трансформация нежелательна, поскольку замена тетрагональной фазы на моноклинную при охлаждении керамики может привести к увеличению объема примерно на 4% и, вследствие этого, к возникновению большого внутреннего напряжения, вызывающего образование трещин.The impact of heat treatment of various coatings was evaluated. One of the effects considered was the transformation of the tetragonal crystal structure of the coating into a monoclinic one. For a coating of zirconia stabilized with 7% weight. yttrium oxide (YSZ), the equilibrium structure should be monoclinic and cubic, which is reflected in the equilibrium phase diagram shown in Fig.4. However, during plasma spraying by rapidly curing the completely molten yttrium oxide stabilized zirconia grains, a nonequilibrium tetragonal structure was obtained. In order to allow reverse transformation into an equilibrium structure, separation into equilibrium phases with a low content of yttrium oxide and a high content of yttrium oxide as a result of high-temperature chemical diffusion, as shown in Fig. 4, is necessary. See Bratton and Lau, Science & Technology of Zirconia, Amer. Ceram. Soc., 1981, p. 226-240. The phase with a low content of yttrium oxide can then transform at about 1000-1200 ° C from high temperature tetragonal to low temperature monoclinic. In fact, such a transformation is undesirable, since the replacement of the tetragonal phase with the monoclinic phase during cooling of the ceramics can lead to an increase in volume by about 4% and, as a result, to the appearance of a large internal stress causing cracking.

В материале с такой высокой температурой плавления, как у оксида циркония, диффузия происходит очень медленно, поэтому, несмотря на то, что должно было бы быть в соответствии с равновесной фазовой диаграммой, сохраняется неравновесная тетрагональная фаза. Поскольку двигатели совершенствуются в направлении увеличения рабочей температуры, ясно, что в обычных покрытиях из YSZ может начаться частичная трансформация в моноклинную фазу.In a material with such a high melting point as zirconium oxide, diffusion occurs very slowly, therefore, despite what should have been in accordance with the equilibrium phase diagram, the nonequilibrium tetragonal phase is preserved. As the engines improve in the direction of increasing the operating temperature, it is clear that in conventional YSZ coatings, partial transformation into the monoclinic phase can begin.

Такое влияние тепловой обработки было изучено на матрице условий по температуре и времени воздействия в воздушной среде, как показано в таблице Е. Пробы представляли собой отдельные испытательные образцы покрытия из высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия (т.е. ZrO-300), и обычного покрытия из порошка оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия (т.е. ZrO-137). В таблице D приведены характерные составы порошков, использованных для изготовления покрытий. От трех до четырех образцов каждого покрытия было подвергнуто тепловой обработке с одинаковой нагрузкой, при этом также были проведены измерения плотности для изучения влияния спекания, что описано подробно в примере 5, приводимом ниже. Плоские образцы представляли собой квадраты со стороной примерно 0,38 дюйма (9,65 мм) толщиной 25 мил (0,635 мм). Покрытия были нанесены на эти образцы так же, как описано в примере 3, выше.This effect of heat treatment was studied on a matrix of temperature and exposure times in air, as shown in Table E. The samples were separate test samples of a coating of a high-purity yttrium oxide stabilized zirconia powder (i.e. ZrO-300), and a conventional yttrium oxide stabilized zirconia powder coating (i.e., ZrO-137). Table D shows the typical compositions of the powders used for the manufacture of coatings. Three to four samples of each coating were heat treated with the same load, and density measurements were also taken to study the effect of sintering, which is described in detail in Example 5 below. The flat samples were squares with a side of about 0.38 inches (9.65 mm) 25 mils (0.635 mm) thick. Coatings were applied to these samples in the same manner as described in Example 3 above.

Таблица DTable D Состав порошков (% вес.)The composition of the powders (% wt.) ZrO-137ZrO-137 ZrO-300ZrO-300 Оксид цирконияZirconium oxide ОстальноеRest ОстальноеRest Оксид иттрияYttrium oxide 7,397.39 7,587.58 Оксид гафнияHafnium oxide 1,51,5 1,61,6 Оксид алюминияAluminium oxide 0,20.2 0,0010.001 Оксид кремнияSilica 0,10.1 0,0080.008 Оксид железаIron oxide 0,10.1 0,0030.003 Оксид титанаTitanium oxide 0,20.2 0,0050.005 Оксид магнияMagnesium oxide 0,20.2 0,0020.002 Оксид кальцияCalcium oxide 0,10.1 0,0030.003 Все другие оксидыAll other oxides 0,30.3 0,10.1

В результате рентгеноструктурного анализа была обнаружена моноклинная фаза с пиками на 28 и 31,3° «2-тета» для излучения меди, тогда как пик тетрагональной фазы соответствует примерно 30°. На фиг.5 представлен спектр рентгеноструктурного анализа с использованием К-альфа излучения меди для покрытия из обычного порошка ZrO-137 после его выдерживания в течение 100 часов на воздухе при 1400°С. Начальная строгая тетрагональная структура трансформировалась в структуру на 19,4% моноклинную. На фиг.6 представлен спектр рентгеноструктурного анализа с использованием К-альфа излучения меди для покрытия из нового высокочистого порошка ZrO-300 после его выдерживания в течение 100 часов на воздухе при 1400°С. Начальная строгая тетрагональная структура спустя 100 часов при 1400°С не изменилась.As a result of X-ray diffraction analysis, a monoclinic phase was detected with peaks at 28 and 31.3 ° “2-theta” for copper radiation, while the peak of the tetragonal phase corresponds to approximately 30 °. Figure 5 presents the spectrum of x-ray diffraction analysis using K-alpha radiation of copper for coating from a conventional ZrO-137 powder after it is kept for 100 hours in air at 1400 ° C. The initial strict tetragonal structure was transformed into a 19.4% monoclinic structure. Figure 6 presents the spectrum of x-ray diffraction analysis using K-alpha radiation of copper for coating from a new high-purity powder ZrO-300 after it was kept for 100 hours in air at 1400 ° C. The initial strict tetragonal structure after 100 hours at 1400 ° C did not change.

Отношение высоты пика на 28° к сумме высот пиков на 28 и 30° использовали для оценки доли моноклинной фазы. Этот метод «первого моноклинного пика» был отлажен путем калибровки на известных смесях чистого оксида циркония с моноклинной структурой и порошков с тетрагональной структурой. В таблице Е приведены результаты теплового воздействия на обычное покрытие из порошка ZrO-137 и на покрытия из нового высокочистого порошка ZrO-300. В обычных покрытиях из порошка ZrO-137 трансформация в моноклинную фазу началась при 1200°С. При 1400°С трансформация проходила намного быстрее, ее скорость повышалась с течением времени. При тех же значениях времени и температуры в покрытии из нового высокочистого порошка ZrO-300 трансформации не произошло. Таким образом, ясно, что примеси в керамическом материале выступают в роли зародышей трансформации, либо они ускоряют диффузию оксида иттрия и облегчают достижение равновесного состояния.The ratio of peak heights of 28 ° to the sum of peak heights of 28 and 30 ° was used to estimate the fraction of the monoclinic phase. This method of the "first monoclinic peak" was debugged by calibration on known mixtures of pure zirconium oxide with a monoclinic structure and powders with a tetragonal structure. Table E shows the results of thermal effects on a conventional coating of ZrO-137 powder and on coatings of a new high-purity ZrO-300 powder. In conventional coatings of ZrO-137 powder, the transformation into the monoclinic phase began at 1200 ° C. At 1400 ° C, the transformation proceeded much faster; its speed increased over time. At the same time and temperature values in the coating of the new high-purity ZrO-300 powder, no transformation occurred. Thus, it is clear that impurities in the ceramic material act as transformation nuclei, or they accelerate the diffusion of yttrium oxide and facilitate the attainment of an equilibrium state.

Таблица ЕTable E Доля моноклинной фазы в покрытияхThe share of the monoclinic phase in the coatings
(метод первого моноклинного пика)(method of the first monoclinic peak)
Покрытие изCoating of ВоздействиеImpact порошка ZrO-137ZrO-137 powder порошка ZrO-300ZrO-300 powder Сразу после нанесенияImmediately after application 00 00 100 часов при 1200°C100 hours at 1200 ° C 0,720.72 00 100 часов при 1300°C100 hours at 1300 ° C 1,011.01 00 24 часа при 1400°C24 hours at 1400 ° C 1,041,04 00 75 часов при 1400°C75 hours at 1400 ° C 11,3411.34 00 100 часов при 1400°C100 hours at 1400 ° C 19,4219.42 00

Пример 5Example 5

Было исследовано спекание покрытий из нового высокочистого порошка ZrO-300 примера 4 при 1200°С. Из полученных результатов видно, что спустя 24 часа выдерживания при температуре 1200°С плотность возрастает менее чем на 0,4%.The sintering of coatings from the new high-purity powder ZrO-300 of Example 4 at 1200 ° C was investigated. The results show that after 24 hours at a temperature of 1200 ° C, the density increases by less than 0.4%.

Был изготовлен еще один набор образцов покрытия из высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (т.е. ZrO-300), подвергнутый нагреванию от 1200 до 1400°С на воздухе в течение 100 часов. Покрытия были нанесены на образцы так же, как в примере 3, приведенном выше. Для сравнения был изготовлен набор образцов покрытия из обычного порошка оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (т.е. ZrO-137). В таблице F приведены характерные составы порошков, использованных для изготовления покрытий.Another set of coating samples was made from a high purity yttrium oxide stabilized zirconia powder (i.e. ZrO-300), which was heated from 1200 to 1400 ° C in air for 100 hours. Coatings were applied to the samples in the same manner as in Example 3 above. For comparison, a set of coating samples was prepared from a conventional yttrium oxide stabilized zirconia powder (i.e., ZrO-137). Table F shows the typical compositions of the powders used for the manufacture of coatings.

Таблица FTable F Состав порошков (% вес.)The composition of the powders (% wt.) ZrO-137ZrO-137 ZrO-300ZrO-300 Оксид цирконияZirconium oxide ОстальноеRest ОстальноеRest Оксид иттрияYttrium oxide 7,397.39 7,587.58 Оксид гафнияHafnium oxide 1,51,5 1,61,6 Оксид алюминияAluminium oxide 0,20.2 0,0010.001 Оксид кремнияSilica 0,10.1 0,0080.008 Оксид железаIron oxide 0,10.1 0,0030.003 Оксид титанаTitanium oxide 0,20.2 0,0050.005 Оксид магнияMagnesium oxide 0,20.2 0,0020.002 Оксид кальцияCalcium oxide 0,10.1 0,0030.003 Все другие оксидыAll other oxides 0,30.3 0,10.1

Измерение плотности для этих образцов осуществляли иммерсионным методом в соответствии с ASTM В-328, полученные результаты, выраженные в процентах от теоретической плотности (т.е. плотного материала без пор), представлены в таблице G. Все покрытия наносили на одну и ту же обойму внутренним диаметром 11 дюймов (279,4 мм) и осторожно извлекали с получением отдельных образцов.Density measurements for these samples were carried out by the immersion method in accordance with ASTM B-328, the results obtained, expressed as a percentage of the theoretical density (i.e., dense material without pores), are presented in Table G. All coatings were applied to the same cage an internal diameter of 11 inches (279.4 mm) and carefully removed to obtain separate samples.

Таблица GTable g Плотность покрытия после спекания на воздухеDensity of coating after sintering in air
(в процентах от теоретической плотности)(as a percentage of theoretical density)
Покрытие изCoating of ВоздействиеImpact порошка ZrO-137ZrO-137 powder порошка ZrO-300ZrO-300 powder Сразу после нанесенияImmediately after application 91,4991.49 92,6992.69 24 часа при 1200°C24 hours at 1200 ° C 91,6891.68 93,1293.12 100 часов при 1200°C100 hours at 1200 ° C 91,7091.70 93,0793.07 1 час при 1300°C1 hour at 1300 ° C 92,0292.02 93,2393.23 24 часа при 1300°C24 hours at 1300 ° C 89,5089.50 93,2893.28 100 часов при 1300°C100 hours at 1300 ° C 85,7385.73 93,5193.51 1 час при 1400°C1 hour at 1400 ° C 89,5289.52 93,0393.03 24 часа при 1400°C24 hours at 1400 ° C 82,1282.12 93,4393.43 100 часов при 1400°C100 hours at 1400 ° C 80,3380.33 93,3493.34

Как видно из полученных результатов, спекание покрытия из обычного порошка ZrO-137 было ограничено температурой примерно 1200°C, после чего заметного изменения плотности не обмечено. Фактически, при повышении температуры от 1300 до 1400°C плотность покрытия из обычного порошка ZrO-137 с течением времени уменьшалась. Помня о том, что в спеченном покрытии из порошка ZrO-137 была обнаружена моноклинная фаза и что моноклинная фаза характеризуется более низкой плотностью кристаллической структуры, был сделан вывод, что это является причиной снижения плотности. Было установлено, что этот эффект является незначительным. В худшем случае, 100 часов при 1400°C, когда доля моноклинной фазы составляла 19,42%, плотность с 80,33% под действием моноклинной компенсации изменилась только до 80,97%, как видно из таблицы G.As can be seen from the results obtained, the sintering of a coating of ordinary ZrO-137 powder was limited to a temperature of about 1200 ° C, after which a noticeable change in density was not noted. In fact, as the temperature increased from 1300 to 1400 ° C, the density of the coating of ordinary ZrO-137 powder decreased over time. Bearing in mind that a monoclinic phase was detected in the sintered coating of ZrO-137 powder and that the monoclinic phase is characterized by a lower density of the crystal structure, it was concluded that this is the reason for the decrease in density. It was found that this effect is negligible. In the worst case, 100 hours at 1400 ° C, when the monoclinic phase fraction was 19.42%, the density from 80.33% under the influence of monoclinic compensation changed only to 80.97%, as can be seen from table G.

Спеченные при 1400°C образцы были закреплены и отполированы с целью изучения произошедших изменений. Было обнаружено, что в обычном покрытии из порошка ZrO-137 снижение плотности оказалось реальным, т.е. мелкие поры, которые были в структуре покрытия сразу после нанесения, под воздействием температуры 1400°C с течением времени огрубели и стали более округлыми. Очень важно, что спустя 100 часов вертикальные сегментационные трещины исчезли.Samples sintered at 1400 ° C were fixed and polished in order to study the changes. It was found that in a conventional coating of ZrO-137 powder, a decrease in density was real, i.e. small pores that were in the coating structure immediately after application, under the influence of a temperature of 1400 ° C, became coarser and more rounded over time. It is very important that after 100 hours the vertical segmentation cracks disappeared.

Процесс спекания существенно не повлиял на плотность покрытия из нового высокочистого порошка ZrO-300. Результаты измерения плотности графически представлены на фиг.7 и 8, где сравниваются свойства покрытий из обычного порошка ZrO-137 и нового высокочистого порошка ZrO-300. На фиг.7 графически представлена зависимость плотности покрытия из обычного порошка ZrO-137 от времени при температуре от 1200°C до 1400°C на воздухе. Плотность покрытия после нанесения (пунктир короткими штрихами) составила 91,5% теоретической. Эта доля еще уменьшилась при 1300°C (сплошная линия) и 1400°C (пунктир длинными штрихами). На фиг.8 графически представлена зависимость плотности покрытия из нового высокочистого порошка ZrO-300 от времени при температуре от 1200°C до 1400°C на воздухе. Плотность покрытия после нанесения (пунктирная линия) составила 92,7% теоретической. После выдерживания в течение, по меньшей мере, 100 часов при 1400°C (сплошная линия) эта доля не изменилась.The sintering process did not significantly affect the density of the coating of the new high-purity powder ZrO-300. The density measurement results are graphically presented in FIGS. 7 and 8, which compare the properties of coatings of conventional ZrO-137 powder and the new high-purity ZrO-300 powder. Figure 7 graphically shows the dependence of the density of the coating of conventional ZrO-137 powder on time at a temperature of from 1200 ° C to 1400 ° C in air. The coating density after application (dotted with short strokes) was 91.5% of the theoretical. This fraction still decreased at 1300 ° C (solid line) and 1400 ° C (dotted line with long strokes). On Fig graphically presents the dependence of the density of the coating of the new high-purity powder ZrO-300 from time to time at a temperature of from 1200 ° C to 1400 ° C in air. The coating density after application (dashed line) was 92.7% of theoretical. After aging for at least 100 hours at 1400 ° C (solid line), this fraction did not change.

Спеченные при 1400°C образцы покрытия из порошка ZrO-300 также были закреплены и отполированы. Пористость этих образцов только немного изменилась со временем. Наиболее важно, что вертикальные сегментационные трещины за время до 100 часов по существу не изменились.Samples of the ZrO-300 powder coating sintered at 1400 ° C were also fixed and polished. The porosity of these samples only slightly changed over time. Most importantly, up to 100 hours of vertical segmentation cracks have not substantially changed.

Пример 6Example 6

В патенте США №5073433 описаны наносимые термическим напылением покрытия, введение в которые вертикальных сегментов трещин может быть управляемым. Это можно легко видеть на отполированном поперечном сечении покрытия. Сегментационные трещины, как правило, проходят вертикально через всю толщину покрытия, хотя некоторые из них короче, чем общая толщина покрытия. Как описано в патенте США №5073433, учитывались только те вертикальные трещины, длина которых превышала половину толщины покрытия. Когда создавали покрытие из YSZ с плотностью сегментов трещин, превышающей 20 трещин на линейный дюйм (CPI) (7,9 на см), отмеряемый вдоль линии, параллельной подложке, такое покрытие обладало заметно большей термостойкостью. Такие же вертикальные сегментационные трещины могут быть управляемым образом введены в покрытия настоящего изобретения из высокочистого порошка ZrO-300.US Pat. No. 5,073,433 describes thermally sprayed coatings, the introduction of which vertical segments of cracks can be controlled. This can be easily seen on the polished cross section of the coating. Segmentation cracks typically extend vertically through the entire thickness of the coating, although some are shorter than the total thickness of the coating. As described in US patent No. 5073433, only those vertical cracks were taken into account, the length of which exceeded half the thickness of the coating. When creating a coating of YSZ with a density of crack segments exceeding 20 cracks per linear inch (CPI) (7.9 per cm), measured along a line parallel to the substrate, such a coating had noticeably greater heat resistance. The same vertical segmentation cracks can be controllably introduced into the coatings of the present invention from high purity ZrO-300 powder.

Микроструктура полированного сечения также обладает другой представляющей интерес характеристикой, а именно горизонтальными трещинами. Они параллельны плоскости покрытия и слоям покрытия, наносимым при термическом напылении в несколько проходов. Горизонтальные трещины, обычно короткие, могут быть изолированы в покрытии или имеют вид ветвей, соединяющих вертикальные сегментационные трещины. Полагают, что такие горизонтальные трещины могут инициировать зарождение длинных разделительных трещин, увеличивающихся в длине при циклических термических нагрузках, что является, в худшем случае, причиной скалывания слоя покрытия из YSZ.The polished section microstructure also has another characteristic of interest, namely horizontal cracks. They are parallel to the coating plane and the coating layers applied during thermal spraying in several passes. Horizontal cracks, usually short ones, can be insulated in the coating or take the form of branches connecting vertical segmentation cracks. It is believed that such horizontal cracks can initiate the initiation of long separation cracks that increase in length under cyclic thermal loads, which is, in the worst case, the cause of cleavage of the YSZ coating layer.

Был изготовлен набор образцов покрытий из высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (т.е. ZrO-300), и из обычного порошка оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (т.е. ZrO-137). Покрытия наносили так же, как в примере 4, приведенном выше. В таблице Н приведены характерные составы порошков, использованных для изготовления покрытий.A set of coating samples was prepared from a high purity yttrium oxide stabilized zirconia powder (i.e. ZrO-300) and a regular yttrium oxide stabilized zirconia powder (i.e. ZrO-137). Coatings were applied in the same manner as in Example 4 above. Table H shows the characteristic compositions of the powders used for the manufacture of coatings.

Таблица НTable H Состав порошков (% вес.)The composition of the powders (% wt.) ZrO-137ZrO-137 ZrO-300ZrO-300 Оксид цирконияZirconium oxide ОстальноеRest ОстальноеRest Оксид иттрияYttrium oxide 7,397.39 7,587.58 Оксид гафнияHafnium oxide 1,51,5 1,61,6 Оксид алюминияAluminium oxide 0,20.2 0,0010.001 Оксид кремнияSilica 0,10.1 0,0080.008 Оксид железаIron oxide 0,10.1 0,0030.003 Оксид титанаTitanium oxide 0,20.2 0,0050.005 Оксид магнияMagnesium oxide 0,20.2 0,0020.002 Оксид кальцияCalcium oxide 0,10.1 0,0030.003 Все другие оксидыAll other oxides 0,30.3 0,10.1

Для этих покрытий измерили протяженность горизонтальных трещин. Измеряли длину любой горизонтальной трещины, контактирующей с двумя учитываемыми вертикальными сегментационными трещинами. В контексте настоящего изобретения такие трещины называются «разламывающими». Сумма длин всех трещин, квалифицированных как «разламывающие», деленная на общую оценочную ширину покрытия, представляет собой «процент разламывания», т.е. долю от ширины покрытия. Для покрытий, изготовленных из нового высокочистого порошка ZrO-300, процент разламывания = 0,086×CPI+0,54. Для покрытий, изготовленных из обычного порошка ZrO-137, процент разламывания = 0,17×CPI+0,067. Было обнаружено, что с увеличением плотности вертикальных сегментационных трещин (CPI) процент разламывания (% Bk) также увеличивается. На фиг.9 представлен график, полученный при изучении вертикальных и горизонтальных разламывающих трещин в ряде покрытий, в которых специально было создано различное количество вертикальных трещин (CPI). Соотношение между горизонтальными и вертикальными трещинами оказалось линейным, для него методом наименьших квадратов может быть получено уравнение, связывающее эти переменные.For these coatings, the extent of horizontal cracks was measured. The length of any horizontal crack in contact with two accounted for vertical segmentation cracks was measured. In the context of the present invention, such cracks are called “breaking”. The sum of the lengths of all cracks qualified as “breaking”, divided by the total estimated coating width, represents the “breaking percentage”, i.e. a fraction of the width of the coating. For coatings made from the new high-purity ZrO-300 powder, the fracture percentage = 0.086 × CPI + 0.54. For coatings made from conventional ZrO-137 powder, break rate = 0.17 × CPI + 0.067. It was found that with an increase in the density of vertical segmentation cracks (CPI), the fracture percentage (% Bk) also increases. Figure 9 presents a graph obtained by studying vertical and horizontal cracking cracks in a number of coatings in which a different number of vertical cracks (CPI) was specially created. The relationship between horizontal and vertical cracks turned out to be linear; for him, the equation connecting these variables can be obtained using the least squares method.

При работе с новым высокочистым порошком ZrO-300, направленной на изготовление покрытий с сегментационными трещинами, были получены неожиданные результаты, касающиеся горизонтальных разламывающих трещин. В покрытии из нового высокочистого порошка ZrO-300 (пунктирная линия на фиг.9) при том же CPI (вертикальных трещин) было примерно в половину меньше разламывающих трещин, чем в покрытии из обычного порошка ZrO-137 (сплошная линия на фиг.9). Полагают, что покрытие из нового высокочистого порошка ZrO-300 обладает более высокой внутренней когезионной прочностью.When working with the new high-purity ZrO-300 powder, aimed at the manufacture of coatings with segmentation cracks, unexpected results were obtained regarding horizontal breaking cracks. In the coating of the new high-purity ZrO-300 powder (dashed line in Fig. 9) with the same CPI (vertical cracks) there were about half as many cracking cracks as in the coating of ordinary ZrO-137 powder (solid line in Fig. 9) . It is believed that the coating of the new high-purity ZrO-300 powder has a higher internal cohesive strength.

Пример 7Example 7

Было обнаружено, что имеющие вертикальные сегментационные трещины покрытия, описанные в патенте США №5073433, могут быть использованы в качестве создающих термический барьер покрытий во многих случаях, от деталей газотурбинных двигателей до валков прокатного стана. Чаще всего создающие термический барьер покрытия из YSZ наносят на внешнюю сторону металлической подложки, обращенную к высокотемпературной среде, в результате в силу теплоизоляционных свойств покрытия снижается температура подложки. Следовательно, в создающем термический барьер покрытии существует градиент температуры, на открытой поверхности покрытия из YSZ температура высокая, на стороне покрытия, обращенной к подложке, температура ниже. Кроме того, температурное воздействие может быть циклическим, когда вся деталь подвергается попеременно нагреванию до высокой температуры и охлаждению, например, в газотурбинном двигателе при запуске и остановке.It has been found that having vertical segmentation cracking coatings described in US Pat. No. 5,074,433 can be used as thermal barrier coatings in many cases, from gas turbine engine parts to rolling mill rolls. Most often, thermal barrier coatings made of YSZ are applied to the outer side of the metal substrate facing a high-temperature medium, as a result of which, due to the heat-insulating properties of the coating, the temperature of the substrate decreases. Therefore, a temperature gradient exists in the coating creating the thermal barrier, the temperature is high on the open surface of the YSZ coating, and the temperature is lower on the coating side facing the substrate. In addition, the temperature effect can be cyclic when the entire part is subjected to alternately heating to high temperature and cooling, for example, in a gas turbine engine when starting and stopping.

Были проведены лабораторные эксперименты по моделированию градиента температуры и циклических условий таких вариантов применения покрытий. В контексте настоящего документа эксперименты по моделированию температурных условий реактивных двигателей (Jet Engine Thermal Simulation) названы «испытания JETS». Эти испытания нужны для экспериментальных покрытий, чтобы определить, пригодны ли они для предполагаемых вариантов применения. В лабораторных испытаниях использовали образцы, представлявшие собой плоский диск диаметром 1 дюйм (25,4 мм), толщиной около 1/8 дюйма (3,2 мм), изготовленный, как правило, из суперсплава. На подложку термическим напылением наносили металлическое связующее покрытие (например, связующее покрытие CoNiCrAlY), после чего наносили создающее термический барьер покрытие из YSZ. Были испытаны покрытия с различной толщиной слоя YSZ, а также с различной структурой сегментов трещин (CPI). Диски с покрытием располагали напротив сопла горелки, работающей на смеси кислород/пропилен, в результате чего поверхность YSZ за 20 с нагревалась до 1400°C (2550°F); в каждом эксперименте также использовали стандартный образец сравнения.Laboratory experiments were conducted to simulate the temperature gradient and cyclic conditions of such coating applications. In the context of this document, Jet Engine Thermal Simulation experiments are called “JETS Tests”. These tests are needed for experimental coatings to determine if they are suitable for the intended application. In laboratory tests, samples were used, which were a flat disk with a diameter of 1 inch (25.4 mm), a thickness of about 1/8 inch (3.2 mm), made, as a rule, of superalloy. A metal binder coating was applied to the substrate by thermal spraying (for example, CoNiCrAlY binder coating), after which a YSZ thermal barrier coating was applied. Coatings with different YSZ layer thicknesses and with different crack segment structure (CPI) were tested. Coated disks were placed opposite the nozzle of the burner operating on an oxygen / propylene mixture, as a result of which the YSZ surface was heated to 1400 ° C (2550 ° F) in 20 s; each experiment also used a standard reference sample.

Пятнадцать дополнительных дисков были установлены в барабанной обойме, которую после нагревания в течение еще 20 с поворачивали в положение, в котором осуществлялось охлаждение интенсивным потоком воздуха. Затем барабан еще два раза поворачивали в положение, в котором осуществлялось охлаждение окружающим воздухом, после чего цикл нагревания-охлаждения повторяли сначала. Обычно каждый образец проходил 2000 таких циклов, после чего исследовали отполированный край окружности диска на предмет наличия признаков разламывающих трещин. Для измерений применяли 30-кратное увеличение, любые сегменты трещин измеряли и суммировали, а затем выразили как долю окружности диска. Довольно произвольно значение в 15% краевых трещин выбрали в качестве порогового для образцов, не прошедших испытание JETS. Высока вероятность того, что покрытие, прошедшее испытание JETS, хорошо себя покажет в реальных условиях.Fifteen additional disks were installed in a drum cage, which, after heating for another 20 s, was turned into a position in which cooling was carried out by an intense air stream. Then, the drum was rotated two more times to the position in which the cooling by ambient air was carried out, after which the heating-cooling cycle was repeated first. Typically, each sample went through 2,000 such cycles, after which the polished edge of the disk circumference was examined for signs of breaking cracks. For measurements, a 30-fold increase was used, any segments of cracks were measured and summed, and then expressed as a fraction of the circumference of the disk. Quite arbitrarily, a value of 15% of the marginal cracks was chosen as the threshold for samples that did not pass the JETS test. It is highly likely that a coating that has passed the JETS test will perform well in real conditions.

Изготовили образцы покрытий из высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (т.е. ZrO-300), и, для сравнения, обычного порошка оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (т.е. ZrO-137). Покрытия наносили на диски так же, как описано в примере 4, приведенном выше. Покрытия из нового высокочистого порошка ZrO-300 наносили толщиной 25 мил (±2 мил) (635±50,8 мкм) на металлическое связующее покрытие. Металлическое связующее покрытие представляло собой CoNiCrAlY толщиной 8 мил (203,2 мкм). Высоту монослоя изменяли с целью изучения ее влияния на сегментацию. Используемое для сравнения покрытие из обычного порошка ZrO-137 нанесли толщиной 45 мил (1143 мкм). В таблице I приведены характерные составы порошков, использованных для изготовления покрытий.Coating samples were prepared from a high-purity yttrium oxide stabilized zirconia powder (i.e., ZrO-300), and, for comparison, a conventional yttrium oxide stabilized zirconia powder (i.e., ZrO-137). Coatings were applied to discs in the same manner as described in Example 4 above. Coatings from the new high-purity ZrO-300 powder were applied with a thickness of 25 mils (± 2 mils) (635 ± 50.8 μm) on a metal binder coating. The metal binder coating was CoNiCrAlY 8 mils thick (203.2 μm). The height of the monolayer was changed in order to study its effect on segmentation. Used for comparison, a coating of conventional ZrO-137 powder was applied with a thickness of 45 mils (1143 μm). Table I shows the characteristic compositions of the powders used for the manufacture of coatings.

Таблица ITable I Состав порошков (% вес.)The composition of the powders (% wt.) ZrO-137ZrO-137 ZrO-300ZrO-300 Оксид цирконияZirconium oxide ОстальноеRest ОстальноеRest Оксид иттрияYttrium oxide 7,397.39 7,587.58 Оксид гафнияHafnium oxide 1,51,5 1,61,6 Оксид алюминияAluminium oxide 0,20.2 0,0010.001 Оксид кремнияSilica 0,10.1 0,0080.008 Оксид железаIron oxide 0,10.1 0,0030.003 Оксид титанаTitanium oxide 0,20.2 0,0050.005 Оксид магнияMagnesium oxide 0,20.2 0,0020.002 Оксид кальцияCalcium oxide 0,10.1 0,0030.003 Все другие оксидыAll other oxides 0,30.3 0,10.1

При помощи испытания JETS для покрытия из нового высокочистого порошка ZrO-300 и используемого для сравнения покрытия из обычного порошка ZrO-137 было обнаружено, что эксплуатационные качества покрытий из нового высокочистого порошка ZrO-300 лучше, чем у покрытий из обычного порошка ZrO-137. На фиг.10 представлена зависимость доли краевых трещин после 2000 циклов испытания JETS от плотности вертикальных сегментационных трещин (в CPI) для этих покрытий. Покрытия, в которых не было сегментационных трещин, легко растрескивались и не прошли испытания. Однако те образцы покрытия из нового высокочистого порошка ZrO-300, в которых число трещин превышало 10 CPI (4 на см), испытание прошли. Для покрытий из обычного порошка ZrO-137 этот порог составил около 20 CPI (7,9 на 1 см).Using the JETS test for a coating of a new high-purity ZrO-300 powder and used for comparison of a coating of a conventional ZrO-137 powder, it was found that the performance of the coatings of a new high-purity ZrO-300 powder is better than coatings of a conventional ZrO-137 powder. Figure 10 shows the dependence of the fraction of edge cracks after 2000 JETS test cycles on the density of vertical segmentation cracks (in CPI) for these coatings. Coatings in which there were no segmentation cracks easily cracked and did not pass the tests. However, those coating samples from the new high-purity ZrO-300 powder, in which the number of cracks exceeded 10 CPI (4 per cm), passed the test. For coatings of conventional ZrO-137 powder, this threshold was about 20 CPI (7.9 per 1 cm).

Другое важное открытие настоящего изобретение связано с тепловой обработкой покрытий из порошка ZrO-300 перед испытанием JETS. Тепловая обработка заключалась в нагревании в вакууме с шагом 25°C в минуту до 1080°C (1975°F), выдерживании в течение 4 часов и охлаждении в вакууме с шагом 25°C в минуту. На фиг.11 представлены результаты испытаний JETS образцов, подвергнутых тепловой обработке. CPI покрытий измеряли перед тепловой обработкой при помощи описанного выше метода с использованием соответствующих дисков и отполированного поперечного сечения. Эксплуатационные характеристики покрытий из высокочистого порошка, прошедших тепловую обработку, оказались лучше, чем у образцов без обработки. Пороговое значение CPI, соответствующее отличной выносливости к тепловым ударам, было даже ниже 10 CPI (4 на 1 см). Таким образом, одним из выводов настоящего изобретения является нанесение покрытий из высокочистого порошка ZrO-300 со структурой с безопасным уровнем CPI и затем тепловая обработка изделия с покрытием. Такая тепловая обработка является одним из многих изменений, ведущих к получению лучшего результата.Another important discovery of the present invention relates to the heat treatment of ZrO-300 powder coatings before the JETS test. The heat treatment consisted of heating in vacuum at a step of 25 ° C per minute to 1080 ° C (1975 ° F), holding for 4 hours and cooling in vacuum at a step of 25 ° C per minute. Figure 11 presents the test results of JETS samples subjected to heat treatment. The CPI of the coatings was measured before heat treatment using the method described above using the appropriate discs and polished cross section. The performance of heat-treated coatings of high-purity powder turned out to be better than that of samples without treatment. The threshold CPI value, corresponding to excellent thermal shock resistance, was even below 10 CPI (4 per 1 cm). Thus, one of the conclusions of the present invention is the coating of highly pure ZrO-300 powder with a structure with a safe CPI level and then heat treatment of the coated product. This heat treatment is one of many changes leading to a better result.

Хотя в данном документе описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что в высокочистые порошки оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, покрытия, изготовленные из высокочистых порошков оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, и способы нанесения покрытий на подложки, предназначенные для эксплуатации в условиях циклических термических нагрузок, могут быть внесены различные модификации, не выходящие за пределы сущности и объема настоящего изобретения.Although preferred embodiments of the present invention are described herein, it should be understood that in high purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powders, coatings made from yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powders and coating methods for substrates intended for operation under cyclic thermal loads, various modifications can be made that do not go beyond the essence and scope of this invention.

Claims (15)

1. Высокочистый порошок оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, содержащий от примерно 0 до примерно 0,15 вес.% примесных оксидов, от примерно 0 до примерно 2 вес.% оксида гафния, от примерно 6 до примерно 25 вес.% оксида иттрия или от примерно 10 до примерно 36 вес.% оксида иттербия и остальное - оксид циркония, в котором примесные оксиды включают от примерно 0 до примерно 0,02 вес.% диоксида кремния, от примерно 0 до примерно 0,005 вес.% оксида алюминия, от примерно 0 до примерно 0,01 вес.% оксида кальция, от примерно 0 до примерно 0,01 вес.% оксида железа(III), от примерно 0 до примерно 0,005 вес.% оксида магния и от примерно 0 до примерно 0,01 вес.% диоксида титана.1. High purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powder containing from about 0 to about 0.15 wt.% Impurity oxides, from about 0 to about 2 wt.% Hafnium oxide, from about 6 to about 25 wt.% Oxide yttrium or from about 10 to about 36 wt.% ytterbium oxide and the rest is zirconia, in which impurity oxides include from about 0 to about 0.02 wt.% silicon dioxide, from about 0 to about 0.005 wt.% alumina, from about 0 to about 0.01 wt.% calcium oxide, from about 0 to about 0.01 wt.% iron (III) oxide, from about 0 to about 0.005 wt.% magnesium oxide and from about 0 to about 0.01 wt.% titanium dioxide. 2. Высокочистый порошок оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, по п.1, в котором размер частиц составляет от примерно 1 до примерно 150 мкм.2. The high purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powder according to claim 1, wherein the particle size is from about 1 to about 150 microns. 3. Высокочистый порошок оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, по п.1, содержащий смесь двух или более высокочистых порошков оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия.3. The high purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia oxide powder according to claim 1, comprising a mixture of two or more high purity yttrium or ytterbium oxide zirconia powder. 4. Высокочистый порошок оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, по п.1, содержащий от примерно 55 до примерно 95 об.% первого высокочистого порошка оксида циркония, частично стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, содержащего от примерно 0 до примерно 0,15 вес.% примесных оксидов, от примерно 0 до примерно 2 вес.% оксида гафния, от примерно 6 до примерно 8 вес.% оксида иттрия или от примерно 10 до примерно 14 вес.% оксида иттербия и остальное - оксид циркония, и от примерно 5 до примерно 45 об.% второго высокочистого порошка оксида циркония, полностью стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, содержащего от примерно 0 до примерно 0,15 вес.% примесных оксидов, от примерно 0 до примерно 2 вес.% оксида гафния, от примерно 16 до примерно 22 вес.% оксида иттрия или от примерно 25 до примерно 33 вес.% оксида иттербия и остальное - оксид циркония.4. The high-purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia oxide powder according to claim 1, containing from about 55 to about 95 vol% of the first high-purity zirconium oxide powder partially stabilized by yttrium or ytterbium oxides, containing from about 0 to about 0.15 wt.% impurity oxides, from about 0 to about 2 wt.% hafnium oxide, from about 6 to about 8 wt.% yttrium oxide or from about 10 to about 14 wt.% ytterbium oxide and the rest is zirconium oxide, and from about 5 to about 45 vol.% Second high purity powder zirconium oxide fully stabilized with yttrium or ytterbium oxides containing from about 0 to about 0.15 wt.% impurity oxides, from about 0 to about 2 wt.% hafnium oxide, from about 16 to about 22 wt.% yttrium oxide or from about 25 to about 33 wt.% ytterbium oxide and the rest is zirconium oxide. 5. Составной высокочистый порошок оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, содержащий высокочистый порошок оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, по п.1, который имеет номинальный средний размер частиц 20-60 мкм, с поверхностью которых связаны частицы оксида гадолиния с номинальным средним размером 0,5-2 мкм.5. The composite high-purity powder of zirconium oxide stabilized by yttrium or ytterbium oxides, containing the high-purity powder of zirconium oxide stabilized by yttrium or ytterbium oxides according to claim 1, which has a nominal average particle size of 20-60 μm, to the surface of which gadolinium oxide particles are bonded with nominal average size of 0.5-2 microns. 6. Наносимое термическим напылением покрытие из высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, по п.1 для нанесения на подложку.6. The thermal spray coating of a high-purity yttrium or ytterbium oxide stabilized zirconia powder according to claim 1 for application to a substrate. 7. Наносимое термическим напылением покрытие по п.6, обладающее плотностью более 88% теоретической плотности и множеством вертикальных макротрещин, по существу, однородно распределенных по всему покрытию, в котором поперечное сечение, перпендикулярное подложке, открывает множество вертикальных макротрещин, простирающихся, по меньшей мере, на половину толщины покрытия и достигающих в длину величины, равной полной толщине покрытия, и которое имеет от примерно 5 до примерно 200 вертикальных макротрещин на линейный дюйм (2-78,7 на см), отмеряемый по линии, параллельной поверхности подложки и лежащей в плоскости, перпендикулярной поверхности подложки.7. The thermal spray coating of claim 6, having a density of more than 88% of theoretical density and a plurality of vertical macrocracks substantially uniformly distributed throughout the coating, in which a cross section perpendicular to the substrate opens up a plurality of vertical macrocracks extending at least half the thickness of the coating and reaching a length equal to the total thickness of the coating, and which has from about 5 to about 200 vertical macrocracks per linear inch (2-78.7 per cm), measured about a line parallel to the surface of the substrate and lying in a plane perpendicular to the surface of the substrate. 8. Наносимое термическим напылением покрытие по п.6, в котором имеется, по меньшей мере, около 20 вертикальных макротрещин на линейный дюйм (7,9 на см), отмеряемый по линии, параллельной поверхности подложки и лежащей в плоскости, перпендикулярной поверхности подложки, и одна или более горизонтальных макротрещин, проходящих в покрытии параллельно поверхности подложки.8. The thermal spray coating of claim 6, wherein there is at least about 20 vertical macrocracks per linear inch (7.9 per cm), measured along a line parallel to the surface of the substrate and lying in a plane perpendicular to the surface of the substrate, and one or more horizontal macrocracks extending in the coating parallel to the surface of the substrate. 9. Наносимое термическим напылением покрытие по п.6, в котором между подложкой и наносимым термическим напылением покрытием нанесено связующее покрытие, содержащее (i) сплав хрома, алюминия, иттрия с металлом, выбранным из группы, состоящей из никеля, кобальта и железа, (ii) сплав алюминия и никеля или (iii) покрытие MCrAlY+X, наносимое способом плазменного напыления, способом детонационного напыления или способом электроосаждения, где М означает Ni, Co или Fe или любую комбинацию этих трех элементов, Х означает добавление Pt, Та, Hf, Re или других редкоземельных металлов или тонкодисперсных частиц оксида алюминия - диспергирующего агента, отдельно или в сочетании.9. The thermal spray coating according to claim 6, wherein a binder coating is applied between the substrate and the thermal spray coating, comprising (i) an alloy of chromium, aluminum, yttrium with a metal selected from the group consisting of nickel, cobalt and iron, ( ii) an alloy of aluminum and nickel; or (iii) a coating of MCrAlY + X, applied by plasma spraying, by detonation spraying, or by electrodeposition, where M is Ni, Co or Fe, or any combination of these three elements, X is the addition of Pt, Ta, Hf , Re or other rare earth nyh metal particles or fine alumina - dispersing agent, alone or in combination. 10. Наносимое термическим напылением покрытие по п.6, стабилизированное путем тепловой обработки в вакууме или на воздухе при температуре 1000°С или выше.10. The thermal spray coating of claim 6, stabilized by heat treatment in a vacuum or in air at a temperature of 1000 ° C or higher. 11. Способ получения создающего термический барьер покрытия, включающий
a) термическое осаждение высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, по п.1 на подложку с образованием монослоя, имеющего, по меньшей мере, два наложенных зерна осажденного на подложке порошка, причем температура позже осажденного зерна выше, чем осажденного ранее;
b) охлаждение и отверждение указанного монослоя, полученного на стадии а), после чего указанный монослой приобретает плотность, по меньшей мере, 88% теоретической плотности, и в котором в результате усадки осажденных зерен образуется множество вертикальных макротрещин;
с) повторение стадий а) и b), по меньшей мере, один раз с целью получения слоя с полным покрытием, в котором в каждом монослое имеются вертикальные трещины, проходящие сквозь зерна, и в котором множество вертикальных трещин каждого монослоя направлены так же, как вертикальные трещины соседнего монослоя, с образованием вертикальных макротрещин длиной, по меньшей мере, в половину толщины покрытия и достигающих в длину полной толщины покрытия, причем нанесенный слой характеризуется наличием, по меньшей мере, 5 вертикальных макротрещин на линейный дюйм (2 на см), измеренный вдоль линии, параллельной поверхности подложки и лежащей в плоскости, перпендикулярной поверхности подложки.
11. A method of obtaining a thermal barrier coating, comprising
a) thermal deposition of a high-purity yttrium or ytterbium oxide zirconia powder according to claim 1 on a substrate to form a monolayer having at least two superimposed grains of powder deposited on the substrate, the temperature of the later deposited grain being higher than the previously deposited grain;
b) cooling and curing the specified monolayer obtained in stage a), after which the specified monolayer acquires a density of at least 88% of the theoretical density, and in which as a result of the shrinkage of the deposited grains many vertical macrocracks form;
c) repeating steps a) and b) at least once in order to obtain a layer with a full coating, in which each monolayer has vertical cracks passing through the grains, and in which many vertical cracks of each monolayer are directed in the same way vertical cracks of an adjacent monolayer, with the formation of vertical macrocracks at least half the thickness of the coating and reaching the full thickness of the coating in length, and the applied layer is characterized by the presence of at least 5 vertical macrocracks on the line th inch (2 cm) as measured along a line parallel to the substrate surface and lying in a plane perpendicular to the substrate surface.
12. Способ термического напыления, включающий термическое осаждение высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, по п.1 на подложку с образованием покрытия с вертикальными сегментами трещин, проходящими, по существу, сквозь всю толщину покрытия, в котором имеется от примерно 5 до 200 трещин на линейный дюйм (2-78,7 на см), отмеряемый по линии, параллельной плоскости покрытия, и структура горизонтальных трещин которых достаточна для снижения теплопроводности до менее чем 0,012 Вт/см при 25°С по толщине покрытия, где структура горизонтальных трещин является однородной по толщине покрытия и, выраженная как сумма сегментов горизонтальных трещин вдоль любой линии, параллельной плоскости покрытия в полированном поперечном сечении, составляет, по меньшей мере, 25% ширины покрытия; такая структура может быть стабилизирована путем необязательной тепловой обработки в вакууме или на воздухе при температуре 1000°С или выше.12. The method of thermal spraying, including thermal deposition of a high-purity powder of zirconium oxide stabilized with yttrium or ytterbium oxides, according to claim 1 on a substrate with the formation of a coating with vertical segments of cracks passing essentially through the entire thickness of the coating, which has from about 5 up to 200 cracks per linear inch (2-78.7 per cm), measured along a line parallel to the coating plane, and the structure of the horizontal cracks of which is sufficient to reduce thermal conductivity to less than 0.012 W / cm at 25 ° C across the coating thickness where the structure of horizontal cracks is uniform across the thickness of the coating and, expressed as the sum of the segments of horizontal cracks along any line parallel to the plane of the coating in a polished cross section, is at least 25% of the width of the coating; such a structure can be stabilized by optional heat treatment in vacuum or in air at a temperature of 1000 ° C or higher. 13. Способ термического напыления, включающий термическое осаждение высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, по п.1 на подложку с образованием покрытия с вертикальными сегментами трещин, проходящими, по существу, сквозь всю толщину покрытия, в котором имеется от примерно 5 до примерно 200 трещин на линейный дюйм (2-78,7 на см), отмеряемый по линии, параллельной плоскости покрытия, обладающего толщиной от примерно 5 до примерно 200 мил (127-5080 мкм) и имеющего (i) конечный поверхностный слой, образованный из указанного высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, толщиной до 5 мил (127 мкм) с, по существу, нулевым сегментированием вертикальными трещинами или (ii) конечный поверхностный слой, содержащий полученное погружением или распылением раствора покрытие из керамической фритты толщиной до примерно 5 мил (127 мкм); и высокотемпературную обработку указанного поверхностного слоя горячим воздухом с целью связывания и закрепления поверхностного слоя.13. The method of thermal spraying, including thermal deposition of a high-purity powder of zirconium oxide stabilized with yttrium or ytterbium oxides, according to claim 1 on a substrate with the formation of a coating with vertical segments of cracks passing essentially through the entire thickness of the coating, which has from about 5 up to about 200 cracks per linear inch (2-78.7 per cm), measured along a line parallel to the plane of the coating, having a thickness of from about 5 to about 200 mils (127-5080 μm) and having (i) a final surface layer formed and the specified high-purity yttrium or ytterbium oxide zirconia powder up to 5 mils (127 μm) thick with essentially zero segmentation by vertical cracks or (ii) a final surface layer containing a ceramic frit coating obtained by immersion or spraying a solution of up to approximately 5 mils (127 μm); and high temperature treatment of the surface layer with hot air to bind and fix the surface layer. 14. Изделие с создающим термический барьер покрытием, содержащим оксид циркония, частично стабилизированный оксидом иттрия или оксидом иттербия, и обладающим плотностью более 88% теоретической плотности и множеством вертикальных макротрещин, по существу, однородно распределенных по всему покрытию, в котором поперечное сечение, перпендикулярное подложке, открывает множество вертикальных макротрещин, простирающихся, по меньшей мере, на половину толщины покрытия и достигающих в длину величины, равной полной толщине покрытия, и имеющим от примерно 5 до примерно 200 вертикальных макротрещин на линейный дюйм (2-78,7 на см), отмеряемый по линии, параллельной поверхности подложки и лежащей в плоскости, перпендикулярной поверхности подложки, где создающее термический барьер покрытие представляет собой наносимое термическим напылением покрытие из высокочистого порошка оксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия или иттербия, по п.1.14. Product with a thermal barrier coating containing zirconia partially stabilized with yttrium oxide or ytterbium oxide and having a density of more than 88% of theoretical density and many vertical macrocracks substantially uniformly distributed throughout the coating, in which a cross section perpendicular to the substrate , opens up many vertical macrocracks, extending at least half the thickness of the coating and reaching a length equal to the full thickness of the coating, and having about 5 to about 200 vertical macrocracks per linear inch (2-78.7 per cm), measured along a line parallel to the surface of the substrate and lying in a plane perpendicular to the surface of the substrate, where the thermal barrier coating is a thermal spray coating of high purity powder zirconium oxide stabilized with yttrium or ytterbium oxides according to claim 1. 15. Изделие по п.14, включающее (i) лопатку или направляющее устройство турбины, изготовленное из сплава на основе никеля или кобальта, на которое сначала нанесено металлическое связующее покрытие, а затем слой указанного создающего термический барьер покрытия, толщина создающего термический барьер покрытия составляет от примерно 5 до примерно 25 мил (127-635 мкм), структура вертикальных сегментов из трещин содержит от примерно 20 до примерно 100 трещин на линейный дюйм (7,9-39,3 на см), отмеряемый в отполированном поперечном сечении в направлении, параллельном плоскости покрытия, учитывая те трещины, длина которых составляет, по меньшей мере, половину толщины покрытия, (ii) камеру сгорания турбинного двигателя, изготовленную из сплава на основе никеля или кобальта, на которую сначала нанесено металлическое связующее покрытие, а затем слой указанного создающего термический барьер покрытия, толщина создающего термический барьер покрытия составляет от примерно 5 до примерно 200 мил (127-5080 мкм), структура вертикальных сегментов из трещин содержит от примерно 5 до примерно 200 трещин на линейный дюйм (2-78,7 на см), отмеряемый в отполированном поперечном сечении в направлении, параллельном плоскости покрытия, учитывая те трещины, длина которых составляет, по меньшей мере, половину толщины покрытия, (iii) сегменты воздушного уплотнения или кольцо воздушного уплотнения турбинного двигателя, изготовленное из сплава на основе никеля или кобальта, на которое сначала нанесено металлическое связующее покрытие, а затем слой указанного создающего термический барьер покрытия, толщина создающего термический барьер покрытия составляет от примерно 5 до примерно 150 мил (127-3810 мкм), структура вертикальных сегментов из трещин содержит от примерно 20 до примерно 100 трещин на линейный дюйм (7,9-39,3 на см), отмеряемый в отполированном поперечном сечении в направлении, параллельном плоскости покрытия, учитывая те трещины, длина которых составляет, по меньшей мере, половину толщины покрытия, (iv) лопатку турбины или компрессора, изготовленную из сплава на основе никеля или кобальта, на которую сначала нанесено металлическое связующее покрытие, а затем слой указанного создающего термический барьер покрытия, толщина создающего термический барьер покрытия составляет от примерно 5 до примерно 45 мил (127-1143 мкм), структура вертикальных сегментов из трещин содержит от примерно 20 до примерно 100 трещин на линейный дюйм (7,9-39,3 на см), отмеряемый в отполированном поперечном сечении в направлении, параллельном плоскости покрытия, учитывая те трещины, длина которых составляет, по меньшей мере, половину толщины покрытия, или (v) цилиндр или транспортный валок линий отжига стали и стекла, на который сначала нанесено металлическое связующее покрытие, а затем слой указанного создающего термический барьер покрытия, толщина создающего термический барьер покрытия составляет от примерно 5 до примерно 45 мил (127-1143 мкм), структура вертикальных сегментов из трещин содержит от примерно 20 до примерно 100 трещин на линейный дюйм (7,9-39,3 на см), отмеряемый в отполированном поперечном сечении в направлении, параллельном плоскости покрытия, учитывая те трещины, длина которых составляет, по меньшей мере, половину толщины покрытия. 15. The product of claim 14, comprising (i) a turbine blade or guide made of an alloy based on nickel or cobalt, on which a metal bonding coating is first applied, and then a layer of said coating creating a thermal barrier, the thickness of the thermal barrier coating is from about 5 to about 25 mils (127-635 microns), the structure of the vertical segments of the cracks contains from about 20 to about 100 cracks per linear inch (7.9-39.3 per cm), measured in a polished cross section in the direction couple the partial plane of the coating, taking into account cracks whose length is at least half the thickness of the coating, (ii) a turbine engine combustion chamber made of an alloy based on nickel or cobalt, on which a metal bonding coating is first applied, and then a layer of the specified thermal barrier coating, the thickness of the thermal barrier coating is from about 5 to about 200 mils (127-5080 microns), the structure of the vertical segments of the cracks contains from about 5 to about 200 cracks per linear an inch (2-78.7 per cm) measured in a polished cross-section in a direction parallel to the plane of the coating, taking into account cracks whose length is at least half the thickness of the coating, (iii) segments of the air seal or ring of the turbine air seal an engine made of an alloy based on nickel or cobalt, on which a metal bonding coating is first applied, and then a layer of said thermal barrier coating, the thickness of the thermal barrier coating is from about Roughly 5 to about 150 mils (127-3810 μm), the structure of the vertical crack segments contains from about 20 to about 100 cracks per linear inch (7.9-39.3 per cm), measured in a polished cross section in a direction parallel to the coating plane, taking into account those cracks whose length is at least half the coating thickness, (iv) a turbine or compressor blade made of an alloy based on nickel or cobalt, on which a metal bonding coating is first applied, and then a layer of the specified thermal bar coating coating, the thickness of the thermal barrier coating is from about 5 to about 45 mils (127-1143 μm), the structure of the vertical segments of the cracks contains from about 20 to about 100 cracks per linear inch (7.9-39.3 per cm) measured in a polished cross-section in a direction parallel to the plane of the coating, taking into account cracks whose length is at least half the thickness of the coating, or (v) a cylinder or a transport roll of steel and glass annealing lines, on which a metal binder is first coated e, and then a layer of said thermal barrier coating, the thickness of the thermal barrier coating is from about 5 to about 45 mils (127-1143 μm), the structure of the vertical segments from the cracks contains from about 20 to about 100 cracks per linear inch (7, 9-39.3 per cm), measured in a polished cross-section in a direction parallel to the plane of the coating, taking into account those cracks whose length is at least half the thickness of the coating.
RU2008151785/03A 2006-05-26 2007-05-15 Highly pure powder and coating made from said powder RU2436752C2 (en)

Applications Claiming Priority (14)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US80853006P 2006-05-26 2006-05-26
US60/808,530 2006-05-26
US86143806P 2006-11-29 2006-11-29
US60/861,445 2006-11-29
US60/861,438 2006-11-29
US11/796,271 US20080026160A1 (en) 2006-05-26 2007-04-27 Blade tip coating processes
US11/796,472 US8728967B2 (en) 2006-05-26 2007-04-27 High purity powders
US11/796,472 2007-04-27
US11/796,270 US8394484B2 (en) 2006-05-26 2007-04-27 High purity zirconia-based thermally sprayed coatings
US11/796,271 2007-04-27
US11/796,257 2007-04-27
US11/796,270 2007-04-27
US11/796,261 2007-04-27
US11/796,269 2007-04-27

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2008151785A RU2008151785A (en) 2010-07-10
RU2436752C2 true RU2436752C2 (en) 2011-12-20

Family

ID=42684151

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008151785/03A RU2436752C2 (en) 2006-05-26 2007-05-15 Highly pure powder and coating made from said powder

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2436752C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA032724B1 (en) * 2017-12-13 2019-07-31 Белорусский Национальный Технический Университет Method for production of plasma wear-resistant and corrosion-resistant ceramic coating
WO2021093999A1 (en) * 2019-11-12 2021-05-20 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Ceramic material, powder, and layer system comprising the ceramic material

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117568737A (en) * 2024-01-12 2024-02-20 北矿新材科技有限公司 Coating with high thermal shock resistance and high abrasion resistance, preparation method thereof, engine and aircraft

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA032724B1 (en) * 2017-12-13 2019-07-31 Белорусский Национальный Технический Университет Method for production of plasma wear-resistant and corrosion-resistant ceramic coating
WO2021093999A1 (en) * 2019-11-12 2021-05-20 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Ceramic material, powder, and layer system comprising the ceramic material

Also Published As

Publication number Publication date
RU2008151785A (en) 2010-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2038448B1 (en) High purity powders and coatings prepared therefrom
US9371253B2 (en) High purity powders
US20070274837A1 (en) Blade tip coatings
Ajdelsztajn et al. Oxidation behavior of HVOF sprayed nanocrystalline NiCrAlY powder
EP1951926B1 (en) Ceramic powders and thermal barrier coatings
US20080026160A1 (en) Blade tip coating processes
RU2436752C2 (en) Highly pure powder and coating made from said powder
Bahamirian et al. High-temperature cyclic oxidation of micro-and nano-ZrO2–25wt.% CeO2–2.5 wt.% Y2O3 thermal barrier coatings at 1300° C
BRPI0712506B1 (en) PURE, MIXTURE AND COMPOSITE OF HIGH PURITY ZIRCONIA STABILIZED WITH HIGH PURITY ITERIA, THERMALLY SPRAY COATING OF A HIGH PURITY ZIRCONIA STABILIZED TIRE, BARRIERIA TREESTERIARI BETTERIAL THERMAL SPRAYING PROCESS, AND ARTICLE COATED WITH A THERMAL BARRIER COATING
Shen et al. Laser sintering of nano-Al2O3 powders on plasma sprayed ceramic based coatings

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: CONCESSION

Effective date: 20150903

Free format text: CONCESSION

Effective date: 20150902