[发明专利]用于将涂层粘附到衬底结构上的方法

说明书

联邦研究声明

本发明是根据美国能源部(DOE)授予的合同No. ED-FC26-05NT42643而在政府支持下完成的。政府对本发明具有某些权利。

技术领域

本文公开的主题涉及用于将涂层粘附到衬底结构上的系统和方法，并且更具体而言，涉及用于减小施用于旋转构件的涂层的非弹性变形的方法。

背景技术

在旋转机器中，诸如涡轮发动机，构件常常包括用以实现构件的合乎需要的性能、耐用性和/或寿命品质的涂层。例如，涂层可构造成阻止氧化、腐蚀、热传递、污染和/或其它过程。这样的构件典型地包括构造成满足第一组设计目标的衬底结构和结合到衬底结构的外表面上的涂层，其中，涂层构造成满足第二组设计目标。关于衬底结构的设计目标可处理质量限制、结构要求和空气动力学形状考量，而关于涂层的设计目标可处理不同的考量，诸如粘附到衬底结构上和保护衬底结构。因而，衬底结构典型地(但不是排它性地)包括与涂层的材料不同的材料。因此，衬底结构的热膨胀速率可与涂层的热膨胀速率不同，从而在衬底结构和涂层之间的结合部处引起应力。

在旋转机器中，诸如涡轮发动机，旋转机械可经受大的径向加速，从而在它们的主题构件内引起持续的高的力。另外，诸如涡轮叶片的一些构件也可经受高温。因此，在衬底结构和涂层之间的结合部可受到挑战。在一些情况下，施用于经涂覆的构件的应力可导致涂层中相对于衬底结构有粘性变形或非弹性的变形(即蠕变)，其中，这样的变形典型地发生在载荷的方向上。在旋转构件中，载荷的方向典型地是径向方向。

因此，本领域技术人员寻求一种用于减小旋转构件上的涂层的非弹性变形的新系统和方法。

发明内容

根据本发明的一方面，一种用于将涂层粘附到衬底结构上的方法包括：选择具有定向成基本大致平行于径向应力方向的外表面的衬底结构；修改外表面，以提供具有台阶的纹理区，以将涂层粘附到其上；以及施用涂层，以使涂层在纹理区的至少一部分的上面延伸，并且使涂层粘附到外表面上，其中，台阶定向成基本垂直于径向应力方向，以便阻止涂层相对于衬底结构的变形。

根据本发明的另一方面，一种旋转构件包括具有定向成基本大致平行于径向应力方向的外表面的衬底结构。外表面限定具有台阶的纹理区，以将涂层粘附到其上，并且涂层在纹理区的至少一部分的上面延伸，并且粘附到外表面上。台阶定向成基本垂直于径向应力方向，以便阻止涂层相对于衬底结构的变形。

根据本发明的另一方面，一种用于将涂层粘附到衬底结构上的方法，所述方法包括：选择具有定向成基本平行于径向应力方向的外表面的衬底结构；修改所述外表面，以提供具有台阶的纹理区，以将涂层粘附到其上；以及施用涂层，以使所述涂层在所述纹理区的至少一部分的上面延伸，以及使所述涂层粘附到所述外表面上；其中，所述台阶定向成大致垂直于所述径向应力方向，以便阻止所述涂层相对于所述衬底结构的变形。所述方法进一步包括使所述台阶沿着所述衬底结构的周向方向而定向。所述方法进一步包括使所述台阶中的各个形成为以便限定尖鼻部。所述方法进一步包括使所述台阶中的各个形成为以便限定尖膝部。所述方法进一步包括使所述台阶中的各个形成为以便限定承载表面，涂层能够靠在所述承载表面上，以便通过所述涂层的压缩来阻止蠕变。所述方法进一步包括使所述承载表面定向成大致垂直于所述径向应力方向。所述方法进一步包括使所述承载表面定向成以便相对于所述径向应力方向而形成小于大约90度的角度。所述方法进一步包括使所述承载表面定向成以便相对于所述径向应力方向而形成介于大约90度和大约45度之间的角度。所述方法进一步包括使所述承载表面定向成相对于所述径向应力方向大致为大约45度。所述方法进一步包括使所述台阶形成为以便限定连续的膝部。所述方法进一步包括使所述台阶定向成大致平行于彼此。所述方法进一步包括以选自下者的工艺的厚度特性来淀积所述涂层：喷涂、烧结、火焰喷涂、气相淀积、溅射和无电涂覆。所述衬底结构是涡轮翼型件。所述衬底结构是涡轮盘。