[发明专利]用于具有改进的侵蚀和冲击性质的超低热导率热阻挡涂层的新结构

说明书

本发明涉及施用于暴露于高操作温度(例如在燃气涡轮发动机内部的恶劣热环境)的金属部件(包括燃气涡轮叶片和与高温废气直接接触的其它金属部件)的热阻挡涂层。具体地，本发明涉及一种包括绝热陶瓷层的新的热阻挡涂层(“TBC”)系统，所述陶瓷层具有超低热导率和改进的对于因反复热循环、颗粒冲击和/或延长的使用期引起的侵蚀、散裂或降解的耐性。

在示例性实施方案中，新的陶瓷层包括被包含镱、氧化钇、铪、镧、钽和/或锆的一种或多种氧化物的化合物稳定的基于锆的晶格(lattice)结构。本发明还包括一种使用悬浮液等离子体喷涂(suspension plasma spray)技术向金属基材施用热阻挡涂层的新的方法，其中所述涂层呈现显著改进的物理性质。

发明背景

近年来，大多数燃气涡轮发动机已设计成在较高的气体温度下操作，以试图在延长的操作期内改进它们的总体热效率。然而，随着发动机的操作气体温度提高，单个部件特别是暴露于高温废气(通常远超过2,000℉)的金属部件的持久性和预期的寿命必须相应地提高。虽然近年来通过使用基于镍和钴的超合金在改进关键发动机部件(例如燃烧器和增压器部分)的高温能力方面已取得显著的进展，但即使最新的超合金仍随着时间对因氧化、热腐蚀攻击、散裂或高速度颗粒侵蚀引起的破坏敏感。因此，在延长的使用期内，在发动机的热气体部分中的部件不总是保持足够的机械强度性质。本文使用的术语“散裂”指的是在升高的温度下，由于冲击、热循环或高应力，材料的碎片(碎片)从金属表面气化或喷射的过程。

通常，通过施用一些形式的环境或热阻挡涂层系统，保护在发动机的最高温度区域中的关键的金属部件。最常见的TBC系统包括在超合金部件表面上直接沉积的金属粘合层，接着是用于保护金属表面远离高温气体的粘着的绝热陶瓷层。许多更好的已知的粘合涂层包含富铝的材料，例如扩散铝化物或MCrAlY(其中M为铁、钴或镍，Y为氧化钇或其它稀土元素)。

为了促进粘合涂层和陶瓷层之间的粘着(和延长发动机的使用寿命)，许多TBC系统还包括安置在粘合涂层和顶部绝热陶瓷之间，具有相同或稍微不同的陶瓷组成的薄的覆盖物或“薄镀层(flash coating)”(有时称为“基础陶瓷层”)。粘合涂层和薄镀层共同使外部陶瓷层与下面的超合金表面非常紧密地粘附，同时防止氧化并热保护下面的金属。

在过去，各种陶瓷(例如氧化钇稳定的氧化锆(YSZ))已广泛用作燃气涡轮发动机的TBC系统中优选的陶瓷顶层，因为使用等离子体喷涂或其它已知的高温物理蒸气沉积技术，YSZ可容易地在粘合涂层(或金属基材)上沉积。在燃气涡轮领域中一种这样建立的涂层包括被氧化钇(Y₂O₃)稳定的氧化锆(ZrO₂)，即，具有约7重量%氧化钇的约93重量%氧化锆。多种其它可用的TBC系统依赖于被氧化镁(MgO)和/或其它氧化物稳定的氧化锆，如在共同拥有的美国专利号4,328,285和5,236,745中所描述的。

常规的热阻挡涂层的持续的关注是需要形成强的粘着的顶部陶瓷层，其保持其绝热性质，但是当经历反复的热循环时，对侵蚀、散裂、冲击破坏或其它劣化不太敏感。大多数YSZ热阻挡涂层被认为多少具有“多孔”性质(孔隙率通常为5-20%)，这降低热导率，但是倾向于使得涂层较少机械稳定和在严酷环境中较少耐侵蚀。

遗憾的是，用于改进陶瓷涂层的机械强度的一些已知的方法导致较高的热导率。例如，改进顶层的耐蚀性的一种已知的过程依赖基于氧化锆的陶瓷和由锆石或二氧化硅、氧化铬和氧化铝的混合物组成，通过铬酸处理致密化的耐磨外涂层。虽然该过程导致更加耐磨的部件，涂层的致密化实际上提高热导率，从而使在极端温度条件和燃气涡轮发动机的热循环下由涂层的韧性得到的许多益处抵消。

通过提高涂层的孔隙率，或者通过引入具有随机内部不连续的微裂缝，或者甚至通过分割形成的陶瓷层，已开发具有良好的应变耐受和耐散裂性的其它陶瓷涂层。分割的结构(在本行业中称为“垂直裂化的结构”)具有通过陶瓷的厚度垂直延伸并且赋予提高内聚结合强度的相对致密的晶粒结构的裂化的边界。然而，同样，即使这些最新的基于氧化锆的TBC也倾向于提高热导率和保持对来自存在于高速度排气流中的颗粒或碎屑的侵蚀和冲击破坏敏感。