[发明专利]具有低热容量和低热导率的热阻挡材料和涂层

说明书

优先权日

本国际专利申请要求于2013年9月20日提交的美国临时专利申请号61/880,247以及2014年9月19日提交的美国专利申请号14/491,974的优先权，其中每一个特此通过引用结合在此。

发明领域

本发明总体上涉及热阻挡材料和涂层。

发明背景

热阻挡涂层是非常先进的材料系统，这些系统通常应用于在升高的温度下作为排气热管理的形式操作的金属表面，如燃气涡轮机或航空发动机零件。这些涂层通过利用隔热材料用来使部件与大且延长的热负荷隔绝，这些隔热材料可以维持在承载合金与该涂层表面之间的可感知的温差。在这样做时，这些涂层可以允许更高的操作温度同时限制结构部件的热暴露、从而通过减少氧化和热疲劳来延长部件寿命。

在某些商业应用中，具有低热导率和低热容量、而满足在重复的温度循环过程中高温能力和结构完整性以及操作应力和机械负荷的要求的材料是所希望的。当热保护是必要的时或当热损失是所不希望的时，具有低热导率的材料是使人感兴趣的。具有低热容量的材料对于其中遭遇温度摆动并且当该绝缘材料应该不显著地影响该温度摆动时的应用是使人感兴趣的。

在内燃机中，使热燃气与冷的、水冷式发动机组隔绝的材料是所希望的以避免通过将热从该燃气转移至冷却水的能量损失。同时，在该进气周期过程中，该绝缘材料应该迅速地冷却以便在点火之前不加热燃料-空气混合物从而避免爆震。参见Kosaka等人，“用于绝热涂层的温度摆动绝热在燃烧室壁中的概念以及适当的热物理性质(Concept of Temperature Swing Heat Insulation in Combustion Chamber Walls and Appropriate Thermophysical Properties for Heat Insulation Coat)”，发动机的SAE国际期刊(SAE Int.J.Engines)，第6卷，第1期，第142页(2013)。对于此类应用，低的热导率和低的热容量是要求的。此外，低的热导率仅在高温下要求；在低温下，较高的热导率是有益的。

现有的实践利用陶瓷热阻挡涂层(TBC)，典型地7wt％的氧化钇稳定的氧化锆。TBC具有非常低的热导率(在室温下0.8-1.6W/m·K)，但是相对高的热容量(在室温下2000-2300kJ/m³·K)。由沉积方法创造的10％-20％的孔隙率或者在用于等离子体喷洒的涂层的不同的“溅射点(splat)”之间是任意的或用于电子束蒸汽沉积的涂层是“似羽毛的”，如在Clarke和Levi，“用于下一代热阻挡涂层的材料设计(Materials Design for the next Generation Thermal Barrier Coatings)”中解释的，材料研究年度综述33(Annu.Rev.Mater.Res.33)第383-417页(2003)。这两种类型多孔架构对于结构完整性是有害的，并且易碎的陶瓷材料引起低的损伤耐受性。另一个缺点是这两种多孔架构是相当开放的并且来自外部的气体可进入很多这些孔并且甚至下面的基底。

用于热阻挡材料的其他现有技术包括用于空间应用的热保护系统(如用于航天飞机的贴片(tile))。航天飞机贴片展示了低的热导率和低的热容量，但是这些材料被设计用于极端温度(大于1300℃)并且具有差的机械特性(小于0.5MPa的压碎强度)。它们经常在一次飞行之后由于形状变化不能够重新使用。这些贴片是开放的多孔结构并且吸收显著量的水，这增加了质量并且导致当在暴露于高温过程中水汽化时的损害。

鉴于现有技术，需要的是一种热阻挡材料，该材料具有低的热容量以及低的热导率，而同时高的结构完整性和稳健性。此类热阻挡材料优选地适合于涂层并且适合于整体式(bulk)(独立式)材料和零件两者。良好的性能甚至在薄涂层中是所希望的。

本发明的概述

本发明解决本领域中的上述需求，如现在将进行概述的以及然后在下文中详细地进一步加以描述的。

在一些变型中，本发明提供了一种涂层，该涂层包含烧结或胶合在一起和/或嵌入在一种基质中的含金属球体，其中该涂层具有至少60％的空隙体积分数和闭口气孔率，其中该涂层具有从约50微米至约500微米的涂层厚度，并且其中这些金属球体具有该涂层厚度的从约5％至约30％的平均直径。

在一些实施例中，该平均直径是该涂层厚度的从约10％至约25％。这解释为这些金属球体具有比该涂层厚度小4-10倍的平均直径。