专利名称：多孔可磨损涂层及其施涂方法
技术领域：
本发明主要涉及可磨损涂层，更具体而言，本发明涉及施涂到基 底上的多孔可磨损涂层。
背景技术：
在燃气涡轮发动机中，为了获得最大的发动机效率(和相对应的最大的电功率)，重要的是轮叶以最小程度的过盈和以相对于可从 膨胀工作流体获得的能量大小而言的最大可能的效率在涡轮机外壳或"护罩"内进行旋转。典型地，通过在护罩与轮叶末端之间保持最小 的阈值余隙，可以实现最高的工作效率。保持最小的余隙可防止在轮 叶末端上面发生不希望的"泄漏"，余隙增大会导致产生泄漏问题并 且导致涡轮机总体效率显著降低。然而，应该意识到如果轮叶末端 在护罩的特定位置上发生摩擦，从而使得轮叶末端产生磨蚀，那么轮 叶末端产生的磨蚀在其它位置处会增大轮叶末端与护罩之间的余隙， 再一次导致产生不希望的"泄漏"。以下事实使得对要在不明显损失效率的条件下保持足够余隙的需 求变得更加困难，所述事实为在涡轮机进行旋转时，特别是在较高 的工作温度的影响作用下，作用在涡轮机部件上的离心力可能会致使 轮叶沿向外方向朝向护軍产生膨胀。因此，重要的是在最高预期作业 温度下在护罩与轮叶末端之间形成最小的有效运行余隙。可磨损类型的涂层已被施涂到涡轮机护罩上，从而有助于在稳态 温度条件下在护軍与轮叶末端之间形成最小即最优的运行余隙。特别 是，涂层已被施涂到护罩面对轮叶的表面上，使用一种在使轮叶末端 几乎不受到损伤或不受到损伤的情况下当轮叶在护罩内部高速转动时 易于受到轮叶末端磨损的材料。起初，当燃气涡轮机停止且部件处于 环境温度时，在轮叶末端与涂层之间存在余隙。之后，在正常工作过 程中，由于旋转部件和固定部件中的离心力和温度发生变化，余隙减 小，从而不可避免地致使轮叶末端产生至少一些径向伸长，从而导致轮叶末端接触护軍上的涂层并且磨掉一部分涂层以形成最小的运行余 隙。利用可磨损涂层，余隙可减小，从而确保如果产生接触的话，那 么牺牲部件是可磨损涂层，而不是轮叶末端。虽然可磨损涂层是有效的余隙最小化措施，但是所希望的是总体 上能够更好地耐受局部摩擦(即耐受涂层上的局部摩擦而不会产生涂 层大片或大面积脱落)的涂层。这可通过增大涂层孔隙率而得以实现。 当前，通过将聚合物组分包括在涂层中，在施涂涂层后烧掉所述聚合 物组分而留出孔隙，进而获得涂层孔隙率。在可磨损涂层中产生孔隙 率的一种更高效且有效的手段是所希望的。发明内容披露了一种多孔可磨损涂层，所述可磨损涂层包括至少一层可施 涂到基底上的可磨损层，所述至少一层可磨损层包含经粗切削形成的 粉末块体。还披露了一种用于施涂多孔可磨损涂层的方法，所述方法包括以下步骤选择包含经粗切削形成的粉末块体的经粗切削形成的可磨损 粉末；将至少一层包含经粗切削形成的可磨损粉末的可磨损层施涂到 基底上面；以及通过经粗切削形成的可磨损粉末在所述至少一层中产 生孔隙率。进一步披露了一种用于施涂多孔可磨损涂层的方法，所述方法包 括以下步骤选择包含经粗切削形成的粉末块体的经粗切削形成的可 磨损粉末；将包含经粗切削形成的粉末的粘附可磨损层施涂到基底上 面；将包含经粗切削形成的可磨损粉末的图案可磨损层施涂到粘附可 磨损层上面；将图案可磨损层粘附到粘附可磨损层上面，通过经粗切 削形成的可磨损粉末的粗糙度提高附着力；以及通过经粗切削形成的 可磨损粉末块体在所述粘附层和所述图案层中产生孔隙率.
下面，结合附图对本发明进行描述。在所述附图中使用相似的附 图标号表示相似的元件，其中图1是多孔可磨损涂层的剖面示意图； 图2是图1中所示部分2的剖面示意图3是施涂的多孔可磨损涂层的粘合剂层的剖面示意图；和 图4是施涂的多孔可磨损涂层的图案层的剖面示意图。
具体实施方式
参见图1，图中示出了一种多孔可磨损涂层10。涂层10 ,皮施涂 到基底l2如涂覆有环境阻挡层(EBC)的涡轮机护軍上呈至少一层。 在一个示例性实施例中，涂层10被施涂形成一层粘附可磨损层13和 一层图案可磨损层14。在下文中对一种用于施涂涂层IO的方法进行描 述，首先是对包括涂层10的粉末15 (如图2所示)的选择。参见图2，选择包括相对较大、经粗切削形成的块体16的粉末15。 所述选择过程涉及使可磨损粉末15过筛通过具有孔径为约90微米的 方孔的筛子。通过这些孔的粉末15然后过筛通过具有孔径为约44微 米的方孔的筛子。由此筛选出粉末15。由此，通过这些孔的直径大致 在44微米与90微米之间的块体16随后被丢掉，而不能通过这些孔的 粉末15被留用。通过进行比较，其它的更常规的粉末15使用了包含 小至8微米(陶瓷)和16微米(金属)的块体的更细粉末。块体16的大小和粗度允许被施涂在层14和13中的粉末15包括 相对较大的开口空隙18。在一个示例性实施例中，即便是在后面讨论 的热处理之后，这些空隙18使得能够具有体积百分比至少为8% (典 型范围为8%-12%)的相对较大的涂层孔隙率20。除了产生所希望的孔 隙率20之外，所述块体16粗度在粘附层13上产生了一定的粗糙度22, 从而有利于将粘附层13粘附到图案层14上面。应该意识到在一个 示例性实施例中，粉末15包括陶瓷组分，具体而言可包括氧化钇稳定 的氧化锆、铝硅酸锶钡和包括0. 75摩尔Ba0、0. 25摩尔Sr0、1摩尔A1203 和2摩尔Si02的组分。一旦选择好粉末15，就可以施涂涂层10。参见图3，在一个示例 性实施例中，粘附层13 (在该图中部分施涂)通过热喷涂工艺例如空 气等离子喷涂24或物理气相沉积(PVD)被施涂或"喷镀"到基底12 上。在一个示例性实施例中，为具有被选定以共同产生所需的孔隙率 水平的尺寸的粗颗粒校准和优化空气等离子喷涂参数。参见图4，图 案层14被施涂到粘附层13上，在一个示例性实施例中，脊部图案26 通过将等离子体喷涂粉末15连续多遍施加到图案掩模28上而被成形
在图案层14 (如图中所示部分地被施涂)中，且为具有被选定以共同 产生所需的孔隙率水平的尺寸的粗颗粒再一次优化空气等离子喷涂参 数。如上文中所述，图案层14的附着力通过粘附层13的粗糙度22得 到提高和增强。为了进一步地机械地和化学地增强被施涂的粘附层13与图案层 14之间以及各层内块体16之间的粘附结合力，粘附层13和图案层14 受到热处理。在一个示例性实施例中，这种热处理是通过热风炉而实 现的，尽管也可以使用等离子喷枪。在足以部分地熔化块体16的温度 下施加所述热量，以便机械地和化学地将每一块体16结合到相邻块体 16上(且这样做，增强了粘附层13与图案层14之间的结合力)，从 而有助于在涡轮机工作过程中的耐磨蚀性。然而，所述温度并不是如 此高(在1250摄氏度与1300摄氏度之间)，所述高温完全熔化块体16 且通过将空隙18中填满熔化块体16而减小孔隙率。因此，适度的热 处理与颗粒筛选的组合保持不完全熔化，这样又进一步地保持了位于 仅半熔化状态的块体16之间的空隙18。由于没有东西必须从涂层10 中被完全烧出，从而产生所需的孔隙率20，因此块体l6的完整性大 体上得到保留，并且因此，能够高效和有效地产生所需的孔隙率20。虽然已结合示例性实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技 术人员应该理解在不偏离本发明的范围的条件下，可对本发明作出 多种改变或可使用等效方式替代本发明的元素。另外，在不偏离本发 明的范围的条件下，可对本发明作出多种变,型以适应于特定情形或本 发明教导的实质内容。因此，重要的是本发明不限于在此所披露的作 为实施本发明的预期最佳方式的特定实施例，而是本发明将包括落入 由所附权利要求书限定的保护范围内的所有实施例。另外，除非明确 指出，否则任何术语如第一、第二等的使用并不表示任何次序或重要 性等级，而是这些术语如第一、第二等被用于区分不同的元件。零件列表10 多孔可磨损涂层12 基底13 粘附可磨损层14 图案可磨损层15 粉末16 块体18 较大的开口空隙20 涂层孔隙率22 粗糙度24 空气等离子喷涂26 脊部图案28 图案掩模
权利要求
1、一种多孔可磨损涂层(10)，包括至少一层可施涂到基底(12)上的可磨损层(13)，所述至少一层可磨损层(13)包含经粗切削形成的粉末块体(16)。
2、 根据权利要求1所述的可磨损涂层(10),其中所述至少一层 包括陶瓷组分，所述陶瓷组分是氧化钇稳定的氧化锆、铝硅酸锶钡和 包括0. 75摩尔Ba0、 0. 25摩尔Sr0、 1摩尔A1203和2摩尔Si02的组 分中的至少一种。
3、 根据权利要求1所述的可磨损涂层(10)，其中所述至少一层 是可施涂到所述基底(12)上的粘附可磨损层(13)和可粘附到所述 粘附可磨损层(13)上的图案可磨损层(14),所述图案可磨损层(14) 限定出至少一个脊部。
4、 根据权利要求1所述的可磨损涂层(10)，其中所述至少一层 可磨损层(13)具有体积百分比至少为8%的孔隙率(20)。
5、 一种用于施涂多孔可磨损涂层(10)的方法，所述方法包括以 下步骤选择包含经粗切削形成的粉末块体(16)的经粗切削形成的可磨 损粉末(15);将至少一层包含所述经粗切削形成的可磨损粉末(15)的可磨损 层(13)施涂到基底(l2)上面；以及通过所述经粗切削形成的可磨损粉末(15)在所述至少一层(13) 中产生孔隙率(20)。
6、 一种用于施涂多孔可磨损涂层(10)的方法，所述方法包括以 下步骤选择包含经粗切削形成的粉末块体(16)的经粗切削形成的可磨 损粉末(15);将包含所述经粗切削形成的粉末(15)的粘附可磨损层(13)施 涂到基底(12)上面；将包含所述经粗切削形成的可磨损粉末(15 )的图案可磨损层(14 ) 施涂到粘附所述粘附可磨损层(13)上面；将所述图案可磨损层(14)粘附到所述粘附可磨损层(13)上面， 通过所述经粗切削形成的可磨损粉末(15)的粗糙度(22)提高所述 附着力；以及通过所述经粗切削形成的可磨损粉末块体(16 )在所述粘附层(13 ) 和所述图案层(l4)中产生孔隙率(20)。
7、 根据权利要求6所述的方法，进一步包括通过图案掩模(28) 在所述图案可磨损层(14)中形成脊部的可磨损图案(26)。
8、 根据权利要求6所述的方法，其中所述施涂所述粘附可磨损层 (13)的步骤包括采用空气等离子喷涂(24)进行施涂，所述施涂所述图案可磨损层(14)的步骤包括采用连续多遍空气等离子喷涂(24) 在所述图案掩模(28)上面进行施涂。
9、 根据权利要求6所述的方法，进一步包括对所述粘附可磨损层 (13)和所述图案可磨损层(14)进行热处理，从而允许所述粘附可磨损层(13)和所述图案可磨损层(14)借助附着力增强而耐磨蚀， 选择所述热处理的温度，从而通过不完全地熔化所述经粗切削形成的 可磨损粉末块体(16)而保持所需的孔隙率(20)。
10、 根据权利要求6所述的方法，其中所述选择的步骤包括选择 所述经粗切削形成的粉末(15)以致具有允许所需孔隙率(20)大小 为体积百分比至少8%的粗度。
全文摘要
披露了一种多孔可磨损涂层(10)，所述可磨损涂层包括至少一层可施涂到基底(12)上的可磨损层(13)，所述至少一层可磨损层(13)包含经粗切削形成的粉末块体(16)。
文档编号C09D1/00GK101161733SQ200710153258
公开日2008年4月16日 申请日期2007年9月29日 优先权日2006年9月29日
发明者C·A·约翰逊, H·C·罗伯茨三世, J·L·马戈利斯, 刘煜照 申请人:通用电气公司