在激光沉积涂层中诱导多孔结构的方法技术

用能量束(10)加热粉状材料层(4)使得至少一种气体发生剂(8)反应形成至少一种气态物质(14)，以产生粘附至基底(2)表面的含孔隙涂层(16)。所述粉状材料可包含金属材料、陶瓷材料或二者兼具，并且还可包含含有气体发生剂和放热剂(64)的至少一种熔剂材料(32)。加热可使用激光束进行并且可诱导粉状材料熔化或烧结以产生含孔隙涂层。表现出改善的热特性和机械特性的燃气涡轮发动机部件可形成为包含含孔隙涂层，所述含孔隙涂层可采取粘合涂层、热障涂层或二者兼具的形式。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本申请是2014年5月12日提交的美国专利申请号14/274,952(代理人案卷号2014P07212US)的部分继续申请，其全部内容通过引用并入本文。
本专利技术一般地涉及材料
，并且更特别地涉及形成含孔隙的金属体(metalform)的方法及由其形成的部件。
技术介绍
热障涂层(TBC)被用在现代燃气涡轮发动机的热段部件(包括燃烧和涡轮段部件)上以保护下面的基础材料免受热气体流通过发动机所产生的高温。这些热气体可远高于通常为超级合金材料的基础材料的熔点。在此种技术的发展中，持续需要制造具有低热导率(以赋予被涂布的物体耐热性)而同时在抗开裂、磨损、腐蚀、冲击疲劳/冲击失效、杂质渗透和分层(即剥落)方面表现出稳健的强度和耐久性特性的涂层。耐热性通常是现代燃气涡轮发动机性能中的限制特征。例如，已知涡轮机的燃烧温度升高100°F(56℃)可以提供相应的8％至13％的输出增加和2％至4％的简单循环效率提高。因此，冷却和涂布技术的进步可以通过提高燃气涡轮发动机的功率密度和总效率而提供重大激励。基于经济、环境和整体性能考虑，非常需要开发用于提高燃气涡轮部件的耐热性的新材料和方法。陶瓷TBC通常被应用于金属基底上覆的中间粘合涂层。适合的陶瓷TBC材料包括含氧化锆的材料——特别是化学稳定的氧化锆(例如，与其他金属氧化物共混的锆氧化物)，例如氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。粘合涂层通常采取中间粘合层的形式，其常为式MCrAlX(其中“M”代表Fe、Ni或Co，而“X”代表Ta、Re、Y、Zr、Hf、Si、B或C)的合金、简单铝化合物(NiAl)或经铂改性的铝化合物((Ni，Pt)Al)。最典型地，粘合涂层为包含MCrAlY合金的中间层。尽管粘合涂层材料例如MCrAlY已被证实是增强粘附力和适应超级合金基底与陶瓷TBC之间的热膨胀差异的有效中间层，但就其产品的复杂性和成本而言，使用此种层是不利的。这是例如因为MCrAlY层经常使用昂贵且复杂的工艺(例如，气相沉积和多种喷涂技术)来施用。还非常需要开发可替代材料和方法以有效地将陶瓷TBC粘附至包括超级合金部件的金属燃气涡轮机部件的表面。附图说明在考虑附图的下列描述中解释了本专利技术，附图示出了：图1说明使用粉状材料在气体发生剂的存在下制造粘附至基底表面的含孔隙涂层的方法。图2为直接粘附至超级合金基底表面的多孔粘合涂层的横截面图。图3说明使用粉状材料在包含气体发生剂的熔剂材料存在下制造被多孔渣层覆盖的多孔金属和/或陶瓷涂层的方法。图4说明使用粉状材料制造含孔隙涂层的方法，其中多孔孔隙为使用用气体喷流导入金属和/或陶瓷材料熔池中的气体发生剂形成的。图5说明使用粉状材料在气体发生剂和放热剂二者的存在下制造含孔隙涂层的方法，其中放热剂在施用能量束之后提供额外的热。图6为沿其前缘和后缘具有多孔超级合金涂层的燃气涡轮发动机叶片的横截面图。具体实施方式本专利技术人已发现用于用金属和/或陶瓷材料涂布基底(包括超级合金基底)以制造具有改善的特性，例如降低的热导率，增强的粘合性和更强的抗开裂、冲击损坏和剥落的多孔(含孔隙)涂层的方法。本专利技术人已创新性地开发出用于制造以下经涂布材料的步骤的组合：具有改善的防热特性的经涂布材料，以及使用更简单的涂布和结合技术制造的能够经受多种高温应用和需要层间稳健结合应用的经涂布材料。本专利技术的一个实施方案是涉及施用能量束至与基底接触的粉状材料，使得气体发生剂经历化学反应以产生气态物质，赋予粘附至基底的所得涂层孔隙(孔)的方法。本专利技术的另一个实施方案是涉及施用能量束至与基底接触的粉状材料，使得孔隙发生剂经历物理工艺，赋予粘附至基底的所得涂层孔隙(孔)的方法。例如，在陶瓷例如氧化锆的激光烧结期间，可以添加熔剂例如碳酸钙。激光诱发的这种化合物的分解可以产生足够的一氧化碳和二氧化碳以促进氧化锆颗粒物理分离足够时间，以使得能够烧结这些颗粒而不使其完全致密化。本文中所用的术语“能量束”在一般意义上描述窄的、传播的粒子流或能量包。本专利技术中使用的能量束可包括光束、激光束、粒子束、带电粒子束、分子束等，其与材料接触时赋予材料动能(热能)和/或电子能(激发)。本文中所用的术语“粉状材料”在一般意义上描述颗粒形式的物体的混合物、组合或聚集体。粉状材料可包括粉状金属、粉状合金、粉状陶瓷、粉状熔剂材料、粉状塑料、粉状玻璃、粉状复合物、粉状化合物以及其他粉状成分及其混合物。本文中所用的术语“金属”和“金属材料”在一般意义上描述纯金属、半纯金属和金属合金。本文中所用的术语“超级合金”在一般意义上描述高度耐腐蚀和耐氧化合金，其表现出优异的机械强度和抗高温蠕变性以及良好的表面稳定性。超级合金通常包含基体合金元素镍、钴或镍-铁。超级合金的实例包括以以下商标和商品名出售的合金：Hastelloy、Inconel合金(例如，IN700、IN738、IN792、IN939)、Rene合金(例如ReneN5、Rene80、Rene142)、Haynes合金、MarM、CM247、CM247LC、C263、718、X-750、ECY768、282、X45、PWA1483和CMSX(例如，CMSX-4、CMSX-8、CMSX-10)单晶合金。本文中所用的术语“陶瓷”和“陶瓷材料”在一般意义上描述无机非金属固体，其具有结晶、部分结晶或非晶结构且包含无机化合物例如无机氧化物、氮化物或碳化物。特别有用的陶瓷材料包括金属稳定的氧化锆，例如氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，其为包含二氧化锆和氧化钇的结晶陶瓷结构。本文中所用的术语“气体发生剂”在一般意义上描述能够经历物理或化学转变以产生和/或释放气态物质，或者以其他方式赋予经加热或熔化或固化的材料孔隙的物质或物质的混合物。在一些实施方案中，气体发生剂在加热后经历化学反应或分解工艺以产生至少一种气态物质。在一些实施方案中，气体发生剂在加热后或在没有加热的情况下与另外的试剂反应以产生至少一种气态物质。本文中所用的术语“气态物质”在一般意义上描述元素、化合物、组合物或其混合物，其为在气相中且膨胀以填充任何周围空间或容器的。本文中所用的术语“孔隙发生剂”在一般意义上描述能够经历物理转变以在经加热、熔化或固化的材料内产生孔隙，或者能够引起经加热、熔化或固化的材料的物理转变以在所得材料内产生孔隙的物质或物质的混合物。本文中所用的术语“熔剂材料”在一般意义上描述在冶金和焊接工艺中用作清洁剂、流动剂、纯化剂和/或屏蔽剂的化学试剂。熔剂材料可为有机熔剂或无机熔剂，且可包含金属卤化物(例如，氯化锌和氟化钙)、无机酸(例如，盐酸、磷酸和氢溴酸)、无机酸盐、有机酸(包括脂肪酸，例如油酸和硬脂酸)和二羧酸、有机卤化物、松香化合物(例如，松香酸、海松酸和其他树脂酸)、多元醇和溶剂。特别有用的熔剂材料是无机熔剂，包括硼砂、硼酸盐、氟硼酸盐、金属卤化物(例如，金属氟化物、金属氯化物、卤化物)、酸和胺。本文中所用的术语“孔隙”在一般意义上描述固体或液体材料内的空间，在这些空间中可存在气态物质或气态物质的混合物，或者在这些空间中可存在非气态物质、非气态物质的混合物或气态物质和非气态物质的混合物，或者这些空间可以是空的。孔隙的任何内容物通常可区别于周围的固体材料基质，有利地并且常常以导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，包括：预放置或供给粉状材料的层至基底表面上；以及加热所述粉状材料的层使得至少一种气体发生剂反应形成至少一种气态物质，以形成粘附至所述基底表面的含孔隙涂层，其中：所述粉状材料包括金属材料、陶瓷材料或二者兼具；并且所述加热用能量束进行。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.12 US 14/274,952;2014.07.17 US 14/333,5431.一种方法，包括：预放置或供给粉状材料的层至基底表面上；以及加热所述粉状材料的层使得至少一种气体发生剂反应形成至少一种气态物质，以形成粘附至所述基底表面的含孔隙涂层，其中：所述粉状材料包括金属材料、陶瓷材料或二者兼具；并且所述加热用能量束进行。2.根据权利要求1所述的方法，还包括：熔化所述粉状材料的层以形成熔池；以及使所述熔池冷却和固化以形成粘附至超级合金基底表面的所述含孔隙涂层。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述加热步骤包括烧结所述粉状材料的层，以形成粘附至超级合金基底表面的烧结涂层。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体发生剂包含单质金属、金属合金、金属氧化物、金属氢化物、金属碳酸盐、金属碳化物、金属卤化物或其混合物。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体发生剂包含钇(Y)、氧化钇或其混合物。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述粉状材料还包含所述气体发生剂。7.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述加热步骤已开始后添加所述气体发生剂。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述粉状材料的层的所述加热在存在至少一种包含所述气体发生剂的熔剂材料的情况下发生。9.根据权利要求2所述的方法，其中：所述层包含所述粉状材料和熔剂材料，所述熔剂材料包含所述气体发生剂；所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰拉尔德·J·布鲁克，艾哈迈德·卡迈勒，
申请(专利权)人：西门子能源有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US