涂布的基材制造技术

一种涂布的基材，包括金属或金属合金诸如高速钢、TiAl基合金或Ni基合金或导电陶瓷材料，其中所述涂层包含硬质材料保护涂层，所述硬质材料保护涂层包含不同组合物的交替层，其中所述交替层的第一组合物包含硅Si，和/或所述交替层的第二组合物包含硼B。

Coated Substrate

【技术实现步骤摘要】
涂布的基材
本公开涉及涂布的基材，特别是用于改善燃气涡轮机翼的耐氧化性的涂层。
技术介绍
铝化钛机翼，诸如在燃气涡轮发动机中发现的那些，在高温环境中操作，该高温环境促进氧化和腐蚀。这不利于零件的完整性。为了减轻这种氧化和腐蚀，已经提出了涂层系统。在这些系统中，可以通过物理气相沉积(PVD)方法将涂层施加到要保护的零件上。然而，这种涂层本身可能由于其脆性而降低了系统的完整性，或者可能仅提供有限的能力来承受腐蚀性物质向下面基材中的扩散。在发现基材的过度氧化之前，通常涂层仅具有有限的温度耐久性。此外，已观察到在暴露于高温期间发生表面开裂。因此，仍存在如何提供能够提供有效的氧化保护同时还能承受高温环境的物理严酷性的基材涂层的问题。高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)是一种已知的PVD技术—例如GB2,450,950考虑了用于机器工具的HIPIMS涂层。它提出将HIPIMS结合到涂层提供中的技术，诸如由Lembke等人在"SignificanceofYandCrinTiAINhardcoatingsfordryhighspeedcutting(Y和Cr在用于干法高速切割的TiAIN硬涂层中的重要性)",SurfaceEngineering17(2)153-158页(2001)中提出的那些，其中使用电弧放电将涂层材料Cr植入到界面中。它提到在P.Eh.Hovsepian,C.Reinhard和A.P.Ehiasarian在SurfaceandCoatingsTechnology201(2006)4105-4110页中题为“CrAlYN/CrNsuperlatticecoatingsdepositedbythecombinedhighpowerimpulsemagnetronsputtering/unbalancedmagnetronsputteringtechnique(通过组合的高功率脉冲磁控溅射/不平衡磁控溅射技术沉积的CrAlYN/CrN超晶格涂层)”的论文中给出的HIPIMS技术。该篇参考文献描述了在清洗/蚀刻处理的意义上通过用由HIPIMS技术生成的Cr离子轰击金属基材来预处理该基材，等等。GB2,450,950继续使用HIPIMS技术在基材上提供HIPIMS超晶格结构。
技术实现思路
本专利技术人已经确定，使用HIPIMS涂布机翼可以比供选的PVD工艺更有利。与供选的PVD工艺相比，HIPIMS可以生产更高密度的涂层。所实现的较高密度使涂层中的柱间孔隙率最小化，这是腐蚀性物质从环境中传输穿过涂层并侵蚀基材的途径。此外，HIPIMS可用于提供涂层结构，该涂层结构由多个层组成，所述多个层通过多个界面提供对氧化和腐蚀性物质的有效屏障并且改善涂层韧性。特别是，通过HIPIMS产生的多层界面非常清晰和平坦。这使得它们由于有限的原子失配而特别有效地作为扩散的屏障。专利技术人还已经确定了有效的涂层的特定组合物。通过选择用于涂层的特定元素，可以控制涂层以a)形成抑制进一步氧化和腐蚀的致密氧化物皮，和b)稳定该氧化物皮，以防止其剥落和暴露未反应的涂层或基材。认为现有技术涂层中的裂缝是由于由涂层和基材的热膨胀系数的差异而施加在涂层上的拉伸应力。该裂缝产生疲劳缺陷并降低涂层抑制进一步的氧化和腐蚀的有效性。专利技术人已经确定了可以至少部分地缓解这些问题的特定组合物。根据一个方面，本专利技术提供一种涂布的基材，包括金属或金属合金诸如高速钢、TiAl基合金或Ni基合金或导电陶瓷材料，其中所述涂层包含硬质材料保护涂层，所述硬质材料保护涂层包含不同组合物的交替层，其中所述交替层的第一组合物包含硅Si，和/或所述交替层的第二组合物包含硼B。这样的涂层在耐氧化性和开裂方面表现出改进的保护。认为提供包含Si和B的交替层抑制氧沿晶界的快速扩散。交替层的第一组合物可包含铝和硅。附加地或替代地，交替层的第二组合物可包含铝和硼。例如，交替层的第一组合物可包含AlSi，和/或交替层的第二组合物可包含AlB。任选地，所述包含硅的层是包含硅的金属氮化物层，诸如TiAlSiN、CrAlSiN、AlSiN、ZrAlSiN、TiAlSiYN、CrAlSiYN、AlSiYN、ZrAlSiYN。任选地，所述包含硅的层包含0.5至30原子％的Si。任选地，所述包含硼的层是还包含一定比例的一种或多种稀土元素诸如钇的包含硼的金属氮化物层，例如TiAlCrBYN、CrAlBYN、ZrCrAlBYN、TiAlCrBN、CrAlBN或ZrCrAlBN。任选地，所述包含硼的层包含0.1至20原子％的B。任选地，交替层的双层厚度在1至20nm的范围内，优选在2至5nm的范围内。认为该厚度范围利用超晶格效应来为涂层提供改善的物理性质。任选地，涂布的基材还包括与基材相邻的界面层，所述界面层是包含一定比例的一种或多种稀土元素任选钇的无氮金属间层。任选地，所述基材是用于燃气涡轮发动机的机翼。根据本专利技术的第二方面，提供了一种燃气涡轮机翼，包括硬质材料保护HIPIMS涂层。HIPIMS涂层比供选的PVD工艺的涂层更致密，且通过HIPIMS生产的多层界面非常清晰和平坦。这使得HIPIMS涂层由于其致密的晶界而特别有效地作为扩散的屏障。根据本专利技术的第三方面，提供了一种包括第一方面的涂布的基材(其中所述基材是机翼)或根据第二方面的燃气涡轮机翼的燃气涡轮发动机。根据本专利技术的第四方面，提供了一种用于在基材上制造硬质材料保护涂层的方法，所述基材包括金属或金属合金诸如高速钢、TiAl基合金或Ni基合金或导电陶瓷材料，所述方法包括：沉积不同组合物的交替层，其中所述交替层的第一组合物包含硅Si，和/或所述交替层的第二组合物包含硼B。任选地，所述沉积可通过HIPIMS涂布、电弧蒸发涂布和磁控溅射中的任何一种进行。任选地，所述交替层的双层厚度在1至20nm的范围内，优选在2至5nm的范围内。任选地，在沉积靶的前面的磁场的水平分量的强度优选在100至1500高斯，更优选在200至1000高斯，并且还更优选在300至500高斯的范围内且最优选为约400高斯。根据本专利技术的第五方面，提供了HIPIMS用于提供具有硬质材料保护涂层的燃气涡轮机翼的用途。技术人员将理解，除非相互排斥，否则关于任何一个上述方面所描述的特征可以在必要的变更后应用于任何其他方面。此外，除非相互排斥，否则本文描述的任何特征可以应用于任何方面和/或与本文描述的任何其他特征组合。附图说明现在将参考附图仅通过示例的方式描述实施方案，其中：图1是燃气涡轮发动机的剖面侧视图；图2是基材上的层状涂层的示意性横截面；图3是显示热重分析试验的结果的图表；图4是热重分析试验之后涂层的显微照片；和图5是热重分析试验之后另一个涂层的显微照片。具体实施方式参考图1，燃气涡轮发动机笼统地用10表示，具有主旋转轴11。发动机10在轴向流动串列中包括进气口12、推进鼓风机13、中压压缩机14、高压压缩机15、燃烧设备16、高压涡轮17、中压涡轮18、低压涡轮19和排气喷嘴20。机舱21通常围绕发动机10并限定进气口12和排气喷嘴20。燃气涡轮发动机10以常规方式工作，使得进入进气口12的空气被鼓风机13加速以产生两股气流以提供推进推力：进入中压压缩机14的第一气流和通过旁路管22的第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涂布的基材，包括金属或金属合金诸如高速钢、TiAl基合金或Ni基合金或导电陶瓷材料，其中所述涂层包含硬质材料保护涂层，所述硬质材料保护涂层包含不同组合物的交替层，其中所述交替层的第一组合物包含硅Si，和/或所述交替层的第二组合物包含硼B。

【技术特征摘要】
2018.02.15 GB 1802468.71.一种涂布的基材，包括金属或金属合金诸如高速钢、TiAl基合金或Ni基合金或导电陶瓷材料，其中所述涂层包含硬质材料保护涂层，所述硬质材料保护涂层包含不同组合物的交替层，其中所述交替层的第一组合物包含硅Si，和/或所述交替层的第二组合物包含硼B。2.根据权利要求1所述的涂布的基材，其中所述包含硅的层是包含硅的金属氮化物层，诸如TiAlSiN、CrAlSiN、AlSiN。3.根据权利要求1所述的涂布的基材，其中所述包含硅的层包含0.5至30原子％的Si。4.根据权利要求1所述的涂布的基材，其中所述包含硼的层是还包含一定比例的一种或多种稀土元素的包含硼的金属氮化物层，诸如TiAlCrBYN、CrAlBYN。5.根据权利要求1所述的涂布的基材，其中所述包含硼的层包含0.1至20原子％的B。6.根据权利要求1所述的涂布的基材，其中所述交替层的第一组合物包含铝和硅和/或所述交替层的第二组合物包含铝和硼。7.根据权利要求1所述的涂布的基材，其中所述交替层的双层厚度在1至20nm的范围内，优选在2至5nm的范围内。8.根据权利要求1所述的涂布的基材...

【专利技术属性】
技术研发人员：A艾萨里安，P霍瑟比安，DS瑞克比，M迪克森，
申请(专利权)人：劳斯莱斯有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB