借由平版印刷来保护和增强热屏障涂层完整性的制作方法

借由平版印刷来保护和增强热屏障涂层完整性


背景技术：

1.本公开涉及热屏障涂层，并且更具体地涉及热屏障涂层上以光刻方式施加的层、图案、应力元件或牺牲层。
2.燃气涡轮发动机的热区段组件通常由热屏障涂层(tbc)保护，该热屏障涂层降低下面的组件基板的温度，从而延长组件的使用寿命。陶瓷材料尤其是氧化钇稳定的氧化锆(ysz)被广泛用作tbc材料，因为它们具有高温性能、低热导率并且相对容易借由等离子体喷涂、火焰喷涂和物理气相沉积(pvd)技术进行沉积。等离子体喷涂工艺诸如空气等离子体喷涂(aps)产生通过一定程度的不均匀性和孔隙率来表征的非柱状涂层，并且具有设备成本相对偏低和易于施加的优点。在燃气涡轮发动机的最高温度区中采用的tbc通常借由pvd(特别是电子束pvd(ebpvd))进行沉积，这产生耐应变柱状晶粒结构。
3.为了达到效果，tbc应强力粘附到组件，并且在许多加热和冷却循环中自始至终保持粘附。由于陶瓷材料与其保护的基板之间的不同热膨胀系数(cte)，后一项要求尤其苛刻，基板通常为超合金，但也使用陶瓷基体复合材料(cmc)。通常采用抗氧化粘结涂层来促进粘附性并延长tbc的使用寿命，以及保护下面的基板免受氧化和热腐蚀侵蚀所造成的损坏。超合金基板上使用的粘结涂层通常为覆盖涂层诸如mcralx(其中m为铁、钴和/或镍，并且x为钇或另一种稀土元素)或扩散铝化物涂层的形式。在陶瓷tbc的沉积以及随后暴露于高温期间，诸如在发动机操作期间，这些粘结涂层形成将tbc粘附到粘结涂层的紧密粘附的薄氧化铝(al2o3)层或皮。
4.tbc系统的使用寿命通常受到由粘结涂层氧化、界面应力增加和所导致的热疲劳或异物损坏(fod)引起的碎裂事件的限制。fod通常发生在涡轮操作期间，并且由异物引起的tbc冲击可能并且通常会损坏热屏障涂层。随着tbc磨损或被撞击掉，结合有tbc的涡轮组件的性能和寿命会降低。


技术实现要素：

5.根据一个方面，提供了一种用于保护组件的表面上的涂层的方法。该方法包括以下步骤：涂覆步骤，该涂覆步骤使用陶瓷浆液涂覆该组件的至少一部分；投影步骤，该投影步骤利用光刻工艺将光的图案投影到该组件上以暴露和固化陶瓷层；去除步骤，该去除步骤从该组件去除该陶瓷浆液的未暴露部分。该陶瓷层包括多个应力升高元件或多个锚固元件。
6.根据另一方面，提供了一种用于保护组件的表面上的涂层的方法。该组件由多个层形成，其中该层中的一个层为粘结涂层。涂覆步骤使用陶瓷浆液涂覆粘结涂层。投影步骤利用光刻工艺将光的图案投影到该组件上以暴露和固化陶瓷层。去除步骤从该组件去除该陶瓷浆液的未暴露部分。该陶瓷层包括多个应力升高元件或多个锚固元件。
7.根据结合附图阅读的以下描述，本发明的上述和其他目的、特征和优点将变得显而易见，其中类似的附图标号表示相同的元件。
附图说明
8.现在参见附图，其中在几个附图中类似的元件被编号为类似的：
9.图1示出了根据本公开的一个方面的用于增强或保护组件的表面上的热屏障涂层的方法。
10.图2示出了根据本公开的一个方面的组件的简化局部剖视图。
11.图3示出了根据本公开的一个方面的牺牲层的放大局部剖视图。
12.图4示出了根据本公开的一个方面的具有多个脊的可磨耗或牺牲涂层的图案的顶视图。
13.图5示出了根据本公开的一个方面的组件的简化局部剖视图。
具体实施方式
14.下面将描述本发明的一个或多个具体方面/实施方案。为了提供这些方面/实施方案的简明描述，可能未在说明书中描述实际实施方式的所有特征。应当理解，在任何此类实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多特定于实施方式的决策以实现开发者的特定目标，诸如遵守机器相关、系统相关和业务相关的约束，这些约束可能因实施方式而异。此外，应当理解，此类开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员来说仍然是设计、制作和制造的常规任务。
15.当介绍本发明的各种实施方案的元件时，冠词“一个”、“一种”和“该”旨在意指存在元件中的一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包含性的，并且意味着可能存在除列出元件之外的附加元件。特征的任何实例不排除本发明所公开的实施方案的其他特征。此外，应当理解，对本发明的“一个实施方案”、“一个方面”或“实施方案”或“方面”的引用并非旨在被解释为排除也包含所列举特征的其他实施方案或方面的存在。涡轮机被定义为在转子和流体之间或者反过来在流体和转子之间传输能量的机器，包括但不限于飞机发动机、气体涡轮、蒸汽涡轮和压缩机。
16.根据本文所公开的方面，公开了提供改善的热屏障涂层的方法，该热屏障涂层包括牺牲涂层以防止异物损坏(fod)和因溶蚀而引起的其他损坏。此外，组件可被制造成具有图案化的表面，这减少或消除了因必须加工这些表面而引起的损坏。还可通过使用陶瓷应力升高元件或锚固结构来改善热屏障涂层性能，该陶瓷应力升高元件或锚固结构在较高温度下具有增强的性能。
17.图1示出了根据本公开的一个方面的用于增强或保护组件的表面上的热屏障涂层的方法100。该组件可以是机器部件、涡轮机部件。仅作为非限制性实例，该组件可为涡轮叶片(或斗)、喷嘴、燃烧器、过渡件或涡轮护罩，并且所有这些组件可被构造成与气体涡轮一起使用。在步骤110中，使用陶瓷浆液涂覆组件。例如，可将组件的全部或一部分浸渍到陶瓷浆液中，或者可将陶瓷浆液喷涂或刷涂到组件上。也可使用刮刀工艺以用陶瓷浆液涂覆组件的全部或一部分。陶瓷浆液包含光反应性聚合物。陶瓷浆液可由氧化铝(al2o3)、碳化硅(sic)、氮化硅(si3n4)、二氧化硅(sio2)、硅酸盐或氧化锆以及它们的组合构成。陶瓷浆液可以与粘结剂、增塑剂和分散剂中的一者或多者混合。陶瓷浆液涂覆组件的表面。
18.在任选的步骤120中，从陶瓷浆液中取出该组件。组件的与陶瓷浆液接触的部分现在将涂覆有陶瓷浆液。现在将组件转运到光刻机。术语“平版印刷”或“光刻”被定义为包括
光刻法、光学平版印刷和/或紫外平版印刷，并且通常是指使用光将几何图案从掩模转印到基板或基础材料上的光敏抗蚀剂或浆液的工艺。另选地，可通过机器人系统使用陶瓷浆液喷涂组件，并且该机器人系统可配备有反射镜和光学器件，以随后使该部件暴露于所需的光的图案。在步骤130中，平版印刷机经由掩模或受控光源将光的图案投影到组件上。所得的光的图案在组件的表面上暴露陶瓷浆液的一部分，并将这些区域中的浆液固化成陶瓷层。陶瓷浆液的未暴露部分将保持为液化的或粘稠的。光刻工艺可采用掩模来获得光的投影图案，或者其可为无掩模工艺，其中不使用掩模并且光源(可能经由一个或多个反射镜)在组件上形成所需图案。
19.在步骤140中，通过任何合适的方式(例如，通过用流体进行洗涤或冲洗)去除陶瓷浆液或陶瓷层的未暴露部分。在去除未暴露部分之后，仅陶瓷层的固化和暴露部分将保留在组件的表面上。在步骤150中，决定是否需要重复步骤110、120、130、140和/或150。如果需要另外的陶瓷层，则可重复这些步骤(或其一部分)。另选地，如果已获得所需数量的陶瓷层，则该方法可前进至步骤160。
20.在完成所需数量的步骤110至步骤150之后，获得生坯或未固化的陶瓷层。在步骤160中，为了固化和硬化所得的“生坯”陶瓷层，加热组件以烧结该组件。加热组件以去除粘结剂，并在所需的升高的温度下保持预先确定的时间以获得陶瓷层的所需密度。在加热过程之后，完成的陶瓷层可供使用。
21.图2示出了根据本公开的一个方面的组件200的简化局部剖视图。图3示出了根据本公开的一个方面的牺牲层260的顶视图。组件200由具有限定的宏结构和微结构的多个层构成。基础层/材料或基板层210可由超合金材料(包括镍、钴、铁或它们的组合)形成。对于许多气体涡轮应用，诸如涡轮叶片、轮叶、护罩和其他组件，基础层210是定向固化或单晶镍基超合金。金属间层或中间层220可沉积在基础层或基板210上。
22.经验显示，陶瓷绝缘层或tbc不应直接沉积在金属基板210上(在特定应用中)，部分原因是两种不同材料之间的粘附性不够大，并且部分原因是陶瓷和金属的热膨胀差异导致陶瓷在热循环期间断裂和剥落。即，当组件200随着涡轮机启动、在不同功率电平下操作和关闭而被加热和冷却时，热膨胀系数的差异导致脆性陶瓷中产生裂纹。裂纹蔓延穿过特定区域，并且最终陶瓷的薄片与受影响区域中的基板分离，这一过程在本领域中被称为剥落。然后热气体使那些区域中暴露的金属基板快速降解。在叶片的某个区域中发生剥落之后，叶片的失效前寿命会相当短。
23.为了确保良好的粘附性并避免剥落失效，热屏障涂层系统在tbc与基板210之间包括粘结涂层230和中间层220。一种优选的中间层为金属间铝化镍，诸如化合物nial或ni2al3，或改性的金属间化合物，诸如nial
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cr。中间层220通过任何可接受的沉积技术沉积在基板210上，例如包渗或物理气相沉积。沉积时，中间层220可为约0.001英寸至约0.005英寸厚，或为具体应用中所需的任何其他厚度。
24.粘结涂层230可沉积在中间层220上。合适的粘结涂层或涂层230包括但不限于常规扩散涂层，诸如镍和铂铝化物、mcraly涂层等。已知富铝粘结涂层会生成铝氧化物(氧化铝)皮，其通过粘结涂层230的氧化而变大。氧化铝皮将tbc化学结合到粘结涂层230和基板210。如本领域技术人员将认识到的，粘结涂层230的厚度可为针对其预期应用的任何合适的厚度，并且粘结涂层230可根据具体应用而省略。
25.热屏障涂层(tbc)240沉积在一个或多个粘结涂层230上方。热屏障涂层240可包含单独存在的或与其他材料结合的任何合适的陶瓷材料。例如，热屏障涂层240可包含完全或部分稳定的氧化钇稳定的氧化锆等，以及本领域已知的其他低电导率氧化物涂层材料。其他合适的陶瓷的实例包括但不限于由约7
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8重量％的氧化钇稳定的约92
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93重量％的氧化锆，以及其他已知的陶瓷热屏障涂层，诸如未稳定的氧化锆、由氧化钙、氧化镁、二氧化铈、氧化钪、氧化钇、稀土氧化物或其他氧化物中的一者或多者部分或完全稳定的氧化锆。热屏障涂层240还可包含由氧化钇、氧化钪、氧化镁、氧化钙、二氧化铈和镧系元素氧化物中的一者或多者稳定的二氧化铪、氧化锆或二氧化铪与氧化锆的混合物。
26.热屏障涂层240可通过任何合适的方法进行施加。一种合适的沉积方法是借由电子束物理气相沉积(eb
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pvd)，但等离子体喷涂沉积工艺诸如空气等离子体喷涂(aps)也可用于燃烧器应用。除了其他合适的密度之外，合适的施加eb
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pvd的陶瓷热屏障涂层240的密度可为约4.7g/cm3。热屏障涂层240可施加于任何所需的厚度和微结构。例如，涂层240可具有介于约75微米和约3000微米之间的厚度。厚度可根据给定部件上的位置而变化，以例如提供最佳水平的冷却和热应力的平衡。tbc 240的上部部分还可包括粗糙或多孔层250，该粗糙或多孔层由与层240相同或类似的材料形成。层250的粗糙和/或多孔性质有利于以牺牲层260形式呈现的陶瓷层的粘结。
27.牺牲层(或陶瓷层)260可由与层240和层250相同或类似的材料构成，或者牺牲层可由稀土硅酸盐构成。合适的稀土硅酸盐包括但不限于镧硅酸盐、镨硅酸盐、钕硅酸盐、钷硅酸盐、钐硅酸盐、铕硅酸盐、钆硅酸盐、铽硅酸盐、镝硅酸盐、钬硅酸盐、铒硅酸盐、铥硅酸盐、镱硅酸盐、镥硅酸盐、钪硅酸盐、钇硅酸盐以及它们的混合物。稀土硅酸盐可以单硅酸盐、m2sio5、二硅酸盐、m2si2o7的形式或以组合形式呈现。此外，单硅酸盐、二硅酸盐或它们的组合可与稀土氧化物、m2o3结合进行沉积。另选地，牺牲层260可由氧化铝构成，由于通过光刻方法进行沉积，氧化铝可具有致密微结构。牺牲层260的功能是限制、减少或消除对下面的热屏障涂层240、260的异物损坏。牺牲层260的合适厚度可为介于约0.1微米和约200微米之间。牺牲层260由结合图1所述的陶瓷浆液和陶瓷层以及前述方法形成。
28.牺牲层260具有微观上和宏观上的弱点和断裂平面，这在层260经受异物损坏或冲击时允许对其如何失效进行特定控制。断裂平面被设计成吸收化学性质、微结构、架构等引起的冲击力并降低下面的tbc层240、250上的净冲击和应力来限制异物损坏。例如，牺牲层260可具有由其表面限定的多个平行和/或相交的断裂平面。
29.图3示出了牺牲层(或陶瓷层)260的放大局部剖视图。牺牲层由多个元件构成，该多个元件减少对下面的热屏障涂层240和/或热屏障涂层250的异物损坏。牺牲层260包括多个宏观支撑构件310。宏观支撑构件310可按柱311进行布置，并且每个宏观支撑构件可在垂直和/或水平方向上(相对于图3的视图)互锁到相邻的宏观支撑构件。宏观支撑构件310可具有大致立方体、矩形、菱形或多边形形状。宏观支撑构件限定其外表面上的断裂平面。例如，由宏观支撑构件310限定的断裂平面相对于下面的基板层的表面成 45度和
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45度。应当理解，也可使用大于或小于45度的角度。
30.柱311之间的居间区域填充有多个陶瓷材料的平行片材320，并且片材320由居间支撑元件330支撑。片材320限定多个断裂平面，该多个断裂平面彼此平行并且平行于下面的基板层的表面。例如，由片材320限定的断裂平面会相对于下面的基板层成0度或180度的
角度。支撑元件330也由陶瓷材料形成，并且可为大致三角形或锥形的形状。冲击平行片材320的异物将吸收冲击的冲击力，并且如果冲击足够强，则该异物会剥落。对于片材320受到的冲击，将水平地朝向宏观支撑构件310对冲击力进行导向，此时将以 /
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45度的角度对冲击力进行导向。支撑元件330增加陶瓷层260和片材320的强度，并且支撑元件330的间距或定位频率可基于陶瓷层260中的定位或深度而变化。仅作为一个实例，陶瓷层260的上层可比陶瓷层260的下层具有较低密度的支撑元件330，或反之亦然。另外，多个断裂平面可相对于基板210的顶表面形成介于约10度至80度、10度至70度、10度至60度、10度至50度、10度至40度、10度至30度、20度至89度、20度至80度、30度至80度、40度至80度、50度至80度、30度至70度或40度至60度之间的角度。成角度的断裂平面将外来异物的力(由虚线fod示出)重新导向到更横向的方向，使得该力在到达下面的tbc层之前更多穿过牺牲层260。此外，剥落部分牺牲层260所需的力降低了到达tbc层的fod冲击的净力。
31.光刻工艺允许牺牲层的高度受控沉积，使得可为牺牲层/陶瓷层260形成非常复杂的多断裂平面包含和力吸收形状构形。每个断裂平面以及牺牲层260的每个层级吸收总冲击力的一部分，从而保护下面的tbc层240、250。
32.图4示出了用于限定多个脊410的可磨耗或牺牲涂层405的图案的替代示例性实施方案的视图。形成脊410的层由结合图1所述的陶瓷浆液和陶瓷层以及前述方法形成。图案405包括弯曲段420和直段430。当涡轮叶片末端与图案可磨耗地进行连通时，弯曲段420可设置在图案的与涡轮叶片末端的前部对应的部分处。当涡轮叶片末端与图案405可磨耗地进行连通时，直段430设置在脊410的与涡轮叶片末端的后部对应的部分处。直段430位于脊410的第一端部处。多个脊410设置在tbc层240、250上，使得每个脊410基本上平行于直段430中的每个另外的脊410。脊的图案也可局部地位于叶片外表面上。每个脊410也被设置成使得在弯曲段420和直段430两者中的邻接脊410之间存在相等的距离。每个脊410之间的距离440可在约1微米至约14mm的范围内，每个脊410之间的优选的距离440在约50微米至约7mm的范围内。脊410的部分设置在直线部分430中使得相对于基准线451形成角度450。角度450在约20度至约70度的范围内。弯曲段420包括半径，该半径被构造成与穿过弯曲段420的中弧线基本匹配。平版印刷脊410的优点在于不需要(或至少最小限度的)机加工，并且不含机加工会消除(或降低)将由机加工工艺引起的残余应力，从而延长组件的寿命。脊可采用任何期望的构形，例如，脊410可为直的、弯曲的、曲线的、与一侧或另一侧成角度的或宽度沿径向方向(相对于涡轮机)渐缩的，或形成脊的基体或交叉影线或六边形组。利用脊410的组件的一个非限制性实例是被构造成用于气体涡轮的护罩。
33.图5示出了根据本公开的一个方面的组件500的简化局部剖视图。组件500由多个层构成。基础层/材料或基板层210可由超合金材料(包括镍、钴、铁或它们的组合)形成。对于许多气体涡轮应用，诸如涡轮叶片、轮叶、护罩和其他组件，基础层210是定向固化或单晶镍基超合金。金属间层或中间层220可沉积在基础层或基板210上。
34.为了确保良好的粘附性并避免剥落失效，热屏障涂层系统在热屏障涂层240与基板210之间包括粘结涂层230和中间层220。中间层220通过任何可接受的沉积技术沉积在基板210上，例如包渗或物理气相沉积。粘结涂层230沉积在中间层220上。合适的粘结涂层或涂层230包括但不限于常规扩散涂层，诸如镍和铂铝化物、mcraly涂层等。
35.过去曾向粘结涂层中添加金属锚固结构以帮助陶瓷涂层更好地粘附到粘结涂层。
然而，用于这些锚固结构的金属材料在操作期间限制最大允许温度，因为相比于陶瓷，金属在较低的温度下熔化和失效。结合图1所述的方法可用于在粘结涂层230上光刻印刷多个应力升高元件550或锚固结构。光刻印刷的陶瓷浆液和所得陶瓷层(其形成应力升高元件550)可以是与tbc层240相同或类似的陶瓷材料，从而与金属结构相比表现出改善的温度性能。应力升高元件550(其也可为金属
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陶瓷复合材料)被构造和定位成促使tbc层240在所需位置并沿着所需断裂平面断裂，从而降低tbc涂层240的失效。例如，应力升高元件550的形状、位置、尺寸和高度可各自受到调控，以在需要时在tbc涂层中提供断裂的自然趋势。应力升高元件550的形状可为矩形或可为梯形551或燕尾形552，其中较大尺寸靠近应力升高元件的顶部(图5中)。这种“燕尾形状”使tbc涂层240适用于粘结涂层230和组件500。
36.在应力升高元件550光刻沉积之后，热屏障涂层(tbc)240沉积在粘结涂层230和应力升高元件550上方。如上所述，热屏障涂层240可包含单独存在的或与其他材料结合的任何合适的陶瓷材料。光刻工艺允许应力升高元件550的高度受控沉积，使得可形成非常复杂的力引导形状构形。例如，第一组应力升高元件550可被设计成具有比第二组应力升高元件大的高度(或厚度)。此外，可对组件执行本文所述的方法，以修复组件的损坏(例如，fod或溶蚀损坏)或延长组件的生命周期。陶瓷层可仅局部施加至组件上已知容易遭受异物损坏或溶蚀的位置，或者陶瓷层可施加至组件的整个表面。
37.此外，尽管已经参考示例性实施方案描述了本发明，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物代替其要素。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教导内容。因此，本发明旨在不限于所公开的作为实施本发明设想的最佳模式的具体实施方案，而是本发明将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方案。此外，术语“第一”、“第二”等的使用不表示任何顺序或重要性，而是术语“第一”、“第二”等用于将一个元件与另一个元件区分开。此外，术语“一个”、“一种”等的使用并不表示数量的限制，而是表示所引用项目中的至少一者的存在。