專利名稱：抗釩涂層系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及當(dāng)暴露于重質(zhì)燃油的燃燒副產(chǎn)物時(shí)具有改善的耐腐蝕性的涂層系統(tǒng)， 并且更具體地講，涉及涂布于超合金的涂層系統(tǒng)，該超合金在暴露于來自重質(zhì)燃油燃燒的釩種類侵蝕的高溫應(yīng)用中使用。
背景技術(shù)：
氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)為用于改善高溫金屬中所用金屬的性能的熟知材料。 YSZ通常通過高溫?zé)釃娡抗に囃坎紴闊嵴贤繉?TBC)。TBC增大高溫基底金屬的操作溫度。 另外，粘合層(bond coat)被涂布在TBC與高溫金屬之間，以減少TBC與高溫金屬之間的熱失配，這改善了 TBC的抗破裂性。該熱障涂層系統(tǒng)包括粘合層和TBC。粘合層通常為MCrAlY， 其中M為選自Ni、Co、Fe及其組合的金屬。熱障涂層系統(tǒng)通常用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱區(qū)以改善高溫基底金屬的溫度性能。 這些高溫基底金屬用于組件比如燃燒室和渦輪葉片。高溫金屬通常為超合金金屬，并且可為鎳基超合金、鈷基超合金、鐵基超合金及其組合。TBC系統(tǒng)顯著增大這些超合金金屬的高溫性能范圍。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)可使用多種不同的燃料操作。這些燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室區(qū)于 2000° F(1093°C)或超過該溫度的溫度下燃燒，并且燃燒的氣體用于旋轉(zhuǎn)位于發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室區(qū)后部的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪區(qū)。隨著能量從燃燒的熱氣體提取，動(dòng)力由旋轉(zhuǎn)的渦輪區(qū)產(chǎn)生。通常在經(jīng)濟(jì)上有益的是使用可得到的最廉價(jià)燃料操作燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。更加豐富和廉價(jià)的石油燃料之一為重質(zhì)燃油(HFO)。HFO為經(jīng)濟(jì)的燃料的原因之一是其不被重度精煉。未被重度精煉，其含有多種雜質(zhì)。這些雜質(zhì)之一為釩，其在高溫燃燒下形成氧化釩(V2O5)。即使將 MgO作為燃料添加劑加入，并且，MgO因在熱障涂層的外表面上或其附近形成惰性釩酸鎂化合物而起釩種類反應(yīng)抑制劑作用，但MgO不完全防止YSZ熱障涂層的侵蝕，因?yàn)檠趸C可滲入熱障涂層中的微細(xì)裂紋和孔隙，提供的通道不僅到Y(jié)SZ熱障涂層，而且到下面的粘合層。 V2O5為酸性氧化物，其可自存在于這樣熱障涂層中的裂縫和孔隙中的YSZ浸析氧化釔。侵蝕機(jī)制通過以下反應(yīng)提供ZrO2 (Y2O3) +V2O5 — ZrO2 (單斜)+2YV04因此，V2O5保持快速侵蝕YSZ的能力，引起其劣化并由熱氣流除去。TBC的喪失使基底金屬和任何剩余的粘合層暴露于升高溫度下的燃燒熱氣體。在這些升高的溫度下，基底金屬和粘合層受到燃燒熱氣體的腐蝕，這縮短它們的壽命。結(jié)果，組件比如燃燒室和渦輪葉片必須以更短的間隔替換，這也意味著用于渦輪的額外維護(hù)時(shí)間，期間渦輪不產(chǎn)生動(dòng)力。不受到燃燒熱氣體侵蝕的可涂布于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱氣路組件的熱障涂層系統(tǒng)在本領(lǐng)域是合乎需要的。具體地講，涂層系統(tǒng)應(yīng)耐受可由HFO產(chǎn)生的V2O5侵蝕，而同時(shí)提供對(duì)基底金屬的熱保護(hù)，使其預(yù)期壽命可得到改善。
發(fā)明內(nèi)容
本文闡述了耐高溫釩侵蝕的抗釩涂層系統(tǒng)。系統(tǒng)包含高溫超合金基底。粘合層覆在超合金基底上面。粘合層可以多層涂布。陶瓷涂層覆在粘合層上面，其包含用具有比Y3+ 更小原子半徑的稀土元素種類陽離子穩(wěn)定的氧化鋯。具有比Y3+更小原子半徑的稀土元素種類構(gòu)成陶瓷涂層的約5-10重量％。在另一個(gè)實(shí)施方案中，抗釩涂層系統(tǒng)包含高溫超合金基底。粘合層覆在超合金基底上面。粘合層可以高達(dá)約0.002-0. 015"厚度的多層涂布。第一陶瓷涂層覆在粘合層上面，其包含用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯。氧化釔構(gòu)成該陶瓷涂層的約2-20重量％并且涂布至 0.010-0. 040"的厚度。該涂層(也稱為YSZ)固有地包括孔隙和裂縫。這些裂縫和孔隙滲入以溶液形式存在的具有比Y3+更大原子半徑的稀土元素種類陽離子。陽離子溶液形成該種類的氧化物。在第三個(gè)實(shí)施方案中，抗釩涂層系統(tǒng)包含高溫超合金基底。粘合層覆在超合金基底上面。粘合層可以高達(dá)約0.002-0. 015"厚度的多層涂布。第一陶瓷涂層覆在粘合層上面，其包含用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯。氧化釔構(gòu)成該陶瓷涂層的約2-20重量％并且涂布至約 0.001-0.005"的厚度。第二陶瓷涂層被涂布覆在第一陶瓷涂層上面。第二陶瓷涂層包含用具有比Y3+更小原子半徑的稀土元素種類陽離子穩(wěn)定的氧化鋯。陽離子形成該種類的氧化物。用于本文時(shí)，術(shù)語抗釩涂層和耐釩侵蝕涂層指耐釩及其種類包括(但不限于)V2O5 的侵蝕的涂層，特別是這樣的種類存在下的升高溫度下。本文所闡述涂層系統(tǒng)的一個(gè)有利條件是，其可在包括比如在廉價(jià)燃油(比如重質(zhì)燃油)燃燒時(shí)產(chǎn)生的氧化釩的環(huán)境下長存。本文所闡述涂層系統(tǒng)的另一個(gè)有利條件是，在一種形式中，用比氧化釔更不易受氧化釩侵蝕影響的種類來穩(wěn)定氧化鋯，并且因此比YSZ更加穩(wěn)定。本發(fā)明一種不同形式的一個(gè)有利條件是，用比氧化釔更易受氧化釩侵蝕影響的種類來穩(wěn)定氧化鋯層。在該形式中，所述層起犧牲層作用，因?yàn)檠趸唭?yōu)先地侵蝕它而不是 YSZ。因?yàn)楸疚乃U述涂層系統(tǒng)更不易受到來自廉價(jià)燃料比如重質(zhì)燃油燃燒的氧化釩侵蝕和破裂的影響，涂布該涂層系統(tǒng)的基底的預(yù)期壽命得到延長，并且包括這樣涂布的基底的渦輪機(jī)組件的工作壽命也得到延長，使得停工維修之間的平均時(shí)間長度增加，并且總的停工維修時(shí)間得到減小。通過以下優(yōu)選實(shí)施方案的更詳細(xì)描述，結(jié)合附圖，其通過實(shí)例的方式闡明本發(fā)明的原理，本發(fā)明的其它特征和有利條件將是顯而易見的。
圖1公開具有抗釩性的涂層系統(tǒng)的第一個(gè)實(shí)施方案，其包括覆在基底上面的粘合層和形成覆在粘合層上面的表面涂層的陶瓷涂層。圖2公開具有抗釩性的涂層系統(tǒng)的第二個(gè)實(shí)施方案，其包括覆在基底上面的粘合層、覆在粘合層上面的陶瓷涂層和覆在陶瓷涂層上面的犧牲性表面涂層。圖3公開具有抗釩性的涂層系統(tǒng)的第三個(gè)實(shí)施方案，其包括覆在基底上面的粘合層、覆在粘合屏障涂層上面的陶瓷涂層和覆在陶瓷涂層上面的燒綠石表面涂層。圖4公開具有抗釩性的涂層系統(tǒng)的第四個(gè)實(shí)施方案，其包括覆在基底上面的粘合層、覆在粘合層上面的YSZ陶瓷涂層，所述YSZ陶瓷涂層已經(jīng)滲入稀土元素陽離子種類，這形成薄表面涂層。圖5公開具有抗釩性的涂層系統(tǒng)的第五個(gè)實(shí)施方案，其包括覆在基底上面的粘合層、覆在粘合層上面的第一 YSZ陶瓷涂層和覆在第一 YSZ陶瓷涂層上面的第二陶瓷涂層。圖6公開具有抗釩性的涂層系統(tǒng)的第六個(gè)實(shí)施方案，其包括覆在基底上面的粘合層、覆在粘合層上面的第一 YSZ陶瓷涂層、覆在第一 YSZ陶瓷涂層上面的第二陶瓷涂層，所述第二個(gè)陶瓷涂層已經(jīng)滲入稀土元素陽離子種類。圖7為圖4的放大視圖，其顯示稀土元素種類涂層和來自稀土元素種類涂層的浸滲劑(infiltrant)，該浸滲劑滲透對(duì)YSZ涂層表面開放的孔隙和裂縫。
具體實(shí)施例方式在本文闡述了在其中存在釩種類的環(huán)境條件下具有改善的耐釩及其種類侵蝕的涂層系統(tǒng)。釩種類特別是V2O5為廉價(jià)燃料或石油產(chǎn)品比如重質(zhì)燃油(HFO)的燃燒副產(chǎn)物。 由HFO燃燒產(chǎn)生的V2O5侵蝕常用的熱障涂層比如YSZ。V2O5為酸性氧化物，其侵蝕YSZ中的氧化釔，從而導(dǎo)致YSZ損壞及其去穩(wěn)定作用。V2O5也侵蝕粘合層比如MCrAlY，該粘合層常用于減少存在于陶瓷熱障涂層與金屬基底之間的差別熱膨脹導(dǎo)致的應(yīng)力。一旦MCrAlY被成功侵蝕，基底本身受到可存在于燃料燃燒產(chǎn)物中的釩種類及其它腐蝕性副產(chǎn)物的腐蝕性侵蝕。本文闡述的涂層系統(tǒng)不僅包括耐釩種類并且特別是V2O5侵蝕的陶瓷涂層，而且包括涂布于基底上的粘合層，以當(dāng)陶瓷熱障涂層已經(jīng)破裂或不再有效防止腐蝕性種類穿透粘合層時(shí)，對(duì)下面的金屬材料提供保護(hù)免于腐蝕性種類比如V2O5的侵蝕。涂層系統(tǒng)也可對(duì)下面的基底提供熱保護(hù)。圖1表示涂層系統(tǒng)的第一個(gè)實(shí)施方案。在該實(shí)施方案中，如同在本文所描述的所有實(shí)施方案中那樣，涂層系統(tǒng)包括基底10。盡管基底可為能夠于約2000° F(1093°C )或超過該溫度的高溫下操作的任何金屬材料，這些高溫金屬材料通常為超合金，包括(但不限于)Ni基超合金、Co基超合金、Fe基超合金和包括Ni、Fe和Co組合的超合金。當(dāng)采取合適的步驟保護(hù)超合金基底免于腐蝕和/或氧化時(shí)，這些超合金能夠于2000° F(1093°C)或超過該溫度的溫度下操作延長的時(shí)間期間。在該第一個(gè)實(shí)施方案中，直接覆在基底10上面的為粘合層20。粘合層20可為涂布于金屬基底上的MCrAlY，其中M為選自Ni、Co、Fe及其組合的金屬，盡管已經(jīng)使用其它粘合層比如NiAl和PtAl和PtNiAl。雖然涂布于基底10上的粘合層20可提供一些保護(hù)免于與可存在于熱燃燒氣體中的腐蝕性種類接觸，其主要幫助減少由于金屬基底10與任何上面陶瓷涂層的差別熱膨脹可在升高溫度下存在的熱失配導(dǎo)致的應(yīng)力。MCrAlY粘合層包括鋁。當(dāng)粘合層暴露于包括氧氣的熱燃燒氣體時(shí)，在粘合層表面形成鋁的熱生長氧化物 (TGO)。在操作溫度下隨時(shí)間增加而經(jīng)歷一些生長的TGO有助于減輕任何上面的陶瓷涂層與基底之間的應(yīng)力，從而減少陶瓷涂層破裂的驅(qū)動(dòng)力。粘合層可涂布至約0. 002-0. 015英寸厚度，盡管優(yōu)選的厚度通常為0.002-0. 012"，或者更優(yōu)選地為0.010-0. 012英寸。在功能上，與基底或覆在粘合層上面的陶瓷涂層厚度相比較，粘合層相對(duì)薄。在本文描述的所有實(shí)施方案中，涂布于基底10上的粘合層20或者也可為基本上純的鉬(Pt)、基本上純的銥(Ir)、銥-鉿合金(Ir-Hf)、銥-鉬合金(Ir-Pt)或鉬-銠合金(Pt-Rh)。當(dāng)然，如果要求，粘合層可包括這些材料中多于一種材料的層。因此，粘合層20 涂布為兩層或更多層。其可包括MCrAlY層和如以上闡述的貴金屬或貴金屬組合的層。當(dāng)粘合層包括這些貴金屬之一或貴金屬組合時(shí)，其不受燃燒產(chǎn)物比如腐蝕劑包括釩種類并且特別是V2O5侵蝕的影響。盡管包括貴金屬或貴金屬組合的粘合層20高度耐V2O5侵蝕，其對(duì)氧氣為可滲透的。因此，如果粘合層20包含多于一層，并且外層包括貴金屬或貴金屬組合， 氧氣仍然可通過外層擴(kuò)散以致于TGO可在MCrAlY內(nèi)層表面生長。多層粘合層的總厚度位于0. 002-0. 015英寸粘合層厚度的較厚公差范圍，優(yōu)選地為約0. 010-0. 012"。在第一個(gè)實(shí)施方案中，陶瓷涂層40被涂布于粘合層20上面。陶瓷涂層40包括用至少一種選自Yb3+、LU3+、Sc3+和Ce4+的以4-12重量％的量存在的陽離子穩(wěn)定的氧化鋯。陶瓷涂層以約0.005-0. 050"，開且優(yōu)選地以約0.007-0. 040"的厚度涂布。與已經(jīng)傳統(tǒng)地用于穩(wěn)定YSZ的Y3+相比，這些種類中的每一種陽離子具有較小的原子半徑，并因此更為酸性。 因此，Yb3+或該組中的任何其它陽離子應(yīng)對(duì)&02提供比Y3+更具抗性的穩(wěn)定劑，使得陶瓷涂層40應(yīng)提供更優(yōu)良的耐V2O5侵蝕性和提供比YSZ更長的壽命。在所闡述的種類中，Yb3+為 ZrO2的優(yōu)選穩(wěn)定劑。當(dāng)然，在V2O5存在下，例如Yb3+對(duì)&02為比Y3+更具抗性的穩(wěn)定劑，這可通過形成的自由能得到顯示。關(guān)于以下方程式1: (1)0. 5Y203+0. 5V20s = YVO4具有焓Δ H 為-1. 370eV。關(guān)于以下方程式2:(2) 0. 5Yb203+0. 5V205 = YbVO4具有焓ΔΗ為_1.278eV。因此，YbVO4在相同條件下比YVO4更加難以形成，表明自 Yb3+陽離子形成的氧化鐿為比自Y3+陽離子形成的氧化釔更加有效的穩(wěn)定劑。涂層系統(tǒng)的第二個(gè)實(shí)施方案在圖2中得到闡述。該第二個(gè)涂層系統(tǒng)與在圖1中闡述的涂層系統(tǒng)的不同在于，第二個(gè)涂層系統(tǒng)包括覆在陶瓷涂層40上面的另外陶瓷表面涂層50?；?0、粘合層20和陶瓷涂層40與在圖1中闡述的實(shí)施方案中所描述的這些特征基本相同。另外的陶瓷表面涂層50覆在陶瓷涂層40上面，但是與陶瓷涂層的不同在于，其進(jìn)一步包含用2-20重量％氧化釔穩(wěn)定的YSZ層。這樣的YSZ層包括孔隙和裂縫，通常以微細(xì)裂紋形式存在，如同通常在用熟知的熱噴涂工藝涂布的陶瓷涂層所見的那樣。然而該YSZ 涂層與熟知的YSZ層的不同在于，該層進(jìn)一步包括用約5-10重量％具有比Y3+更大原子半徑的稀土元素種類穩(wěn)定的氧化鋯。這些稀土元素種類包括選自La3+、Ce3+、Pr3+、Nd3+、Pm3+、 Sm3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+和Ho3+的陽離子，其隨后被氧化。這些稀土元素種類氧化物，而不是YSZ，優(yōu)先地受到以氧化釩形式存在的釩的侵蝕。最后該層將耗盡所述種類氧化物并且氧化釩將侵蝕YSZ，導(dǎo)致該層的破裂或喪失。那么該表面涂層為犧牲層。表面涂層被涂布至約0.001-0. 005'的厚度。覆在粘合層20上面的陶瓷涂層40和表面涂層50的總厚度為約 0.050"或者更少。犧牲性表面涂層50可用兩種方法中的一種方法涂布。如先前所指出的那樣，YSZ 通常包括裂縫和孔隙，其為用于涂布涂層的熱噴涂工藝的正常結(jié)果，盡管當(dāng)要求時(shí)，孔隙的量可通過使用另外的易消失(fugitive)材料小心地加以控制。所述犧牲層通過用至少一種選自 La3+、Ce3+、Pr3+、Nd3+、Pm3+、Sm3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+ 和 Ho3+ 的種類的陽離子的溶液滲入YSZ層的孔隙而產(chǎn)生。然后將所述種類氧化，形成與氧化鋯的氧化物，占據(jù)YSZ的孔隙和裂縫。所述種類氧化物而不是YSZ優(yōu)先地受到以氧化釩形式存在的釩的侵蝕。以該方式涂布的稀土元素種類滲入裂縫和孔隙至0. 0001-0. 0005"的深度。最后，所述種類氧化物將耗盡并且氧化釩將侵蝕YSZ，導(dǎo)致所述犧牲層的破裂或喪失。犧牲性表面涂層50也可通過選擇YSZ粉末和用至少一種選自La3+、Ce3+、Pr3+、Nd3+、 Pm3+、Sm3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+和Ho3+的種類的陽離子形成的氧化物穩(wěn)定的氧化鋯粉末涂布在陶瓷涂層40上面。YSZ粉末與鑭系(稀土元素)穩(wěn)定的種類粉末的比例在要求時(shí)可以變化；然而，鑭系穩(wěn)定的種類粉末比例大于約30%為優(yōu)選。將所述粉末充分混合以實(shí)現(xiàn)基本均勻并通過任何一種熟知的共沉積技術(shù)共沉積。如果要求的話，當(dāng)粉末沉積時(shí)，通過變化組分粉末(即YSZ和鑭系穩(wěn)定的種類)的量可在表面涂層50中實(shí)現(xiàn)梯度組成。用于本文時(shí)，混合基本均勻意指粉末被充分混合以散布它們，盡管可存在一些局部區(qū)域，其中組分粉末之一以比其它區(qū)域稍高或稍低的濃度存在。涂層系統(tǒng)的第三個(gè)實(shí)施方案在圖3中得到闡述。該第三個(gè)涂層系統(tǒng)與在圖2中闡述的涂層系統(tǒng)的不同在于，第三個(gè)涂層系統(tǒng)包括覆在第一陶瓷涂層40上面的第二陶瓷涂層60。第二陶瓷層60合乎需要地為燒綠石組合物或鈰穩(wěn)定的氧化鋯(CSZ)。燒綠石具有通式A2B2O7，其中A為具有化合價(jià)2+或3+的金屬例如釓、鋁、鈰、鑭或釔，并且B為具有化合價(jià)4+或5+的金屬例如鉿、鈦、鈰或鋯，其中A和B金屬化合價(jià)的總和為7。然而，隨后依賴陶瓷涂層40提供對(duì)所述系統(tǒng)的進(jìn)一步保護(hù)，并且第二陶瓷層60的犧牲性質(zhì)將服務(wù)于其用于延緩第一陶瓷層40完全暴露于釩種類的目的。由于多種機(jī)制可發(fā)生破裂，包括腐蝕性侵蝕陶瓷表面涂層40、50和60。在該情況中，可包括在粘合層20中的貴金屬或貴金屬組合的層保護(hù)基底10免于暴露于釩種類特別是V205。倘若V2O5蒸氣通過覆在粘合層20上面的層中可得到的開放孔隙通道滲入并擴(kuò)散， 粘合層20中的貴金屬或貴金屬組合也用于保護(hù)基底免于V2O5侵蝕。貴金屬或貴金屬組合的層起最后屏障作用以防止V2O5滲透。在于圖4中描繪的另一個(gè)實(shí)施方案中，覆在粘合層上面的第一陶瓷涂層70為覆在粘合層上面的YSZ標(biāo)準(zhǔn)層。第一陶瓷涂層70包含用2-20重量％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯。第一陶瓷涂層70被涂布于粘合層上面至約0.010-040"的厚度。如先前所指出的那樣，孔隙和裂縫是用標(biāo)準(zhǔn)熱噴涂工藝涂布的YSZ中固有的。然后對(duì)第一陶瓷涂層70用具有比Y3+更大原子半徑的稀土元素種類的陽離子溶液滲入，其中陽離子溶液形成所述種類的氧化物。 優(yōu)選地，稀土元素種類選自 La3+、Ce3+、Pr3+、Nd3+、Pm3+、Sm3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+ 和 Ho3+。稀土元素種類作為溶液滲入YSZ層中。浸滲劑在YSZ上形成厚度為約0.0001-0. 0005〃的層并將形成穩(wěn)定的氧化物，但也將滲入YSZ涂層70表面中的裂縫和孔隙中。甚至在裂縫緊密時(shí)，浸滲劑也可經(jīng)毛細(xì)管作用滲透。該滲透進(jìn)入YSZ涂層70的裂縫和孔隙中在圖7中得到最佳顯示，其為圖5的頂部兩層80、70的放大視圖。所述深度的浸滲劑形成包含YSZ和用鑭系(稀土元素)穩(wěn)定種類穩(wěn)定的氧化鋯的混合層80。在于圖5中描繪的又一個(gè)實(shí)施方案中，如先前所描述的那樣，耐高溫釩侵蝕的抗釩涂層系統(tǒng)包含超合金基底10和覆在超合金基底上面具有0. 002-0. 015英寸厚度的粘合層20。覆在粘合層20上面的第一陶瓷涂層70包含用2-20重量％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯。 然而，第一陶瓷涂層70作為相對(duì)薄的陶瓷涂層被涂布在粘合層20的上面。該涂層被涂布至約0.001-0. 005〃的厚度。第二陶瓷涂層40被涂布在第一陶瓷涂層70的上面。第二陶瓷涂層40包含用具有比Y3+更小原子半徑的稀土元素種類陽離子穩(wěn)定的氧化鋯。該稀土元素種類包括至少一種選自Yb3+、Lu3+、Sc3+和Ce4+的以約5-10重量％的量存在的陽離子。第二陶瓷涂層40可被涂布至約0. 007-0. 040"范圍內(nèi)的厚度。本發(fā)明的第六個(gè)實(shí)施方案描繪于圖6中。如先前所指出的那樣，孔隙和裂縫在熱噴涂的涂層中是固有的。在該實(shí)施方案中，第二陶瓷涂層40，其為所述系統(tǒng)中的最外部陶瓷涂層，用選自 La3+、Ce3+、Pr3+、Nd3+、Pm3+、Sm3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+ 和 Ho3+ 的稀土元素種類陽離子的溶液滲入，其中陽離子溶液形成所述種類的氧化鋯。稀土元素種類的陽離子作為溶液滲入到第二陶瓷涂層中至約0.0001-0. 0005"的厚度。所述深度的涂層滲透將形成用圖 6 中短劃線表示的混合層 50。因?yàn)橛眠x自 La3+、Ce3+、Pr3+、Nd3+、Pm3+、Sm3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、 Dy3+和Ho3+的稀土元素種類陽離子穩(wěn)定的氧化鋯更易受到燃燒產(chǎn)物中釩種類侵蝕的影響， 用這些鑭系元素穩(wěn)定的氧化鋯將優(yōu)先地受到侵蝕。作為燃料添加劑加入的MgO，如先前所指出的那樣，在外表面上或附近形成惰性釩酸鎂化合物而起釩種類反應(yīng)抑制劑作用，并在鑭系穩(wěn)定的氧化鋯犧牲時(shí)起幫助密封孔隙和裂縫的作用。盡管本發(fā)明已經(jīng)參照優(yōu)選的實(shí)施方案得到描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解可作出各種變化并且等價(jià)物可取代其要素而不背離本發(fā)明的范圍。另外，可作出許多修飾以使具體情況或材料適合于本發(fā)明的教導(dǎo)而不背離其基本范圍。因此，本發(fā)明不意欲限于作為實(shí)施本發(fā)明所預(yù)期的最佳方式公開的具體實(shí)施方案，而是本發(fā)明將包括落入附加權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實(shí)施方案。
權(quán)利要求
1.一種耐高溫釩侵蝕的抗釩涂層系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含超合金基底；覆在超合金基底上面具有0. 002-0. 015英寸厚度的粘合層；和覆在粘合層上面的陶瓷涂層，該陶瓷涂層進(jìn)一步包含用具有比Y3+更小原子半徑的稀土元素種類陽離子穩(wěn)定的氧化鋯，其中陽離子形成所述種類的氧化物。
2.權(quán)利要求1的抗釩涂層系統(tǒng)，其中具有比Y3+更小原子半徑的稀土元素種類包括至少一種選自Yb3+、Lu3+、Sc3+和Ce4+的以5-10重量％的量存在的陽離子，并且其中覆在陶瓷涂層上面的陶瓷層厚度為0.007-0. 040〃。
3.權(quán)利要求1的抗釩涂層系統(tǒng)，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括犧牲性表面涂層，該犧牲性表面涂層包含用以2-20重量％的量存在的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯和用以4-12重量％的量存在的至少一種具有比Y3+更大原子半徑的稀土元素種類陽離子穩(wěn)定的氧化鋯，其中陽離子形成所述種類的氧化物。
4.權(quán)利要求3的抗釩涂層系統(tǒng)，其中所述犧牲性表面涂層包括固有的孔隙和裂縫，并且其中該表面涂層為具有約7-40"厚度的用約2重量％ -約20重量％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯，并且其中至少一種具有比Y3+更大原子半徑的稀土元素種類陽離子選自La3+、Ce3+、Pr3+、 Nd3+、Pm3+、Sm3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+和Ho3+，以5-10重量％的量存在，并且作為溶液滲入到 YSZ層的孔隙和裂縫中。
5.權(quán)利要求4的抗釩涂層，其中溶液被滲入到Y(jié)SZ層中至約0.0001-0.0005"的厚度。
6.權(quán)利要求3的抗釩系統(tǒng)，其中所述犧牲性表面涂層為用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯和用至少一種具有比Y3+更大原子半徑的稀土元素種類陽離子穩(wěn)定的氧化鋯，其中該至少一種陽離子選自 La3+、Ce3+、Pr3+、Nd3+、Pm3+、Sm3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+ 和 Ho3+，并且其中 YSZ 粉末和用至少一種陽離子穩(wěn)定的氧化鋯粉末被基本均勻地混合并共沉積。
7.權(quán)利要求1的抗釩涂層系統(tǒng)，其中粘合層為覆在基底上面的MCrAlY，其中M為選自 Ni、Fe、Co及其組合的元素。
8.權(quán)利要求1的抗釩涂層系統(tǒng)，其中覆在基底上面的粘合層為選自Pt、Ir、Ir-Hf、 Ir-Pt和Pt-Rh的被涂布至約0. 002-0. 015英寸厚度的金屬。
9.權(quán)利要求1的抗釩涂層系統(tǒng)，其中粘合層包含多層，覆在基底上面的第一層包含 MCrAlY，其中M為選自Ni、Fe、Co及其組合的元素，并且覆在基底上面的第二層包含選自Pt、 Ir、Ir-Hf、Ir-Pt和Pt-Rh的被涂布至約0. 002-0. 015"厚度的金屬。
10.權(quán)利要求7的抗釩涂層系統(tǒng)，其中粘合層被涂布至0.010-0. 012"的厚度。
11.權(quán)利要求1的抗釩涂層系統(tǒng)，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包含覆在所述陶瓷涂層上面的陶瓷層，其中覆在粘合層上面的所述陶瓷涂層包含用以5-10重量％的量存在的至少一種選自 Yb3+、Lu3+、Sc3+和Ce4+的陽離子穩(wěn)定的氧化鋯，其中陽離子形成所述種類的氧化物，并且其中覆在所述陶瓷涂層上面的陶瓷層進(jìn)一步包含燒綠石，并且覆在所述陶瓷涂層上面的燒綠石層的厚度為0.007-0. 040〃。
12.—種耐高溫釩侵蝕的抗釩涂層系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含超合金基底；覆在超合金基底上面具有0. 002-0. 015英寸厚度的粘合層；和覆在粘合層上面的第一陶瓷涂層，所述第一陶瓷涂層包含用2-20重量％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯，其中所述第一陶瓷涂層被涂布在粘合層的上面至約0. 010-040"的厚度；并且其中YSZ層中固有的孔隙和裂縫用具有比Y3+更大原子半徑的稀土元素種類的陽離子溶液滲入，其中陽離子溶液形成所述種類氧化物以穩(wěn)定氧化鋯。
13.權(quán)利要求12的涂層，其中稀土元素種類選自La3+、Ce3+、Pr3+、Nd3+、Pm3+、Sm3+、Eu3+、 Gd3+、Tb3+、Dy3+ 和 Ho3+。
14.權(quán)利要求13的抗釩涂層，其中稀土元素種類的陽離子被滲入到Y(jié)SZ層中至約 0. 0001-0. 0005"的厚度。
15.一種耐高溫釩侵蝕的抗釩涂層系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含 超合金基底；覆在超合金基底上面具有0. 002-0. 015英寸厚度的粘合層；覆在粘合層上面的第一陶瓷涂層，所述第一陶瓷涂層包含用2-20重量％氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯，其中所述第一陶瓷涂層被涂布在粘合層的上面至約0. 001-0. 005"的厚度；和覆在所述第一陶瓷涂層上面的第二陶瓷涂層，所述第二陶瓷涂層進(jìn)一步包含用具有比 Y3+更小原子半徑的稀土元素種類的陽離子穩(wěn)定的氧化鋯，并且其中陽離子形成所述種類的氧化物。
16.權(quán)利要求15的抗釩涂層系統(tǒng)，其中具有比Y3+更小原子半徑的稀土元素種類包括至少一種選自Yb3+、Lu3+、Sc3+和Ce4+的以約5-10重量％的量存在的陽離子。
17.權(quán)利要求16的抗釩涂層系統(tǒng)，其中所述第二陶瓷涂層的厚度為約0.007-0.040"。
18.權(quán)利要求16的抗釩涂層，其中在所述第二陶瓷涂層中固有的孔隙和裂縫用選自 La3+、Ce3+、Pr3+、Nd3+、Pm3+、Sm3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+ 和 Ho3+ 的稀土元素種類陽離子溶液滲入， 其中陽離子溶液形成所述種類的氧化鋯。
19.權(quán)利要求18的抗釩涂層，其中稀土元素種類的陽離子滲入到所述第二陶瓷涂層中至約0. 0001-0. 0005〃的厚度。
全文摘要
一種耐高溫釩侵蝕的抗釩涂層系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包含高溫超合金基底。粘合層覆在超合金基底上面。粘合層可以多層涂布。陶瓷涂層覆在粘合層上面。陶瓷涂層進(jìn)一步包含用至少一種選自Yb3+、Lu3+、Sc3+和Ce4+的以約5-10重量％的量存在的陽離子穩(wěn)定的氧化鋯。一個(gè)表面涂層可覆在陶瓷涂層上面。表面涂層可為用具有比Y3+更大原子半徑的陽離子滲入的YSZ的犧牲層?；蛘撸砻嫱繉涌砂肅e4+穩(wěn)定的氧化鋯。
文檔編號(hào)C23C4/10GK102477524SQ20111039331
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月22日
發(fā)明者K·阿南德, P·巴塔查亞, S·S·帕布拉, S·桑亞爾, V·K·帕里克 申請(qǐng)人:通用電氣公司