CN1670337A - 具有绝热涂层的涡轮部件 - Google Patents
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Abstract
一种涡轮部件，其具有由选自单片陶瓷材料和复合陶瓷材料的陶瓷材料形成的基质、和结合到该基质上的绝热涂层。在一个实施方案中，形成基质的陶瓷材料选自氮化硅和自补强氮化硅。在另外一个实施方案中，形成基质的陶瓷材料选自碳化硅－碳化硅材料和碳－碳材料。在基质和绝热涂层之间可以设置至少一个结合层。
Description
相关申请的交叉引用
本申请是Litton等人于2002年8月21日提交的美国专利申请号为No.10/226,108、题目为“具有低热导率的绝热涂层”的系列申请的部分继续，也是Litton等人于2003年8月12日提交的美国专利申请号为No.10/641,585、题目为“具有低热导率的绝热涂层”的系列申请的部分继续。
技术领域
本发明涉及具有由陶瓷材料如单片陶瓷或复合陶瓷材料形成的基质，以及由陶瓷材料制造的绝热涂层的涡轮部件。
背景技术
燃气轮机发动机是发展得非常好的机械装置，其以燃料形式将化学势能转化成热能，然后转化成机械能，用于推动航空器，产生电力，泵送流体等。目前，提高燃气轮机发动机效率的主要可行途径看来就是使用更高的工作温度。但是，当前用于燃气轮机发动机的金属材料非常接近于它们热稳定性的上限。在现代燃气轮机发动机的最热一部分中，金属材料都是在高于它们熔点的气体温度下使用。由于经过空气冷却，它们才得以存在。但是，提供空气冷却会降低发动机效率。
因此，普遍发展用于冷却的燃气轮机飞行器元件的绝热涂层。通过使用绝热涂层，能大大减少所需的冷却空气的量，从而提高效率。
这种涂层一直是以陶瓷材料为基础的。曾经建议使用富铝红柱石石和矾土，但目前氧化锆是首选材料。氧化锆必须经过稳定剂改性以阻止单斜晶相的形成。典型的稳定剂包括氧化钇、氧化钙、二氧化铈和氧化镁。
氧化锆基陶瓷耐水侵蚀。这对于陆基燃气轮机应用很关键，因为涂层暴露在高温下的时间比它们在航空发动机应用中暴露在高温的时间长得多。因此，绝热涂层的腐蚀成为问题—实际已知这是氧化硅基绝热涂层和氧化铝基绝热涂层的一个问题。经常将蒸汽注射到陆基燃气轮机的燃烧室中以减少氮氧化物的形成，这加剧了水侵蚀。
尽管绝热涂层已经取得了成功，但还希望获得具有优越的隔热性能的改进涂层，特别是当涂层密度符合标准时绝热性能也提高的涂层。重量一直是设计燃气轮机发动机特别是旋转部件的一个关键因素。陶瓷绝热涂层不负载支撑材料，因此它们不增加强度，只增加重量。因此更希望获得一种能够提供最大绝热性能而重量增加最小的陶瓷绝热涂层。另外，较长的寿命、稳定性和经济性也是所要求的。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供具有陶瓷材料基质和具有低热导率绝热涂层的涡轮部件。
前述目的是通过本发明的涡轮部件实现的。
根据本发明，涡轮部件主要具有陶瓷材料基质和绝热涂层。陶瓷材料基质可以是单片陶瓷材料或复合陶瓷材料。在本发明的第一个实施方案中，绝热涂层主要包括至少15mol％的至少一种镧系倍半氧化物，并且余量包括选自氧化锆、二氧化铈和二氧化铪(hafnia)的第一氧化物。第一氧化物优选含量大于50mol％。该至少一种镧系倍半氧化物的通式为A2O3，其中A选自La、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb和它们的混合物。
在本发明的第二个实施方案中，绝热涂层主要包括含量大于30mol％的Sc2O3、通式为A2O3的镧系倍半氧化物，其中A选自Nd、Eu、Dy、Gd、Er、Pr和它们的混合物，和余量氧化锆。
在本发明的第三个实施方案中，绝热涂层主要包括含量大于20mol％的In2O3、通式为A2O3的镧系倍半氧化物，其中A选自Er、Nd、Eu、Dy、Gd、Pr和它们的混合物，和余量氧化锆。
在本发明的第四个实施方案中，绝热涂层主要包括含量为5到60mol％的La2O3和Sm2O3中的至少一种、含量为5到60mol％的至少一种通式为A2O3的氧化物，其中A选自Sc、In、Y、Pr、Nd、Eu、Gd、Dy、Er、Yb和它们的混合物，和余量氧化锆。
在本发明的第五个实施方案中，绝热涂层主要包括含量为0.5到22.5mol％的至少一种通式为A2O3的第一氧化物，其中A选自La、Sm、Tb、Tm、和Lu，和选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的第二氧化物。
在本发明的第六个实施方案中，绝热涂层主要包括含量为0.5到1.0mol％的至少一种选自CeO2、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Gd2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3、In2O3、Sc2O3、Y2O3和它们的混合物的第一氧化物，和选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的第二氧化物。
在本发明的第七个实施方案中，绝热涂层主要包括含量为20.5到22.5mol％的CeO2，和选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的氧化物。
在本发明的第八个实施方案中，绝热涂层主要包括含量为0.5到22.0mol％的CeO2、和0.5到22.0mol％的至少一种选自La2O3、Sm2O3、Tb2O3、Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、MgO、CaO、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Gd2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3和它们的混合物的第一氧化物，和选自氧化锆和二氧化铪的第二氧化物。CeO2和该至少一种第一氧化物的含量不大于22.5mol％。
在第九个实施方案中，绝热涂层主要包括含量为0.5到22.5mol％的CeO2、0.5到59.5mol％的至少一种选自In2O3、Sc2O3和它们的混合物的氧化物，和至少40mol％的选自氧化锆和二氧化铪的氧化物。
在第十个实施方案中，绝热涂层主要包括含量为9.0到22.5mol％的至少一种选自Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Er2O3和它们的混合物的第一氧化物，和选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的第二氧化物。
在第十一个实施方案中，绝热涂层主要包括含量为15.0到22.5mol％的一种选自Dy2O3和Yb2O3的第一氧化物，和至少77.5mol％的选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的第二氧化物。
在第十二个实施方案中，绝热涂层主要包括含量为0.5到59.5mol％的Dy2O3和含量为0.5到59.5mol％的至少一种选自In2O3、Sc2O3、MgO、CaO和它们的混合物的氧化物，和至少40mol％的选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的氧化物。
在第十三个实施方案中，绝热涂层主要包括含量为0.5到22.5mol％的Yb2O3和0.5到59.5mol％的至少一种选自In2O3、Sc2O3、MgO、CaO和它们的混合物的氧化物，和至少40mol％的选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的氧化物。
在第十四个实施方案中，绝热涂层主要包括含量为20.5到60mol％的至少一种选自In2O3、Sc2O3、MgO、CaO和它们的混合物的氧化物，和至少40mol％的选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的氧化物。
在第十五个实施方案中，绝热涂层主要包括含量为15到59.5mol％的Y2O3，0.5到45.0mol％的至少一种选自La2O3、Sm2O3、Tb2O3、Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、MgO、CaO、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3、In2O3、Sc2O3和它们的混合物的氧化物，和至少40mol％的选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的氧化物。
在第十六个实施方案中，绝热涂层主要包括含量为9.0到23.0mol％的Gd2O3，0.5到51.0mol％的至少一种选自La2O3、Sm2O3、Tb2O3、Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、MgO、CaO、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3、In2O3、Sc2O3和它们的混合物的第一氧化物，和至少40mol％的选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的氧化物。
下面将详细说明具有本发明绝热涂层的涡轮部件的其他细节、以及其他目的和相应的优点。
具体实施方式
本发明的实质源于人们发现某些陶瓷材料非常适于用作陶瓷材料基质尤其是用于形成汽轮机发动机部件如翼片等陶瓷材料基质上的绝热涂层。这些陶瓷涂层材料，由于具有比传统的绝热涂层如7重量％氧化钇稳定的氧化锆低的热导率，因此可以有这样的用途。
根据本发明，具有这样的较低热导率的绝热涂层的第一个实施方案包括至少15mol％的至少一种镧系倍半氧化物，并且余量包括选自氧化锆、二氧化铈和二氧化铪的第一氧化物。第一氧化物的优选含量大于50mol％。每一种镧系倍半氧化物具有A2O3的通式，其中A选自La、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb和它们的混合物。在优选的实施方案中，该至少一种镧系倍半氧化物的总含量为15到45mol％。在最优选的实施方案中，该至少一种镧系倍半氧化物的总含量至少为25mol％。本发明的绝热涂层中，当第一氧化物是氧化锆时，每个锆离子有平均超过一个的邻近的氧化物空位，并且优选至少两个邻近氧化物空位。如果第一氧化物是二氧化铪或二氧化铈，每个铪离子和每个铈离子也将有平均超过一个的邻近氧化物空位，优选至少两个邻近氧化物空位。这些氧空位的存在使涂层的热导率最小。因此，这些空位是本发明涂层的非常理想的特征。
本发明的第二种绝热涂层包括含量为5到60mol％的镧系倍半氧化物，并且余量包括选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的第一氧化物。该镧系倍半氧化物通式为A2O3，其中A选自In、Sc、Y、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu和它们的混合物。在这种涂层的优选实施方案中，镧系倍半氧化物的含量为10到40mol％。
绝热涂层的第三个实施方案包括镧系倍半氧化物，并且余量包括选自氧化锆、二氧化铪、二氧化铈和它们的混合物的第一氧化物。镧系倍半氧化物的量要足够多以使每个锆离子、铪离子和铈离子都获得平均多于一个的邻近氧空位。
本发明的具有较低热导率的绝热涂层的第四个实施方案包括含量为15到60mol％的通式为A2O3的镧系倍半氧化物，其中A选自Er、Nd、Yb、Eu、Dy、Pr、Sm、La和它们的混合物、和余量氧化锆。该绝热涂层优选包含少于10体积％的烧绿石晶体结构相。氧化锆的含量优选大于40mol％。绝热涂层还可以包含下列组分的一种或多种：0.001到2.5mol％的氧化钇、0.001到10mol％的CaO和MgO中的至少一种、0.001到1.0mol％的Yb2O3、0.001到4.0mol％的Sc2O3和/或0.001到4.0mol％的In2O3。
本发明的具有较低热导率的绝热涂层的第五个实施方案包括含量至少为15mol％的氧化钇、和通式为A2O3的镧系倍半氧化物，其中A选自Er、Nd、Yb、Eu、Dy、Gd、Pr和它们的混合物、和余量氧化锆。在优选的实施方案中，氧化锆的含量大于40mol％，并且涂层包含少于10体积％的烧绿石晶体结构相。在这种涂层体系中的氧化钇的含量可以是15到22mol％，并且镧系倍半氧化物的含量可以是1.0到35mol％。在这种绝热涂层体系的特别有用的实施方案中，氧化钇的含量大于22mol％，并且镧系倍半氧化物的含量为1.0到38mol％。
在本发明的第六个实施方案中，具有较低热导率的绝热涂层包括含量为9到15mol％的Yb2O3、和1.0到48mol％的通式为A2O3的镧系倍半氧化物，其中A选自Er、Nd、Eu、Dy、Gd、Pr和它们的混合物、和余量氧化锆。氧化锆的含量大于40mol％，并且涂层具有少于10体积％的烧绿石晶体结构相。
本发明的绝热涂层的第七个实施方案包括含量大于15mol％的Yb2O3、通式为A2O3的镧系倍半氧化物，其中A选自Er、Nd、Eu、Dy、Gd、Pr和它们的混合物、和余量氧化锆。氧化锆的含量优选大于40mol％。另外，该涂层优选包含少于10体积％的烧绿石晶体结构相。镧系倍半氧化物的含量可以是0.001到45mol％。
本发明的第八个实施方案中，提供的绝热涂层包括含量为20到30mol％的Sc2O3、和通式为A2O3的镧系倍半氧化物，其中A选自Er、Nd、Eu、Dy、Gd、Pr和它们的混合物、和余量氧化锆。同前述实施方案一样，氧化锆的含量优选大于40mol％。另外，绝热涂层包含少于10体积％的烧绿石晶体结构相。在优选的实施方案中，镧系倍半氧化物的含量是0.001到30mol％。
本发明的第九个实施方案中，提供的绝热涂层包括含量大于30mol％的Sc2O3、通式为A2O3的镧系倍半氧化物，其中A选自Nd、Eu、Dy、Gd、Er、Pr和它们的混合物、和余量氧化锆。氧化锆的含量优选大于40mol％。绝热涂层可以包含少于10体积％的烧绿石晶体结构相。在优选的实施方案中，镧系倍半氧化物的含量是0.001到30mol％。
本发明的第十个实施方案中，绝热涂层包括含量为11到20mol％的In2O3，和通式为A2O3的镧系倍半氧化物，其中A选自Er、Nd、Eu、Dy、Gd、Pr和它们的混合物、和余量氧化锆。在优选的实施方案中，镧系倍半氧化物的含量是0.001到36mol％。氧化锆的含量优选大于40mol％。该涂层也优选包含少于10体积％的烧绿石晶体结构相。
本发明的第十一个实施方案中，提供的绝热涂层包括含量大于20mol％的In2O3、和通式为A2O3的镧系倍半氧化物，其中A选自Er、Nd、Eu、Dy、Gd、Pr和它们的混合物、和余量氧化锆。在这种涂层体系中，氧化锆的含量优选大于40mol％，镧系倍半氧化物的含量优选为0.001到40mol％，并且该涂层包含少于10体积％的烧绿石晶体结构相。
本发明的第十二个实施方案中，绝热涂层包括含量为5到60mol％的La2O3和Sm2O3中的至少一种，含量为5到60mol％的至少一种通式为A2O3的氧化物，其中A选自Sc、In、Y、Pr、Nd、Eu、Sm、Gd、Dy、Er、Yb和它们的混合物、和余量氧化锆。在这种涂层体系中，氧化锆的含量优选大于40mol％，并且涂层包含少于10体积％的烧绿石结构相。
下面是本发明的绝热涂层的其他实施方案。
一种绝热涂层，其包括含量为0.5到22.5mol％的至少一种通式为A2O3的第一氧化物，其中A选自La、Sm、Tb、Tm和Lu，和选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的第二氧化物。在优选的实施方案中，第二氧化物的含量至少为77.5mol％。该涂层还可以包括含量为0.5到59.5mol％的至少一种选自In2O3、Sc2O3、Y2O3、MgO、CaO和它们的混合物的第三氧化物，并且当有第三氧化物存在的时候，第二氧化物的含量大于40mol％。另外，又一种情况是，该涂层可以包括含量为0.5到22.5mol％的至少一种选自CeO2、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Gd2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3和它们的混合物的第三氧化物，并且该至少一种第一氧化物和该至少一种第三氧化物的总含量不大于22.5mol％。
一种绝热涂层，其包括含量为0.5到1.0mol％的至少一种选自CeO2、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Gd2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3、In2O3、Sc2O3、Y2O3和它们的混合物的第一氧化物、和选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的第二氧化物。该绝热涂层还可以包括含量为0.5到22.5mol％的至少一种选自La2O3、Sm2O3、Tb2O3、Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、MgO、CaO和它们的混合物的第三氧化物，其中该至少一种第一氧化物和该至少一种第三氧化物的总含量不大于22.5mol％，并且第二氧化物的含量至少为77.5mol％。
一种绝热涂层，其包括含量为20.5到22.5mol％的CeO2、和选自氧化锆和二氧化铪的氧化物。在优选的实施方案中，氧化物的含量至少为77.5mol％。
一种绝热涂层，其包括含量为0.5到22.0mol％的CeO2、和含量为0.5到22.0mol％的至少一种选自La2O3、Sm2O3、Tb2O3、Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、MgO、CaO、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Gd2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3和它们的混合物的第一氧化物、和选自氧化锆和二氧化铪的第二氧化物，并且CeO2和至少一种第一氧化物的含量不大于22.5mol％。在优选的实施方案中，第二氧化物的含量至少为77.5mol％。
一种绝热涂层，其包括含量为0.5到22.5mol％的CeO2，含量为0.5到59.5mol％的至少一种选自In2O3、Sc2O3和它们的混合物的氧化物、和含量至少为40mol％的选自氧化锆和二氧化铪的氧化物。
一种绝热涂层，其包括含量为9.0到22.5mol％的至少一种选自Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Er2O3和它们的混合物的第一氧化物、和选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的第二氧化物。在优选的实施方案中，第二氧化物的含量大于77.5mol％。当第二氧化物的含量至少为40mol％时，绝热涂层还可以进一步包括含量为0.5到51.0mol％的至少一种选自Yb2O3、In2O3、Sc2O3、Y2O3、Gd2O3、MgO、CaO和它们的混合物的第三氧化物。
一种绝热涂层，其包括含量为15.0到22.5mol％的选自Dy2O3和Yb2O3的第一氧化物和含量至少为77.5mol％的选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的第二氧化物。
一种绝热涂层，其包括含量为0.5到59.5mol％的Dy2O3、和含量为0.5到59.5mol％的至少一种选自In2O3、Sc2O3、MgO、CaO和它们的混合物的氧化物、和含量至少为40mol％的选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的氧化物。
一种绝热涂层，其包括含量为0.5到22.5mol％的Yb2O3，含量为0.5到59.5mol％的至少一种选自In2O3、Sc2O3、MgO、CaO和它们的混合物的氧化物、和含量至少为40mol％的选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的氧化物。
一种绝热涂层，其包括含量为20.5到60mol％的至少一种选自In2O3、Sc2O3和Y2O3的氧化物、和含量至少为40mol％的选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的氧化物。
一种绝热涂层，其包括含量为15到59.5mol％的Y2O3、含量为0.5到45.0mol％的至少一种选自La2O3、Sm2O3、Th2O3、Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、MgO、CaO、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3、In2O3、Sc2O3和它们的混合物的第一氧化物，和含量至少为40mol％的选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的氧化物。
一种绝热涂层，其包括含量为9.0到23.0mol％的Gd2O3、含量为0.5到51.0mol％的至少一种选自La2O3、Sm2O3、Tb2O3、Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、MgO、CaO、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3、In2O3、Sc2O3和它们的混合物的第一氧化物、和含量至少为40mol％的选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的氧化物。
以上所述的各种绝热除层的特征是都具有柱状结构。
根据本发明，可以提供特别用作燃气轮机发动机中的部件的制品。这种制品可具有金属基质和一种如前所述的施加于基质上的绝热涂层。该绝热涂层可以直接施加于基质表面，或者可以施加于沉积在一个或多个金属基质表面上的结合层上。本领域已知的任何合适的技术都可以用于沉积本发明实施方案之一中的绝热涂层。合适的技术包括电子束物理气相沉积、化学气相沉积、LPPS技术和扩散法。金属基质可包括镍基高温合金、钴基高温合金、铁合金例如钢、钛合金和铜合金的其中之一。
除金属基质外，涡轮部件或制品可以具有由陶瓷材料如单片陶瓷材料或复合陶瓷材料形成的基质。如本文中所使用的术语“单片陶瓷”是指包括，但不局限于：单相或多相陶瓷，但不包括作为复合物加工的陶瓷(也就是，渗透纤维织物等)。单片陶瓷基质的实例包括，但不局限于：氮化硅以及自补强(self-reinforced)氮化硅。复合陶瓷基质包括，但不局限于：SiC-SiC复合材料(蒸汽或熔融渗透2D或3D纤维织物)和C-C复合材料(又称，蒸汽或熔融渗透2D或3D纤维织物)。
当使用结合层时，该结合层可包括本领域已知的任何合适的结合层。例如，可由含铝材料、铝化物、铝化铂、陶瓷材料如7wt％氧化钇稳定的氧化锆、或MCrAlY材料形成结合层。或者，该结合层可以是多层陶瓷，该多层陶瓷用来提供与热膨胀匹配的系数并具有抗氧化性(通过阻止氧化扩散)和耐腐蚀性(通过阻止腐蚀性氧化液体的侵蚀)。合适的结合层可以由下列物质形成，Ta2O5、通式为X2Si2O7的所有稀土二硅酸盐，其中X＝La、Nd、Pr、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu和它们的混合物、Y2Si2O7、富铝红柱石、BSAS(硅铝酸锶钡或钡长石)、钇铝石榴石、镱铝石榴石和其它稀土铝酸盐石榴石，其中稀土选自Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu和它们的混合物。多重结合层可以是由相同或不同材料形成的多重截然不同的层。此外，多重结合层可以是以上混合物功能递变的层。除了用作匹配层和结合层外，这些层也起隔离环境和隔离氧的作用。可以用功能递变(functional grading)替代不相似材料截然不同的两层之间的界面，在功能递变区域中，两种材料如此混合以至总浓度从第一种材料的100％逐渐变化到第二种材料的100％。这样，可以用浓度的逐渐斜度变化代替浓度阶梯式变化。这种方法能有效减少例如具有大的热膨胀不匹配的材料层之间的残余应力。
可以通过本领域已知的任何合适的方法在基质、金属或陶瓷上形成结合层，这些方法包括但不局限于：低压等离子体喷涂、电子束物理气相沉积、扩散法和化学气相沉积法。如果需要，结合层可以在外表面上有氧化物皮，这些氧化物皮基本上由氧化铝构成。本发明的绝热涂层可通过本领域已知的任何合适的技术结合到氧化物皮上。
如果需要，可将陶瓷层结合到绝热涂层上。附加的陶瓷材料可从能够减少氧扩散、抗腐蚀和耐磨、和/或提供0.7光发射率的材料中选择。可采用的高发射率陶瓷材料的实例是氧化铝和富铝红柱石。高发射率减少了由于较热的涂层外表面与位于涂层和TGO之间的较冷的界面之间的温度差异而导致的通过内部辐射(绝热涂层自身的辐射)产生的贯穿绝热涂层的热转移，从而降低了TGO、结合层乃至合金的温度。因此，高发射率提高了TBC的隔热性能。附加的陶瓷层可以在绝热涂层的外表面形成。
在一些实施方案中，制品的外表面可有氧化物皮，本发明的绝热涂层之一可以通过本领域已知的任何合适的沉积技术包括但不限于扩散法、电子束物理气相沉积，和/或化学气相沉积技术直接施于并结合到氧化物皮上。该氧化物皮可基本上由氧化铝构成。
虽然本发明的绝热涂层是为了应用于燃气轮机发动机而发展起来的，但其他需要高温的应用如加热炉和内燃机中也可使用本发明的涂层。以下实施例用以说明本发明的涂层的优点。
实施例1
通过冷压并烧结混合粉末到理论密度的95％来制备包含27.3mol％Y2O3和余量ZrO2的样品。将石墨涂覆到厚度为0.025″的样片上。使用激光闪光设备进行比热和热扩散率测量。通过仔细测量样品尺寸和重量来确定样品的堆积密度。通过1200°F下测量的、以理论密度线性校正的数据计算出热导率值为1.95W/mK。
实施例2
通过冷压并烧结混合粉末到理论密度的90.8％来类似地制备包含16.7mol％Y2O3、16.7mol％Gd2O3和余量ZrO2的样品。也将石墨涂覆到厚度为0.025″的样品上，并使用激光闪光设备进行测量。通过仔细测量样品尺寸和重量来确定样品堆积密度。通过1600°F下测量的、以理论密度线性校正的数据计算出热导率平均值1.37W/mK。
实施例3
通过电子束物理气相沉积将平均组成为19mol％Sm2O3、余量为ZrO2的涂层沉积到氧化铝片上。在激光闪光设备中进行热扩散率的高温测量。由以前的组成为33mol％Sm2O3、余量ZrO2的单片样品的测量中评估高温比热值。从涂覆过程中片的重量和厚度的变化和它们的直径来计算样品的堆积密度。通过1400°F下测量的、未经密度校正的数据计算出热导率平均值为1.26W/mK。
显而易见，本发明提供了具有低热导率的热绝缘层，完全符合上述目的、方法和优点。虽然本发明对其特定的实施方案进行了说明，但其它可供选择的方案、改进和变化的方案对那些已阅读过上述说明书的本领域普通技术人员而言是显而易见的。因此，本发明旨在包括落入所附权利要求书的范围中的那些可供选择的方案、改进的和变化的方案。
Claims (46)
1、一种涡轮部件，其具有由选自单片陶瓷材料和复合陶瓷材料形成的基质以及结合到所述基质上的绝热涂层。
2、根据权利要求1的涡轮部件，其中所述陶瓷材料选自氮化硅和自补强氮化硅。
3、根据权利要求1的涡轮部件，其中所述陶瓷材料选自碳化硅-碳化硅材料和碳-碳材料。
4、根据权利要求1的涡轮部件，其中所述绝热涂层包括含量至少为15mol％的至少一种镧系倍半氧化物，并且余量包括选自氧化锆、二氧化铈和二氧化铪的第一氧化物。
5、根据权利要求4的涡轮部件，其中所述第一氧化物的含量大于50mol％。
6、根据权利要求4的涡轮部件，其中该至少一种镧系倍半氧化物的通式为A2O3，其中A选自La、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb和它们的混合物。
7、根据权利要求4的涡轮部件，其中所述至少一种镧系倍半氧化物的总含量为15到45mol％。
8、根据权利要求4的涡轮部件，其中所述至少一种镧系倍半氧化物的总含量至少为25mol％。
9、根据权利要求1的涡轮部件，其中该绝热涂层包括含量大于30mol％的Sc2O3、通式为A2O3的镧系倍半氧化物，其中A选自Nd、Eu、Dy、Gd、Er、Pr和它们的混合物，和余量氧化锆。
10、根据权利要求9的涡轮部件，其中所述氧化锆的含量大于40mol％，并且其中所述绝热涂层包含少于10体积％的烧绿石晶体结构相。
11、根据权利要求9的涡轮部件，其中所述镧系倍半氧化物的含量为0.001到30mol％。
12、根据权利要求1的涡轮部件，其中该绝热涂层包括含量大于20mol％的In2O3、通式为A2O3的镧系倍半氧化物，其中A选自Er、Nd、Eu、Dy、Gd、Pr和它们的混合物，和余量氧化锆。
13、根据权利要求12的涡轮部件，其中所述氧化锆的含量大于40mol％，并且其中所述绝热涂层包含少于10体积％的烧绿石晶体结构相。
14、根据权利要求12的涡轮部件，其中所述镧系倍半氧化物的含量为0.001到40mol％。
15、根据权利要求1的涡轮部件，其中该绝热涂层主要包括含量为5到60mol％的La2O3和Sm2O3中的至少一种、5到60mol％的至少一种通式为A2O3的氧化物，其中A选自Sc、In、Y、Pr、Nd、Eu、Gd、Dy、Er、Yb和它们的混合物，和余量氧化锆。
16、根据权利要求15的涡轮部件，其中所述氧化锆的含量大于40mol％，并且其中所述绝热涂层包含少于10体积％的烧绿石晶体结构相。
17、根据权利要求15的涡轮部件，其中该绝热涂层包括含量为0.5到22.5mol％的至少一种通式为A2O3的第一氧化物，其中A选自La、Sm、Tb、Tm和Lu、和选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的第二氧化物。
18、根据权利要求17的涡轮部件，其中所述第二氧化物的含量至少为77.5mol％。
19、根据权利要求17的涡轮部件，其中所述涂层进一步包括0.5到59.5mol％的至少一种选自In2O3、Sc2O3、Y2O3、MgO、CaO和它们的混合物的氧化物、并且所述第二氧化物的含量大于40mol％。
20、根据权利要求17的涡轮部件，其中所述涂层进一步包括含量为0.5到22.5mol％的至少一种选自CeO2、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Gd2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3和它们的混合物的第三氧化物，并且所述至少一种第一氧化物和至少一种第三氧化物的总含量小于22.5mol％。
21、根据权利要求1的涡轮部件，其中所述绝热涂层含0.5到1.0mol％的选自CeO2、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Gd2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3、In2O3、Sc2O3、Y2O3和它们的混合物的至少一种第一氧化物、和选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的第二氧化物。
22、根据权利要求21的涡轮部件，进一步包括含量为0.5到22.5mol％的至少一种选自La2O3、Sm2O3、Tb2O3、Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、MgO、CaO和它们的混合物的第三氧化物，并且所述至少一种第一氧化物和至少一种第三氧化物的总含量小于22.5mol％，并且所述第二氧化物的含量至少为77.5mol％。
23、根据权利要求1的涡轮部件，其中该绝热涂层包括含量为20.5到22.5mol％的CeO2，和选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的氧化物。
24、根据权利要求23的涡轮部件，其中所述氧化物的含量至少为77.5mol％。
25、根据权利要求1的涡轮部件，其中所述绝热涂层包括含量为0.5到22.0mol％的CeO2、和0.5到22.0mol％的至少一种选自La2O3、Sm2O3、Tb2O3、Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、MgO、CaO、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Gd2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3和它们的混合物的第一氧化物、和选自氧化锆和二氧化铪的第二氧化物，并且所述CeO2和该至少一种第一氧化物的含量不大于22.5mol％。
26、根据权利要求25的涡轮部件，其中所述第二氧化物的含量至少为77.5mol％。
27、根据权利要求1的涡轮部件，其中所述绝热涂层主要包括含量为0.5到22.5mol％的CeO2、0.5到59.5mol％的至少一种选自In2O3、Sc2O3和它们的混合物的氧化物、和至少40mol％的选自氧化锆和二氧化铪的氧化物。
28、根据权利要求1的涡轮部件，其中所述绝热涂层包括含量为9.0到22.5mol％的至少一种选自Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Er2O3和它们的混合物的第一氧化物、和选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的第二氧化物。
29、根据权利要求28的涡轮部件，其中所述第二氧化物的含量大于77.5mol％。
30、根据权利要求28的涡轮部件，其中所述绝热涂层进一步包括含量为0.5到51mol％的至少一种选自Yb2O3、In2O3、Sc2O3、Y2O3、Gd2O3、MgO、CaO和它们的混合物的第三氧化物，并且所述第二氧化物的含量至少为40mol％。
31、根据权利要求1的涡轮部件，其中所述绝热涂层包括含量为15.0到22.5mol％的一种选自Dy2O3和Yb2O3的第一氧化物，和至少77.5mol％的选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的第二氧化物。
32、根据权利要求1的涡轮部件，其中所述绝热涂层包括含量为0.5到59.5mol％的Dy2O3、和含量为0.5到59.5mol％的至少一种选自In2O3、Sc2O3、MgO、CaO和它们的混合物的氧化物、和至少40mol％的选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的氧化物。
33、根据权利要求1的涡轮部件，其中所述绝热涂层包括含量为0.5到22.5mol％的Yb2O3、和0.5到59.5mol％的至少一种选自In2O3、Sc2O3、MgO、CaO和它们的混合物的氧化物、和至少40mol％的选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的氧化物。
34、根据权利要求1的涡轮部件，其中所述绝热涂层包括含量为20.5到60mol％的至少一种选自In2O3、Sc2O3、MgO、CaO和它们的混合物的氧化物、和至少40mol％的选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的氧化物。
35、根据权利要求1的涡轮部件，其中所述绝热涂层包括含量为15到59.5mol％的Y2O3、0.5到45.0mol％的至少一种选自La2O3、Sm2O3、Tb2O3、Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、MgO、CaO、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3、In2O3、Sc2O3和它们的混合物的氧化物、和至少40mol％的选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的氧化物。
36、根据权利要求1的涡轮部件，其中所述绝热涂层包括含量为9.0到23.0mol％的Gd2O3、0.5到51.0mol％的至少一种选自La2O3、Sm2O3、Tb2O3、Tm2O3、Ho2O3、Lu2O3、MgO、CaO、Pr2O3、Nd2O3、Eu2O3、Dy2O3、Er2O3、Yb2O3、In2O3、Sc2O3和它们的混合物的第一氧化物、和至少40mol％的选自氧化锆、二氧化铪和二氧化铈的氧化物。
37、根据权利要求1的涡轮部件，进一步包括在所述基质和所述绝热涂层之间的至少一个结合层，并且该至少一个结合层具有热膨胀匹配的系数、抗氧化性和耐腐蚀性。
38、根据权利要求37的涡轮部件，其中所述至少一个结合层由Ta2O5形成。
39、根据权利要求37的涡轮部件，其中所述至少一个结合层由通式为X2Si2O7的稀土二硅酸盐形成，其中X选自La、Nd、Pr、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu。
40、根据权利要求37的涡轮部件，其中所述至少一个结合层含有Y2Si2O7。
41、根据权利要求37的涡轮部件，其中所述至少一个结合层含有富铝红柱石。
42、根据权利要求37的涡轮部件，其中所述至少一个结合层含有硅铝酸锶钡。
43、根据权利要求37的涡轮部件，其中所述至少一个结合层含有钇铝石榴石。
44、根据权利要求37的涡轮部件，其中所述至少一个结合层含有镱铝石榴石。
45、根据权利要求37的涡轮部件，其中所述至少一个结合层含有稀土铝酸盐石榴石，其中该稀土选自Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu和它们的混合物。
46、根据权利要求37的涡轮部件，其中所述结合层由多个功能递变的层形成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |