低热导率高韧性TBC组合物

技术领域

本发明总体上涉及适合于在暴露于高温环境(例如，通过燃气涡轮发动机的热气体流动路径)的部件上的涂层体系中使用的组合物。更具体地，本发明涉及适合于在热障涂层(TBC)体系中使用的组合物。

背景技术

热障涂层在燃气涡轮发动机的部件(例如燃烧器、高压涡轮(HPT)叶片(blade)和轮叶(vane))上的使用日益增加。通常，TBC的隔热使得这样的部件能够经受住更高的工作温度，增加部件耐久性，并且改善发动机可靠性。为了使TBC在其保护的部件的整个计划生命周期中保持有效，期望TBC在部件的整个生命周期中具有低热导率，包括高温漂移(hightemperature excursion)。另外，期望TBC具有高韧性，从而减少侵蚀和冲击对HPT的旋转部件、燃烧器部件和静态涡轮部件(例如，涡轮喷嘴)造成的损坏。低热导率TBC可以通过减少热损失并且潜在地允许更高的温度操作来提高发动机效率。

当前TBC材料8YSZ以其高韧性以及高热导率而著称。低热导率组合物例如55YSZ缺乏高韧性。因此，期望进一步改进TBC技术，特别是当TBC被用于针对要求更高的发动机设计的部件进行热绝缘时。

发明内容

在一方面，本发明提供了一种组合物，所述组合物包含：具有四方结构且具有下式的氧化钇-稀土掺杂的锆氧化物：Y

在另一方面，本发明提供了一种形成涂层部件的方法，所述方法包括：将层施加到基底的表面上，其中，所述层包含上述组合物。

在又一方面，本发明提供了一种涂层部件，所述涂层部件包括：具有表面的基底；以及在所述表面上的热障涂层；其中，所述热障涂层包括包含上述组合物的层。

在又一方面，本发明提供了一种涂层部件，所述涂层部件包括：具有表面的基底；以及在所述表面上的热障涂层；其中，所述热障涂层包括包含具有四方结构的氧化钇-稀土掺杂的锆氧化物的层，所述层根据ASTM E1461-13通过激光闪射法测量的在1000℃下的热导率为1.6W/m-k至2W/m-k。

附图说明

在说明书中参考附图阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且能够实现的公开(包括其最佳模式)，其中：

图1是示例性涂层部件的截面示意图；以及

图2是根据本发明主题事项的各种实施方式的示例性燃气涡轮发动机的示意性截面图。

说明书和附图中参考标记的重复使用旨在表示本发明中的相同或相似的特征或要素。

具体实施方式

定义

如本文所使用，用语“示例性”是指“用作示例、范例或说明”。本文中被描述为“示例性”的任何实施方式不一定被解释为比其他实施方式优选或有利。另外，除非另有特别指明，否则本文中描述的所有实施方式应当被认为是示例性的。

术语“燃气涡轮发动机”是指具有涡轮机器作为其全部或部分动力源的发动机。示例性燃气涡轮发动机包括涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷气发动机、涡轮轴发动机等，以及这些发动机中的一种以上的混合动力版本。术语“涡轮机器”或“涡轮机械”是指包括一个以上压缩机、发热区段(例如燃烧区段)和一起产生扭矩输出的一个以上涡轮的机器。

在本发明中，当层被描述为在另一层或基底“上”或“上方”时，应当理解，除非有明确相反地陈述，否则各层可以彼此直接接触或者在各层之间具有另一层或特征。因此，这些术语仅仅描述了各层彼此之间的相对位置，并不一定意味着“在……的顶部”，这是因为上方或下方的相对位置取决于装置相对于观察者的取向。

在本发明中，化学元素使用它们的常用化学缩写来讨论，例如在元素周期表上常见的化学缩写。例如，氢由其常用化学缩写H表示；氦由其常用化学缩写He表示；等等。

如本文所使用，“Ln”是指稀土元素或稀土元素的混合物。更具体地，“Ln”是指稀土元素钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)或它们的混合物。

如本文所使用，术语“基本上(实质上)不含”应被理解为是指完全不含所述成分或者包含痕量的所述成分。“痕量”是那些几乎不可检测并且对主题组合物的功能或美学特性不提供益处的化学成分的定量水平。术语“基本上(实质上)不含”也包括完全不含。

如本文所使用，术语“基本上(实质上)相等”应被理解为包括定量水平的微小痕量变化，该微小痕量变化几乎不可检测并且对主题组合物的功能或美学性质不提供益处。术语“基本上(实质上)相等”也包括完全相等。

现在将详细参考本发明的实施方式，其中的一个以上的示例在附图中示出。所提供的各示例只是为了解释本发明，而不是为了限制本发明。事实上，可以在不脱离本发明的范围的情况下对本发明做出各种修改和变型，这对于本领域技术人员而言是显而易见的。例如，作为一个实施方式的一部分而说明或描述的特征可以在另一实施方式中使用以产生又一个实施方式。因此，意图是本发明覆盖这样的修改和变型，这些修改和变型都落在所附权利要求书和它们的等同方案的范围内。

总体上公开了基于具有四方结构的稀土掺杂的锆氧化物的组合物以及由这样的组合物形成的涂层。在95-100％致密圆盘(puck)中，这些组合物和涂层可具有相对低的热导率(例如，根据ASTM E1461-13通过激光闪射法测量，在1000℃下为1.6W/m-K至2W/m-K)和4MPa-m

所述组合物通常包含具有四方结构的稀土掺杂的锆氧化物。在一个实施方式中，所述组合物具有如式1所示的式子：

式1：Y

式中，

Ln为稀土元素的混合物；

0.01≤a≤0.051；

0.01≤b≤0.051，使得Y和各Ln以基本上相等的摩尔量包含在所述组合物中；

0.05≤(a+b)≤0.07；

0≤x≤0.05；以及

0≤δ≤0.05。

不希望受任何特定理论的约束，据认为稀土掺杂的锆氧化物中存在太多Y可能会导致韧性更低的立方相的形成。此外，据认为稀土元素(Ln)的混合物通常在组合物中代替Y以保持四方结构，同时向组合物中添加稀土掺杂剂。

在特定的实施方式中，Ln可包括La、Sm、Gd、Yb、Nd、Eu、Dy、Ho、Er和Lu中的至少2种，例如La、Sm、Gd、Yb、Nd、Eu、Dy、Ho、Er和Lu中的至少3种。在一个特定的实施方式中，Ln可包括La、Sm、Gd、Yb、Nd、Eu、Dy、Ho、Er和Lu中的至少4种。在一个特定的实施方式中，Ln基本上不含Tb和Pr。

通常，δ是指，在稀土掺杂的锆氧化物内形成的氧空位(oxygen vacancy)，以基于所述化合物中存在的特定的Y/Ln/Ce/Zr组成来平衡所述组合物的价态。在特定的实施方式中，0≤δ≤0.03。

在一个特定的实施方式中，a为0.01至0.017，使得氧化钇-稀土掺杂的锆氧化物具有根据式2的式子：

式2：Y

式中，

Ln

0.01≤a≤0.017；

0.01≤b1≤0.017；

0.01≤b2≤0.017；

0.01≤b3≤0.017；

0≤b4≤0.014；

a＝b1＝b2＝b3；

0.05≤(a+b1+b2+b3+b4)≤0.07；

0≤x≤0.051；以及

0.01≤δ≤0.05。

在式2的组合物中，a、b1、b2和b3可全部基本上彼此相等(例如，a＝b1＝b2＝b3)，而b4为0或者也基本上等于a、b1、b2和b3。例如，a、b1、b2、b3和b4可全部基本上等于0.01(例如，a＝b1＝b2＝b3＝b4＝0.01)、基本上等于0.012(例如，a＝b1＝b2＝b3＝b4＝0.012)、或者基本上等于0.014(例如，a＝b1＝b2＝b3＝b4＝0.014)。可替代地，在b4为0时，则a、b1、b2和b3可全部基本上等于0.012(例如，a＝b1＝b2＝b3＝0.012，以及b4为0)、0.014(例如，a＝b1＝b2＝b3＝0.014，以及b4为0)、或者0.017(例如，a＝b1＝b2＝b3＝0.017，以及b4为0)。

在一个特定的实施方式中，所述组合物可基本上不含Ce；例如，x可为0，使得所述组合物不含Ce。在另一实施方式中，x大于0，使得Ce存在于所述组合物中，例如其中0.01≤x≤0.05。

具有四方结构的稀土掺杂的锆氧化物的特别合适的组合物可包括但不限于：

Y

Y

Y

Y

Y

或者它们的混合物。

如上所述，具有四方结构的稀土掺杂的锆氧化物的组合物特别适合在部件上的热障涂层的层中使用。

例如，参照图1，示出了示例性涂层部件100，涂层部件100由具有表面103的基底102以及其上的涂层体系106形成。通常，涂层体系106包括在基底102的表面103上的粘合涂层104和在粘合涂层104上的TBC 108。在所示的实施方式中，粘合涂层104直接在表面103上而在其间没有任何层。在TBC体系中广泛使用的粘合涂层材料可包括但不限于：抗氧化包覆涂层(overlay coating)，例如MCrAlX(其中，M为铁、钴和/或镍，X为钇或其它稀土元素)；以及抗氧化扩散涂层，例如含有铝金属间化合物的扩散铝化物。

基底102可为任何合适的材料，例如，用于耐受高温的金属例如钢或超合金(例如，镍基超合金、钴基超合金或铁基超合金，例如Rene N5、N500、N4、N2、IN718、Hastelloy X或Haynes 188)或其它合适的材料。涂层体系106可沿着基底102的一个以上的部分来设置，或者基本上设置在基底102的整个外部上。在特定的实施方式中，涂层体系106可具有50μm(即微米或μm)至2500μm(例如，100μm至700μm)的总厚度。

TBC 108可由多个单独的层114形成。在一个实施方式中，TBC 108的层114中的至少一层包括包含具有四方结构的稀土掺杂的锆氧化物(例如具有式1的式子)的组合物的层。例如，TBC 108的层114中的至少一层可包含至少80重量％的具有四方结构的稀土掺杂的锆氧化物(例如具有式1的式子)的组合物。在一个实施方式中，TBC 108的层114中的至少一层可包含90重量％至100重量％的具有四方结构的稀土掺杂的锆氧化物(例如具有式1的式子)的组合物。在一个特定的实施方式中，TBC 108的层114中的至少一层(其包含具有四方结构的稀土掺杂的锆氧化物(例如具有式1的式子)的组合物)基本上不含具有立方结构的氧化钇-稀土掺杂的锆氧化物。

在特定的实施方式中，TBC 108的层114中的每一层可具有25μm至100μm(例如25μm至50μm)的层厚度。

单独的层114中的一层以上可由能够承受相当高的温度梯度的稳定的陶瓷形成，使得经涂覆的金属部件可以在高于金属熔点的气体温度下操作。例如，稳定的陶瓷材料可为以下材料中的一种以上：氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)和其它稀土稳定的氧化锆组合物、莫来石(3Al

单独的层114可通过任何合适的工艺形成。例如，一个以上的单独的层114可通过空气-等离子喷涂(APS)、悬浮液等离子喷涂(SPS)、溶液前体等离子喷涂(SPPS)、电子束物理气相沉积(EBPVD)、高速氧燃料喷涂(HVOF)、静电喷涂辅助气相沉积(ESAVD)和直接气相沉积形成。

在一个实施方式中，TBC 108可包括最靠近基底102(例如，直接在粘合涂层104上)的基于YSZ(例如，8YSZ)的层。因此，氧化钇稳定的氧化锆可形成位于基底和层(该层包含具有四方结构的稀土掺杂的锆氧化物(例如具有式1的式子)的组合物)之间的屏障涂层。

涂层部件100特别适合于用作在高温环境下存在的部件，例如在燃气涡轮发动机中存在的那些部件，例如燃烧器部件、涡轮叶片、护罩、喷嘴、隔热罩和轮叶。具体地，涂层部件100可为位于燃气涡轮的热气体流动路径内的部件，使得涂层体系106为置于其下的基底102形成热屏障，以在暴露于热气体流动路径时保护燃气涡轮内的部件100。

图2是根据本发明的示例性实施方式的燃气涡轮发动机的示意性截面图。更具体地，对于图2的实施方式，燃气涡轮发动机是高旁路涡轮风扇发动机10，本文中称为“涡轮风扇发动机10”。如图2所示，涡轮风扇发动机10限定轴向方向A(平行于供参考的纵向轴线12延伸)和径向方向R。通常，涡轮风扇发动机10包括风扇区段14和设置在风扇区段14下游的核心涡轮发动机16。尽管下面参考涡轮风扇发动机10进行描述，但本发明一般适用于涡轮机械，包括涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴燃气涡轮发动机，包括工业和船舶用燃气涡轮发动机和辅助动力单元。它还适用于其它在气相中含有水蒸气(例如由碳氢燃料的燃烧引起的那些)的高温应用。

所示出的示例性核心涡轮发动机16总体上包括限定环形入口20的基本上管状的外壳18。外壳18以串联流动关系包围：压缩机区段(包括增压或低压(LP)压缩机22和高压(HP)压缩机24)；燃烧区段26；涡轮区段(包括高压(HP)涡轮28和低压(LP)涡轮30)；以及喷射排气喷嘴区段32。高压(HP)轴(shaft)或线轴(spool)34将HP涡轮28与HP压缩机24驱动连接。低压(LP)轴或线轴36将LP涡轮30与LP压缩机22驱动连接。

对于所示出的实施方式，风扇区段14包括变距风扇38，变距风扇38具有多个以间隔方式连接到盘42的风扇叶片40。如图所示，风扇叶片40大体上沿着径向方向R从盘42向外延伸。由于风扇叶片40可操作地连接至合适的致动构件44(致动构件44被构造成共同一致地改变风扇叶片40的桨距)，各风扇叶片40可相对于盘42围绕俯仰轴(pitch axis)P旋转。风扇叶片40、盘42和致动构件44通过LP线轴36(穿过可选的动力齿轮箱46)一起围绕纵向轴线12旋转。动力齿轮箱46包括多个齿轮，用于将LP线轴36的转速逐步降低至更有效的风扇转速。

仍然参考图2的示例性实施方式，盘42被可旋转的前机舱48覆盖，前机舱48具有空气动力学轮廓以促进气流通过多个风扇叶片40。附加地，示例性风扇区段14包括环形风扇壳体或外部机舱50，环形风扇壳体或外部机舱50周向包围风扇38和/或核心涡轮发动机16的至少一部分。应当理解，机舱50可被构造成由多个周向间隔开的出口导向轮叶52相对于核心涡轮发动机16进行支撑。此外，机舱50的下游区段54可延伸越过核心涡轮发动机16的外部部分，以便在其间限定旁路气流通道56。

在涡轮风扇发动机10的运行期间，一定体积的空气58通过机舱50和/或风扇区段14的关联入口60进入涡轮风扇发动机10。随着一定体积的空气58通过风扇叶片40，空气58的第一部分62如箭头所示被指引或引导进入旁路气流通道56，空气58的第二部分64如箭头所示被指引或引导进入LP压缩机22。空气的第一部分62和空气的第二部分64之间的比率通常被称为旁通比。然后，随着空气的第二部分64被引导通过高压(HP)压缩机24并进入燃烧区段26中，空气的第二部分64的压力增加，在燃烧区段26中空气的第二部分64与燃料混合并燃烧以提供燃烧气体66。

燃烧气体66被引导通过HP涡轮28，在HP涡轮28中来自燃烧气体66的热能和/或动能的一部分经由HP涡轮定子轮叶68(联接至外壳18)和HP涡轮转子叶片70(联接至HP轴或线轴34)的顺序阶段被提取，从而导致HP轴或线轴34旋转，由此支持HP压缩机24的运行。然后，燃烧气体66被引导通过LP涡轮30，在LP涡轮30中热能和动能的第二部分经由LP涡轮定子轮叶72(联接至外壳18)和LP涡轮转子叶片74(联接至LP轴或线轴36)的顺序阶段从燃烧气体66中被提取，从而导致LP轴或线轴36旋转，由此支持LP压缩机22的运行和/或风扇38的旋转。

随后，燃烧气体66被引导通过核心涡轮发动机16的喷射排气喷嘴区段32以提供推进推力。同时，在将空气的第一部分62从涡轮风扇发动机10的风扇喷嘴排气区段76中排出之前，随着空气的第一部分62被引导通过旁路气流通道56时，空气的第一部分62的压力显著增加，也提供推进推力。HP涡轮28、LP涡轮30和喷射排气喷嘴区段32至少部分地限定热气体路径78，用于引导燃烧气体66通过核心涡轮发动机16。

本发明的其它方面由以下条款的主题事项来提供：

1.一种组合物，所述组合物包含具有四方结构且具有下式的氧化钇-稀土掺杂的锆氧化物：Y

2.根据前述条款中任一项所述的组合物，其中，x为0。

3.根据前述条款中任一项所述的组合物，其中，x为0.01至0.05。

4.根据前述条款中任一项所述的组合物，其中，a为0.01至0.017，使得氧化钇-稀土掺杂的锆氧化物具有下式：Y

5.根据前述条款中任一项所述的组合物，其中，a＝b1＝b2＝b3＝b4＝0.01。

6.根据前述条款中任一项所述的组合物，其中，a＝b1＝b2＝b3＝0.012；以及b4为0。

7.根据前述条款中任一项所述的组合物，其中，a＝b1＝b2＝b3＝b4＝0.012。

8.根据前述条款中任一项所述的组合物，其中，a＝b1＝b2＝b3＝0.014；以及b4为0。

9.根据前述条款中任一项所述的组合物，其中，a＝b1＝b2＝b3＝b4＝0.014。

10.根据前述条款中任一项所述的组合物，其中，a＝b1＝b2＝b3＝0.017；以及b4为0。

11.根据前述条款中任一项所述的组合物，其中，Ln包含La、Sm、Gd、Yb、Nd、Eu、Dy、Ho、Er和Lu中的至少2种。

12.根据前述条款中任一项所述的组合物，其中，Ln基本上不含Tb和Pr。

13.根据前述条款中任一项所述的组合物，其中，所述组合物根据ASTM E1461-13通过激光闪射法测量的在1000℃下的热导率为1.6W/m-K至2W/m-K。

14.根据前述条款中任一项所述的组合物，其中，所述组合物选自如下：Y

15.一种形成涂层部件的方法，所述方法包括：将层施加到基底的表面上，其中，所述层包含前述条款中任一项所述的组合物。

16.一种涂层部件，所述涂层部件包括：具有表面的基底；以及在所述表面上的热障涂层；其中，所述热障涂层包括包含前述条款中任一项所述的组合物的层。

17.一种涂层部件，所述涂层部件包括：具有表面的基底；以及在所述表面上的热障涂层；其中，所述热障涂层包括包含具有四方结构的氧化钇-稀土掺杂的锆氧化物的层，所述层根据ASTM E1461-13通过激光闪射法测量的在1000℃下的热导率为1.6W/m-k至2W/m-k。

18.根据前述条款中任一项所述的涂层部件，其中，所述层的压痕断裂韧性为4MPa-m

19.根据前述条款中任一项所述的涂层部件，其中，所述层基本上不含具有立方结构的氧化钇-稀土掺杂的锆氧化物。

20.根据前述条款中任一项所述的涂层部件，其中，具有四方结构的氧化钇-稀土掺杂的锆氧化物具有下式：Y

本书面描述使用示例性实施方式公开本发明(包括最佳模式)，并且还使得任意本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任意装置或系统以及执行任意结合的方法)。本发明的可专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括与权利要求书的书面语言无异的结构要素，或者如果此类其它示例包括与权利要求书的书面语言无实质不同的等同结构要素，则此类其它示例旨在落入权利要求书的范围内。