CN109641809A - 热障涂层修复组合物及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于热障涂层的修复组合物、及其使用方法。所述修复组合物包含陶瓷组合物、胶体溶液、水性粘结剂、水性分散剂、以及氨水溶液。所述陶瓷组合物包含具有从约250nm至约1000nm的平均直径的第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、具有从约2μm至约10μm的平均直径的第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、以及具有从约20μm至约250μm的平均直径的第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒。一种方法包括将修复层沉积到受损区域上、以及热处理所述修复层，所述修复层包含所述修复组合物。

Description

热障涂层修复组合物及其使用方法
技术领域
本发明涉及用于修复热障涂层的受损区域的修复组合物、及其使用方法。
背景技术
为了提高燃气涡轮发动机的效率，不断寻求发动机的更高操作温度。然而，随着操作温度的升高，发动机部件的高温耐久性必须相应地提高。通过配制镍、钴和铁基的超级合金，已经实现了高温性能的显著进步。这些超级合金可以设计成承受约1000℃至约1100℃范围内或更高的温度。尽管如此，当用于形成涡轮机的部件，例如燃烧器衬里、增强器硬件、护罩以及高压和低压喷嘴和叶片时，单独的超级合金可能易受氧化和热腐蚀侵蚀的损害。相应地，这些部件通常用环境屏障涂层和/或热障涂层(TBC)保护。总体上，TBC可以与这些超级合金一起使用，以减少与给定涡轮机相关联的冷却空气需求。陶瓷材料，例如钇稳定的氧化锆(YSZ)，被广泛用作TBC或TBC体系的顶涂层。采用这些材料是因为，例如它们可以通过等离子喷涂和物理气相沉积(PVD)技术容易地沉积，并且它们通常还表现出所希望的热特性。总体上，这些TBC可以与这些超级合金一起使用，以减少与给定涡轮机相关联的冷却空气需求。
为了有效，TBC需要具有低导热性、强力粘附到部件上、并且经过许多加热和冷却循环后还保持粘附。由于陶瓷材料与它们所保护的超级合金基底之间的不同热膨胀系数，后一项要求特别苛刻。为了促进TBC的粘附并延长其使用寿命，抗氧化的结合涂层通常采用扩散铝化物涂层或覆盖涂层的形式，例如MCrAlX，其中M是铁、钴和/或镍，并且X是钇或另一种稀土元素。在沉积陶瓷TBC和随后暴露于高温的过程中，例如在发动机操作期间，这些结合涂层形成将TBC粘附到结合涂层上的紧密粘附的氧化铝(Al2O3)层或鳞片。
TBC的使用寿命通常受到例如热疲劳引起的散裂事件的限制。相应地，重要的挑战是获得更粘附的陶瓷层，所述陶瓷层在经受热循环时不易散裂。尽管已经取得了显著的进步，但是不可避免地需要对其热障涂层已经散裂的部件进行修复。尽管散裂通常发生在局部区域或补片(patch)中，但是传统的修复方法是在从涡轮机或其他区域移除受影响的部件之后完全去除TBC、必要时恢复或修复所述结合涂层、并重新涂覆所述发动机部件。用于去除TBC的技术包括在高温和高压下用碱性溶液进行喷砂处理或化学剥离。然而，喷砂是一种缓慢、劳动密集的过程并且会侵蚀涂层下方的表面。使用碱性溶液去除TBC也不太理想，因为这个方法通常需要使用在高温和高压下操作的高压釜。因此，一些传统的修复方法是劳动密集且昂贵的，并且可能难以在具有复杂几何形状的部件(例如翼型和护罩)上进行。作为替代方案，Nagaraj等人的美国专利号5,723,078教导了通过对结合涂层的暴露表面进行纹理化、并且然后通过等离子喷涂在纹理化表面上沉积陶瓷材料，来选择性地修复TBC的散裂区域。虽然避免了从部件上剥离整个TBC的必要性，但Nagaraj等人教导的修复方法需要移除部件以沉积陶瓷材料。
在大型发电涡轮机的情况下，为了移除其TBC仅遭受局部散裂的部件而长时间地完全停止发电在经济上是不希望的。
Ruud等人的美国专利号7,476,703公开了一种用于修复热障涂层的原位方法和组合物，所述组合物是基于硅酮树脂体系。虽然这种原位方法减轻了与一些传统TBC修复方法相关联的拆卸、掩蔽和过度喷涂问题，但它对于大面积缺陷(即，尺寸大于1平方英寸的缺陷)不是理想修复。Stowell等人的美国专利号6,413,578公开了一种用陶瓷糊剂来修复热障涂层的原位方法。然而，这种方法使用含有乙醇的修复组合物。结果，当使用所述修复组合物时释放易燃的乙醇烟雾，这产生环境健康风险和安全风险。
市售的修复组合物——AEM-MRO SR树脂补片，可以用于TBC修复。然而，这种修复组合物是基于硅酸盐的、并且因此不提供所希望的热障涂层性能。另外，商业的修复组合物不能用于修复大面积缺陷，例如当受损区域的尺寸大于1平方英寸时。
相应地，尽管有上述进步，但是希望的是可获得可以在各种尺寸的受损区域、包括大的受损区域(即，尺寸大于1平方英寸的受损区域)上进行的修复方法和修复组合物，而无需将部件从涡轮机移除，从而使停机时间和报废率最小化。这种受损区域可能是由局部散裂、工具撞击造成的损坏和/或碎裂造成的。此外，希望的是具有一种使用水作为液体载体的修复组合物，从而避免与使用有机溶剂如乙醇的修复组合物相关联的环境健康风险和安全风险。
发明内容
本发明涉及用于热障涂层的修复组合物、以及所公开的修复组合物的使用方法。因此，在一个实施例中，本发明涉及一种修复组合物，所述修复组合物包含：陶瓷组合物，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约40至约60；胶体溶液，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约15至约25；水性粘结剂，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约5至约15；水性分散剂，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约4至约8；以及氨水溶液，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约5至约15，例如百分之9。
所述陶瓷组合物包含：具有从约250nm至约1000nm的平均直径的第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒，其量是所述陶瓷组合物的按体积计从百分之约15至约30；具有从约2μm至约10μm的平均直径的第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒，其量是所述陶瓷组合物的按体积计从百分之约10至约25；以及具有从约20μm至约250μm的平均直径的第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒，其量是所述陶瓷组合物的按体积计从百分之约50至约70。
所述胶体溶液包含：水性溶剂，其量是所述胶体溶液的按体积计从百分之约90至约98；以及具有从约2nm至约200nm的平均直径的第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒，其量是所述胶体溶液的按体积计从百分之约2至约10。
在另一个实施例中，本发明涉及一种用于修复热障涂层的方法，其中，所述热障涂层被涂覆在部件上，并且其中，所述热障涂层具有受损区域，所述方法包括：将修复层沉积到所述受损区域上，所述修复层包含本文公开的修复组合物；以及在从约900℃至约1400℃的温度下热处理所述修复层，以由此形成补片。
在另一个实施例中，本发明涉及一种用于修复热障涂层的方法，其中，所述热障涂层被涂覆在部件上，并且其中，所述热障涂层具有受损区域，所述方法包括：将初始层沉积到所述受损区域上，所述初始层包含本文公开的修复组合物；在从约250℃至约600℃的温度下热处理所述初始层；任选地，重复一次或多次将所述初始层沉积到所述受损区域上以及在从约250℃至约600℃的温度下热处理所述初始层的步骤的组合，以由此形成多个初始层；将最终层沉积到所述初始层上或所述多个初始层上，所述最终层包含本文公开的修复组合物；以及在从约900℃至约1400℃的温度下同时热处理所述最终层和所述初始层以由此形成补片；或者在从约900℃至约1400℃的温度下同时热处理所述最终层和所述多个初始层以由此形成所述补片。
本文公开的修复组合物和方法具有许多优点。所公开的修复组合物和方法可以用于修复各种尺寸的受损区域，包括尺寸大于1平方英寸的大受损区域。我们的修复组合物使用水作为液体载体，从而避免与使用有机溶剂如乙醇的修复组合物相关联的环境健康风险和安全风险。
此外，所公开的修复组合物是触变(即，剪切稀化)浆料***，其使得人们能够使用所公开的修复组合物来沉积近净形状的补片。本文公开的修复组合物通过我们独特的颗粒分布设计、固体负载的优化、以及溶胶(即，胶体溶液)化学性而保持近净形状。
此外，本文公开的方法是有利的，因为它们可以原位进行，而无需拆卸或移除需要修复的部件。然后，修复的TBC可以在低于发动机操作温度的温度下烧结而没有任何尺寸不稳定性。不必拆卸和移除部件来进行剥离和重新涂覆使得我们在本文公开的方法不那么费力、非常节省成本，并且使发动机的停机时间大大减少。另外，我们的方法在修复组合物经历服务循环之前不需要任何额外的烧结循环来烧结所述修复组合物。
附图说明
当参照附图阅读以下具体实施方式时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在所有附图中，相同的标记表示相同的部分，在附图中：
图1提供了热障涂层、部件和受损区域的理想化截面视图。
图2提供了热障涂层、部件和修复层的理想化截面视图。
图3提供了热障涂层、部件、初始层和最终层的理想化截面视图。
具体实施方式
在以下说明书和随后的权利要求中，将提及一些术语，这些术语将定义为具有如下含义。
单数形式“一个”、“一种”以及“所述”包括复数指代物，除非上下文清楚地另外指明。
可以应用如本文中贯穿说明书和权利要求使用的近似语言来修饰任何定量表示，所述定量表示可以在不引起与其相关的基本功能变化的情况下发生允许的变化。相应地，用诸如“约”等一个或多个术语修饰的值不限于所指明的确切值。在一些实例中，近似语言可以对应于用于测量所述值的仪器的精度。
如本文使用的，术语“胶体溶液”是指其中颗粒均匀悬浮在液体中的溶液。这些颗粒的尺寸足够细，使得悬浮液稳定并且悬浮液中没有颗粒沉降。
如本文使用的，术语“氧化钇稳定的氧化锆”是指其中二氧化锆(即“氧化锆”(ZrO2))的晶体结构具有钇氧化物(即“氧化钇”(Y2O3))的添加物的陶瓷。
如本文使用的，术语“热障涂层”在本领域中是已知的，并且是指作为废热管理的形式通常施加于金属表面上、例如在高温下操作的燃气轮机或航空发动机部件上的材料体系。
如本文使用的，术语“密耳(mil)”是指等于千分之一英寸的测量单位，即0.001英寸或25.40μm。“mil”复数形式的是“mils”。
颗粒的平均直径(即，d50)可以通过激光衍射技术在马尔文仪器有限公司(Malvern Instrument Ltd.)制造的MASTERSIZER 3000TM激光衍射粒度分析仪中测量。
在一个实施例中，本发明涉及一种修复组合物，所述修复组合物包含：陶瓷组合物，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约40至约60；胶体溶液，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约15至约25；水性粘结剂，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约5至约15；水性分散剂，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约4至约8；以及氨水溶液，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约5至约10。
在一个实施例中，所述陶瓷组合物的量是所述修复组合物的按体积计从百分之约45至约55。在一个实施例中，所述胶体溶液的量是所述修复组合物的按体积计从百分之约18至约22。在一个实施例中，所述水性粘结剂的量是所述修复组合物的按体积计从百分之约10至约15。在一个实施例中，所述水性分散剂的量是所述修复组合物的按体积计从百分之约6至约8。在一个实施例中，所述氨水溶液的量是所述修复组合物的按体积计从百分之约8至约10。
所述陶瓷组合物包含：具有从约250nm至约1000nm的平均直径的第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒(即，细颗粒组)，其量是所述陶瓷组合物的按体积计从百分之约15至约30；具有从约2μm至约10μm的平均直径的第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒(即，中等颗粒组)，其量是所述陶瓷组合物的按体积计从百分之约10至约25；以及具有从约20μm至约250μm的平均直径的第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒(即，粗颗粒组)，其量是所述陶瓷组合物的按体积计从百分之约50至约70。
在一个实施例中，所述第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒的量是所述陶瓷组合物的按体积计从百分之约22至约28。在一个实施例中，所述第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒的量是所述陶瓷组合物的按体积计从百分之约15至约20。在一个实施例中，所述第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒的量是所述陶瓷组合物的按体积计从百分之约55至约65。近似词语“约”是指用于测量所述值的仪器的精度。
所述陶瓷组合物包括不同粒度级的混合物，包括粗粒度级(即，第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒)、中等粒度级(即，第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒)、以及细粒度级(即，第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒)。为每个级选择的颗粒的绝对尺寸和相对比例在很大程度上取决于所修复的涂层的所希望最终厚度。例如，选择粗粒度级(即，陶瓷组合物中使用的最大颗粒级)来将涂层体积构建到所希望厚度、并且因此可以被认为用作被修复涂层的支架。然后，选择中等粒度级来填充粗粒度级的颗粒之间的大部分间隙空间；类似地选择其他粒度级来填充剩余的间隙空间。通过仔细选择各种粒度级的尺寸和相对比例，可以制造具有比通过由单一粒度级构建涂层而可以实现的密度高得多的密度的、具有所希望厚度的涂层。
然后，在很大程度上基于所得涂层的所希望厚度来选择粗粒度级，并且在一些实施例中，粗粒度级具有在从约20μm至约250μm范围内的中值粒度。在使用相对薄的涂层的应用中，粗粒度级的中值粒度范围可以更小，例如从约20μm至约50μm。在使用相对厚的涂层的应用中，粗粒度级的中值粒度范围可以更大，例如从约30μm至约250μm。通常，粗粒度级颗粒占陶瓷组合物的体积的从约50％至约70％。
然后选择较小粒度级以加强由如上所述的粗粒度级创建的支架。在一些实施例中，中等粒度级的中值粒度在从约2μm至约10μm的范围内。在采用相对薄的涂层的应用中，所述中值粒度范围可以更小，例如从约2μm至约6μm。在采用相对厚的涂层的应用中，所述中值粒度范围可以更大，例如从约5μm至约10μm。通常，中等粒度级颗粒占陶瓷组合物的体积的从约10％至约25％。在一些实施例中，细粒度级的中值粒度在从约250nm至约1μm的范围内。在一些实施例中，取决于旨在用细粒度级填充的空隙的尺寸，细粒度级的中值粒度在从约500nm至约1μm的范围内。典型地，细粒度级颗粒占陶瓷组合物的体积的从约15％至约30％。
市售的合适的第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒(细颗粒)从托索美国公司(TOSOHUSA Inc.)以名称TOSOH-4Y可获得。市售的合适的第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒(中等颗粒)从伊梅里斯熔融矿物公司(Imerys Fused Minerals)以名称Imerys 8YSZ-HP 5μm可获得。市售的合适的第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒(大颗粒)从HC斯塔克有限公司(HCStark GmBH)以名称Amperit 825可获得。
所述胶体溶液包含：水性溶剂，其量是所述胶体溶液的按体积计从百分之约90至约98；以及具有从约2nm至约200nm平均直径颗粒的第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒(即，特细颗粒组)，其量是所述胶体溶液的按体积计从百分之约2至约10。
在一个实施例中，所述胶体溶液的水性溶剂的量是所述胶体溶液的按体积计从百分之约92至约98，并且第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒的量是所述胶体溶液的按体积计从百分之约2至约8。市售的合适的胶体溶液从纳亚克纳米技术公司(Nyacol NanoTechnologies)以名称ZRYS4可获得。
在一个实施例中，所述修复组合物不包含硅酮、二氧化硅或硅酸盐。在修复组合物的一个实施例中，所述第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、以及第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有从约4至约60摩尔百分比的钇氧化物含量。在另一个实施例中，所述第一组、第二组、第三组和第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有从约4至约20摩尔百分比的钇氧化物含量。在另一个实施例中，所述第一组、第二组、第三组和第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有8摩尔百分比的钇氧化物含量。
在一个实施例中，所述水性粘结剂包含水和选自下组中的粘结剂，该组包括水和聚(碳酸亚烷基酯)共聚物、纤维素粘结剂、聚(乙烯醇)、以及聚乙二醇。例如，聚(碳酸丙烯酯)，一种用于陶瓷粉末的粘结剂，以商品名可获得。在一个实施例中，所述水性分散剂包含聚丙烯酸铵和水。市售的用于陶瓷体的聚丙烯酸铵分散剂的实例是821-A、825和Darvan C。
在一个实施例中，所述氨水溶液包含氨和水，其中，所述氨的量是所述氨水溶液的按体积计从百分之约25至约50。在另一个实施例中，所述氨水溶液包含氨和水，其中，所述氨的量是所述氨水溶液的按体积计从百分之约40至约50。在一个实施例中，氨的量是所述氨水溶液的按体积计约30％。
所述氨水溶液在修复组合物中起几种作用。氨水溶液是流变改性剂，它负责修复组合物的触变性质。氨水溶液还将pH提高至9至11的范围，保持修复组合物稳定。我们还认为所述氨水溶液充当胶凝剂，从而在室温下增加被修复区域的生坯强度。修复完成后，氨水溶液蒸发。蒸发后，流变性增加并使修复组合物像环氧树脂一样凝固。
本发明还涉及一种用于修复热障涂层的方法，其中，所述热障涂层被涂覆在部件上，并且其中，所述热障涂层具有受损区域，所述方法包括：将修复层沉积到所述受损区域上，所述修复层包含本文描述的修复组合物；以及在从约900℃至约1400℃的温度下热处理所述修复层，以由此形成补片。受损区域可以是例如散裂区、碎屑、或大的受损区域。大的受损区域可能为3英寸乘3英寸大。在一个实施例中，热处理温度可以是从约1000℃至约1200℃。热处理步骤或烧结从修复组合物中除去水分和有机物含量，并且还形成具有所希望隔离特性的陶瓷体。热处理可以局限于修复层，或者可以对整个部分进行热处理。局部热处理可以用炬、通过感应、电阻加热或本领域已知的其他方法进行。当对整个部分进行热处理时，可以在组装发动机时通过简单地运行发动机进行热处理步骤来进行修复。在一个实施例中，修复层仅包含修复组合物。图1提供了热障涂层10、部件11和受损区域12的理想化截面视图。图2提供了热障涂层10、部件11和修复层13的理想化截面视图。
在一个实施例中，所述用于修复热障涂层的方法进一步包括：在沉积所述修复层之后并且在热处理所述修复层之前，在从约50℃至约120℃的温度下干燥所述修复层。在一个实施例中，干燥温度可以是从约100℃至约110℃。在另一个实施例中，所述用于修复热障涂层的方法进一步包括在升温到热处理温度期间干燥所述修复层。
在一个实施例中，将修复层沉积到所述受损区域上是手动进行的。在另一个实施例中，将修复层沉积到所述受损区域上是用针对此目的设计的设备进行的。
在一个实施例中，所述热障涂层是通过等离子喷涂工艺形成的。在另一个实施例中，所述热障涂层是通过电子束物理气相沉积工艺形成的。
在一个实施例中，所述热障涂层具有从约5密耳至约25密耳的厚度(即深度)。在一个实施例中，所述修复层具有从约5密耳至约25密耳的厚度。在一个实施例中，所述修复层具有与所述热障涂层的厚度基本上相同的厚度。这里使用的术语“基本上相同的厚度”是指等于彼此或在彼此的约±0.5密耳范围内的厚度测量值。
在一个实施例中，所述部件被布置在燃气涡轮发动机内。
在所述用于修复热障涂层的方法的一个实施例中，所述第一、第二、第三和第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒的钇氧化物含量与所修复的热障涂层的钇氧化物含量相同。
在所述用于修复热障涂层的方法的一个实施例中，所述热障涂层具有从约4摩尔百分比至约10摩尔百分比的钇氧化物含量，其中，所述第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、以及第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有的钇氧化物含量落在所述热障涂层的钇氧化物含量的约±1摩尔百分比范围内。
在所述用于修复热障涂层的方法的另一个实施例中，所述热障涂层具有从约10摩尔百分比至约20摩尔百分比的钇氧化物含量，其中，所述第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、以及第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有的钇氧化物含量落在所述热障涂层的钇氧化物含量的约±2摩尔百分比范围内。
在所述用于修复热障涂层的方法的另一个实施例中，所述热障涂层具有从约20摩尔百分比至约60摩尔百分比的钇氧化物含量，其中，所述第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、以及第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有的钇氧化物含量落在所述热障涂层的钇氧化物含量的约±5摩尔百分比范围内。
在另一个实施例中，本发明涉及一种用于修复热障涂层的方法，其中，所述热障涂层被涂覆在部件上，并且其中，所述热障涂层具有受损区域，所述方法包括：将初始层沉积到所述受损区域上，所述初始层包含本文公开的修复组合物；在从约250℃至约600℃的温度下热处理所述初始层；任选地，重复一次或多次将所述初始层沉积到所述受损区域上以及在从约250℃至约600℃的温度下热处理所述初始层的步骤的组合，以由此形成多个初始层；将最终层沉积到所述初始层上或所述多个初始层上，所述最终层包含所述修复组合物；以及在从约900℃至约1400℃的温度下同时热处理所述最终层和所述初始层以由此形成补片；或者在从约900℃至约1400℃的温度下同时热处理所述最终层和所述多个初始层以由此形成所述补片。可以如上所述进行热处理步骤。在一个实施例中，修复层和最终层仅包含修复组合物。图3提供了热障涂层10、部件11、初始层14和最终层15的理想化截面视图。
在一个实施例中，初始层的热处理温度可以是从约300℃至约500℃。在一个实施例中，同时热处理所述最终层和所述初始层的温度可以是从约1000℃至约1200℃。在一个实施例中，同时热处理所述最终层和所述多个初始层的温度可以是从约1000℃至约1200℃。
在一个实施例中，该方法进一步包括：在沉积所述初始层之后并且在热处理所述初始层之前，在从约50℃至约120℃的温度下干燥所述初始层。在一个实施例中，干燥温度可以是从约100℃至约110℃。在一个实施例中，所述方法进一步包括在升温至所述初始层的热处理的温度期间干燥所述初始层。
在一个实施例中，该方法进一步包括：在沉积所述最终层之后并且在同时热处理所述最终层和所述初始层之前，在从约50℃至约120℃的温度下干燥所述最终层，或者在沉积所述最终层之后并且在同时热处理所述最终层和所述多个初始层之前，在从约50℃至约120℃的温度下干燥所述最终层。在一个实施例中，干燥温度可以是从约100℃至约110℃。
在一个实施例中，该方法进一步包括：在沉积所述最终层之后并且在同时热处理所述最终层和所述初始层之前，在升温至所述最终层和所述初始层的同时热处理的温度期间干燥所述最终层，或者在沉积所述最终层之后并且在同时热处理所述最终层和所述多个初始层之前，在升温至所述最终层和所述多个初始层的同时热处理的温度期间干燥所述最终层。
在一个实施例中，所述热障涂层是通过等离子喷涂工艺形成的。在另一个实施例中，所述热障涂层是通过电子束物理气相沉积工艺形成的。
在一个实施例中，初始层和最终层的沉积是手动进行的。
在一个实施例中，所述热障涂层具有从约5密耳至约95密耳的厚度。在一个实施例中，所述初始层具有从约5密耳至约25密耳的厚度。在一个实施例中，所述最终层具有从约5密耳至约25密耳的厚度。在一个实施例中，所述多个初始层包括2至4个初始层。在一个实施例中，所述初始层与所述最终层的组合具有与所述热障涂层的厚度基本上相同的厚度。在另一个实施例中，所述多个初始层与所述最终层的组合具有与所述热障涂层的厚度基本上相同的厚度。这里使用的术语“基本上相同的厚度”是指等于彼此或在彼此的约±0.5密耳范围内的厚度测量值。
在一个实施例中，所述部件被布置在燃气涡轮发动机内。
在一个实施例中，所述第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、以及第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有从约4至约60摩尔百分比的钇氧化物含量。在另一个实施例中，所述第一组、第二组、第三组和第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有从约4至约20摩尔百分比的钇氧化物含量。
在所述用于修复热障涂层的方法的一个实施例中，所述第一、第二、第三和第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒的钇氧化物含量与所修复的热障涂层的钇氧化物含量相同。
在所述用于修复热障涂层的方法的一个实施例中，所述热障涂层具有从约4摩尔百分比至约10摩尔百分比的钇氧化物含量，其中，所述第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、以及第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有的钇氧化物含量落在所述热障涂层的钇氧化物含量的约±1摩尔百分比范围内。
在所述用于修复热障涂层的方法的另一个实施例中，所述热障涂层具有从约10摩尔百分比至约20摩尔百分比的钇氧化物含量，其中，所述第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、以及第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有的钇氧化物含量落在所述热障涂层的钇氧化物含量的约±2摩尔百分比范围内。
在所述用于修复热障涂层的方法的另一个实施例中，所述热障涂层具有从约20摩尔百分比至约60摩尔百分比的钇氧化物含量，其中，所述第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、以及第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有的钇氧化物含量落在所述热障涂层的钇氧化物含量的约±5摩尔百分比范围内。
本书面说明使用实例来公开本发明的实施例，包括最佳模式，同时也使得本领域任何技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或***以及执行所并入的任何方法。本发明的可专利性范围限于所提供的实例的范围，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其他实例。如果这样的其他实例具有与权利要求中的字面语言没有差别的结构元件或方法步骤，或者如果它们包括与权利要求的中的字面语言无实质性差别的等效结构元件或方法步骤，则它们旨在位于权利要求的范围内。
实例
实例1
修复组合物
下表1表示了本发明的修复组合物的一个实例。
表1.修复组合物实例
实例2
修复组合物的制备
为了制备实施例1的修复组合物，首先，称量三种不同的粉末(细颗粒，(18.5gm)；中等颗粒，(12gm)；以及大颗粒(41gm))，放入NALGENETM喇叭口瓶中，并使用行星式混合器以1500rpm混合3分钟。这个步骤之后进行目视检查以确保大、中等和细颗粒在干燥粉末中的均匀分布。然后打开容器，并且通过来回滚动进行目视检查以确保粉末的均匀着色，这表明混合物良好地分布。接着，将3ml的40(水性粘结剂)、1.5ml的825(水性分散剂)、5ml的 ZRYS4(具有第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒的胶体溶液，d50＝100nm)、以及2ml具有30％vol氨的氨水溶液添加到粉末中，并且使用行星式混合器以1500rpm混合3分钟。重复混合步骤以确保浆料均匀性而没有任何附聚物。
实例3
修复热障涂层(TBC)的方法
从现场返回的燃烧器衬里上切下一块4×4英寸的片。所述现场返回的燃烧器衬里具有4摩尔百分比的钇氧化物含量。从这个部分上切下1英寸直径的圆形的6个样品。通过在60psi以磨料60粒度氧化铝颗粒、4英寸的间隔距离进行6至10秒的喷砂处理在每个样品上产生模拟的0.75英寸圆形缺陷，以模拟涡轮机运行造成的损坏。首先用丙酮清洗经喷砂的现场返回的衬里，并且然后使用超声波浴在异丙醇中清洗20分钟。清洁受损区域以去除任何TBC碎片。清洁后，将受损的TBC部分在室温下干燥，并且然后使用钢刮刀将实例1的修复组合物沉积在受损区域上，从而形成修复层。使用刮刀使修复层的顶部表面与残余TBC平整。随后，首先将修复层在室温下干燥2小时、并且然后在100℃下干燥4小时。然后将修复层在1000℃下在空气中烧结6小时，从而在TBC部分上形成补片。
如下文讨论的，将来自实例3的经修复样品以两种不同的模式进行测试，以模拟发动机中的热条件。第一种称为炉循环试验(FCT)，而第二种称为喷气发动机热冲击(JETS)试验。FCT试验在底部装载式快速加热炉中等温进行。JETS试验使用天然气/氧气混合气体炬进行，其中控制热量输入以获得跨样品厚度的热梯度。如下文讨论的，还使用ASTM标准来测试来自实例3的样品的粘附性，以了解被修复的涂层如何粘附到结合涂层上。
实例4
炉循环测试(FCT)
使用实例1中描述的修复组合物，在如实例3中描述地修复了样品后，在炉循环试验(FCT)中对50个试样进行循环热暴露。在1小时循环期间，将试样快速***底部装载炉中并在1135℃下保持45分钟。然后将试样从炉中取出并在开始下一循环之前进行强制空气冷却15分钟。在20个循环后从FCT中取出试样并检查。样品在试验中保持到20％的涂层区域发生散裂，以确定FCT寿命。在所测试的50个样品中，中值寿命为220个循环。
实例5
拉伸拉力粘附性测试
在使用实例1中描述的修复组合物如实例3中描述地修复了样品后，根据ASTM标准C633-79的“火焰喷涂涂层的粘附性或内聚强度的标准测试方法”在20个经修复的样品上测量拉伸粘附强度。使用粘合剂Cytec FM1000将正圆柱形固定装置(2.54cm高和1.91cm直径)附接到TBC和基底的表面。以0.017mm/s的恒定位移速率施加拉伸载荷，直到涂层从基底上剥离。拉伸粘附强度由面积和最大失效载荷确定；在20个测试样品中，中值粘附强度为1185psi。
实例6
喷气发动机热冲击(JETS)测试
在使用实例1中描述的修复组合物如实例3中描述地修复了样品后，进行JETS试验。JETS试验跨TBC产生了相当于喷气发动机的热梯度。TBC前表面温度为1235℃(2250°F)。氧气-天然气炬在附接至转盘上的8个经修复的样品中加热2.54英寸的直径。步进马达将这些纽扣(button)(即，经修复的样品)推进穿过这些位置。根据我们的测试方案，经修复的样品在试验中保持到完成2000个循环或者保持到20％的涂覆区域发生散裂。在这些条件下测试所有八个样品。所有测试的经修复样品都承受住了2000个循环，并且没有一个测试的经修复样品发生散裂。
尽管在本文中仅示出和描述本发明的某些特征，但是本领域技术人员将想到很多修改和变化。因此，应理解的是，所附权利要求意在覆盖落入本发明的真实精神之内的所有这样的修改和变化。
贯穿本申请，引用了多个参考文献。这些出版物的全部公开内容特此通过引用并入，如同在此书面所述。

Claims (48)

1.一种修复组合物，包含：
陶瓷组合物，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约40至约60；
胶体溶液，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约15至约25；
水性粘结剂，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约5至约15；
水性分散剂，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约4至约8；
氨水溶液，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约5至约10；
其中，所述陶瓷组合物包含：
具有从约250nm至约1000nm的平均直径的第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒，其量是所述陶瓷组合物的按体积计从百分之约15至约30；
具有从约2μm至约10μm的平均直径的第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒，其量是所述陶瓷组合物的按体积计从百分之约10至约25；以及
具有从约20μm至约250μm的平均直径的第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒，其量是所述陶瓷组合物的按体积计从百分之约50至约70；
并且其中，所述胶体溶液包含：
水性溶剂，其量是所述胶体溶液的按体积计从百分之约90至约98；以及
具有从约2nm至约200nm的平均直径的第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒，其量是所述胶体溶液的按体积计从百分之约2至约10。
2.如权利要求1所述的修复组合物，其中，所述修复组合物不包含硅酮、二氧化硅或硅酸盐。
3.如权利要求1所述的修复组合物，其中，所述第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、所述第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、所述第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、以及所述第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有从约4至约60摩尔百分比的钇氧化物含量。
4.如权利要求1所述的修复组合物，其中，所述水性粘结剂包含水和选自由以下项组成的组中的粘结剂：聚(碳酸亚烷基酯)共聚物、纤维素粘结剂、聚(乙烯醇)、以及聚乙二醇。
5.如权利要求1所述的修复组合物，其中，所述水性分散剂包含聚丙烯酸铵和水。
6.如权利要求1所述的修复组合物，其中，所述氨水溶液包含氨和水，其中，所述氨的量是所述氨水溶液的按体积计从百分之约25至约50。
7.一种用于修复热障涂层的方法，其中，所述热障涂层被涂覆在部件上，并且其中，所述热障涂层具有受损区域，所述方法包括：
将修复层沉积到所述受损区域上，所述修复层包含修复组合物；以及
在从约900℃至约1400℃的温度下热处理所述修复层，以由此形成补片；
其中，所述修复组合物包含：
陶瓷组合物，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约40至约60；
胶体溶液，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约15至约25；
水性粘结剂，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约5至约15；
水性分散剂，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约4至约8；以及
氨水溶液，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约5至约10；
其中，所述陶瓷组合物包含：
具有从约250nm至约1000nm的平均直径的第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒，其量是所述陶瓷组合物的按体积计从百分之约15至约30；
具有从约2μm至约10μm的平均直径的第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒，其量是所述陶瓷组合物的按体积计从百分之约10至约25；以及
具有从约20μm至约250μm的平均直径的第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒，其量是所述陶瓷组合物的按体积计从百分之约50至约70；
并且其中，所述胶体溶液包含：
水性溶剂，其量是所述胶体溶液的按体积计从百分之约90至约98；以及
具有从约2nm至约200nm的平均直径的第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒，其量是所述胶体溶液的按体积计从百分之约2至约10。
8.如权利要求7所述的方法，进一步包括：在沉积所述修复层之后并且在热处理所述修复层之前，在从约50℃至约120℃的温度下干燥所述修复层。
9.如权利要求7所述的方法，进一步包括：在升温到热处理温度期间干燥所述修复层。
10.如权利要求7所述的方法，其中，所述热障涂层是通过等离子喷涂工艺形成的。
11.如权利要求7所述的方法，其中，所述热障涂层是通过电子束物理气相沉积工艺形成的。
12.如权利要求7所述的方法，其中，将所述修复层沉积到所述受损区域上是手动进行的。
13.如权利要求7所述的方法，其中，所述热障涂层具有从约5密耳至约25密耳的厚度。
14.如权利要求7所述的方法，其中，所述修复层具有从约5密耳至约25密耳的厚度。
15.如权利要求7所述的方法，其中，所述修复层具有与所述热障涂层基本上相同的厚度。
16.如权利要求7所述的方法，其中，所述部件被布置在燃气涡轮发动机内。
17.如权利要求7所述的方法，其中，所述修复组合物不包含硅酮、二氧化硅或硅酸盐。
18.如权利要求7所述的方法，其中，所述第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、所述第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、所述第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、以及所述第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有从约4至约60摩尔百分比的钇氧化物含量。
19.如权利要求7所述的方法，其中，所述热障涂层具有从约4摩尔百分比至约10摩尔百分比的钇氧化物含量，并且其中，所述第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、所述第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、所述第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、以及所述第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有的钇氧化物含量落在所述热障涂层的钇氧化物含量的约±1摩尔百分比范围内。
20.如权利要求7所述的方法，其中，所述热障涂层具有从约10摩尔百分比至约20摩尔百分比的钇氧化物含量，并且其中，所述第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、所述第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、所述第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、以及所述第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有的钇氧化物含量落在所述热障涂层的钇氧化物含量的约±2摩尔百分比范围内。
21.如权利要求7所述的方法，其中，所述热障涂层具有从约20摩尔百分比至约60摩尔百分比的钇氧化物含量，并且其中，所述第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、所述第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、所述第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、以及所述第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有的钇氧化物含量落在所述热障涂层的钇氧化物含量的约±5摩尔百分比范围内。
22.如权利要求7所述的方法，其中，所述水性粘结剂包含水和选自由以下项组成的组中的粘结剂：聚(碳酸亚烷基酯)共聚物、纤维素粘结剂、聚(乙烯醇)、以及聚乙二醇。
23.如权利要求7所述的方法，其中，所述水性分散剂包含聚丙烯酸铵。
24.如权利要求7所述的方法，其中，所述氨水溶液包含氨和水，其中，所述氨的量是所述氨水溶液的按体积计从百分之约25至约50。
25.一种用于修复热障涂层的方法，其中，所述热障涂层被涂覆在部件上，并且其中，所述热障涂层具有受损区域，所述方法包括：
将初始层沉积到所述受损区域上，所述初始层包含修复组合物；
在从约250℃至约600℃的温度下热处理所述初始层；
任选地，重复一次或多次将所述初始层沉积到所述受损区域上以及在从约250℃至约600℃的温度下热处理所述初始层的步骤的组合，以由此形成多个初始层；
将最终层沉积到所述初始层上或所述多个初始层上，所述最终层包含所述修复组合物；以及
在从约900℃至约1400℃的温度下同时热处理所述最终层和所述初始层以由此形成补片，或者在从约900℃至约1400℃的温度下同时热处理所述最终层和所述多个初始层以由此形成所述补片；
其中，所述修复组合物包含：
陶瓷组合物，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约40至约60；
胶体溶液，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约15至约25；
水性粘结剂，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约5至约15；
水性分散剂，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约4至约8；以及
氨水溶液，其量是所述修复组合物的按体积计从百分之约5至约10；
其中，所述陶瓷组合物包含：
具有从约250nm至约1000nm的平均直径的第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒，其量是所述陶瓷组合物的按体积计从百分之约15至约30；
具有从约2μm至约10μm的平均直径的第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒，其量是所述陶瓷组合物的按体积计从百分之约10至约25；以及
具有从约20μm至约250μm的平均直径的第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒，其量是所述陶瓷组合物的按体积计从百分之约50至约70；
其中，所述胶体溶液包含：
水性溶剂，其量是所述胶体溶液的按体积计从百分之约90至约98；以及
具有从约2nm至约200nm的平均直径的第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒，其量是所述胶体溶液的按体积计从百分之约2至约10。
26.如权利要求25所述的方法，进一步包括：在沉积所述初始层之后并且在热处理所述初始层之前，在从约50℃至约120℃的温度下干燥所述初始层。
27.如权利要求25所述的方法，进一步包括：在升温至所述初始层的热处理的温度期间干燥所述初始层。
28.如权利要求25所述的方法，进一步包括：
在沉积所述最终层之后并且在同时热处理所述最终层和所述初始层之前，在从约50℃至约120℃的温度下干燥所述最终层，或者
在沉积所述最终层之后并且在同时热处理所述最终层和所述多个初始层之前，在从约50℃至约120℃的温度下干燥所述最终层。
29.如权利要求25所述的方法，进一步包括：
在沉积所述最终层之后并且在同时热处理所述最终层和所述初始层之前，在升温至所述最终层和所述初始层的同时热处理的温度期间干燥所述最终层，或者
在沉积所述最终层之后并且在同时热处理所述最终层和所述多个初始层之前，在升温至所述最终层和所述多个初始层的同时热处理的温度期间干燥所述最终层。
30.如权利要求25所述的方法，其中，所述热障涂层是通过等离子喷涂工艺形成的。
31.如权利要求25所述的方法，其中，所述热障涂层是通过电子束物理气相沉积工艺形成的。
32.如权利要求25所述的方法，其中，将所述初始层沉积到所述受损区域上是手动进行的。
33.如权利要求25所述的方法，其中，将所述最终层沉积到所述初始层上或所述多个初始层上是手动进行的。
34.如权利要求25所述的方法，其中，所述热障涂层具有从约5密耳至约95密耳的厚度。
35.如权利要求25所述的方法，其中，所述初始层具有从约5密耳至约25密耳的厚度。
36.如权利要求25所述的方法，其中，所述最终层具有从约5密耳至约25密耳的厚度。
37.如权利要求25所述的方法，其中，所述多个初始层包括2至4个初始层。
38.如权利要求25所述的方法，其中，所述初始层与所述最终层的组合具有与所述热障涂层基本上相同的厚度。
39.如权利要求25所述的方法，其中，所述多个初始层与所述最终层的组合具有与所述热障涂层基本上相同的厚度。
40.如权利要求25所述的方法，其中，所述部件被布置在燃气涡轮发动机内。
41.如权利要求25所述的方法，其中，所述修复组合物不包含硅酮、二氧化硅或硅酸盐。
42.如权利要求25所述的方法，其中，所述第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、所述第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、所述第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、以及所述第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有从约4至约60摩尔百分比的钇氧化物含量。
43.如权利要求25所述的方法，其中，所述热障涂层具有从约4摩尔百分比至约10摩尔百分比的钇氧化物含量，并且其中，所述第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、所述第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、所述第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、以及所述第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有的钇氧化物含量落在所述热障涂层的钇氧化物含量的约±1摩尔百分比范围内。
44.如权利要求25所述的方法，其中，所述热障涂层具有从约10摩尔百分比至约20摩尔百分比的钇氧化物含量，并且其中，所述第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、所述第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、所述第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、以及所述第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有的钇氧化物含量落在所述热障涂层的钇氧化物含量的约±2摩尔百分比范围内。
45.如权利要求25所述的方法，其中，所述热障涂层具有从约20摩尔百分比至约60摩尔百分比的钇氧化物含量，并且其中，所述第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、所述第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、所述第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、以及所述第四组氧化钇稳定的氧化锆颗粒具有的钇氧化物含量落在所述热障涂层的钇氧化物含量的约±5摩尔百分比范围内。
46.如权利要求25所述的方法，其中，所述水性粘结剂包含水和选自由以下项组成的组中的粘结剂：聚(碳酸亚烷基酯)共聚物、纤维素粘结剂、聚(乙烯醇)、以及聚乙二醇。
47.如权利要求25所述的方法，其中，所述水性分散剂包含聚丙烯酸铵。
48.如权利要求25所述的方法，其中，所述氨水溶液包含氨和水，其中，所述氨的量是所述氨水溶液的按体积计从百分之约25至约50。
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