[發(fā)明專利]具有低熱容量和低熱導率的熱阻擋材料和涂層

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201480051177.2
• 申請日: 2014-09-20
• 公開（公告）號: CN105556001B
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 托拜厄斯·舍德勒;亞當·格羅斯;安德魯·諾瓦克;約翰·馬丁;喬安娜·科羅德茲杰斯卡
• 申請（專利權(quán)）人: HRL實驗室有限責任公司
• 主分類號: C23C26/00
• 分類號: C23C26/00
• 代理公司: 北京安信方達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11262
• 代理人: 高瑜,鄭霞

優(yōu)先權(quán)日

本國際專利申請要求于2013年9月20日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/880,247以及2014年9月19日提交的美國專利申請?zhí)?4/491,974的優(yōu)先權(quán)，其中每一個特此通過引用結(jié)合在此。

發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明總體上涉及熱阻擋材料和涂層。

發(fā)明背景

熱阻擋涂層是非常先進的材料系統(tǒng)，這些系統(tǒng)通常應用于在升高的溫度下作為排氣熱管理的形式操作的金屬表面，如燃氣渦輪機或航空發(fā)動機零件。這些涂層通過利用隔熱材料用來使部件與大且延長的熱負荷隔絕，這些隔熱材料可以維持在承載合金與該涂層表面之間的可感知的溫差。在這樣做時，這些涂層可以允許更高的操作溫度同時限制結(jié)構(gòu)部件的熱暴露、從而通過減少氧化和熱疲勞來延長部件壽命。

在某些商業(yè)應用中，具有低熱導率和低熱容量、而滿足在重復的溫度循環(huán)過程中高溫能力和結(jié)構(gòu)完整性以及操作應力和機械負荷的要求的材料是所希望的。當熱保護是必要的時或當熱損失是所不希望的時，具有低熱導率的材料是使人感興趣的。具有低熱容量的材料對于其中遭遇溫度擺動并且當該絕緣材料應該不顯著地影響該溫度擺動時的應用是使人感興趣的。

在內(nèi)燃機中，使熱燃氣與冷的、水冷式發(fā)動機組隔絕的材料是所希望的以避免通過將熱從該燃氣轉(zhuǎn)移至冷卻水的能量損失。同時，在該進氣周期過程中，該絕緣材料應該迅速地冷卻以便在點火之前不加熱燃料-空氣混合物從而避免爆震。參見Kosaka等人，“用于絕熱涂層的溫度擺動絕熱在燃燒室壁中的概念以及適當?shù)臒嵛锢硇再|(zhì)(Concept of Temperature Swing Heat Insulation in Combustion Chamber Walls and Appropriate Thermophysical Properties for Heat Insulation Coat)”，發(fā)動機的SAE國際期刊(SAE Int.J.Engines)，第6卷，第1期，第142頁(2013)。對于此類應用，低的熱導率和低的熱容量是要求的。此外，低的熱導率僅在高溫下要求；在低溫下，較高的熱導率是有益的。

現(xiàn)有的實踐利用陶瓷熱阻擋涂層(TBC)，典型地7wt％的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯。TBC具有非常低的熱導率(在室溫下0.8-1.6W/m·K)，但是相對高的熱容量(在室溫下2000-2300kJ/m³·K)。由沉積方法創(chuàng)造的10％-20％的孔隙率或者在用于等離子體噴灑的涂層的不同的“濺射點(splat)”之間是任意的或用于電子束蒸汽沉積的涂層是“似羽毛的”，如在Clarke和Levi，“用于下一代熱阻擋涂層的材料設(shè)計(Materials Design for the next Generation Thermal Barrier Coatings)”中解釋的，材料研究年度綜述33(Annu.Rev.Mater.Res.33)第383-417頁(2003)。這兩種類型多孔架構(gòu)對于結(jié)構(gòu)完整性是有害的，并且易碎的陶瓷材料引起低的損傷耐受性。另一個缺點是這兩種多孔架構(gòu)是相當開放的并且來自外部的氣體可進入很多這些孔并且甚至下面的基底。

用于熱阻擋材料的其他現(xiàn)有技術(shù)包括用于空間應用的熱保護系統(tǒng)(如用于航天飛機的貼片(tile))。航天飛機貼片展示了低的熱導率和低的熱容量，但是這些材料被設(shè)計用于極端溫度(大于1300℃)并且具有差的機械特性(小于0.5MPa的壓碎強度)。它們經(jīng)常在一次飛行之后由于形狀變化不能夠重新使用。這些貼片是開放的多孔結(jié)構(gòu)并且吸收顯著量的水，這增加了質(zhì)量并且導致當在暴露于高溫過程中水汽化時的損害。

鑒于現(xiàn)有技術(shù)，需要的是一種熱阻擋材料，該材料具有低的熱容量以及低的熱導率，而同時高的結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)健性。此類熱阻擋材料優(yōu)選地適合于涂層并且適合于整體式(bulk)(獨立式)材料和零件兩者。良好的性能甚至在薄涂層中是所希望的。

本發(fā)明的概述

本發(fā)明解決本領(lǐng)域中的上述需求，如現(xiàn)在將進行概述的以及然后在下文中詳細地進一步加以描述的。

在一些變型中，本發(fā)明提供了一種涂層，該涂層包含燒結(jié)或膠合在一起和/或嵌入在一種基質(zhì)中的含金屬球體，其中該涂層具有至少60％的空隙體積分數(shù)和閉口氣孔率，其中該涂層具有從約50微米至約500微米的涂層厚度，并且其中這些金屬球體具有該涂層厚度的從約5％至約30％的平均直徑。

在一些實施例中，該平均直徑是該涂層厚度的從約10％至約25％。這解釋為這些金屬球體具有比該涂層厚度小4-10倍的平均直徑。