本發明涉及形成具有孔隙構造的熱障涂層。特別地，本發明涉及激光加熱設置于陶瓷材料中的易消散材料以制造具有孔隙構造的熱障涂層的增材制造工藝。

背景技術：

增材制造工藝廣泛用于自金屬粉末、聚合物粉末和陶瓷粉末生產三維部件，該工藝通過熔合所述粉末以形成層，并重復該工藝以形成額外的層直到部件完成。使用粉末床以在加工期間支持構件并為額外的層提供粉末。雖然該工藝使部件的逐層建立成為可能，然而該工藝非常緩慢且材料特性不能利用其他工藝可能的方式例如當使用熔化池時而調節。這對例如用于熱障涂層(tbc)中的陶瓷尤其如此。

熱障涂層已用于第一和第二排渦輪葉片以及暴露于工業燃氣輪機的熱氣通道的燃燒器構件。在該環境中，tbc廣泛用于熱部并為其提供熱機械沖擊防護、高溫氧化防護，尤其是熱腐蝕降解防護。

熱噴涂(例如等離子噴涂)為用于生產用于保護材料免受大范圍的不利環境、機械以及熱條件以及用于產生功能表面的涂覆涂層(例如tbc)的許多方法之一。在該工藝中通過連續碰撞和朝向表面的原材料的熔融顆粒中的內鍵合形成沉積。這些涂層的顆粒被原材料的特征和工藝參數所限定。這使得能夠形成具有大范圍的不同微結構的涂層，其進而改變各涂覆涂層的功能和性能。然而隨著該工藝相關的快速凝固，涂層孔隙度的控制取決于大量參數，包括噴涂環境、等離子噴涂參數(例如功率水平、氣流特征、噴涂距離等)、以及原料特征(例如形態和粒徑分布)。

通過tbc使得能夠增加燒成溫度以及降低泄露通道容限二者正引起對tbc更大的依賴，以及因此對改善性能的需求。因此，本領域中依然存在改善空間。

技術實現要素：

本發明涉及以下內容。

1.一種方法，包括：

激光加熱設置于陶瓷材料(16)中的熱源材料(18)；以及

使用通過所述激光加熱在所述熱源材料中產生的熱能燒結所述陶瓷材料，以形成包含由所述熱源材料引起的非一致結構(40)的燒結陶瓷(32)。

2.根據1所述的方法，還包括使用對用于激光加熱所述熱源材料的激光束(12)透明或半透明的陶瓷材料。

3.根據2所述的方法，還包括在激光加熱所述熱源材料時使所述激光束穿過所述陶瓷材料。

4.根據1所述的方法，其中所述燒結陶瓷限定包含多個層(14)的陶瓷涂層(50)，所述方法還包括通過對每個層重復所述激光加熱和燒結步驟形成所述多個層，作為增材制造工藝的一部分。

5.根據4所述的方法，其中所述熱源材料包括易消散材料(34)，所述方法還包括在所述激光加熱和燒結步驟期間使所述易消散材料至少部分地揮發。

6.根據5所述的方法，其中所述非一致結構在所述陶瓷涂層的上部(52)形成相對較大的孔隙度，以及在所述陶瓷涂層的下部(54)形成相對較小的孔隙度。

7.根據5所述的方法，其中所述非一致結構形成跨越所述多個層的孔隙構造(58)。

8.一種方法，包括：

使用激光加熱工藝以在易消散材料中產生熱能；以及

使用所述熱能燒結圍繞所述易消散材料的陶瓷材料并使所述易消散材料揮發，從而在燒結陶瓷中形成空隙(42)。

9.根據8所述的方法，還包括使所述易消散材料完全浸沒于所述陶瓷材料中；以及將在所述激光加熱工藝中使用的激光束引導穿過透明或半透明陶瓷材料。

10.根據8所述的方法，其中所述燒結陶瓷是作為增材制造工藝的多個重復的一個重復形成的，所述方法還包括通過所述增材制造工藝形成包含多個燒結陶瓷的陶瓷涂層；以及形成包含孔隙構造的涂層，所述孔隙構造在上部區域中包含空隙并且在下部區域中包含微裂紋(60)和宏觀裂紋中至少之一、以及不同空隙。

附圖說明

在結合附圖的以下說明書中解釋本發明，所述附圖顯示：

圖1示出形成具有非一致結構的燒結陶瓷層的工藝的一個示例性實施方案。

圖2為通過圖1的工藝形成的燒結陶瓷的一個示例性實施方案的側視圖。

圖3示出形成具有非一致結構的燒結陶瓷層的工藝的一個替代示例性實施方案。

圖4為通過圖3的工藝形成的燒結陶瓷的一個替代示例性實施方案的側視圖。

圖5至圖8為具有多層燒結陶瓷和各自孔隙構造的熱障涂層的各種示例性實施方案的側視圖。

具體實施方式

本發明人已開發出獨特且創新的產生具有提高的功能和性能的經改善的熱障涂層(tbc)的方法。tbc中使用的許多陶瓷材料為對激光加熱工藝中通常使用的激光透明或半透明的。該固有特性已阻止使用常規選擇性激光熔化(slm)和選擇性激光燒結(sls)工藝形成tbc，因為激光束將只是穿過陶瓷材料。本文公開的方法通過在陶瓷材料中放置熱源材料而利用陶瓷的透明或半透明性質。使用能量束(例如激光束)照射熱源材料并在其中產生熱。熱源材料吸收激光能量且被加熱直到產生足夠的熱以燒結相鄰的陶瓷材料。熱源材料以足夠的量和分布分散，以使熱源材料中產生的熱足夠燒結其中設置有熱源材料的整個體積。

陶瓷材料的實例體積為陶瓷材料層。在這樣的一個示例性實施方案中，其中帶有熱源材料的陶瓷材料層可被加工以形成燒結層。在增材制造工藝中，其它層可在其上重復地形成以形成其中由熱源材料造成非一致結構的tbc。在一個示例性實施方案中，熱源材料為易消散材料，其在該層的激光加工期間可部分地或完全地揮發。在此情況下，非一致結構可包括在易消散材料揮發處的隨機或圖案化的空隙。或者，易消散材料的一些或全部在該層的激光加工期間可能不揮發，在此情況下，余留的易消散材料可在其間用于另一目的或在完全揮發之前作為運行的燃氣渦輪發動機中構件的一部分。

在圖1中，激光器10向包括陶瓷材料16的層14引導激光束12。陶瓷材料16可包括例如釔、鐿、釓、鑭、鋁、硅和鋯且可為例如粉末形式。適合加工合金粉末的常規選擇性激光燒結(sls)或選擇性激光熔化(slm)機器可產生具有以控制熔化槽特性的工作參數的激光。工作參數包括工作頻率(例如1024納米至1064納米)、以及光斑尺寸等。然而，陶瓷材料16對常規sls/slm激光束至少為半透明的和可整體透明的。該特性妨礙了在常規工藝中陶瓷的激光燒結和激光熔化。

創新地，在本文所公開的工藝中，依靠該特性以允許激光束12穿過陶瓷材料16以使激光束12可到達熱源材料18。熱源材料18為至少部分地浸沒在陶瓷材料16中的。如所示，熱源材料18為完全浸沒的。在層14中上述情況的二者擇一或二者都是可接受的。如果熱源材料18為完全浸沒的，在最終加工之后，層14的表面20將為相對平滑的。如果熱源材料18為部分浸沒的，那么在最終加工之后層14的表面20的平滑可相對較差。

激光束12指向熱源材料18，加熱熱源材料18。熱源材料18選擇為使得其可被激光束12加熱至足以將相鄰的陶瓷材料30燒結成燒結陶瓷32的溫度和時間。熱源材料18以足以燒結陶瓷材料16的整個層14的密度和體積分散在整個層14中。這里可以看出，激光束12已預先加熱熱源材料18以在加工熱源材料18附近產生燒結陶瓷32，而未加工熱源材料18(或在加工開始階段的熱源材料18)附近的陶瓷材料16仍為未燒結的。

因此，一旦全部熱源材料18通過激光束12加工，則全部陶瓷材料16被燒結，從而形成燒結陶瓷層。在透明陶瓷材料16的情況下，陶瓷材料16從激光束12吸收可忽略量的能量，且熱源材料18基本上為對陶瓷材料16的唯一熱源。在透明材料的情況下，來自激光束12的一些能量還可被陶瓷材料16直接吸收。

與其中沒有熱源材料18而燒結的陶瓷層的形態相比時，熱源材料18的存在形成層14的形態上的非一致結構40。熱源材料18可為在激光加工期間至少部分揮發的易消散(fugitive)材料34。易消散材料特別地可為容易燃燒且能夠使熱傳輸至周圍陶瓷顆粒的任何材料。示例性材料包括聚酯、石墨或聚甲基丙烯酸甲酯。在該示例性實施方案中，易消散材料34完全揮發，在燒結陶瓷32中留下空隙42?？障?2成通常與易消散材料34的形狀相一致的形狀。因此，在易消散材料34與陶瓷粉末相比時為相對大且離散的體時，在層14內空隙42同樣地為相對大且離散的。

圖2為通過圖1的工藝形成的層14的示意性側視圖，層14由其中具有空隙42的燒結陶瓷32構成?？障?2降低燒結陶瓷32的密度且因此提高燒結陶瓷的孔隙度。這樣，可以控制并從而調節燒結陶瓷32的孔隙度的量和分布。圖2中示出的層14可為增材制造工藝中制造的一層，其中對其重復加工額外層(未示出)直到達到所需數量的層且形成熱障涂層(tbc)(未示出)。

或者，熱源材料18可根本不揮發，留下所示剩余材料36用于非一致結構40之一。在另一個替代示例性實施方案中，易消散材料34可以僅部分揮發，留下與其經預加工的體積相比體積減少的剩余材料。在仍另一個示例性實施方案中，一些熱源材料18可以是易消散的，而一些可以不是，且可存在具有易消散材料34和非易消散材料二者的復合熱源材料18?？善谕Ｓ嗖牧?6在燃氣渦輪發動機運行期間揮發，或可期望殘存。可依靠任何剩余材料36以在燃氣渦輪發動機中的加工期間和/或操作期間表現額外的功能。例如，剩余材料36可為標記材料且可設置在燒結陶瓷中以使其在tbc中更深處更密集。可監測來自燃氣渦輪發動機的廢氣用于該標記材料，且可評價tbc的磨損量。

圖3示出形成具有非一致結構40的燒結陶瓷32的層14的工藝的一個替代示例性實施方案。此處熱源材料28以及陶瓷材料16為粉末形式。隨著激光束12加工層14，其形成具有更精細非一致結構40的燒結陶瓷32。在圖4中可以看出，一旦被激光束12完全加工，則層14由與圖2中示出的孔隙度的形態相比時具有相對均勻孔隙度的燒結陶瓷32構成。因此，圖2和圖4中的層14可具有相同量的孔隙度，但形態可完全不同?；蛘?，孔隙度的量也可不同。

孔隙度影響熱導率、應變容限、阻尼摩擦/內摩擦，尤其是耐磨度，并因此控制層14內孔隙度的能力，加上通過如本文公開的增材制造工藝以逐層方式形成tbc的能力，使形成具有局部變化的功能性的tbc成為可能。圖5公開了具有通過增材制造工藝形成的多層14的tbc涂層50的一個示例性實施方案。上部區域52顯示第一相對更多多孔性形態且下部區域54顯示第二相對更少多孔性形態。第一相對更多多孔性形態可為例如百分之八至百分之十二孔隙度，其對耐磨度和更低的熱導率來說更佳。第二相對更少多孔性形態對粘合性和應變容限來說更佳。還可看出，層的厚度56可在工藝限制內隨要求而改變，以使要求的加工速度與被加工層的多孔性等相匹配。不同的孔隙度形態一起限定非常適合將tbc粘合至下部區域54上的基底且使用上部區域52作為部件例如燃氣渦輪發動機中葉片末端處的間隙控制布置的孔隙構造58。

圖6公開了具有通過增材制造工藝形成的多層14的tbc涂層50的一個替代示例性實施方案。上部區域52再次顯示第一相對更多多孔形態且下部區域54顯示第二相對更少多孔形態。上部區域52再次可顯示例如相同的百分之八至百分之十二的孔隙度，但具有不同的形態。同樣地，下部區域54再次可顯示如圖5中相同的孔隙度，但具有包括垂直微裂紋60的不同形態。微裂紋或宏觀裂紋可通過例如在形成過程期間氧化鋯釋放應力而形成。與作為常規等離子噴涂工藝建立的用于密集垂直裂紋結構的工藝相似，這將需要對陶瓷熱加熱的適當控制。

圖7公開了具有通過增材制造工藝形成的多層14的涂層50的一個替代示例性實施方案。在該示例性實施方案中，熱源材料為預成型體62，其可為分區的且各區64應用于各自的層14中。一個預成型體62示出為剩余材料36以幫助理解。隨著層14的建立，非一致結構40以組裝形式呈預成型體62的形狀。因此，所產生的非一致結構可作為連續非一致結構跨越多層14。如果移除熱源材料18，則所得孔隙構造58同樣跨越多層14。該高度控制使層14內以及逐層的局部調節成為可能，以實現多種復雜孔隙構造58。這進而使大量控制tbc涂層的局部功能性成為可能。

圖8公開了具有通過增材制造工藝形成的具有多層14的tbc涂層50的一個替代示例性實施方案。在該示例性實施方案中，熱源材料為預成型體62，其可為分區的且各區64應用于各自的層14中，一個區64示出為剩余材料36以幫助理解。在該示例性實施方案中，可以看出沒有一個區、一個、或多于一個區64可為剩余材料36。因此，剩余材料36可為依需要側向或垂直地圖案化的。在該示例性實施方案中，可以看出所得的非一致結構40以更復雜的通道穿過tbc涂層50，且僅代表許多可能的幾何結構之一。因此，當所用的熱源材料18為易消散材料34時，所得的孔隙構造58可同等地復雜。還可見的為對于tbc涂層50的表面68比別處相對更大的寬度66，這表明額外的設計自由度。

從前述可以看出，本發明人已設計出逐層產生增材的創新且獨特的方法-增材制造工藝。所述tbc可在每層內以及逐層進行局部調節，以實現為期望局部功能性調節的期望的孔隙構造。所公開的方法使能夠使用常規設備以非常規方式進行本工藝，且從而低成本實施。因此，這代表本領域的改進。

雖然本文已示出且描述了本發明的多個實施方案，顯然這種實施方案僅以示例的方式提供?？蛇M行多種變化、改變以及替代而不背離本發明。因此，應當指出本發明僅被附屬權利要求的精神和范圍限制。