具有類金剛石碳的多層涂層的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種具有類金剛石碳的多層涂層，所述多層涂層包括：粘附基礎層，所述粘附基礎層能夠粘附到金屬基底上；以及頂面層，所述頂面層具有小于或等于約Ra0.0254μm的表面粗糙度，其中所述層中的至少一層包括類金剛石碳。
【專利說明】具有類金剛石碳的多層涂層
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種多層涂層，確切地說，涉及具有類金剛石碳的多層涂層，其能夠施加到渦輪機的壓縮機葉片上。
【背景技術】
[0002]在燃氣渦輪發動機中，壓縮機部分通常包括多個級，所述級中具有一排壓縮機葉片(也稱為“轉子葉片”或“轉子翼片”)和定子葉片(也稱為“定子翼片”)。壓縮機葉片圍繞轉子旋轉，從而向流過壓縮機的氣流中注入動能。緊接著這排壓縮機葉片的是一排定子葉片，其仍然靜止。以一起作用的方式，壓縮機葉片和定子葉片分別轉動氣流和減慢空氣速度，從而增大穿過壓縮機部分的氣流的靜壓。多級壓縮機葉片和定子葉片可以堆疊在軸流式壓縮機中，以達到所需的排氣比進氣的壓力比。壓縮機葉片和定子葉片可以這樣分別通過鳩尾榫或者根部或底部附接的方式固定到轉子輪和定子外殼上。
[0003]在運行中，由于壓縮機的旋轉速度，壓縮機葉片可能需要承受機械應力和嚴苛的運行條件。這些應力水平與其他運行條件一起可能會影響所經受的侵蝕或腐蝕級別。例如，吸入通過壓縮機部分的環境空氣可能包括可能會腐蝕和磨損壓縮機葉片和其他此類零件的成分。一些部件可能需要進一步承受基于碳氫化合物的潤滑油、含碳煙灰、污垢、生銹等的組合。
[0004]可以向產品例如壓縮機葉片施加涂層，以提供額外保護來對抗這些因素。但是，一些強韌但平滑的涂層例如類金剛石碳等可能隨著厚度的增加而經受較高的內部壓縮應力水平。
[0005]因此，替代性氟化涂層在本領域受到歡迎。
【發明內容】
[0006]在一個實施例中，公開了一種多層涂層。所述多層涂層包括:粘附基礎層，所述粘附基礎層能夠粘附到金屬基底上；以及頂面層，所述頂面層具有小于或等于約Ral μ in.的表面粗糙度，其中所述層中的至少一層包括類金剛石碳。
[0007]在另一個實施例中，公開了一種經涂布的物品。所述經涂布的物品包括:金屬基底，所述金屬基底包括外表面；以及多層涂層，所述多層涂層覆蓋所述金屬基底的所述外表面的至少一部分。所述涂層包括:粘附基礎層，所述粘附基礎層能夠粘附到金屬基底上；以及頂面層，所述頂面層具有小于或等于約Ra0.0254 μ m的表面粗糙度，其中所述層中的至少一層包括類金剛石碳。
[0008]通過以下詳細說明并結合附圖，可以更全面地理解在此所述實施例提供的這些特征和額外特征。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]附圖中示出的實施例在本質上是說明性和示例性的，并非意在限制由權利要求書限定的技術方案。結合以下附圖閱讀可以理解以下對說明性實施例的詳細說明，其中類似的結構用類似的參考數字表示，并且在附圖中:
[0010]圖1是根據本說明書中示出或描述的一個或多個實施例的位于金屬基底上的多層涂層的截面示意圖；
[0011]圖2是根據本說明書中示出或描述的一個或多個實施例的具有中間層的位于金屬基底上的多層涂層的截面示意圖；以及
[0012]圖3是根據本說明書中示出或描述的一個或多個實施例的具有多層涂層的壓縮機葉片的透視圖。
【具體實施方式】
[0013]下文將描述本發明的一個或多個具體實施例。為了提供這些實施例的簡要描述，說明書中可能不會描述實際實施中的所有特征。應了解，，在任何此類實施的開發中，如在任何工程或設計項目中均必須做出各種基于實施的特定的決定，以實現開發人員的特定目標，例如符合與系統相關以及與業務相關的限制，這可能在一實施與另一實施之間發生變化。另外，應當了解，此類開發工作可能復雜而且耗時，但對受益于本發明的本領域普通技術人員而言，這仍是設計、制造以及生產中的常規任務。
[0014]在介紹本發明的各實施例中的元件時，冠詞“一”、“一個”、“該”以及“所述”旨在表示有一個或多個這種元件。術語“包括”、“包含”和“具有”旨在表示包括性含義，且表示除了所列元件外，可能還有其他元件。
[0015]參見圖1，示出了經涂布的物品5的截面示意圖，所述經涂布的物品5至少包括金屬基底20和多層涂層10。
[0016]多層涂層10由類金剛石碳(通常也稱為“DLC”)和其他元素構成，以使其具有足以維持在金屬基底20上的附著力、有助于防腐蝕的疏水性和疏油性、有助于防止侵蝕的硬度、以及不會抑制運行期間的氣動性能的表面平滑度。多層涂層10可以大體上包括:粘附基礎層12，所述粘附基礎層12能夠粘附到金屬基底20上；以及頂面層16，所述頂面層16具有小于或等于約Ra0.0254 μ m的表面粗糙度，其中所述層中的至少一層包括類金剛石碳。在一些實施例中，多層涂層10可以進一步包括位于粘附基礎層12與頂面層16之間的一個或多個中間層14。
[0017]多層涂層10的粘附基礎層12包括多層涂層10的第一層，所述第一層在施加后立即粘附到下方的金屬基底20。金屬基底20可以包括任意類型的金屬和/或合金，例如，鐵基合金(例如，不銹鋼)、鎳基合金、鈷基合金等。
[0018]在一些實施例中，粘附基礎層12可以包括DLC。DLC是指市售的無定形碳氫化合物薄膜，其可以例如通過氣相沉積等方式形成，并且能夠提供高硬度和耐磨性并具有平滑表面。在此類實施例中，例如，DLC的厚度可以小于或等于約ΙΟμπι，或者在從約2μπι到約ΙΟμ--的范圍，或者甚至在從約5μπ?到約10 μ m的范圍。
[0019]在其他實施例中，粘附基礎層12可以包括硅。在此類實施例中，所述硅的厚度可以例如小于約0.5 μ m，或者在從0.3 μ m到約0.4 μ m的范圍，或者為約0.4 μ m。
[0020]多層涂層10的頂面層16包括多層涂層10的最外層，并且具有相對平滑的表面粗糙度。例如，頂面層16的表面粗糙度可以小于或等于約Ra0.0254 μ m (Ral μ in)，或者在從約Ra0.00254 μ m (Ra0.1 μ in)到約Ra0.0254 μ m (RaI μ in)的范圍，或者在從Ra0.00508 μ m(Ra0.2 μ in)到約 Ra0.01016 μ m(Ra0.4 μ in)的范圍，或者通常小于或等于約Ra0.0127 Um(Ra0.5 μ in)。所屬領域中的技術人員應認識到，本說明書中所述的“Ra”是指通過絕對值的算數平均確定的表面粗糙度參數。
[0021]在其他實施例中，頂面層16可以包括DLC。此類實施例可以增強耐腐蝕性和抗污性，同時仍然向整個多層涂層10提供平滑表面光潔度。例如，當粘附基礎層12如上所述包括硅時和/或當多層涂層10如將在本說明書中理解到的那樣包括一個或多個中間層時，頂面層16可以包括DLC。在此類實施例中，例如，DLC的厚度可以在從約1ym到約15μπι的范圍，或者在從約11 μ m到約13 μ m的范圍，或者為約10.5 μ m。
[0022]在其他實施例中，頂面層16可以包括碳化硅。此類實施例可以增強整個多層涂層10的耐腐蝕性。例如，當粘附基礎層12如上所述包括DLC時，頂面層16可以包括碳化硅。在此類實施例中，例如，碳化硅的厚度可以小于或等于約ΙΟμπι，或者在從約2μπι到約ΙΟμ--的范圍，或者進而在從約5μπ?到約10 μ III的范圍。
[0023]現在參見圖2，在一些實施例中，多層涂層10可以包括位于粘附基礎層12與頂面層16之間的一個或多個中間層14。一個或多個中間層14可以包括由相同類型材料構成的一層或多層，或者由多種類型材料構成的多層。
[0024]例如，在一些實施例中，一個或多個中間層14中的至少一個中間層可以包括硅、鍺、鈦、鉻、氮、氟、硫或者它們的組合。
[0025]將硅用作中間層14可以增強整個多層涂層10之間的附著力。在此類實施例中，含硅的一個或多個中間層14的厚度可以小于約0.5 μ m，或者在從約0.3 μ m到約0.4 μ m的范圍，或者為約0.4μπι。中間層14可以被不同成分、相同成分或者其組合的層包圍。例如，在一些實施例中，一個或多個中間層14可以包括硅的I個或5個層，并且可以設置在基礎粘附層12之上，其中所述基礎粘附層12本身也可以含硅。
[0026]使用硅和鍺能夠減小整個多層涂層10內的內應力。在一些實施例中，例如當硅和鍺的中間層14設置在硅的單個層之上時(例如，當粘附基礎層12含硅時)，含硅和鍺的一個或多個中間層14的厚度可以小于約0.5 μ m或者可以在從約0.2 μ m到約0.3 μ m的范圍。在此類實施例中，多層涂層10可以包括硅和鍺的I個到約3個中間層14。在一些實施例中，例如當硅和鍺的中間層14安置在硅的多個層之上時，含硅和鍺的一個或多個中間層14的厚度在從約8 μ m到約10 μ m的范圍。在此類實施例中，多層涂層10可以包括硅和鍺的I個到約5個中間層14。
[0027]在一些實施例中，一個或多個中間層14中的至少一個中間層可以包括DLC或者摻雜DLC或者的其他適當的DLC變體。摻雜DLC可以包括摻雜一種或多種其他元素例如硅和/或鍺的DLC。在一些實施例中，DLC可以摻雜氟以增強疏水性。在一些實施例中，DLC可以摻雜聚二甲硅氧烷(PDMS)以增強疏油性。
[0028]例如，在一些實施例中，一個或多個中間層14中的至少一個中間層可以包括摻雜有硅和鍺的DLC。在此類實施例中，包含摻雜有硅和鍺的DLC的一個或多個中間層14的厚度可以在從約8μπι到約10 μ m的范圍。一個或多個中間層14可以包括單個摻雜有硅和鍺的DLC層或者多個摻雜有硅和鍺的DLC層，其以彼此鄰近的方式設置、以兩層之間設置有不同中間層14的方式設置或者以這些項的組合來設置。
[0029]在一些實施例中，一個或多個中間層14中的至少一個中間層可以包括僅摻雜有硅的DLC。在此類實施例中，包含摻雜有硅的DLC的一個或多個中間層14的厚度可以在從約Ιμ--到約ΙΟμπι的范圍，或者在從約5μπι到約7μπι的范圍。一個或多個中間層14可以包括單個摻雜有硅和鍺的DLC或者多個摻雜有硅和鍺的DLC，其以彼此鄰近的方式設置、以兩層之間設置有不同中間層14的方式設置或者以這些項的組合來設置。
[0030]多層涂層10的粘附基礎層12、頂面層16和可選的一個或多個中間層14由此可以以包含不同元素和材料的各種不同組合的方式使用，從而使其性質(例如，硬度、表面粗糙度、耐侵蝕性/耐腐蝕性、疏水性、疏油性等)適用于特定應用。
[0031]在一個特定實施例中，多層涂層10可以包括DLC的粘附基礎層12以及碳化硅的頂面層16。在此類實施例中，每層的厚度可以在從約5μπ?到約ΙΟμ--的范圍。在另一個實施例中，多層涂層10可以包括DLC和碳化硅的多個交替層，使得粘附基礎層12是DLC、中間層14包括多個碳化硅層和多個DLC層并且頂面層16包括碳化硅。
[0032]在另一個特定實施例中，多層涂層10可以包括硅的粘附基礎層12，其中該層的厚度在約0.3 μ m到約0.4 μ m的范圍。第一中間層14可以包括娃和鍺且厚度在從約0.2 μ m到約0.3 μ m范圍。第二中間層14可以包括摻雜有硅和鍺的DLC且厚度在從約8 μ m到約10 μ m范圍。第三中間層14可以包括相同或相似的摻雜有硅和鍺的DLC且厚度在從約8 μ m到約ΙΟμπι范圍的,或者具有從約8μηι到約9μηι范圍的厚度。第四中間層14可以包括摻雜有硅的DLC且厚度在從約5 μ m到約7 μ m范圍的，或者具有從約5 μ m到約7 μ m范圍的厚度。最后，多層涂層10可以包括厚度在從約1ym到約12 μ m范圍的DLC的頂面層。
[0033]盡管本說明書中已描述多層涂層10的特定實施例，但是應認識到，這些是非限定性的實例并且可以存在包含額外和/或替代材料或者具有額外和/或替代分層構造的其他多層涂層10。
[0034]因此，整個多層涂層10可以包括一系列的總厚度以及各種總層數。例如，由于內應力相對于包含單個DLC層的涂層而言較低，整個多層涂層10的總厚度可以不超過約40 μ m、不超過約30 μ m或者在從約20 μ m到約30 μ m的范圍。此外，將粘附基礎層12、頂面層16以及位于兩者之間的多個中間層14計算在內，多層涂層10可以包含接近或超過至少約20個獨立層。在一些實施例中，多層涂層10可以包含其他任意數量的多個層。例如，在一些實施例中，多層涂層10可以包括至少10層或者至少15層或者至少20層或者甚至至少25層。多層涂層中的層數可以至少部分基于所需的腐蝕和侵蝕保護級別而進行選擇。每層可以按照所屬領域中的技術人員所理解的任意適當方式設置。例如，可以在從約120°C到約200°C的溫度溫度下使用各種商用沉積技術來沉積多層涂層10的各層。
[0035]作為包含本說明書中所述的材料的多個層的效果，多層涂層10可以被定制為具有用于保護下方金屬基底20的各種性質并且提供相對較平滑的表面。例如，多層涂層10可以具有從約1GPa到約30GPa的硬度來抵御外物的侵蝕。
[0036]多層涂層10還可以具有疏水性和疏油性，以幫助避免諸如水和油等流體的駐留積聚(resident buildup)。“疏水性”是指憎水材料的物理性質。“疏油性”是指憎油材料的物理性質。具體來說，對污物(例如，水和/或油)的表面能較低的表面應具有高接觸角，并且應相對于被污物濕潤的表面或者與污物的接觸角較小的表面，提供與污物之間的較小附著力。本說明書中所用的術語“接觸角”是指固體材料表面上的靜態液滴形成的角度。接觸角越大，液體與表面之間的相互作用越小。因此，如果油或其他污物與表面之間的接觸角較大，則污物難以濕潤或粘附到表面。例如，多層涂層10的接觸角可以為至少約80°、至少約92°或者至少約100°。這可以增強對諸如硫化氫、氫氟酸和鹽酸等外來污物的耐腐蝕性。
[0037]如上所述,經涂布的物品5的金屬基底20可以包括任意金屬基底20，例如燃氣渦輪機中所用的金屬基底。金屬基底20可以包括但不限于鐵基合金(例如，不銹鋼)、鎳基合金、鈷基合金等。例如，現在參見圖3，在一些實施例中，金屬基底可以包括壓縮機葉片50。壓縮機葉片50可以包括:翼片52，當所述翼片52圍繞轉子旋轉時，其將動能注入流過壓縮機的空氣；以及底部或根部53。翼片52通常包括吸入側56 ( S卩，凸面)和壓力側57( SP，凹面)。
[0038]根部53可以包括平臺54，所述平臺54是根部53的向外的徑向面，翼片52從所述平臺54延伸。平臺54可以整體連接至壓縮機葉片50的根部53。平臺54界定穿過翼片52的氣流的徑向內邊界。所屬領域中的普通技術人員將認識到，根部53進一步通常包括鳩尾榫55，所述鳩尾榫55通過轉子輪(未圖示)中的互補凹槽來連接，從而將壓縮機葉片50固定在壓縮機中的適當位置。
[0039]基底10(例如，壓縮機葉片50)可以包括多層涂層10，所述多層涂層10覆蓋外表面25的至少一部分(例如，吸入側56和/或壓力側57)以形成經涂布的物品5。經涂布的物品5的多層涂層10可以由此包括:粘附基礎層，所述粘附基礎層可以粘附到金屬基底；頂面層，所述頂面層具有小于或等于約Ra0.0254μπι的表面粗糙度，其中所述層中的至少一層如上所述包括類金剛石碳。
[0040]在金屬基底20包括壓縮機葉片50的一些實施例中，壓縮機葉片50可以包括末級壓縮機葉片50。本說明書中所用的“末級”是指渦輪機的壓縮機部分的最后一級或者最后幾級中的其中一級。由此，在此類實施例中，本說明書中所述的涂層可以提供相對較厚的涂層以獲得壓縮機葉片50的較強的侵蝕和腐蝕保護，同時仍然提供平滑表面，而不顯著影響其運行中的氣動性質。
[0041]現在應認識到，可以提供多層涂層來保護下方基底免受多種外力和環境條件的損害。含有本說明書中所述成分的多層涂層可以抵御外物的侵蝕和腐蝕，同時仍然提供平滑表面。此外，可以提供較厚的多層涂層，同時仍然包括DLC的一個或多個層。
[0042]盡管上文已結合有限數量的實施例來詳細描述本發明，但是應清楚地了解到，本發明并不限于所公開的實施例。但是，本發明可以修改以并入在此未描述的任意數量的變化、改變、替代或等效布置，但是與本發明的精神和范圍相符。此外，盡管已描述本發明的多個實施例，但是應了解，本發明的各方面可以僅包括所述的一些實施例。因此，本發明并不視作受前述說明限制，而是僅受隨附權利要求書的范圍限制。
【權利要求】
1.一種多層涂層，包括: 粘附基礎層，所述粘附基礎層能夠粘附到金屬基底；以及 頂面層，所述頂面層具有小于或等于約Ra0.0254 μ m的表面粗糙度； 其中所述層中的至少一層包括類金剛石碳。
2.根據權利要求1所述的多層涂層，其進一步包括位于所述粘附基礎層與所述頂面層之間的一個或多個中間層。
3.根據權利要求2所述的多層涂層，其中所述一個或多個中間層中的至少一個中間層選自由硅和鍺構成的群組中。
4.根據權利要求3所述的多層涂層，其中所述一個或多個中間層中的含硅或鍺的所述至少一個中間層的厚度在從約0.1 μ m到約0.5 μ m的范圍。
5.根據權利要求2所述的多層涂層，其中所述一個或多個中間層中的至少一個中間層為摻雜類金剛石碳。
6.根據權利要求5所述的多層涂層，其中所述一個或多個中間層中的含摻雜類金剛石碳的所述至少一個中間層的厚度在從約5 μ m到約10 μ m的范圍。
7.根據權利要求2所述的多層涂層，其中所述粘附基礎層包括硅。
8.根據權利要求2所述的多層涂層，其中所述頂面層包括類金剛石碳。
9.根據權利要求2所述的多層涂層，其中所述多層涂層包括至少10層。
10.根據權利要求1所述的多層涂層，其中所述粘附基礎層選自由硅和類金剛石碳構成的群組中。
11.根據權利要求1所述的多層涂層，其中所述頂面層選自由碳化硅和類金剛石碳構成的群組中。
12.根據權利要求1所述的多層涂層，其中所述層中的包括類金剛石碳的所述至少一層的厚度在從約5 μ m到約10 μ m的范圍。
13.根據權利要求1所述的多層涂層，其中所述多層涂層的厚度為至少約20μ m。
14.根據權利要求1所述的多層涂層，其中所述多層涂層的硬度為至少約lOGPa。
15.一種經涂布的物品，包括: 金屬基底，所述金屬基底包括外表面；以及 多層涂層，所述多層涂層覆蓋所述金屬基底的所述外表面的至少一部分，其中所述涂層包括: 粘附基礎層，所述粘附基礎層能夠粘附到金屬基底； 頂面層，所述頂面層具有小于或等于約Ra0.0254 μ m的表面粗糙度；以及 其中所述層中的至少一層包括類金剛石碳。
16.根據權利要求15所述的經涂布的物品，其中所述金屬基底包括用于渦輪機的壓縮機葉片。
17.根據權利要求16所述的經涂布的物品，其中所述壓縮機葉片是末級壓縮機葉片。
18.根據權利要求15所述的經涂布的物品，其進一步包括位于所述粘附基礎層與所述頂面層之間的一個或多個中間層。
19.根據權利要求18所述的經涂布的物品，其中所述一個或多個中間層中的至少一個中間層選自由硅、鍺、鈦、鉻、氮、氟、硫和摻雜類金剛石碳構成的群組中。
20.根據權利要求15所述的經涂布的物品，其中所述層中的包括類金剛石碳的所述至少一層的厚度在從約5 μ m到約10 μ m的范圍。
【文檔編號】B32B33/00GK104275864SQ201410305693
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年6月30日 優先權日:2013年7月1日
【發明者】K.M.克里什納, P.帕拉卡拉, S.S.帕布拉, K.阿南德 申請人:通用電氣公司