專利名稱：鎢青銅結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用以及具有熱障涂層的渦輪部件的制作方法
鎢青銅結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用以及具有熱障涂層的渦輪部件 本發(fā)明涉及鵠青銅結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用以及具有熱障涂層的渦輪部件。
熱障涂層(TBC)體系已被普遍應(yīng)用在第一和第二排渦輪葉片以及暴 露于燃?xì)鉁u輪熱氣通路的燃燒室部件上。通常，氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯隔 熱涂層被廣泛施加于高溫段，提供對熱機(jī)械沖擊、高溫氧化和熱腐蝕破 壞的防護(hù)。
雖然提供TBC的主要目的最初是延長涂覆部件的壽命，但先進(jìn)的燃
氣渦輪卻越來越多地利用TBC來提高燃?xì)鉁u輪的效率和功率輸出。提高 效率和功率輸出的一種手段是減少熱氣通路中的部件的冷卻空氣消耗
量，即使那些部件能夠在更高溫度下工作。對更高燃燒溫度和減少的冷 卻流的追求產(chǎn)生了對具有更高溫度、穩(wěn)定性和更好隔熱性的先進(jìn)TBC的 不斷需求，以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)燃?xì)鉁u輪的長期效率和性能目標(biāo)。
目前的TBC往往包括雙層體系外隔離陶瓷層和其下直接沉積在金 屬部件表面上的抗氧化金屬層(粘合層)。粘合層提供陶資涂層與基材之 間的物理和化學(xué)連接，并通過形成生長遲緩的粘合保護(hù)性氧化鋁皮而起 到耐氧化劑和耐腐蝕劑的作用。頂端的陶瓷層通過a)提高的發(fā)動機(jī)工作 溫度、b)金屬部件在經(jīng)受高溫和應(yīng)力時延長的壽命和c)金屬部件減少的 冷卻需求而提供了在性能、效率和耐久性方面的好處。根據(jù)陶瓷層的厚 度和穿過厚度的熱通量，可將基材溫度降低幾百度。
TBC的發(fā)展和被人接受與加工技術(shù)息息相關(guān)在這一點(diǎn)上，陶乾面 層目前是采用空氣等離子體噴涂(APS)或電子束物理氣相沉積(EB-PVD) 工藝沉積的。盡管兩種涂層具有相同的化學(xué)組成，但它們的顯微結(jié)構(gòu)從 根本上彼此不同，它們的絕熱特性和性能也彼此不同。
工作溫度的期望升高在很大程度上應(yīng)歸功于陶瓷TBC體系的出眾 耐溫性連同其由于低熱導(dǎo)率而產(chǎn)生的出色的絕熱特性。TBC的纟色熱的改 善可通過增大TBC厚度、改進(jìn)TBC顯微結(jié)構(gòu)(例如孔隙度)或使用具有更 低整體導(dǎo)熱率的材料來實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的目的在于提供一種允許更高操作溫度的渦輪部件。本發(fā)明 的另 一個目的在于尋求一類新的潛在的TBC材料組合物。
第一個目的通過根據(jù)權(quán)利要求l所述的渦輪部件得以實(shí)現(xiàn)。第二個目的通過如權(quán)利要求12中所要求保護(hù)的鴒青銅結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用而得以 實(shí)現(xiàn)。從屬權(quán)利要求限定了本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)。
本發(fā)明的渦輪部件包括熱障涂層。所述熱障涂層包括鴒青銅結(jié)構(gòu)陶 瓷涂層材料。
本發(fā)明提出了通過使用具有更低整體導(dǎo)熱率的鎢青銅結(jié)構(gòu)陶瓷涂
層材料來改善TBC的絕熱。 一般這些結(jié)構(gòu)具有出色的熱、物理和機(jī)械性 能。大的復(fù)雜晶胞與強(qiáng)各向異性的原子鍵的結(jié)合再加上高原子量，使它 們成為了更低熱導(dǎo)率的理想選擇對象。除了熱-機(jī)械性能之外，該新的 TBC還顯示出在工作溫度范圍內(nèi)出色的相穩(wěn)定性和在渦輪段的極端環(huán) 境下提高的抗燒結(jié)性。此外，它們還與傳統(tǒng)的或新的粘合層以及超級合 金材料相容。
所述鎮(zhèn)青銅結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料具有通式A〇-BvOw-CyOz,其中O代表 氧，A代表2+或l +陽離子，B代表2+或3+陽離子，C代表4+或5+陽離子。 在此通式所描述的材料中，氧化物的特性取決于A、 B和C離子的性質(zhì)以 及所述離子的價態(tài)。隨著A、 B或C離子的替換，可以產(chǎn)生或抑制結(jié)構(gòu)中 的氧空位，由此改變材料的整體性質(zhì)。
在所述通式中，A可以選自由Ba(鋇)、Mg(鎂)、Ca(鈣)、Sr(鍶)、Li(鋰)、 Na(鈉)和K(鉀)構(gòu)成的組中的元素，或者可以是所述元素的混合物。B可 以選自由稀土鑭系元素、Co(鈷)、Mn(錳)、Sc(鈧)、Y(釔)、Al(鋁)、Ga(鎵) 和In(銦)構(gòu)成的組中的元素，或者可以是所述元素的混合物。C可以選自 由Ti(鈦)、Zr(鋯)、Hf(鉿)、Ce(鈰)、Th(釷)、Nb(鈮)和Ta(鉭)構(gòu)成的組中 的元素，或者可以是所述元素的混合物。
一種特別適合用作鴒青銅結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料的材料由通式 BaO-RE203-xTi02表示，其中RE代表稀土鑭系元素陽離子。x的值可在2 到5之間，且包括2和5。特別地，所述稀土鑭系元素陽離子可以為釹(Nd), 由此所述鵠青銅結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料可以由化學(xué)式BaNd2丁i40i2表示。
對于BaO-RE203-xTi02,可以向Ba和/或RE和/或Ti中添加一或多種 摻雜物以通過產(chǎn)生晶格缺陷來改善鎢青銅結(jié)構(gòu)陶瓷的整體性質(zhì)。Ba的適 合摻雜物有例如Mg、 Ca、 Sr、 Li、 Na和K。 RE的適合摻雜物有例如其它 稀土鑭系元素、Co、 Mn、 Sc、 Y、 Al、 Ga和In。 Ti的適合摻雜物有例如 Zr、 Hf、 Ce、 Th、 Nb和Ta。
本發(fā)明的渦輪部件可進(jìn) 一 步包括位于所述鵠青銅結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料之下的抗氧化金屬層。適合的抗氧化金屬層有例如MCrAlX層，其中 M選自Fe(鐵)、Co(鈷)、Ni(鎳)，Y代表選自Y(釔)、Si(珪)、Hf(鉿)和稀土 元素的至少一種元素。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，指出了鎢青銅結(jié)構(gòu)陶瓷材料的一種新應(yīng) 用。所述材料被用作熱障涂層。本發(fā)明所基于的想法是利用具有鎢青銅 結(jié)構(gòu)的作為極低K材料的低損耗微波陶瓷的有利內(nèi)在性質(zhì)和改善這些陶 瓷的整體性質(zhì)。
改善整體性質(zhì)可通過多價陽離子的離子取代來實(shí)現(xiàn)，由此提供熱導(dǎo) 率的進(jìn)一步降低以及抗燒結(jié)性的提高。因此，所用鴒青銅結(jié)構(gòu)陶資涂層 材料可以具有通式AO-BvOw-CyOz,其中O代表氧，A代表2+或l +陽離子， B代表2+或3+陽離子，C代表4+或5+陽離子。A可以選自由Ba(鋇)、 Mg(鎂)、Ca(《丐)、Sr(鍶)、Li(鋰)、Na(鈉)和K(鉀)構(gòu)成的組中的元素，或 者是所述元素的混合物。B可以選自由稀土鑭系元素、Co(鈷)、Mn(錳)、 Sc(鈧)、Y(釔)、Al(鋁)、Ga(鎵)和In(銦)構(gòu)成的組中的元素，或者是所述 元素的混合物。C可以選自由Ti(鈦)、Zr(鋯)、Hf(鉿)、Ce(鈰)、Th(釷)、 Nb(鈮)和Ta(鉭)構(gòu)成的組中的元素，或者是所述元素的混合物。
特別有利的鎢青銅結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料由通式BaO-RE203-xTi02表 示，其中RE代表稀土鑭系元素陽離子。x的值可在2到5之間，且包括2 和5。特別地，所用鴒青銅結(jié)構(gòu)陶資涂層材料可以為BaNd2Ti4Ch2。
對于BaO-RE203-xTi02,可以向Ba和/或RE和/或Ti中添加一或多種 摻雜物以通過產(chǎn)生晶格缺陷來改善鴒青銅結(jié)構(gòu)陶瓷的整體性質(zhì)。Ba的適 合摻雜物有例如Mg、 Ca、 Sr、 U、 Na和K。 RE的適合摻雜物有例如其它 稀土鑭系元素、Co、 Mn、 Sc、 Y、 Al、 Ga和In。 Ti的適合摻雜物有例如 Zr、 Hf、 Ce、 Th、 Nb和Ta。
TBC的絕熱的改善以及更高的溫度穩(wěn)定性將使得可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)燃 氣渦輪的長期效率和性能目標(biāo)，提供一種經(jīng)濟(jì)合算、高效和合乎環(huán)境要 求的發(fā)電技術(shù)方案。
由對本發(fā)明實(shí)施方案的以下詳細(xì)說明連同附圖，將可清楚看出其它 特征、特性和優(yōu)點(diǎn)。
其中
圖l顯示了BaNd2Ti40u組合物的熱傳導(dǎo)率和擴(kuò)散率隨溫度的變化， 圖2顯示了燃?xì)鉁u輪，
6圖3顯示了渦輪葉片，和
圖4顯示了燃燒室。
如上所述，本發(fā)明提出了通過使用具有更低整體導(dǎo)熱率的鵠青銅結(jié)
構(gòu)陶瓷涂層材料來改善TBC的隔熱。那些材料具有通式AO-BvOw-CyOz, 所述氧化物的特性取決于A、 B和C離子的性質(zhì)以及所述離子的價態(tài)。隨 著A、 B或C離子的替換，可以產(chǎn)生或抑制結(jié)構(gòu)中的氧空位，由此改變材 料的整體性質(zhì)。
用于本發(fā)明的 一 種典型的鎢青銅結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料是 BaO-RE203-xTi02(x=2-5),其中RE代表稀土鑭系元素陽離子，即從La(鑭) 直到Lu(镥)， 一般為La(鑭)、Nd(釹)、Gd(禮)、Sm(釤)等，的陽離子。換 句話說，對于所述通式，在此實(shí)施例中，A被Ba代替，B被RE代替，C 被Ti代替。
這些陶資的特性強(qiáng)烈取決于它們的晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)計(jì)量和面組成。 例如BaO-RE203-xTi02的晶體結(jié)構(gòu)會隨著變化的Ti02含量而改變。x二4和 5時的化合物，例如BaRETU和BaRETi5,顯示具有幾個傾4牛的氧八面體 (類似于復(fù)雜的鈣鈦礦結(jié)構(gòu))和被重離子如鋇和稀土離子部分占據(jù)的不同 種類空位的結(jié)構(gòu)。相比之下，具有較低Ti含量(例如x二2和3)的化合物 的晶體結(jié)構(gòu)顯示對準(zhǔn)的帶有中間鋇層的氧八面體層。
用2+或l +陽離子部分或完全取代A位置將由于體系中原子更雜亂而 導(dǎo)致聲子散射增大(例如用較小的2 +陽離子或1 +陽離子代替大的鋇離 子)。所述2+陽離子可以包括Mg、 Ca、 Sr等。所述l +陽離子可以包括Li、 Na、 K等。部分取代可以例如通過摻雜實(shí)現(xiàn)。
B位置一般代表稀土鑭系元素陽離子La到Lu,通常為La、 Nd、 Gd、 Sm、 Dy、 Er等。用2+或3+陽離子部分或完全取代B位置將由于體系中原 子更雜亂和空位濃度升高而導(dǎo)致聲子散射增大。所述2+陽離子可以包括 Co、 Mn等，所述3+陽離子可以包"^同族的鑭系元素陽離子或Sc、 Y、 Al、 Ga和In之一。部分取代可以例如通過摻雜實(shí)現(xiàn)。
在這里，C位置一般為Ti4+。不過，用4+或5+陽離子部分或完全取 代C位置將由于體系中原子更雜亂和空位濃度升高而導(dǎo)致聲子散射增 大。所述4+陽離子可以包括Zr、 Hf、 Ce和Th,所述5+陽離子可以包括 Nb或Ta。部分取代可以例如通過摻雜實(shí)現(xiàn)。
隨著更高空位濃度的形成，空位對或簇的形成可能導(dǎo)致"原子級多孔性"。從文獻(xiàn)中已知，納米孔的形成可能導(dǎo)致電導(dǎo)率的顯著減小。原 子級多孔性可進(jìn)一步促進(jìn)此減小。另一優(yōu)點(diǎn)是簇的擴(kuò)散系數(shù)的減小，從 而提高材料的固有抗燒結(jié)性。
通過通式中元素的 一或多種取代可以獲得所述體系的許多組合。
TBC的最終選擇將基于整體性質(zhì)的最優(yōu)組合以及沉積涂層的工藝性能。
本發(fā)明中提出的用作熱障涂層的材料已經(jīng)被廣泛用作具有極低的 電容率熱系數(shù)(TC ￡ )和高品質(zhì)因數(shù)(Q-因數(shù))的高介電微波陶瓷。上述化 合物合乎通過Clarke的半經(jīng)典熱導(dǎo)率才莫型(如C. Levi, Solid state and material science, 2004中所述)為低K TBC化合物建立的選擇定律。 一般這 些結(jié)構(gòu)具有出色的熱、物理和機(jī)械性能。
作為上述鎢青銅結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料的 一個具體實(shí)施例，制備了組合 物BaNd2Ti40u的試樣并測試了其熱導(dǎo)率和擴(kuò)散率隨溫度的變化。測量結(jié) 果繪制在圖l中。

圖1所繪的溫度為從0。C直到120(TC。結(jié)果被顯示在圖l 中。從圖中可以看出，在繪制的整個溫度范圍內(nèi)以瓦特/m和絕對溫度計(jì) 量的熱傳導(dǎo)率都低于3W/(mK)。此外，隨著溫度的升高熱傳導(dǎo)率僅稍有 增大。此外，此材料的熱擴(kuò)散率(以mmVs計(jì))不高于約0.7mm"s，最高值 在0。C處。然后在所繪溫度范圍內(nèi)熱擴(kuò)散率降低到1200。C處的約 0.55mm2/s。
所述結(jié)果表明此材料非常適合用作熱障涂層。
所述材料可以特別是被用作渦輪部件如渦輪葉片和輪葉或位于燃 氣渦輪的熱氣通路上的燃燒室部件上的熱障涂層。正如以上的討論，在 這種情況下所述渦輪部件上被涂以鴒青銅結(jié)構(gòu)陶資涂層。在施加作為熱 障涂層的鴒青銅結(jié)構(gòu)陶乾材料之前可以在渦輪部件上提供粘結(jié)涂層，如 MCrAlX層。在MCrALX中，M代表Fe、 Co或Ni。 X為選自Y、 Si、 Hf或 稀土元素的活性元素或者是它們的混合物。這種合金由例如 EP0486489B1、 EP0786017B1、 EP0412397B1或EP1306454A1已知，其在
圖2舉例顯示了 一個穿過燃?xì)廨啓C(jī)100的部分縱截面。
在其內(nèi)部，燃?xì)廨啓C(jī)100具有又稱作渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子103,其具有軸
101且其安裝使得其可以繞旋轉(zhuǎn)軸10 2轉(zhuǎn)動。
進(jìn)氣殼體104、壓縮機(jī)105、具有多個同軸排列的燃燒器107的例如
環(huán)形燃燒室110特別是圓環(huán)形燃燒室、渦輪108和排氣殼體109沿轉(zhuǎn)子103相繼排列。
所述圓環(huán)形燃燒室110與例如圓環(huán)形熱氣通道111相連通，其中例如
四個相繼的渦輪級112構(gòu)成所述渦輪108。
每個渦輪級l 12例如由兩個葉片或葉輪環(huán)構(gòu)成。從工作介質(zhì)113的流 動方向上看，在熱氣通道111內(nèi)一排導(dǎo)葉115后接著由轉(zhuǎn)子葉片120構(gòu)成 的一排125。
所述導(dǎo)葉130被固定在定子143的內(nèi)殼138上，而排125的轉(zhuǎn)子葉片 120被例如通過渦輪盤133配合到轉(zhuǎn)子103。 發(fā)電機(jī)(未顯示)連接在所述轉(zhuǎn)子103上。
燃?xì)廨啓C(jī)100工作時，壓縮機(jī)105通過進(jìn)氣殼體104吸入空氣135并對 其進(jìn)行壓縮。在壓縮機(jī)105的渦輪側(cè) 一端提供的壓縮空氣被送往燃燒器 107,在那里與燃料混合。然后該混合物在燃燒室110中燃燒，形成工作 介質(zhì)113。工作介質(zhì)113從那里沿?zé)釟馔ǖ?11流動，通過導(dǎo)葉130和轉(zhuǎn)子 葉片120。工作介質(zhì)113在轉(zhuǎn)子葉片120上擴(kuò)張，傳遞其動量，從而使轉(zhuǎn) 子葉片120驅(qū)動轉(zhuǎn)子103，而后者接著驅(qū)動與其聯(lián)結(jié)在一起的發(fā)電機(jī)。
在燃?xì)廨啓C(jī)100工作時，暴露于熱工作介質(zhì)113的零件受到熱應(yīng)力。 第 一渦輪級112的導(dǎo)葉130和轉(zhuǎn)子葉片120,從工作介質(zhì)113的流動方向上 看，連同襯在圓環(huán)形燃燒室110內(nèi)的隔熱磚一起，受到最高的熱應(yīng)力。 為了能夠承受那里的主導(dǎo)溫度，可以用冷卻劑對它們進(jìn)行冷卻。
部件的基材同樣可以具有定向構(gòu)造，即它們是單晶形式的(SX結(jié)構(gòu)) 或只具有縱向取向的晶粒(DS結(jié)構(gòu))。
例如，鐵基、鎳基或鈷基超級合金被用作所述零件特別是渦輪機(jī)葉 片或輪葉120 、 130和燃燒室110的零件的材料。
此類超級合金從例如EP1204776B1、 EP1306454、 EP1319729A1、 WO99/67435或WO00/44949已知；這些文獻(xiàn)在所述合金的化學(xué)組成方面 構(gòu)成本7>開的一部分。
導(dǎo)葉130具有面對渦輪108的內(nèi)殼138的導(dǎo)葉根(在這里未顯示)，還具 有位于與導(dǎo)葉根相反端的導(dǎo)葉頭。導(dǎo)葉頭面對轉(zhuǎn)子103并被固定到定子 143的固定環(huán)140上。
圖3顯示了渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片120或?qū)~130的透視圖，其沿縱軸121 延伸。
9豐侖或壓縮才幾。
葉片或輪葉120、 130沿縱軸121順次具有固定區(qū)域400、鄰接葉片或 輪葉平臺403和主葉片或輪葉部件406以及葉片或輪葉尖415。
作為導(dǎo)葉130,輪葉130可以在其輪葉尖415具有另一個平臺(未顯示)。
在所述固定地區(qū)400內(nèi)形成有用于將轉(zhuǎn)子葉片120、 130固定在軸或 盤(未顯示)上的葉片或輪葉根183。
葉片或輪葉根183設(shè)計(jì)成例如錘頭形狀。也可采用其它構(gòu)型，如樅 樹或鴒尾形根部。
葉片或輪葉120、 130具有用于流過主葉片或4侖葉部分406的介質(zhì)的 前緣409和后緣412。
對于普通的葉片或輪葉120、 130,在該葉片或輪葉120、 130的所有 區(qū)域400、 403、 406中都使用例如實(shí)心金屬材料，特別是超級合金。
此類超級合金從例如EP1204776B1、 EP1306454、 EP1319729A1、 WO99/67435或WO00/44949已知；這些文獻(xiàn)在所述合金的化學(xué)組成方面 構(gòu)成本 ^開的一部分。在這種情況下，葉片或輪葉120、 130可以通過澆 鑄法制造，也可通過定向凝固、鍛造法、研磨法或其組合制造。
具有單晶結(jié)構(gòu)的工件被用作在工作中暴露于高機(jī)械、熱和/或化學(xué)應(yīng)
力的機(jī)器的部件。此類單晶工件通過例如熔體的定向凝固制造。這涉及 其中液態(tài)金屬合金凝固形成單晶結(jié)構(gòu)即單晶工件或定向固化的澆鑄過 程。在這種情況下，枝晶沿?zé)崃鞣较蛉∠虿⑿纬芍鶢罹Я＝Y(jié)構(gòu)(即晶粒遍 及工件的整個長度且在這里，根據(jù)常用的語言，稱作定向凝固)或單晶結(jié) 構(gòu)，即整個工件由一個單晶構(gòu)成。在這些過程中，需要避免轉(zhuǎn)化成球狀 (多晶)凝固，因?yàn)椴欢ㄏ虻纳L不可避免地會形成橫向和縱向的晶粒邊 界，其將消除定向凝固的或單晶的部件的有利性質(zhì)。
在本文概指定向凝固顯微結(jié)構(gòu)時，應(yīng)理解為既指不具有任何晶界或 最多具有小角度晶界的單晶，又指具有沿縱向的晶界但不具有任何橫向 晶界的柱狀晶體結(jié)構(gòu)。第二種晶體結(jié)構(gòu)也被稱作定向凝固顯微結(jié)構(gòu)(定向 凝固結(jié)構(gòu))。
此類工藝由US-A 6,024,792和EP0892090A1已知；這些文獻(xiàn)在凝固 工藝方面構(gòu)成本7>開的一部分。
葉片或輪葉120、 130可以同樣具有保護(hù)它們不受腐蝕或氧化的涂層，例如MCrAlX(M為選自鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)的至少一種元素，X 為活性元素且代表釔(Y)和/或硅和/或至少一種稀土元素、或鉿(Hf))。此 類合金從EP0486489B1、 EP0786017B1、 EP0412397B1或EP1306454A1
中已知，它們在合金的化學(xué)組成方面構(gòu)成本公開的一部分。
密度優(yōu)選地為理-i侖密度的95% 。在所述MCrAlX層上形成有^f呆護(hù)性
氧化鋁層(TGO-熱生長的氧化層)(作為中間層或最外層)。
在所迷MCrAlX上還可以存在一個由例如Zr02、 Y2〇3-Zr02，即不穩(wěn)
定的、用氧化釔和/或氧化釣和/或氧化鎂部分穩(wěn)定的或完全穩(wěn)定的Zr02
相成的熱障涂層，其優(yōu)選地為最外層。
所述熱障涂層覆蓋整個MCrAlX層。通過適當(dāng)?shù)耐扛补に嚕珉?br> 子束物理氣相沉積(EB-PVD),在所述熱障涂層中形成了柱狀晶粒。也可
采用其它涂覆工藝，例如大氣等離子體噴鍍(APS)、 LPPS、 VPS或CVD。
耐熱震性。因此所迷熱障涂層優(yōu)選地比所述MCrAlX層更加多孔。
所述葉片或輪葉120、 130在形式上可以是中空或?qū)嵭牡?。如果所?葉片或輪葉120、 130會被冷卻，則其是中空的且可以同時具有膜冷卻孔 418(由虛線表示)。
圖4顯示了燃?xì)廨啓C(jī)100的燃燒室110。燃燒室110設(shè)置為，例如，已 知的圓環(huán)形燃燒室，其中繞旋轉(zhuǎn)軸102圓周排列的多個燃燒器107向公用 燃燒室空間154開口并產(chǎn)生火焰156。為此，燃燒室110總的說來是位于 旋轉(zhuǎn)軸102周圍的圓環(huán)形構(gòu)造。
為實(shí)現(xiàn)較高的效率，燃燒室110針對約100(TC-160(TC的較高工作介 質(zhì)M的溫度設(shè)計(jì)。為即使是在這些對所述材料不利的工作參數(shù)下也能實(shí) 現(xiàn)較長的使用壽命，在燃燒室壁153的面對工作介質(zhì)M—側(cè)提供由隔熱元 件155構(gòu)成的內(nèi)襯。
由于燃燒室110內(nèi)部的高溫，還可以向隔熱元件155和/或它們的固定 元件提供冷卻系統(tǒng)。此時，隔熱元件155是例如中空的并適當(dāng)時可同時 具有向燃燒室空間154開口的冷卻孔(未顯示)。
由合金制成的每個隔熱元件155都在工作介質(zhì)一側(cè)具備特別耐熱的 保護(hù)層(MCrAlX層和/或陶瓷涂層)或由耐高溫材料(硬質(zhì)陶瓷磚)制成。
這些保護(hù)層可以與用于渦輪葉片或輪葉的那些類似，即例如是指 MCrAlX: M為選自鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)的至少一種元素，X為活性元
ii素且代表釔(Y)和/或硅和/或至少一種稀土元素、或鉿(Hf)。此類合金從 EP0486489B1、 EP0786017B1、 EP0412397B1或EP1306454A1中已知,它
們在合金的化學(xué)組成方面構(gòu)成本公開的 一部分。
在所述MCrAlX上還可以存在一個例如由Zr02、 丫20371"02構(gòu)成的， 即不穩(wěn)定的、用氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂部分穩(wěn)定的或完全穩(wěn)定 的陶瓷熱障涂層。
通過適當(dāng)?shù)耐扛补に?，例如電子束物理汽相沉積(EB-PVD),在所述 熱障涂層中形成了柱狀晶粒。也可采用其它涂覆工藝，例如大氣等離子 體噴鍍(APS)、 LPPS、 VPS或CVD。所述熱障涂層可以包含具有微裂紋 或宏觀裂紋的多孔顆粒，用于改善其耐熱震性。
修復(fù)是指，保護(hù)層在使用之后可能不得不從渦輪葉片或輪葉120、 130、隔熱元件155上去除(例如通過噴砂)。然后，腐蝕和/或氧化層以及 產(chǎn)物^皮除去。適當(dāng)時，渦4侖才幾葉片或4侖葉120、 130或隔熱元件155內(nèi)的 裂紋也被修復(fù)。接著重新涂覆渦輪葉片或輪葉120、 130、隔熱元件155, 之后渦輪葉片或輪葉120、 130或隔熱元件155可^皮重新使用。
權(quán)利要求
1. 具有熱障涂層的渦輪部件，其中所述熱障涂層包括鎢青銅結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料。
2. 權(quán)利要求1的渦輪部件，其中所述鎢青銅結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料具 有通式AO-BvOw-CyOz,其中O代表氧，A代表2+或l +陽離子，B代表 2+或3+陽離子，C代表4+或5+陽離子。
3. 權(quán)利要求2的渦輪部件，其中A選自由Ba、 Mg、 Ca、 Sr、 Li、 Na、 K構(gòu)成的組中的元素，或者是所述元素的混合物。
4. 權(quán)利要求2或3的渦輪部件，其中B選自由稀土鑭系元素、Co、 Mn、 Sc、 Y、 Al、 Ga、 In構(gòu)成的組中的元素，或者是所述元素的混合物。
5. 權(quán)利要求2-4中任意一項(xiàng)的渦輪部件，其中C選自由Ti、 Zr、 Hf、 Ce、 Th、 Nb、 Ta構(gòu)成的組中的元素，或者是所述元素的混合物。
6. 權(quán)利要求2-5中任意一項(xiàng)的渦輪部件，其中所述鎢青銅結(jié)構(gòu)陶 瓷涂層材料由通式BaO-RE203-xTi02表示，其中RE代表稀土鑭系元素 陽離子。
7. 權(quán)利要求6的渦輪部件，其中x在2到5之間。
8. 權(quán)利要求7的渦輪部件，其中所述鎢青銅結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料為 BaNd2Ti40i2。
9. 權(quán)利要求6-8中任意一項(xiàng)的渦輪部件，其中所述鎢青銅結(jié)構(gòu)陶 瓷涂層是摻雜的。
10. 前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)的渦輪部件，其中在所述鎢青銅結(jié)構(gòu) 陶瓷涂層材料之下有抗氧化金屬層。
11. 權(quán)利要求10的渦輪部件，其中所述抗氧化金屬層為MCrAlX 層，其中M選自Fe、 Co、 Ni構(gòu)成的組中的元素或是所述元素的混合物， X代表選自由Y、 Si、 Hf和稀土元素構(gòu)成的組中的元素或者是所述元素 的混合物。
12. 鴒青銅結(jié)構(gòu)陶瓷材料作為熱障涂層的應(yīng)用。
13. 權(quán)利要求12的鵠青銅結(jié)構(gòu)陶瓷材料的應(yīng)用，其中所用的鎢青 銅結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料具有通式AO-BvOw-CyOz,其中O代表氧，A代表 2+或l +陽離子，B代表2+或3+陽離子，C代表4+或5+陽離子。
14. 權(quán)利要求13的鎢青銅結(jié)構(gòu)陶瓷材料的應(yīng)用，其中A選自由Ba、 Mg、 Ca、 Sr、 Li、 Na、 K構(gòu)成的組中的元素，或者是所述元素的混合物。
15. 權(quán)利要求13或14的鶴青銅結(jié)構(gòu)陶瓷材料的應(yīng)用，其中B選自 由稀土鑭系元素、Co、 Mn、 Sc、 Y、 Al、 Ga、 In構(gòu)成的組中的元素， 或者是所述元素的混合物。
16. 權(quán)利要求13-15中任意一項(xiàng)的鵠青銅結(jié)構(gòu)陶瓷材料的應(yīng)用，其 中C選自由Ti、 Zr、 Hf、 Ce、 Th、 Nb、 Ta構(gòu)成的組中的元素，或者是 所述元素的混合物。
17. 權(quán)利要求13-16中任意一項(xiàng)的鎢青銅結(jié)構(gòu)陶瓷材料的應(yīng)用，其 中所用的鎢青銅結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料由通式Ba〇-RE2〇3-xTi02表示，其中 RE代表稀土鑭系元素陽離子。
18. 權(quán)利要求17的鵠青銅結(jié)構(gòu)陶瓷材料的應(yīng)用，其中x在2到5 之間。
19. 權(quán)利要求18的鎢青銅結(jié)構(gòu)陶瓷材料的應(yīng)用，其中所用的鎢青 銅結(jié)構(gòu)陶瓷涂層材料為BaNd2Ti4〇12。
20. 權(quán)利要求17-19中任意一項(xiàng)的鎢青銅結(jié)構(gòu)陶瓷材料的應(yīng)用，其 中所述鴒青銅結(jié)構(gòu)陶瓷涂層是摻雜的。
全文摘要
記述了鎢青銅結(jié)構(gòu)陶瓷材料作為熱障涂層的應(yīng)用，所述熱障涂層可應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪部件。
文檔編號C23C14/08GK101454477SQ200780019518
公開日2009年6月10日 申請日期2007年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月30日
發(fā)明者A·A·庫爾卡尼, A·內(nèi)伊尼, R·蘇布拉馬尼恩, S·拉姆彭舍夫 申請人:西門子公司