專利名稱：阻礙/取消環(huán)境阻隔涂層中的蠕變劣化的復(fù)合結(jié)合覆層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及燃?xì)鉁u輪葉片，并且特別涉及用于燃?xì)鉁u輪葉片的抗蠕變涂層系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
還可稱作為燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)鉁u輪為加速氣體、從而迫使氣體進(jìn)入燃燒室(其中，加熱以便增大氣體的體積)的內(nèi)燃機(jī)。膨脹的氣體然后被引向渦輪，以便提取由膨脹的氣體產(chǎn)生的能量。燃?xì)鉁u輪具有許多實(shí)際的應(yīng)用，包括用作噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)以及用在工業(yè)動(dòng)力生成系統(tǒng)中。在燃?xì)鉁u輪內(nèi)加速以及引導(dǎo)氣體通常使用轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片來(lái)完成。能量的提取典型地通過從燃燒室朝向燃?xì)鉁u輪葉片(其由通過渦輪葉片而離開燃?xì)鉁u輪的膨脹的氣體的力而旋轉(zhuǎn))推動(dòng)膨脹的氣體來(lái)完成。由于離開的氣體的高溫，燃?xì)鉁u輪葉片必須構(gòu)造成以便忍受極端操作條件。在許多系統(tǒng)中，使用了復(fù)雜的渦輪葉片冷卻系統(tǒng)。雖然燃?xì)鉁u輪葉片一般由金屬構(gòu)成，更多高級(jí)的材料現(xiàn)在被用于這樣的葉片，諸如陶瓷以及陶瓷基體復(fù)合材料。當(dāng)使用這樣的高級(jí)材料或者僅僅金屬來(lái)構(gòu)造燃?xì)鉁u輪葉片時(shí)，可施加涂層來(lái)提供對(duì)葉片的附加的保護(hù)以及增強(qiáng)的耐熱性。

發(fā)明內(nèi)容
燃?xì)鉁u輪葉片可具有施加到其表面的結(jié)合覆層。結(jié)合覆層可包含硅和反應(yīng)性材料。反應(yīng)性材料可與在結(jié)合層處生成的熱生長(zhǎng)氧化物(TGO)反應(yīng)以防止并且取消(reverse)螺變。一個(gè)或多個(gè)保護(hù)層可施加到結(jié)合層。公開了一種用于減輕并且防止蠕變的方法。包含硅和反應(yīng)性材料的結(jié)合層可施加到燃?xì)鉁u輪葉片的表面。反應(yīng)性材料可與在結(jié)合層處生成的熱生長(zhǎng)氧化物反應(yīng)以防止并且取消蠕變。一個(gè)或多個(gè)保護(hù)層可施加到結(jié)合層。當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)，前述概要以及隨后的詳細(xì)描述更好理解。為了說(shuō)明所要求保護(hù)的主題，在附圖中示出了說(shuō)明不同實(shí)施例的示例；盡管如此，本發(fā)明不限于特定的系統(tǒng)和公開的方法。


當(dāng)參考附圖閱讀隨后的詳細(xì)描述時(shí)，本主題的這些和其它的特征、方面以及優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，其中:
圖1為施加到葉片表面的涂層的非限制性的示例。圖2為施加到葉片表面的涂層的另一個(gè)非限制性的示例以及可能產(chǎn)生的蠕變。
圖3為施加到葉片表面的、包括結(jié)合覆層的涂層的非限制性的示例，涂層包括鈦粒子。圖4為施加到葉片表面的、包括結(jié)合覆層的涂層的另一個(gè)非限制性的示例，涂層包括鈦粒子。圖5為施加到葉片表面的、包括結(jié)合覆層的涂層的另一個(gè)非限制性的示例，涂層包括鈦粒子。部件列表
110渦輪葉片襯底(圖1、2)
120結(jié)合覆層(圖1、2)
130熱生長(zhǎng)氧化物(TGO)(圖1、2)
140環(huán)境阻隔涂層(EBC)層(圖1、2)
150EBC 層 (圖 1、2)
160EBC 層 (圖 1、2)
170EBC 層 (圖 1、2)
310渦輪葉片襯底(圖3、4、5)
320結(jié)合覆層(圖3、4、5)
330TGO (圖 4、5)
340EBC 層 (圖 3、4、5)
380鈦納米粒子(圖3、4)
390二氧化鈦分子(圖4、5)。
具體實(shí)施例方式在一個(gè)實(shí)施例中，環(huán)境阻隔涂層(EBC)可施加到由陶瓷基體復(fù)合材料(CMC)構(gòu)成的燃?xì)鉁u輪葉片。當(dāng)燃?xì)鉁u輪在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，EBC可幫助保護(hù)葉片不受環(huán)境物體(諸如可與葉片發(fā)生接觸的熱氣、水蒸氣以及氧氣)的影響。EBC可為硅基的(EBC)，并且其可作為若干層不同材料來(lái)施加。在本公開的實(shí)施例中，在各個(gè)層中的材料可為任何材料，包括陶瓷材料，并且可使用任何方式或方法來(lái)施加這樣的材料，包括大氣等離子體噴涂(APS)、活性離子注入、化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體增強(qiáng)CVD(PECVD)、浸涂以及電泳沉積(EH))。圖1示出了可施加到CMC葉片的示例涂層。這樣的葉片的襯底110可涂有可用作結(jié)合覆層并且輔助使EBC層結(jié)合到襯底110的結(jié)合層120。在一個(gè)實(shí)施例中，結(jié)合層120可為硅結(jié)合覆層。EBC層140可施加在結(jié)合層120上。附加的EBC層150、160以及170可進(jìn)一步施加在EBC層140上面?？墒褂萌魏畏绞揭约胺椒▽⑷魏螖?shù)量的EBC層施加到襯底110以及本文所公開的任何其它的葉片或表面，并且任何材料可用于本文所公開的任何葉片、結(jié)合層以及EBC層，包括結(jié)合層120，EBC層140、150、160以及170，以及用于襯底110。所有這樣的實(shí)施例都構(gòu)思為處于本公開的范圍內(nèi)。在其中可配置有襯底110的燃?xì)鉁u輪的環(huán)境中，熱氣可導(dǎo)致結(jié)合層120氧化并且熔化(由于這樣的氣體引起的升高的溫度)。熔化和氧化后，結(jié)合層120可形成可為粘性的玻璃層的粘性的流體層130。在一些實(shí)施例中，粘性的流體層130可由熱生長(zhǎng)氧化物(TGO)組成。如在圖2中所示，粘性的流體層130可在由施加到襯底110的離心載荷以及關(guān)于外側(cè)的EBC層(諸如層140、150、160以及170)的熱膨脹系數(shù)(CTE)的不匹配而引起的剪切應(yīng)力下移動(dòng)。這樣的移動(dòng)可稱作為通常所說(shuō)的“蠕變”現(xiàn)象的結(jié)果。在材料科學(xué)中，蠕變?yōu)樵趹?yīng)力的影響下固體材料慢慢移動(dòng)或永久變形的趨向。EBC層140、150、160以及170的蠕變可限制襯底110的可用壽命，尤其當(dāng)EBC層140、150、160以及170中的任何一層出現(xiàn)裂紋時(shí)。在一個(gè)實(shí)施例中，活性成分一諸如鈦(Ti)、一氧化鈦(TiO)或者鈦與一氧化鈦的組合一可與硅一起包含在合成材料中，其可用于結(jié)合層。圖3示出了這樣的實(shí)施例的示例。注意，代替鈦或者除了鈦之外，其它的反應(yīng)性材料可用在結(jié)合層中，諸如鋯、鉿、妒(rutherfordium)以及I凡。在一些實(shí)施例中，鈦在結(jié)合層中可能是最有活性的。與娃相比，鈦可具有對(duì)氧的增加的親合性，并且因此可如本文所述的那樣減少以及取消TGO的形成。鈦還可用作在Y (Gamma)相和Y ’相中的固溶體增強(qiáng)劑。鈦的高的熔點(diǎn)還將防止在大多數(shù)操作條件下的液相傳輸。結(jié)合層320可施加到葉片310。EBC層340可施加在結(jié)合層320之上。結(jié)合層320可至少部分地由硅組成，并且可包括與氧化物的離子反應(yīng)的粒子，諸如，例如可由鈦、一氧化鈦、或者鈦與一氧化鈦的組合組成的鈦納米粒子380。納米粒子可被用于如本文所公開的結(jié)合層中所包括的任何粒子，以便提供更大的反應(yīng)表面積。盡管如此，構(gòu)思了在本公開的范圍內(nèi)的其它類型的粒子。生成TGO之后，在結(jié)合層320中的鈦粒子的原子可與在生成的TGO中存在的氧原子結(jié)合。在一個(gè)實(shí)施例中，鈦納米粒子380可包括呈一氧化鈦(TiO)形式的鈦,其已知為非常有活性并且非化學(xué)計(jì)量的。在低溫時(shí)，由于暴露于水蒸氣或者氣體或者通過任何其它的機(jī)制，在結(jié)合層320處可發(fā)生氧化。圖4示出了一個(gè)示例實(shí)施例，其中，TGO層330已經(jīng)形成。在該實(shí)施例中，不是僅僅結(jié)合層320中的硅與生成的氧化物的離子反應(yīng)以形成TGO層330，鈦納米粒子380也可與氧化物的離子反應(yīng)，從而對(duì)結(jié)合層320的反應(yīng)來(lái)說(shuō)，建立了競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)。在一個(gè)實(shí)施例中，鈦納米粒子380的分子和/或原子可與氧化物的離子的氧原子結(jié)合以生成二氧化鈦(TiO2) 390，因此減少了由于氧化而作為二氧化硅的硅損失，并且延長(zhǎng)了結(jié)合層320的使用壽命。在該實(shí)施例中，鈦納米粒子380的原子和/或在其中包含的一氧化鈦的分子與TGO層330的離子的結(jié)合還可減少形成的TGO的量，因此減少了可由于結(jié)合層320的氧化而生成TGO層330而引入的蠕變的量。此外，因?yàn)橐谎趸伔浅Ｓ谢钚?，在鈦納米粒子380中包含的一氧化鈦可從二氧化硅(其在溫度高到足以激活鈦納米粒子380中的元素鈦(Ti)之前可存在于TGO層330中)中去除氧。在更高的溫度時(shí)，鈦納米粒子380還可取消結(jié)合層320的氧化，從而取消蠕變效應(yīng)。在一個(gè)實(shí)施例中，一旦在渦輪葉片處得到足夠高的溫度，在鈦納米粒子380中的元素鈦就可與由于結(jié)合層320的氧化而形成的TGO層330中的二氧化硅(SiO2)反應(yīng)而去除二氧化硅的一個(gè)或兩個(gè)氧原子，在一個(gè)實(shí)施例中，獲取并且與二氧化硅的氧原子結(jié)合以生成二氧化鈦(TiO2) 390。通過去除二氧化硅的兩個(gè)氧原子，鈦納米粒子380的原子可將二氧化硅還原成元素硅。因?yàn)樵撨^程可去除TGO層330的主要成分一二氧化硅，在該實(shí)施例中，可取消TGO層330的形成，并且因此可減少或消除蠕變效應(yīng)。二氧化鈦390可提供用于形成凝聚物或更大塊的材料(其還可通過增加TGO層330的粘度來(lái)在TGO層330上輔助提供機(jī)械約束，并且因此通過阻擾TGO層330的移動(dòng)來(lái)減少蠕變)的成核點(diǎn)。這樣的凝聚物可通過機(jī)械和化學(xué)方式(例如，科特雷耳氣團(tuán)(Cottrellatmosphere)，諸如摻雜劑與位錯(cuò)云狀物的相互作用)來(lái)對(duì)抗TGO層330流的傳輸。在熱循環(huán)期間，二氧化鈦390還可幫助形成用于TGO層330中的TGO的部分結(jié)晶點(diǎn)核。圖5示出了本公開的另一個(gè)實(shí)施例，其中，所有的鈦380已經(jīng)與由于氧化生成的氧原子反應(yīng)，以便將鈦380轉(zhuǎn)換成二氧化鈦390。因?yàn)槎趸?90的分子比較大(即二氧化鈦分子具有相對(duì)更大的原子半徑)，與更小的分子相比，這樣的分子可更好地阻礙TGO層330的流動(dòng)，即使在所有的鈦380已經(jīng)轉(zhuǎn)換成二氧化鈦390之后TGO繼續(xù)生成。這些更大的二氧化鈦分子可通過增大TGO層330的粘度而用作TGO層330上的機(jī)械約束，并且因此通過阻擾TGO層330的移動(dòng)來(lái)減少蠕變。注意，在所有的鈦380轉(zhuǎn)換成二氧化鈦390之前，TGO層330的粘度也增大了，如在圖4中看出。二氧化鈦390的任何分子還可用作用于可形成并且引起蠕變的任何TGO的機(jī)械阻隔或物理約束。此外，因?yàn)槎趸伩垢g，并且具有高的熔點(diǎn)，二氧化鈦390的有益的效果可為長(zhǎng)期的并且相對(duì)耐久的。因此，在一些實(shí)施例中，添加鈦粒子到硅基結(jié)合層可提供任何一個(gè)或所有的如下優(yōu)點(diǎn):減少由于低溫時(shí)的氧化而引起的硅消耗、取消由于較高溫度時(shí)的氧化而形成二氧化硅且因此減少產(chǎn)生的可引起蠕變的TGO的量、以及提供用于可形成的任何TGO的機(jī)械阻隔或物理約束。當(dāng)前所公開的實(shí)施例通常可增加EBC層的壽命，并且因此增加燃?xì)鉁u輪葉片的壽命，同時(shí)易于實(shí)施并且成本有效。本書面描述使用示例公開了本文所包含的主題，包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域任何技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及執(zhí)行任何結(jié)合的方法。本公開的可得到專利保護(hù)的范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果這樣的其它示例具有與權(quán)利要求書的文字語(yǔ)言無(wú)差別的結(jié)構(gòu)元件，或者如果它們包括與權(quán)利要求的文字語(yǔ)言無(wú)實(shí)質(zhì)差異的等效的結(jié)構(gòu)元件，那么這樣的其它示例意圖在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種燃?xì)鉁u輪葉片，包括: 表面； 施加到所述表面的結(jié)合層，所述結(jié)合層包含硅并且具有與在所述結(jié)合層處生成的熱生長(zhǎng)氧化物化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)性材料；以及施加到所述結(jié)合層的保護(hù)層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)鉁u輪葉片，其特征在于，所述反應(yīng)性材料包括鈦。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃?xì)鉁u輪葉片，其特征在于，所述鈦與所述熱生長(zhǎng)氧化物反應(yīng)以生成二氧化鈦。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃?xì)鉁u輪葉片，其特征在于，所述二氧化鈦增加了所述熱生長(zhǎng)氧化物的粘度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃?xì)鉁u輪葉片，其特征在于，所述鈦與所述熱生長(zhǎng)氧化物中的二氧化硅反應(yīng)以生成二氧化鈦。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)鉁u輪葉片，其特征在于，所述反應(yīng)性材料包括一氧化鈦。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)鉁u輪葉片，其特征在于，還包括至少一個(gè)附加的保護(hù)層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)鉁u輪葉片，其特征在于，所述保護(hù)層包括環(huán)境阻隔涂層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)鉁u輪葉片，其特征在于，使用大氣等離子體噴涂、化學(xué)氣相沉積、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、浸涂以及電泳沉積中的一種來(lái)施加所述結(jié)合層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)鉁u輪葉片，其特征在于，使用大氣等離子體噴涂、化學(xué)氣相沉積、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、浸涂以及電泳沉積中的一種來(lái)施加所述保護(hù)層。
11.一種方法，包括: 將結(jié)合層施加到燃?xì)鉁u輪葉片的表面，所述結(jié)合層包含硅以及與在所述結(jié)合層處生成的熱生長(zhǎng)氧化物反應(yīng)的反應(yīng)性材料；以及將保護(hù)層施加到所述結(jié)合層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述反應(yīng)性材料包括鈦。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述鈦與所述熱生長(zhǎng)氧化物反應(yīng)以生成二氧化鈦。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述二氧化鈦增加了所述熱生長(zhǎng)氧化物的粘度。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述鈦與所述熱生長(zhǎng)氧化物中的二氧化硅反應(yīng)以生成二氧化鈦。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述反應(yīng)性材料包括一氧化鈦。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括施加至少一個(gè)附加的保護(hù)層。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述保護(hù)層包括環(huán)境阻隔涂層。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，使用大氣等離子體噴涂、化學(xué)氣相沉積、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、浸涂以及電泳沉積中的一種來(lái)施加所述結(jié)合層。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，使用大氣等離子體噴涂、化學(xué)氣相沉積、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、浸涂以及電泳沉積中的一種來(lái)施加所述保護(hù)層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種阻礙/取消環(huán)境阻隔涂層中的蠕變劣化的復(fù)合結(jié)合覆層。燃?xì)鉁u輪葉片可具有施加到其表面的結(jié)合覆層。結(jié)合覆層可包含硅和反應(yīng)性材料。該反應(yīng)性材料可與在結(jié)合層處生成的熱生長(zhǎng)氧化物反應(yīng)以防止并且取消蠕變。一個(gè)或多個(gè)保護(hù)層可施加到結(jié)合層。
文檔編號(hào)B32B33/00GK103206264SQ20121044650
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者R.達(dá)斯, J.M.德沃克斯, 張健 申請(qǐng)人:通用電氣公司