專利名稱：具有高孔隙度的層狀熱障涂層和部件的制作方法
具有高孔隙度的層狀熱障涂層和部件
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1所述的高孔隙度層狀熱障涂層和根據(jù)權(quán) 利要求ll所述的部件。
US4，299,865公開了包括具有20voP/o-33vol。/。的極高孔隙度的外層和 致密陶瓷熱障內(nèi)層的雙層陶瓷熱障涂層。
專利EP0816526B1公開了只包括孔隙度為20vol。/。-35volQ/。的單層的 熱障涂層體系。
US4,936,745公開了孔隙度為20volQ/。-35vol。/。的單陶瓷層。
熱障涂層實(shí)質(zhì)上是功能層r用于、;護(hù)基材，"例如防止其ii熱一?；?br> 具有充分高的機(jī)械強(qiáng)度。熱障涂層同樣暴露于熱應(yīng)力和/或機(jī)械應(yīng)力，且 可能由于裂紋而導(dǎo)致失效。
因此，本發(fā)明目的在于提供一種熱障涂層和一種其中各層能更好地 承受熱應(yīng)力和積4戎應(yīng)力的部件。
此目的是通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱障涂層和根據(jù)權(quán)利要求11所 迷的部件實(shí)現(xiàn)的。
示范性實(shí)施方案顯示在附圖中。
圖l顯示了熱障涂層的一個(gè)例子，
圖2顯示了熱障涂層的另 一 個(gè)例子，
圖3列舉一些用于所述熱障涂層的基材的超級(jí)合金，
圖4顯示了一個(gè)燃?xì)鉁u輪，
圖5顯示了渦輪葉片或輪葉，
圖6顯示了燃燒室。
在圖l中，顯示了熱障涂層體系l的一個(gè)例子。
該熱障涂層體系1包括金屬基材4，金屬基材4是鈷基或鎳基的且是 燃?xì)鉁u輪100(圖4)的部件120、 130(圖5)、 155(圖6)。所述金屬基材4由超 級(jí)合金(圖3)制成。
優(yōu)選地向此基材4上施加MCrAlX型金屬粘結(jié)層7。在操作過程中或 在施加進(jìn)一步涂層(10)之前在此金屬粘結(jié)層7上形成熱生長的氧化物層 (TGO)(未顯示)。向金屬粘結(jié)層7上施加含至少兩個(gè)層的陶資熱障涂層10 。陶資熱障
涂層IO具有內(nèi)陶乾熱障層1 l和外陶資熱障層13,其中外陶資熱障層13面 向熱介質(zhì)，特別是燃?xì)鉁u輪100的熱氣體通路。 所述內(nèi)陶瓷熱障涂層ll不是陶資TGO。
特別地所述內(nèi)陶資熱障涂層11具有與所述外陶資熱障涂層13相同 的化學(xué)組成。
外陶瓷層13的孔隙度高于內(nèi)陶瓷層l 1 。
內(nèi)陶瓷層11和外陶瓷層13的孔隙度范圍不重疊也不具有相同值。 一種有利的實(shí)施例為內(nèi)陶瓷熱障層11的孔隙度為5vol%-11 vol%,
特別是9volo/。-llvo1。/。，夕卜陶瓷熱障層13的孔隙度為20volo/。-27vo1。/。，特
別是21 vol%-27vol%,更特別是23vol。/。-27vo10/。。
顯然，內(nèi)陶瓷熱障層11的孔隙度最大值遠(yuǎn)小于外陶瓷熱障層13的孔
隙度最小值。
在圖2中顯示了有利的熱障涂層10的另一個(gè)例子。 在內(nèi)陶瓷熱障層11與外陶瓷熱障層13之間存在中間陶瓷熱障層12, 其中所述外陶資熱障層13面向熱介質(zhì)，特別是燃?xì)鉁u輪100的熱氣體通路。
所述內(nèi)陶瓷熱障涂層ll不是陶瓷TGO。
特別地所述內(nèi)陶瓷熱障涂層11具有與所述中間陶瓷熱障涂層12和 所述外陶瓷熱障涂層13相同的化學(xué)組成。
一種有利的實(shí)施例為內(nèi)陶瓷熱障層11的孔隙度為5vol%-11 vol%, 特別是9vol。/。-llvo1。/。，夕卜陶資熱障層13的孔隙度為20vol。/。-27vo1。/。，特 別是23voP/。陽27vo10/0。
中間陶瓷熱障層12的孔隙度低于外陶瓷熱障層13的孔隙度。特另'J 是，中間陶瓷熱障層12的孔隙度在內(nèi)陶瓷熱障層11與外陶瓷熱障層13的 孔隙度范圍之間。更有利地，此層12的孔隙度在內(nèi)陶瓷熱障層ll的孔隙 度值與外陶瓷熱障層13的孔隙度值之間逐漸變化。
中間陶瓷熱障涂層12的層厚優(yōu)選值為最高150jim,特別是最高 75,。
特別地，在圖l、 2所示的實(shí)施例中，內(nèi)陶資熱障層ll的厚度為 100pm-150|im，特別是125jam。
在

圖1 、 2所示的實(shí)施例中，外陶瓷熱障涂層13的厚度為150|im-2mm,特另'J是1 mm-2mm 。
用于陶瓷涂層ll、 12、 13的材料可以隨意選擇，特別是使用氧化釔
穩(wěn)定的氧化鋯(Y2(VZr02)。
甚至涂層ll、 12、 13可以使用不同材料。
特別地，內(nèi)、中間和外陶資熱障涂層是等離子體噴涂的。
這意味著通常所述內(nèi)、中間或外陶資熱障涂層的形態(tài)不具有類似于
EB-PVD層的柱狀結(jié)構(gòu)，而是具有平面粒狀結(jié)構(gòu)(flattened grain
structure)。
特別地，熱障涂層10由兩個(gè)層構(gòu)成內(nèi)陶瓷熱障涂層ll和最外陶乾 熱障層13。
更特別地，熱障涂層10由三個(gè)層構(gòu)成內(nèi)陶瓷熱障層ll、中間陶瓷 熱障層12和最外陶資熱障層13。
圖4舉例顯示了穿過燃?xì)廨啓C(jī)100的局部縱截面。
在其內(nèi)部，燃?xì)廨啓C(jī)100具有轉(zhuǎn)子103,轉(zhuǎn)子103的安裝使得其可以 繞旋轉(zhuǎn)軸102轉(zhuǎn)動(dòng)，具有軸101并被稱作渦輪轉(zhuǎn)子。進(jìn)氣室104、壓縮機(jī) 105、具有多個(gè)同軸排列的燃燒器107的例如曲面燃燒室110,特別是環(huán) 形燃燒室，渦輪108和排氣室109沿轉(zhuǎn)子103彼此相繼排列。
所述環(huán)形燃燒室1 IO與例如環(huán)形熱氣通道l 1 l相連通，在所述環(huán)形熱 氣通道111中例如有四個(gè)連續(xù)渦輪級(jí)112構(gòu)成渦4侖108 。
每個(gè)渦輪級(jí)112例如由兩個(gè)葉片或輪葉環(huán)構(gòu)成。在熱氣通道111中， 在工作介質(zhì)113的流動(dòng)方向上看， 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)套138上，而一排125的轉(zhuǎn)子葉片 120通過例如渦輪盤133配合到轉(zhuǎn)子103上。 發(fā)電機(jī)(未顯示)聯(lián)結(jié)在所述轉(zhuǎn)子103上。
燃?xì)鉁u輪100工作時(shí)，壓縮機(jī)105通過進(jìn)氣室104吸入空氣135并對(duì)其 進(jìn)行壓縮。在壓縮機(jī)105的渦輪側(cè)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(dòng)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(dòng)量，從而轉(zhuǎn)子葉片 120驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子103而后者接著驅(qū)動(dòng)與其聯(lián)結(jié)在一起的發(fā)電機(jī)。
在燃?xì)鉁u輪100工作時(shí)，暴露于熱工作介質(zhì)113的部件受到熱應(yīng)力。第一渦輪級(jí)112的導(dǎo)葉130和轉(zhuǎn)子葉片120,在工作介質(zhì)113的流動(dòng)方向上 看，連同襯在環(huán)形燃燒室110內(nèi)的熱屏蔽磚一起，受到最高的熱應(yīng)力。 為了能經(jīng)受住那里的溫度，可以用冷卻劑對(duì)它們進(jìn)行冷卻。 部件的基材同樣可以具有定向結(jié)構(gòu)，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(jí)合金 -波用作所述部件特別是渦輪機(jī)葉片或輪葉120、 130和燃燒室110的部件 的材料。
此類超級(jí)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具有面向渦輪108的內(nèi)套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)葉頭面向轉(zhuǎn)子103并被固定到定子 143的固定環(huán)140上。
圖5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。
專侖或壓縮才幾。
葉片或輪葉120、 130沿縱軸121依次具有固定區(qū)400、鄰4妻葉片或4侖 葉平臺(tái)403、和主葉片或4侖葉部分406、以及葉片或4侖葉尖端415。作為 導(dǎo)葉130,可以在其輪葉尖端415具有另一個(gè)平臺(tái)(未顯示)。
在所述固定區(qū)400內(nèi)形成用于將轉(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，如機(jī)樹或鴒尾形才艮。
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(duì)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中都使用例如固體金屬材料，特別是超級(jí)合金。
此類超級(jí)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)成本公開的一部分。
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、粉碎法或其組合制造。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。此類單晶工件是通過例如熔體的定向凝固制造的。這 涉及其中液態(tài)金屬合金凝固形成單晶結(jié)構(gòu)即單晶工件或定向凝固的免
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(gè)長度且在這里，根據(jù)常用的語言，被稱作定向凝固) 或單晶結(jié)構(gòu)，即整個(gè)工件由一個(gè)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(huì)形成^f黃向和縱向 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)。
在本文一般性提及定向凝固顯微結(jié)構(gòu)時(shí)，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-A6,024,792和EP0892090A1已知；這 些文獻(xiàn)在凝固工藝方面構(gòu)成本公開的一部分。
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)中的至少一種元素， 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7>開的一部分。
密度優(yōu)選地為理論密度的95%。在所述MCrAlX層上形成保護(hù)性氧 化鋁層(TGC^熱生長的氧化物層)(作為中間層或最外層)。
在所述MCrAlX上還可以存在由例如Zr02、 Y203-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,構(gòu)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(gè)MCrAlX層。通過適當(dāng)?shù)耐扛补に?，例如?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。因此所述熱障涂層優(yōu)選地比所述MCrAlX層更加多孔。
所述葉片或輪葉120、 130形式上可以是中空或?qū)嵭牡?。如果所述葉 片或4侖葉120、130將會(huì)一皮冷卻，則其是中空的且還可具有膜冷卻孔418(由 虛線表示)。
圖6顯示了燃?xì)鉁u輪100的燃燒室110。燃燒室110成形為，例如，所謂的環(huán)形燃燒室，其中繞旋轉(zhuǎn)軸102圓周排列的多個(gè)燃燒器107向公用燃 燒室空間154中開口并產(chǎn)生火焰156。為此，燃燒室110總地說來是位于 旋轉(zhuǎn)軸102周圍的環(huán)形構(gòu)造。
為實(shí)現(xiàn)較高的效率，燃燒室110針對(duì)約1000。C-160(TC的較高工作介 質(zhì)M溫度設(shè)計(jì)。為即使是在這些對(duì)所述材料不利的工作參數(shù)下實(shí)現(xiàn)較長 的使用壽命，在燃燒室壁153的面向工作介質(zhì)M—側(cè)提供有由熱屏蔽元件 155構(gòu)成的內(nèi)襯。
由于燃燒室110內(nèi)部的高溫，還可以向熱屏蔽元件155和/或它們的固 定元件提供冷卻系統(tǒng)。此時(shí)，熱屏蔽元件155是，例如，中空的并適當(dāng) 時(shí)可同時(shí)具有向燃燒室空間154中開口的冷卻孔(未顯示)。
由合金制成的每個(gè)熱屏蔽元件155在工作介質(zhì)一側(cè)都具備特別耐熱 的保護(hù)層(MCrAlX層和/或陶瓷涂層)或由耐高溫材料(實(shí)心陶瓷磚)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)中的至少一種元素，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。
在所述MCrAlX上還可以存在一個(gè)例如由Zr02、 Y203-Zr02，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Zr〇2, 構(gòu)成的陶瓷熱障涂層。
通過適當(dāng)?shù)耐?隻工藝，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、熱屏蔽元件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(shí)，渦4侖機(jī)葉片或4侖葉120、 130或熱屏蔽元件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、熱屏蔽元 件155,之后渦4侖葉片或4侖葉120、 130、熱屏蔽元件155可^皮重新-使用。
權(quán)利要求
1.部件(1、120、130、138、155)的熱障涂層(10)，其具有至少兩個(gè)層(11、12、13)，其中內(nèi)陶瓷熱障層(11)最靠近部件的基材(4)且孔隙度為5vol％-11vol％，特別是9vol％-11vol％，外陶瓷熱障層(13)的孔隙度為20vol％-27vol％，特別是21vol％-27vol％，更特別是23vol％-27vol％。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的熱障涂層，其中在所述內(nèi)陶瓷熱障層(ll) 與所述外陶瓷熱障層(13)之間存在中間陶瓷熱障層(12)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱障涂層，其中所述中間陶瓷熱障層(12) 的孔隙度由最小值逐漸變化至最大值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的熱障涂層，其中所述中間陶瓷熱障層 (12)的孔隙度介于內(nèi)陶瓷層(11)的孔隙度最大值與外陶瓷層(13)的孔隙 度最小值之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2、 3或4所述的熱障涂層，其中所述中間陶資熱^ :特別是/I (9vol%" lvol%)增大到(20vol%-27vol%),更特別是從 (9vol%-l lvol。/。)增大到(2 lvol。/。-27vol。/o),極特別是從(9volQ/。-l lvoiy。)增大 到(23volo/o-27vo10/0)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的熱障涂層，其中所述中間陶瓷熱障層 (12)的孔隙度具有介于(9volo/o-llvoiy。)和(20volo/o-27volo/o)之間，特別是 介于(9volQ/o-llvolo/o)和(23voiy。to27volo/o)之間的恒定值。
7. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的熱障涂層，其中所述內(nèi)陶 瓷熱障層(ll)的層厚為100^im-150^im,特別是125pm。
8. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的熱障涂層，其中所述中間 陶瓷熱障層(12)的層厚為最高150pm,特別是最高75iLim。
9. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的熱障涂層，其中所述外陶 瓷熱障層(13)的層厚為150)iim-2000^im,特別是lmm-2mm。
10. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的熱障涂層，其中所述陶資 熱障層(ll、 12、 13)的材料由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(Y203-Zr02)制成。
11. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的熱障涂層，其中所述內(nèi)陶 瓷熱障涂層(l l)是等離子體噴涂的。
12. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的熱障涂層，其中所述中間 陶瓷熱障涂層(12)是等離子體噴涂的。
13. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的熱障涂層，其中所述外陶瓷熱障涂層(13)是等離子體噴涂的。
14. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的熱障涂層，其中所述熱障 涂層(10)由兩個(gè)層(11、 13)構(gòu)成。
15. 根據(jù)前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的熱障涂層，其中熱障涂層 (lO)由三個(gè)層(ll、 12、 13)構(gòu)成
16. 在基材(4)上具有根據(jù)權(quán)利要求1-15中任何一項(xiàng)所述的熱障涂 層(10)的部件。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的部件，其中所述基材上的中間金屬層(7) 由(以wt。/。計(jì))Ni誦12Co國21 Cr-11 Al-0.4 Y國Re制成。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的部件，其中所述基材(4)上的中間金屬 層(7)由(以wt。/o計(jì))Ni-25Co-17Cr-10Al-0.5Y-Re制成。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的部件，其中所述基材(4)上的中間金屬 層(7)由(以wt。/。計(jì))Co誦30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si制成。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16、 17、 18或19所述的部件，其中所述基材(4) 是鎳基的。
21. 根據(jù)權(quán)利要求16、 17、 18或19所述的部件，其中所述基材(4) 是鈷基的。
22. 根據(jù)權(quán)利要求16-21中任何一項(xiàng)所述的部件，其為，特別是渦 輪(100)的，渦輪葉片(120)、渦輪輪葉(130)、熱屏蔽(1M)或外殼(158)。
全文摘要
現(xiàn)有技術(shù)的陶瓷熱障涂層往往并不能承受熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。本發(fā)明的陶瓷熱障涂層(10)包括兩個(gè)具有不同孔隙度的陶瓷熱障層(11、13)，其中甚至內(nèi)陶瓷熱障層(11)也具有高孔隙度。
文檔編號(hào)C23C4/12GK101611171SQ200780012203
公開日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2007年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月6日
發(fā)明者W·斯塔姆 申請(qǐng)人:西門子公司