涂布方法、涂層和涂布組件的制作方法
【專利摘要】公開一種涂布方法，一種涂層和一種涂布組件。所述涂布方法包括提供MCrAlY基底；將熱障涂層涂敷到所述MCrAlY基底；將閃層涂敷到所述熱障涂層，所述閃層包括惰性陶瓷；將反應(yīng)產(chǎn)物沉積物涂敷到所述熱障涂層上，所述反應(yīng)產(chǎn)物沉積物包括選自以下的反應(yīng)產(chǎn)物：氧化鎂化合物、原釩酸鎂化合物、釩酸鎂化合物、焦釩酸鎂化合物、硫酸鎂化合物和它們的組合。所述反應(yīng)產(chǎn)物為摻雜燃料的副產(chǎn)物。
【專利說明】涂布方法、涂層和涂布組件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及制造的組件和制造組件的方法。更具體地，本發(fā)明涉及涂布方法、涂層和涂布組件。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代的高效燃氣渦輪具有超過約2000 T (1093°C)的燃燒溫度，而且由于對更高效的發(fā)動機的需求持續(xù)，故燃燒溫度持續(xù)增加。形成“熱氣路徑”燃燒器和渦輪節(jié)的很多組件直接暴露于侵蝕性的熱燃燒氣，例如，燃燒器襯里、燃燒和渦輪節(jié)之間的轉(zhuǎn)換導(dǎo)管以及渦輪靜葉片和旋轉(zhuǎn)葉片和周圍的環(huán)形片(ring segment)。除熱應(yīng)力以外,這些和其它組件還暴露于進一步損耗所述組件的機械應(yīng)力和負荷。
[0003]很多傳統(tǒng)上用來制造用于燃氣渦輪發(fā)動機的熱氣路徑區(qū)的大多數(shù)燃氣渦輪組件的鈷基和鎳基超合金材料通過用熱障涂層涂布所述組件而與熱氣流隔離，以在這種侵蝕性的高溫燃燒環(huán)境中經(jīng)受住長期操作。
[0004]熱障涂層體系通常由四個層組成:金屬基底、金屬粘合涂層、熱生長的氧化物和陶瓷頂涂層。陶瓷頂涂層一般由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)組成，其由于具有極低的導(dǎo)熱性同時在應(yīng)用中一般所見的標稱操作溫度下保持穩(wěn)定，因而是期望的。涂敷這些陶瓷頂涂層可為昂貴的，和/或涂敷方法有限。
[0005]YSZ是一種熟知的用來提高高溫金屬中所用的金屬的性能的材料。YSZ —般通過高溫?zé)釃娡坎挤▉硗糠蟆SZ增加高溫基底金屬的操作溫度。此外，將粘合涂層涂敷在YSZ和高溫金屬之間，降低YSZ和高溫金屬之間的熱不匹配，這提高抗剝落性。
[0006]氣體渦輪發(fā)動機可使 用很多不同燃料來操作。這些燃料在發(fā)動機的燃燒器區(qū)中在處于或超過2000 T (1093°C)的溫度下燃燒，且燃燒的氣體用來使位于發(fā)動機燃燒器區(qū)之后的發(fā)動機渦輪區(qū)旋轉(zhuǎn)。當從燃燒的熱氣提取能量時，通過旋轉(zhuǎn)的渦輪區(qū)產(chǎn)生功率。使用最便宜的可得燃料來操作氣體渦輪發(fā)動機通常在經(jīng)濟上有利。較豐富和便宜的石油燒料中的一種是重質(zhì)燃料油(HFO)。HFO為經(jīng)濟燃料的原因之一是它不經(jīng)深度精煉或它是精煉過程的剩余部分。不經(jīng)深度提煉，其含有很多雜質(zhì)。這些雜質(zhì)之一為釩，其在燃燒高溫下形成氧化釩(V205)。雖然將MgO作為燃料添加劑添加并充當釩物類反應(yīng)(其在熱障涂層的外表面上或附近形成惰性釩酸鎂化合物)的抑制劑，但是MgO不完全防止YSZ熱障涂層的侵蝕，因為氧化釩可穿透熱障涂層中的微裂縫和多孔結(jié)構(gòu)(porosity)，提供的通路不僅通往YSZ熱障涂層，而且通往下面的粘合涂層。V2O5為酸性氧化物，其可在出現(xiàn)于這些熱障涂層的裂縫和多孔結(jié)構(gòu)中使氧化釔從YSZ滲出。侵蝕機制由以下反應(yīng)提供:
ZrO2 (Y2O3) + V2O5 — ZrO2 (單斜晶)+ 2YVO4
因此，V2O5保持迅速侵蝕YSZ的能力，導(dǎo)致其損壞并被熱氣流除去。TBC的損失使基底金屬和任何剩余的結(jié)合涂層在升高的溫度下暴露于燃燒熱氣。在這些升高的溫度下，基底金屬和結(jié)合涂層經(jīng)受來自燃燒熱氣的腐蝕，這縮短它們的壽命。因此，必須在較短時間間隔內(nèi)更換組件，例如燃燒器和渦輪葉片，這還意味著在渦輪不產(chǎn)生功率期間對渦輪的額外維護時間。
[0007]在本領(lǐng)域中期望不遭受以上缺點的涂布方法、涂層和涂布組件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]在一個示例性實施方案中，涂布方法包括提供MCrAH基底、將熱障涂層涂敷到MCrAlY基底、將閃層(flash layer)涂敷到熱障涂層和將反應(yīng)產(chǎn)物沉積物涂敷到熱障涂層上。閃層包括惰性陶瓷。反應(yīng)產(chǎn)物沉積物包括選自以下的反應(yīng)產(chǎn)物:氧化鎂化合物、原釩酸鎂化合物、釩酸鎂化合物、焦釩酸鎂化合物、硫酸鎂化合物和它們的組合。反應(yīng)產(chǎn)物為摻雜燃料的副產(chǎn)物。
[0009]在另一個示例性實施方案中，涂層包括熱障涂層、包括惰性陶瓷的閃層、位于熱障涂層上的反應(yīng)產(chǎn)物沉積物，反應(yīng)產(chǎn)物沉積物包括選自以下的反應(yīng)產(chǎn)物:氧化鎂化合物、原釩酸鎂化合物、釩酸鎂化合物、焦釩酸鎂化合物、硫酸鎂化合物和它們的組合。反應(yīng)產(chǎn)物為摻雜燃料的副產(chǎn)物。
[0010]在另一個示例性實施方案中，涂布組件包括MCrAH基底、熱障涂層、包括惰性陶瓷的閃層、位于熱障涂層上的反應(yīng)產(chǎn)物沉積物，反應(yīng)產(chǎn)物沉積物包括選自以下的反應(yīng)產(chǎn)物:氧化鎂化合物、原釩酸鎂化合物、釩酸鎂化合物、焦釩酸鎂化合物、硫酸鎂化合物和它們的組合。反應(yīng)產(chǎn)物為摻雜燃料的副產(chǎn)物。
[0011]本發(fā)明請求保護:
1.一種涂布方法，其包含:
提供MCrAH基底；
將熱障涂層涂敷到所述MCrAH基底；
將閃層涂敷到所述熱障涂層，所述閃層包括惰性陶瓷；和
將反應(yīng)產(chǎn)物沉積物涂敷到所述熱障涂層上，所述反應(yīng)產(chǎn)物沉積物包括選自以下的反應(yīng)產(chǎn)物:氧化鎂化合物、原釩酸鎂化合物、釩酸鎂化合物、焦釩酸鎂化合物、硫酸鎂化合物和它們的組合；
其中所述反應(yīng)產(chǎn)物為摻雜燃料的副產(chǎn)物。
[0012]2.項目I的涂布方法，其中所述MCrAH基底為燃燒器的一部分。
[0013]3.項目I的涂布方法，其中所述反應(yīng)產(chǎn)物沉積物的涂敷通過在大于約1650 T的溫度下燃燒所述摻雜燃料來進行。
[0014]4.項目I的涂布方法，其中所述反應(yīng)產(chǎn)物沉積物的涂敷通過在約2000 0F的溫度下燃燒所述摻雜燃料來進行。
[0015] 5.項目I的涂布方法，其中所述反應(yīng)產(chǎn)物沉積物包括每I小時期間至少約1400ppm 鎂。
[0016]6.項目I的涂布方法，其還包含燃燒較少摻雜的燃料。
[0017]7.項目6的涂布方法，其中所述較少摻雜的燃料將所述反應(yīng)產(chǎn)物沉積到所述閃層、所述反應(yīng)產(chǎn)物沉積物或它們的組合上。
[0018]8.項目I的涂布方法，其中所述摻雜燃料包括濃度按重量計大于約75%的氧化鎂。
[0019]9.項目I的涂布方法，其中所述摻雜燃料包括濃度按重量計為約90%的氧化鎂。
[0020]10.項目I的涂布方法，其中所述惰性陶瓷選自氧化鋁、氧化鈦、鋯酸鎂和它們的組合。
[0021]11.項目I的涂布方法，其還包含去除所述反應(yīng)產(chǎn)物沉積物的至少一部分。
[0022]12.項目11的涂布方法，其中所述去除通過干洗方法進行。
[0023]13.項目11的涂布方法，其中所述去除通過濕洗方法進行。
[0024]14.一種涂層，其包含:
熱障涂層；
包括惰性陶瓷的閃層；和
位于所述熱障涂層上的反應(yīng)產(chǎn)物沉積物，所述反應(yīng)產(chǎn)物沉積物包括選自以下的反應(yīng)產(chǎn)物:氧化鎂化合物、原釩酸鎂化合物、釩酸鎂化合物、焦釩酸鎂化合物、硫酸鎂化合物和它們的組合。
[0025]其中所述反應(yīng)產(chǎn)物為摻雜燃料的副產(chǎn)物。
[0026]15.項目14的涂層，其中所述摻雜燃料包括濃度按重量計大于約75%的氧化鎂。
[0027]16.—種涂布組件，其包含:
MCrAlY 基底；
熱障涂層；
包括惰性陶瓷的閃層；和
位于所述熱障涂層上的反應(yīng)產(chǎn)物沉積物，所述反應(yīng)產(chǎn)物沉積物包括選自以下的反應(yīng)產(chǎn)物:氧化鎂化合物、原釩酸鎂化合物、釩酸鎂化合物、焦釩酸鎂化合物、硫酸鎂化合物和它們的組合。
[0028]其中所述反應(yīng)產(chǎn)物為摻雜燃料的副產(chǎn)物。
[0029]17.項目16的涂布組件，其中所述摻雜燃料包括濃度按重量計大于約75%的氧化鎂。
[0030]18.項目16的涂布組件，其中所述摻雜燃料包括濃度按重量計為約90%的氧化鎂。
[0031]19.項目16的涂布組件，其中所述MCrAH基底為燃燒器的一部分。
[0032]20.項目16的涂布組件，其中所述MCrAH基底為用于氣體渦輪燃燒器的襯里。
[0033]由以下優(yōu)選實施方案的更詳細的描述，結(jié)合經(jīng)由實例說明本發(fā)明原理的附圖，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)勢將顯而易見。
[0034]附圖簡述
圖1為通過根據(jù)本公開內(nèi)容的示例性涂布方法涂布的示例性組件的透視圖。
[0035]圖2為根據(jù)本公開內(nèi)容的示例性涂層的示意性視圖。
[0036]圖3顯示根據(jù)本公開內(nèi)容的示例性涂布方法的示意圖。
[0037]在任何可能的情況下，將遍及附圖使用相同的參考編號來表示相同的部分。
【具體實施方式】
[0038]提供示例性涂布方法、涂層和涂布組件。本公開內(nèi)容的實施方案允許較不昂貴的材料沿?zé)釟饴窂绞褂?、允許使用可更容易獲得的材料、允許保護基底免受高溫、允許原位涂敷涂層的各個層、允許去除和/或再涂敷涂層、允許另外控制涂層厚度、允許燃燒器和/或其它組件更頻繁地保持運行以及它們的組合。
[0039]圖1顯示具有涂層200的涂布組件100，涂層200進一步顯示于圖2，其根據(jù)圖3所示的涂布方法300涂敷。涂布組件100為任何合適的組件。例如，在一個實施方案中，涂布組件100為燃燒器。在另一實施方案中，涂布組件100為用于氣體渦輪燃燒器的襯里。在其它實施方案中，涂布組件100為以下或為以下的一部分:轉(zhuǎn)換導(dǎo)管、渦輪靜葉片、旋轉(zhuǎn)葉片、環(huán)形片或它們的組合。
[0040]參考圖2，在一個實施方案中，涂層200包括MCrAH基底201、熱障涂層203、閃層205和反應(yīng)產(chǎn)物沉積物207。涂層200位于涂布組件100的任何合適的部分上。如圖1所示，在一個實施方案中，涂層200在組件100的內(nèi)部部分101上，例如沿?zé)釟饴窂?。在其它實施方案中，涂?00在組件100的不是內(nèi)部部分或不在熱氣路徑內(nèi)的部分上。
[0041]MCrAlY基底201是形成組件100的材料的部分或全部。本文所用術(shù)語“MCrAH”指具有鉻、鋁、釔和M的組合物，其中M為選自鎳、鐵、鈷和它們的組合的元素。MCrAH基底包括MCrAH在內(nèi)或由MCrAH組成。在一個實施方案中，MCrAH基底201按重量計包括約32%鈷、約22%鎳、約10%鉻、約0.3鋁以及釔。在另一實施方案中，MCrAH基底201按重量計包括約22%鎳、約6%鉻、約0.3鋁以及釔。
[0042]熱障涂層203保護MCrAH基底201免受高溫，例如在組件100的熱氣路徑中。本文所用術(shù)語“熱障涂層”包括選自以下的金屬或合金:鉬金屬、銥金屬、銥-鉿金屬、銥-鉬金屬、鉬-錸金屬、鉬基合金、銥基合金、銥-鉿基合金、銥-鉬基合金、鉬-錸基合金和它們的組合。在一個實施方案中，熱障涂層203包括氧化鎂和/或氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯。在一個實施方案中，熱障涂層203的厚度為約2密耳、約4密耳、約6密耳、約10密耳、約15密耳、約2密耳-約4密耳、約4密耳-約6密耳、約6密耳-約10密耳、約10密耳-約15密耳或為其中任何合適的組合、子組合、范圍或子范圍。
[0043]閃層205為組件100的涂層200提供耐腐蝕性。閃層205包括惰性陶瓷。在一個實施方案中，閃層205耐釩、硫氧化物和/或其它能導(dǎo)致腐蝕的重質(zhì)燃料組分。在一個實施方案中，惰性陶瓷選自氧化鋁(例如，按重量計為13%)、氧化鈦、鋯酸鎂和它們的組合。在一個實施方案中，閃層205的厚度為約I密耳、約2密耳、約3密耳、約4密耳、約5密耳、約I密耳-約2密耳、約I密耳-約3密耳、約I密耳-約5密耳、約2密耳-約3密耳、約3密耳-約4密耳或其中任何合適的組合、子組合、范圍或子范圍。閃層205耐釩、硫氧化物和/或其它能導(dǎo)致腐蝕的重質(zhì)燃料組分。
[0044]反應(yīng)產(chǎn)物沉積物207包括反應(yīng)產(chǎn)物，所述反應(yīng)產(chǎn)物為摻雜燃料的副產(chǎn)物。摻雜燃料包括具有釩和硫氧化物的重質(zhì)燃料以及由重質(zhì)燃料反應(yīng)形成的氧化鎂。在一個實施方案中，摻雜燃料包括氧化鎂，其濃度按重量計為大于約75%、大于約80%、大于約85%、約75%、約80%、約85%、約90%、約75%-約90%、約80%-約90%、約85%-約90%或其中任何合適的組合、子組合、范圍或子范圍。在一個實施方案中，燃料含有濃度大于百萬分之0.5 (0.5 ppm)的?凡。
[0045]反應(yīng)產(chǎn)物沉積物207包括選自以下的反應(yīng)產(chǎn)物:氧化鎂化合物、原釩酸鎂化合物、釩酸鎂化合物、焦釩酸鎂化合物、硫酸鎂化合物和它們的組合。例如，在一個實施方案中，反應(yīng)產(chǎn)物的部分或全部由以下反應(yīng)中的一個或多個形成:
V2O5 + 3Mg0 + 重質(zhì)油一Mg2V2O7 + MgSO4(Eq.1)
Mg3(VO4)2 + SO3 + 重質(zhì)油—Mg2V2O7 + MgSO4 (Eq.2)
MgSO4 + 重質(zhì)油一MgO + SO3(Eq.3)參考圖3，在一個實施方案中，涂布方法300包括提供MCrAH基底201 (步驟301)、將熱障涂層203涂敷到MCrAH基底201的至少一部分(步驟303)、將閃層205涂敷到熱障涂層203的至少一部分(步驟305)和將反應(yīng)產(chǎn)物沉積物207涂敷到熱障涂層203的至少一部分上(步驟307)。在另外的實施方案中，涂布方法300包括將熱障涂層203涂敷到MCrAH基底201的全部(步驟303)、將閃層205涂敷到熱障涂層203的全部(步驟305)、將反應(yīng)產(chǎn)物沉積物207涂敷到熱障涂層203的全部上(步驟307)或它們的組合。
[0046]反應(yīng)產(chǎn)物通過在大于約2000 °F的溫度下在初級燃燒區(qū)中燃燒摻雜燃料而沉積。在一個實施方案中，反應(yīng)產(chǎn)物沉積物207包括一定量的鎂，例如至少約200ppm鎂、至少約800ppm 鎂、200ppm、800ppm、IOOOppm 鎂、1200ppm 鎂、1400ppm 鎂、1500ppm 鎂、1600ppm 鎂或其中任何合適的組合、子組合、范圍或子范圍。在一個實施方案中，在一定時間內(nèi)涂敷大量的鎂(步驟307 )，例如約30分鐘、約45分鐘、約I小時、約75分鐘、約90分鐘、約45分鐘-約90分鐘、約45分鐘-約75分鐘或其中任何合適的組合、子組合、范圍或子范圍。
[0047]涂布方法300包括任何合適的另外的步驟。例如，在一個實施方案中，方法300還包括燃燒與用于涂敷反應(yīng)產(chǎn)物沉積物207的摻雜燃料相比時較少摻雜的燃料，從而將反應(yīng)產(chǎn)物涂敷和/或補充到反應(yīng)產(chǎn)物沉積物、閃層205或它們的組合中。
[0048]在一個實施方案中，較少摻雜的燃料包括一定量的鎂，例如約200ppm鎂、約400ppm續(xù)、約600ppm續(xù)、約650ppm續(xù)、約550ppm續(xù)、小于約700ppm續(xù)、約500ppm續(xù)-約700ppm或其中任何合適的組合、子組合、范圍或子范圍。在一個實施方案中，較少摻雜的燃料中鎂的量對應(yīng)于釩的量，例如，比例為約3份鎂比I份釩。在一個實施方案中，在一定時間內(nèi)涂敷較少摻雜的燃料，例如約30分鐘、約45分鐘、約I小時、約75分鐘、約90分鐘、約45分鐘-約90分鐘、約45分鐘-約75分鐘或其中任何合適的組合、子組合、范圍或子范圍。
[0049]在一個實施方案中，涂布方法300包括通過干洗方法、通過濕洗方法或它們的組合去除反應(yīng)產(chǎn)物沉積物207的 至少一部分。干洗方法輕度磨蝕熱障涂層203、閃層205和/或反應(yīng)產(chǎn)物沉積物207。干洗方法不影響MCrAH基底201。在一個實施方案中，干洗方法通過對涂層200發(fā)射顆粒來進行。例如，在一個實施方案中，對涂層200發(fā)射諸如堅果殼碎片的顆粒。在另一實施方案中，涂層200在燃燒器中，在燃燒器操作期間施用顆粒。濕洗方法包括注射和/或施用水和/或清洗溶液，從而去除閃層205和/或反應(yīng)產(chǎn)物沉積物207的一部分，而不影響MCrAH基底201。
[0050]雖然已參照優(yōu)選實施方案描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解，可進行不同的改變并可用等價物代替其要素而不偏離本發(fā)明的范圍。另外，可進行很多修改以使特定的情況或材料適應(yīng)于本發(fā)明的教導(dǎo)而不偏離其實質(zhì)范圍。因此，預(yù)期本發(fā)明不限于作為考慮用于實施本發(fā)明的最佳方式而公開的特定實施方案，而是本發(fā)明將包括落入所附權(quán)利要求書范圍內(nèi)的所有實施方案。
【權(quán)利要求】
1.一種涂布方法，其包含: 提供MCrAH基底； 將熱障涂層涂敷到所述MCrAH基底； 將閃層涂敷到所述熱障涂層，所述閃層包括惰性陶瓷；和 將反應(yīng)產(chǎn)物沉積物涂敷到所述熱障涂層上，所述反應(yīng)產(chǎn)物沉積物包括選自以下的反應(yīng)產(chǎn)物:氧化鎂化合物、原釩酸鎂化合物、釩酸鎂化合物、焦釩酸鎂化合物、硫酸鎂化合物和它們的組合； 其中所述反應(yīng)產(chǎn)物為摻雜燃料的副產(chǎn)物。
2.權(quán)利要求1的涂布方法，其中所述MCrAH基底為燃燒器的一部分。
3.權(quán)利要求1的涂布方法，其中所述反應(yīng)產(chǎn)物沉積物的涂敷通過在大于約1650T的溫度下燃燒所述摻雜燃料來進行。
4.權(quán)利要求1的涂布方法,其中所述反應(yīng)產(chǎn)物沉積物的涂敷通過在約20000F的溫度下燃燒所述摻雜燃料來進行。
5.權(quán)利要求1的涂布方法，其中所述反應(yīng)產(chǎn)物沉積物包括每I小時期間至少約1400ppm 鎂。
6.權(quán)利要求1的涂布方法，其還包含燃燒較少摻雜的燃料。
7.權(quán)利要求6的涂布方法，其中所述較少摻雜的燃料將所述反應(yīng)產(chǎn)物沉積到所述閃層、所述反應(yīng)產(chǎn)物沉積物 或它們的組合上。
8.權(quán)利要求1的涂布方法，其中所述摻雜燃料包括濃度按重量計大于約75%的氧化鎂。
9.權(quán)利要求1的涂布方法，其中所述摻雜燃料包括濃度按重量計為約90%的氧化鎂。
10.權(quán)利要求1的涂布方法，其中所述惰性陶瓷選自氧化鋁、氧化鈦、鋯酸鎂和它們的組合。
【文檔編號】C23C16/453GK103469201SQ201310220054
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月5日
【發(fā)明者】S.S.帕布拉, G.O.克雷默, R.T.埃弗哈特, W.F.小卡內(nèi)爾 申請人:通用電氣公司