專利名稱：帶有阻擋層的層狀系統(tǒng)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有阻擋層的層狀系統(tǒng)及一種制造這種層狀系統(tǒng)的相應(yīng)方法。
背景技術(shù)：
應(yīng)用在高溫下的構(gòu)件，尤其是透平機(jī)中的構(gòu)件具有由MCrAlX類型的合金組成的防腐蝕層，其中，該MCrAlX合金中的鋁在這保護(hù)層的表面上形成一層保護(hù)性氧化層。但鋁元素也會從這一保護(hù)層中擴(kuò)散到所述基體材料中，而這卻是不期望看到的。在US 4477538、JP11124688A與US5427866以及DE 19842417這些專利文獻(xiàn)中公開了一些由鉑或鈀制成的金屬層位于基層和保護(hù)層或外層之間。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就是要克服上面的問題。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明首先提供一種層狀系統(tǒng)，它至少包括一基層、一位于該基層上的保護(hù)層以及在該基層和保護(hù)層之間的一阻擋層，其中，該保護(hù)層尤其可帶有在其之上的一隔熱層，按照本發(fā)明，所述阻擋層至少部分設(shè)計成金屬間相，該金屬間相從PdAl2、Ta2Al、NbAl2或Nb3Al這組鋁化合物中選擇，并且所述保護(hù)層由一種MCrAlX合金組成。
本發(fā)明另外還建議了兩種制造所述層狀系統(tǒng)的方法，按照第一種方法是采用一種泥釉來制造所述阻擋層；而按照第二種方法則是用一種電解方法來制造所述阻擋層。
如此制造出的層狀系統(tǒng)具有改善的防腐蝕性，因為鋁很少或幾乎不會擴(kuò)散到基體材料中，并因此導(dǎo)致與現(xiàn)有技術(shù)相比防腐蝕層中的鋁隨時間的流失減少。同樣，也會有更少的元素從基體材料中擴(kuò)散到所述防腐蝕層中。這一點可以通過改善所述阻擋層作為阻擋擴(kuò)散層的阻擋效果來實現(xiàn)。
按照本發(fā)明的層狀系統(tǒng)的一種擴(kuò)展設(shè)計，所述阻擋層主要由至少一種金屬間相組成。
按照本發(fā)明的層狀系統(tǒng)的另一種擴(kuò)展設(shè)計，所述阻擋層具有一金屬基體，后者包含一種金屬間相的顆粒。
所述阻擋層也可具有僅僅一種金屬間相，但也可由多種金屬間相構(gòu)成。
所述阻擋層優(yōu)選相對于所述保護(hù)層設(shè)計得更薄，尤其是最多只有50μm厚，優(yōu)選最多只有5μm厚。比較有利的是，所述阻擋層的厚度為所述保護(hù)層厚度的1％-17％。
按照本發(fā)明的層狀系統(tǒng)的一種有利設(shè)計，所述阻擋層由帶有金屬間相的納米級晶體顆粒組成，后者的晶粒尺寸尤其小于500nm。所述阻擋層還優(yōu)選具有超塑性。
按照本發(fā)明的層狀系統(tǒng)的另一種有利設(shè)計，所述基層是一種超級高溫合金，尤其是一種鐵基、鈷基或鎳基超級高溫合金。
按照本發(fā)明的層狀系統(tǒng)可以是一個透平機(jī)構(gòu)件，尤其是汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)的構(gòu)件，尤其是一個透平葉片或一個熱屏元件。
按照本發(fā)明的第一種用于制造層狀系統(tǒng)的方法的一種有利設(shè)計，將所述泥釉涂刷在所述基層上。按照另一種設(shè)計則是噴涂所述泥釉。
按照本發(fā)明的第二種用于制造層狀系統(tǒng)的方法的一種有利設(shè)計，將一些用于制造所述阻擋層的材料顆粒彌散在一種電解液中并使之電解沉積。優(yōu)選將用于形成所述阻擋層的有待沉積出的元素溶解在一種電解液中。
按照本發(fā)明的用于制造層狀系統(tǒng)的方法的一種有利設(shè)計，可通過對所述阻擋層進(jìn)行熱處理來使之與所述基層結(jié)合。
上述各種技術(shù)措施可按照有利的方式方法任意組合。


下面借助附圖所示實施方式對本發(fā)明予以詳細(xì)說明，附圖中圖1表示按本發(fā)明的一個層狀系統(tǒng)；圖2表示一個透平葉片；圖3表示一個燃燒室；圖4表示一臺燃?xì)廨啓C(jī)。
具體實施例方式
圖1示出了按照本發(fā)明的一種層狀系統(tǒng)1。
該層狀系統(tǒng)1例如是一個透平機(jī)構(gòu)件，諸如一個用于飛機(jī)或發(fā)電站的汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)100(參見圖4)上的構(gòu)件，在此尤其可以是一個透平葉片120，130(參見圖2)或一個熱屏元件155(參見圖3)。
尤其在透平機(jī)構(gòu)件上的所述基層4由一種鐵基、鈷基或鎳基超級高溫合金組成。
在該基層4上以公知的方式涂覆有至少一層尤其可由MCrAlX類合金組成的保護(hù)層10。
為了應(yīng)用在特別高的溫度下，在所述保護(hù)層10上可能還要有一陶瓷隔熱層13(圖1中用虛線示出)。這樣一來，所述保護(hù)層10就不僅是防氧化和/或防腐蝕的保護(hù)層，而且也是將所述陶瓷隔熱層15結(jié)合在所述基層4上的中間粘合層。
按照本發(fā)明，在該基層4和保護(hù)層10之間有一阻擋層7，該阻擋層7至少部分具有從PdAl2、Ta2Al、NbAl2或Nb3Al這組鋁化合物中選擇出的一種金屬間相。該金屬間相阻止鋁從保護(hù)層10中擴(kuò)散到基層4中。
金屬間合金(相)具有一種晶體結(jié)構(gòu)，它相對于構(gòu)成它的兩種或更多種合金成分有完全不同的特性并且按固有的、與參與形成它的金屬的結(jié)構(gòu)不一致的品格結(jié)構(gòu)類型結(jié)晶。這種金屬間相可以化學(xué)計量地組成，但它可以構(gòu)成同樣好的混合晶體區(qū)并具有一種有秩序的或無秩序的分布。在本申請背景技術(shù)部分中提到的現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)所公開的由鉑或鈀制成的層是純粹的金屬層，而不是金屬間相層。
按照本發(fā)明的一種優(yōu)選設(shè)計，所述阻擋層7主要由至少一種金屬間相組成，也就是說由一個為PdAl2、Ta2Al、NbAl2或Nb3Al中的一種金屬間相型的基體組成，但該基體也可以包含多種金屬間相而形成一個金屬間相混合物。所述阻擋層7的基體例如可由納米級晶體顆粒組成。
同樣，所述金屬間相可尤其作為納米級晶體形式的顆粒存在于另一種金屬基體中，例如存在于基層4的超級高溫合金中或MCrAlX類合金中。該晶體顆粒的尺寸小于500nm，尤其小于300nm或小于100nm。
為了制造所述金屬間相的阻擋層7，也可首先將Pd、Ta或Nb涂覆在基層4上，然后滲鋁，然后再通過適當(dāng)?shù)臒崽幚韺⑺扛驳牟牧限D(zhuǎn)換成一種金屬間相。其他實施例可以是一種鉑基金屬間相。
所述阻擋層7可相對于所述保護(hù)層10設(shè)計得特別薄，尤其是最多只有50μm厚，優(yōu)選最多只有5μm厚，并且可例如通過電解法和/或用尤其是納米級的粉末顆粒來制造，由此來實現(xiàn)薄的層厚度。所述阻擋層7也因此不僅可由微米級顆粒組成的一層顆粒層組成也可由好幾層顆粒層組成。
由MCrAlX類合金制成的一層保護(hù)層10例如大約為300μm厚，這樣，所述阻擋層7的厚度可有利地為所述保護(hù)層10厚度的1％-17％。這一點完全適用于所述阻擋層7和位于其上的保護(hù)層10。
所述金屬間相具有一高的熔融溫度，這樣一來，當(dāng)其應(yīng)用在高溫下時就能保持其結(jié)構(gòu)，而不會因為相互擴(kuò)散而溶解掉。
所述阻擋層7可尤其通過相應(yīng)選擇其組成材料或形態(tài)而具有尤其在高溫下的超塑性。例如可通過一種納米級的晶體結(jié)構(gòu)(晶粒尺寸)來實現(xiàn)這一點。
為了不會形成容易產(chǎn)生裂紋的阻擋層7及避免由此所導(dǎo)致的層狀系統(tǒng)1的機(jī)械強(qiáng)度或抗腐蝕性的降低，阻擋層7具有一定塑性很重要。
所述阻擋層7可以按照各種方式方法來制造。
例如可采用一種泥釉來制造所述阻擋層7。這種泥釉可由用于制造該阻擋層7的材料的粉末(例如部分或完全為納米級晶體)、一種載體溶劑(例如水或酒精)以及可能還有一種結(jié)合劑(例如樹脂)組成。
所述泥釉可涂刷或噴涂在所述基層4的表面上。通過對其進(jìn)行干燥，所述載體溶劑逸出，所述結(jié)合劑可能還會被燒掉。之后再對其進(jìn)行密實和粘結(jié)式熱處理。
同樣，也可用一種電解方法來制造所述阻擋層7。按此方法，將一些用于制造所述阻擋層7的粉末顆粒(例如部分或完全為納米級晶體)彌散在一種電解液中并使之電解沉積，和/或?qū)⑿纬伤鲎钃鯇?7)的其中一種元素或所有元素溶解在電解液中，然后從該溶液中分離出并沉積在基層4上。在此，也可以對這樣形成的所述阻擋層7隨后進(jìn)行熱處理。
圖2用透視圖表示一種渦輪機(jī)的工作葉片120或?qū)蛉~片130，它沿縱軸線121延伸。
該渦輪機(jī)可以是飛機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)或發(fā)電的動力裝置、汽輪機(jī)或壓氣機(jī)。
葉片120、130沿縱軸線121彼此相繼地有固定區(qū)400、與之相鄰的葉片平臺403以及葉身406。作為導(dǎo)向葉片130，葉片130可以在其葉片頂部415有另一個平臺(未表示)。
固定區(qū)400構(gòu)成葉根183，它用于將葉片120、130固定在軸或輪盤上(未表示)。葉根183可以例如設(shè)計為倒“T”形。也可以不同地設(shè)計為樅樹形或燕尾形葉根。葉片120、130有流入邊或前緣409和流出邊或后緣412，它們用于一種在葉身406上流過的介質(zhì)。
傳統(tǒng)的葉片120、130在葉片120、130的所有區(qū)域400、403、406內(nèi)例如采用實心的金屬材料，尤其是超級高溫合金。例如由EP 1204776B1、EP 1306454、EP 1319729A1、WO 99/67435或WO 00/44949已知這種超級高溫合金；這些文件是本申請公開內(nèi)容的一部分。葉片120、130在這里可以通過鑄造方法，也可以借助定向凝固、通過鍛造方法、通過銑削方法或這些方法的組合制造。
有單晶結(jié)構(gòu)的工件用作一些機(jī)器的構(gòu)件，這些機(jī)器在運行中遭受高機(jī)械、熱和/或化學(xué)負(fù)荷。這些單晶工件的制造例如通過熔融金屬的定向凝固實現(xiàn)。在這里涉及鑄造方法，按此方法液態(tài)的金屬合金定向凝固為單晶結(jié)構(gòu)，亦即單晶工件。在這種情況下樹枝狀的晶體沿?zé)崃鞣较蚨ㄏ?，并?gòu)成或一種柱狀結(jié)晶的晶粒結(jié)構(gòu)(沿工件全長延伸的柱，亦即晶粒，以及在這里按習(xí)慣用語稱為定向凝固)，或一種單晶結(jié)構(gòu)，亦即整個工件由單一晶體組成。按此方法，人們必須避免轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙?多晶體)凝固，因為通過不定向生長必然構(gòu)成橫向和縱向晶界，它們使定向凝固或單晶構(gòu)件良好的特性消失。若一般論及定向凝固的組織，則既指單晶體，它們沒有晶界或最多有小角度晶界，也指柱狀晶體結(jié)構(gòu)，它們也許有沿縱向延伸的晶界，但沒有橫向的晶界。對于所述的這兩種晶體結(jié)構(gòu)人們也稱之為定向凝固組織(directionally solidified structures)。由US-PS 6024792和EP 0892090A1已知這些方法；這些文件也是本申請公開內(nèi)容的一部分。
同樣，葉片120、130可以有防腐蝕或氧化的涂層(MCrAlX；其中，M是鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)元素組中至少一種，X是一種活性元素以及代表釔(Y)和/或硅(Si)和/或至少一種稀土元素或鉿(Hf))。由EP 0486489B1、EP0786017B1、EP 0412397B1或EP 1306454A1已知這些合金，它們也應(yīng)是本申請公開內(nèi)容的一部分。
在MCrAlX上面還可以存在一個隔熱層以及例如由ZrO2、Y2O4-ZrO2組成，也就是說，它沒有、部分或完全通過氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂穩(wěn)定化。采用恰當(dāng)?shù)耐繉臃椒?，例如熱電子束蒸?EB-PVD)，在隔熱層內(nèi)造成柱狀晶粒。
再加工(整修)的意思是，構(gòu)件120、130在其使用后必要時必須除去保護(hù)層(例如通過噴砂)。然后進(jìn)行去除腐蝕和/或氧化層或產(chǎn)物。有可能還要修理構(gòu)件120、130內(nèi)的裂紋。然后進(jìn)行構(gòu)件120、130的重新涂層以及重新使用構(gòu)件120、130。
葉片120、130可以設(shè)計為空心或?qū)嵭牡?。若葉片120、130應(yīng)當(dāng)冷卻，則它是空心的以及必要時還有氣膜冷卻孔418(用虛線表示)。
葉片120、130例如具有相應(yīng)的大多為金屬的涂層(MCrAlX)作為防腐蝕層，并且大多還具有一陶瓷層作為耐熱層。
圖3表示燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室110。燃燒室110例如設(shè)計為所謂的環(huán)形燃燒室，其中，許多繞旋轉(zhuǎn)軸線102沿周向排列的燃燒器107通入一公共的燃燒室腔內(nèi)。為此，燃燒室110在其總體上設(shè)計為環(huán)形結(jié)構(gòu)，它圍繞旋轉(zhuǎn)軸線102定位。
為達(dá)到比較高的效率，針對比較高的工質(zhì)M的溫度約為1000℃至1600℃來設(shè)計燃燒室110。為了即使在這些對于材料不利的運行參數(shù)下仍能有比較長的使用壽命，燃燒室壁153在其面朝工質(zhì)M的那一側(cè)加上用熱屏元件155構(gòu)成的內(nèi)襯。
每個熱屏元件155在工質(zhì)一側(cè)配備有特別耐熱的護(hù)層或用耐高溫材料制造。這可以是實心陶瓷塊或有MCrAlX和/或陶瓷涂層的合金。燃燒室壁及其涂層的材料可類似于透平葉片。
基于燃燒室110內(nèi)部這種高的溫度，還可以為熱屏元件155或為它們的固定元件設(shè)置冷卻系統(tǒng)。
圖4作為范例表示燃?xì)廨啓C(jī)100的局部縱剖面。燃?xì)廨啓C(jī)100內(nèi)部有一個繞旋轉(zhuǎn)軸線102旋轉(zhuǎn)支承的轉(zhuǎn)子103，它亦稱為透平機(jī)轉(zhuǎn)子。沿轉(zhuǎn)子103彼此相繼的是一個進(jìn)氣機(jī)匣104、一個壓氣機(jī)(壓縮機(jī))105、一個包括多個同軸排列的燃燒器107的例如花托狀燃燒室110，尤其環(huán)形燃燒室106、一個透平機(jī)108和排氣機(jī)匣109。環(huán)形燃燒室106與例如環(huán)形的熱燃?xì)馔ǖ?11連通。在那里例如四個串聯(lián)的透平級112構(gòu)成透平機(jī)108。每個透平級112例如由兩個葉片環(huán)構(gòu)成。沿工質(zhì)113的流動方向看，在熱燃?xì)馔ǖ?11內(nèi)，在導(dǎo)向葉排115后跟隨著一個由工作葉片120構(gòu)成的葉排125。
在這里導(dǎo)向葉片130固定在定子143的內(nèi)機(jī)匣138上，而一個排125的工作葉片120例如借助透平機(jī)輪盤133安裝在轉(zhuǎn)子103上。在轉(zhuǎn)子103上連接一發(fā)電機(jī)或一工作機(jī)械(未表示)。
在燃?xì)廨啓C(jī)100運行時，壓氣機(jī)105通過進(jìn)氣機(jī)匣104吸入并壓縮空氣135。將在壓氣機(jī)105透平機(jī)一側(cè)的端部處制備的壓縮空氣導(dǎo)向燃燒器107并在那里與燃料混合。此混合物然后在燃燒室110內(nèi)燃燒形成工質(zhì)113。工質(zhì)113從那里出發(fā)沿?zé)崛細(xì)馔ǖ?11流過導(dǎo)向葉片130和工作葉片120。工質(zhì)113在工作葉片120上傳輸沖量地膨脹，所以工作葉片120驅(qū)動轉(zhuǎn)子103，以及轉(zhuǎn)子103驅(qū)動與其連接的工作機(jī)械。
遭遇熱工質(zhì)113的構(gòu)件在燃?xì)廨啓C(jī)100運行期間承受熱負(fù)荷。除了覆蓋著環(huán)形燃燒室106的熱屏元件外沿工質(zhì)113流動方向看的第一透平級112的導(dǎo)向葉片130和工作葉片120承受的熱負(fù)荷最大。為了能承受住在那里存在的溫度，它們可以借助冷卻劑冷卻。同樣這些構(gòu)件的基質(zhì)也可以有定向結(jié)構(gòu)，也就是說，它們是單晶的(SX結(jié)構(gòu))或只有縱向的晶粒(DS結(jié)構(gòu))。作為構(gòu)件的材料，尤其透平葉片120、130和燃燒室110構(gòu)件的材料，例如采用鐵基、鎳基或鈷基的超級高溫合金。
例如由EP 1204776B1、EP 1306454、EP 1319729A1、WO 99/67435或WO 00/44949已知這種超級高溫合金；這些文件是本申請公開內(nèi)容的一部分。
葉片120、130同樣可以有防腐蝕的涂層(MCrAlX；M是鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)元素組中至少一種，X是一種活性元素以及代表釔(Y)和/或硅和/或至少一種烯土元素或鉿)。由EP 0486489B1、EP 0786017B1、EP 0412397B1或EP 1306454A1已知這些合金，它們應(yīng)是本申請公開內(nèi)容的一部分。
在MCrAlX上面還可以存在一個隔熱層以及例如由ZrO2、Y2O4-ZrO2組成，也就是說，它沒有、部分或完全通過氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂穩(wěn)定化。采用恰當(dāng)?shù)耐繉臃椒?，例如熱電子束放?EB-PVD)，在隔熱層內(nèi)造成柱狀晶粒。
導(dǎo)向葉片130具有一個面朝透平機(jī)108內(nèi)機(jī)匣138的導(dǎo)葉葉根(圖中未表示)以及一個與導(dǎo)葉片根對置的導(dǎo)葉端部。導(dǎo)葉端部面朝轉(zhuǎn)子103以及固定在定子143的固定環(huán)140上。
權(quán)利要求
1.一種層狀系統(tǒng)(1)，它至少包括一基層(4)、一位于該基層(4)上的保護(hù)層(10)以及在該基層(4)和保護(hù)層(10)之間的一阻擋層(7)，其中，該保護(hù)層(10)尤其可帶有在其之上的一隔熱層(13)，其特征在于，所述阻擋層(7)至少部分設(shè)計成金屬間相，該金屬間相從PdAl2、Ta2Al、NbAl2或Nb3Al這組鋁化合物中選擇，并且所述保護(hù)層(10)由一種MCrAlX合金組成。
2.按照權(quán)利要求1所述的層狀系統(tǒng)，其特征在于，所述阻擋層(7)主要由至少一種金屬間相組成。
3.按照權(quán)利要求1所述的層狀系統(tǒng)，其特征在于，所述阻擋層(7)具有一金屬基體，后者包含一種金屬間相的顆粒。
4.按照權(quán)利要求1、2或3所述的層狀系統(tǒng)，其特征在于，所述阻擋層(7)具有僅僅一種金屬間相。
5.按照權(quán)利要求1所述的層狀系統(tǒng)，其特征在于，所述阻擋層(7)僅僅由一種或多種金屬間相構(gòu)成。
6.按照權(quán)利要求1至5中任一項所述的層狀系統(tǒng)，其特征在于，所述阻擋層(7)相對于所述保護(hù)層(10)設(shè)計得更薄，尤其是最多只有50μm厚，優(yōu)選最多只有5μm厚。
7.按照權(quán)利要求1或6所述的層狀系統(tǒng)，其特征在于，所述阻擋層(7)的厚度為所述保護(hù)層(10)厚度的1％-17％。
8.按照權(quán)利要求1至7中一項或多項所述的層狀系統(tǒng)，其特征在于，所述阻擋層(7)由帶有金屬間相的納米級晶體顆粒組成，后者的晶粒尺寸尤其小于500nm。
9.按照權(quán)利要求1至8中一項或多項所述的層狀系統(tǒng)，其特征在于，所述阻擋層(7)具有超塑性。
10.按照權(quán)利要求1所述的層狀系統(tǒng)，其特征在于，所述基層(4)是一種超級高溫合金，尤其是一種鐵基、鈷基或鎳基超級高溫合金。
11.按照權(quán)利要求1或10所述的層狀系統(tǒng)，其特征在于，所述層狀系統(tǒng)(1)是一個透平機(jī)構(gòu)件，尤其是汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)(100)的構(gòu)件，尤其是一個透平葉片(120，130)或一個熱屏元件(155)。
12.一種制造按照權(quán)利要求1至11中一項或多項所述層狀系統(tǒng)的方法，其特征在于，采用一種泥釉來制造所述阻擋層(7)。
13.按照權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，將所述泥釉涂刷在所述基層(4)上。
14.按照權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，噴涂所述泥釉。
15.一種制造按照權(quán)利要求1至9中一項或多項所述層狀系統(tǒng)的方法，其特征在于，用一種電解方法來制造所述阻擋層(7)。
16.按照權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，將一些用于制造所述阻擋層(7)的材料顆粒彌散在一種電解液中并使之電解沉積。
17.按照權(quán)利要求15或16所述的方法，其特征在于，將所述阻擋層(7)的有待沉積的元素溶解在一種電解液中。
18.按照權(quán)利要求12至17所述的方法，其特征在于，通過對所述阻擋層(7)進(jìn)行熱處理來使之與所述基層(4)結(jié)合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶有阻擋層的層狀系統(tǒng)及其制造方法。按照現(xiàn)有技術(shù)的構(gòu)件為避免腐蝕具有一保護(hù)層，其中，該保護(hù)層中的一種金屬元素(例如鋁)形成一種保護(hù)性的氧化物層。但這種金屬元素也以不期望的方式擴(kuò)散到基層中。按照本發(fā)明的層狀系統(tǒng)(1)具有一阻止所述擴(kuò)散的金屬阻擋層(7)，其中，該阻擋層(7)具有PdAl
文檔編號F01D5/12GK1807090SQ200610005739
公開日2006年7月26日 申請日期2006年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月14日
發(fā)明者克努特·哈伯斯塔特, 沃納·施塔姆 申請人:西門子公司