具有深度變化材料性質(zhì)的渦輪機部件熱障涂層的制作方法
【專利摘要】一種具有深度變化材料性質(zhì)的熱障涂層（TBC）形成于渦輪機部件上。示例性深度變化材料性質(zhì)包括從所述TBC層內(nèi)表面到外表面發(fā)生變化的物理延展性、強度、和熱阻性。用于修改物理性質(zhì)的示例性方式包括：涂敷不同材料成分的多個單獨上方層、或者通過在涂敷TBC層期間使所涂敷的材料成分發(fā)生變化。本文描述的各個實施例還在所述TBC層之上涂敷鈣鎂鋁硅（CMAS）阻滯材料，以便阻止包含燃燒顆粒的CMAS與所述TBC層發(fā)生反應或者粘合至所述TBC層。在其它實施例中，CMAS阻滯材料還涂敷在形成于所述TBC表面中的設計槽特征（EGF）內(nèi)。
【專利說明】具有深度變化材料性質(zhì)的渦輪機部件熱障涂層
[0001]優(yōu)先權聲明和相關申請的交叉引用
本申請要求在下列美國專利申請下的優(yōu)先權，其全部內(nèi)容通過引用并入本文:
于2014年2月25日提交的、分配的序列號為14/188,941的“TURBINE ABRADABLE LAYERWITH PROGRESSIVE WEAR ZONE HAVING A FRANGIBLE OR PIXELATED NIB SURFACE”；以及于2014年2月25日提交的、分配的序列號為14/188,958的“TURBINE ABRADABLE LAYERWITH PROGRESSIVE WEAR ZONE MULTI LEVEL RIDGE ARRAYS”。
[0002]案卷編號為20 13P20413W0、分配的序列號(未知)、發(fā)明名稱為“TURBINEABRADABLE LAYER WITH AIRFLOW DIRECTING PIXELATED SURFACE FEATURE PATTERNS”的同時提交的國際專利申請視為是相關申請并且通過引用并入本文。
[0003]為了審查現(xiàn)在提交的申請，將下列美國專利申請視為是相關申請，其全部內(nèi)容通過引用并入本文:
于2014年2月25日提交的、分配的序列號為14/188,992的“TURBINE ABRADABLE LAYERWITH PROGRESSIVE WEAR ZONE TERRACED RIDGES”；
于2014年2月2 5日提交的、分配的序列號為14/18 8，813的“TURBI NE ABRADABLE LAYERWITH PROGRESSIVE WEAR ZONE MULTI DEPTH GROOVES”；
于2014年2月25日提交的、分配的序列號為14/189,035的“TURBINE ABRADABLE LAYERWITH ASYMMETRIC RIDGES OR GROOVES”；
于2014年2月25日提交的、分配的序列號為14/189,081的“TURBINE ABRADABLE LAYERWITH ZIG-ZAG GROOVE PATTERN”；以及
于2014年2月2 5日提交的、分配的序列號為14/18 9，011的“TURBI NE ABRADABLE LAYERWITH NESTED LOOP GROOVE PATTERN”。
技術領域
[0004]本發(fā)明涉及在其暴露于已加熱的工作流體(諸如，燃燒氣體或者高壓蒸汽)的部件表面上具有熱障涂層(TBC)層的燃燒或者蒸汽渦輪發(fā)動機，其包括包含了這些熱障涂層的單獨的子部件。本發(fā)明還涉及用于減少通常由發(fā)動機熱循環(huán)或者異物損傷(FOD)引起的對這些禍輪發(fā)動機部件TBC層的裂紋擴展或者散裂損傷(spallat1n damage)的方法。更具體地，本文中描述的各個實施例涉及:在渦輪機部件上形成具有深度變化材料性質(zhì)的上方熱障涂層(TBC)。示例性深度變化材料性質(zhì)包括從所述TBC層內(nèi)表面到外表面發(fā)生變化的斷裂韌性、彈性模數(shù)、多孔性和導熱性。用于修改物理性質(zhì)的示例性方式包括:涂敷不同材料成分的多個單獨上層、或者在熱噴涂涂敷TBC層期間使所涂敷的材料成分發(fā)生變化。本文描述的各個實施例還在所述TBC層之上涂敷鈣鎂鋁硅(CMAS)阻滯材料，以便阻滯包含燃燒顆粒的CMAS與所述TBC層發(fā)生反應或者粘合至所述TBC層。
【背景技術】
[0005]公知的渦輪發(fā)動機(包括氣體/燃氣渦輪發(fā)動機和蒸汽渦輪發(fā)動機)包含在圓周上由渦輪機外殼或者殼體包圍的軸安裝型渦輪機葉片。雖然本說明書的剩余部分將重點放在燃燒或者氣體渦輪機技術應用和環(huán)境內(nèi)的應用，但是本文中描述的示例性實施例可適用于蒸汽渦輪發(fā)動機。在氣體/燃氣渦輪發(fā)動機中，熱燃燒氣體流入開始于燃燒器內(nèi)的燃燒路徑中，并且通過大體上呈管狀的過渡件引導到渦輪段中?？壳暗幕蛘叩贗排輪葉將燃燒氣體引導通過多排連續(xù)交替的渦輪機葉片和輪葉。撞擊渦輪機葉片的熱燃燒氣體使葉片轉(zhuǎn)動，從而將熱氣體內(nèi)的熱能轉(zhuǎn)換成機械功，該機械功可用于向旋轉(zhuǎn)機械(諸如，發(fā)電機)提供動力。
[0006]將在熱燃燒氣體路徑內(nèi)的發(fā)動機內(nèi)部部件暴露于大約900攝氏度(1600華氏度)的燃燒溫度下。在燃燒路徑內(nèi)的發(fā)動機內(nèi)部部件，諸如，例如，燃燒段過渡件、輪葉和葉片，通常由耐高溫超合金構造而成。葉片和輪葉通常包括終止于部件外表面上的冷卻孔中的冷卻通道，以便使冷卻劑流體通過到燃燒路徑中。
[0007]渦輪發(fā)動機內(nèi)部部件通常包含金屬陶瓷材料的熱障涂覆或者涂層(TBC)，該TBC直接涂敷到部件基板表面的外表面或者在先前涂敷到基板表面的中間金屬粘結(jié)涂層(BC)之上。TBC在部件基板之上提供絕緣層，這降低了基板溫度。TBC涂敷與部件中的冷卻通道的結(jié)合進一步降低了基板溫度。
[0008]由于(尤其)用于制造上述的示例性渦輪機部件的通常金屬陶瓷TBC材料與通常超合金材料之間在熱膨脹、斷裂韌性和彈性模數(shù)上的差異，在異種材料的界面處存在使TBC層產(chǎn)生裂紋和TBC/渦輪機部件附著損失的潛在風險。裂紋和/或者附著力損失/分層會負面地影響TBC層結(jié)構整體性，并且潛在地導致散裂，即，使絕緣材料與渦輪機部件分離。例如，在TBC層內(nèi)形成的垂直裂紋可以擴散至TBC/基板界面，然后水平蔓延。同樣，水平定向的裂紋可以起源于TBC層內(nèi)或者靠近TBC/基板界面。TBC結(jié)構整體性的這種破裂損失可能會導致對下方部件基板的進一步的過早損傷。當TBC層脫離下方基板時，基板會失去防護的熱層涂層。在渦輪發(fā)動機的繼續(xù)運轉(zhuǎn)期間，隨著時間的推移，熱燃燒氣體可能會腐蝕或者另外地損傷暴露的部件基板表面，從而潛在地降低發(fā)動機運行使用壽命。當使發(fā)動機響應于電網(wǎng)增加的負載需求而在線發(fā)電并且隨著電網(wǎng)負載需求的降低而空閑時，隨著連續(xù)的通電/斷電循環(huán)會增大潛在的散裂風險。為了管理TBS散裂風險和其它發(fā)動機運轉(zhuǎn)維護需要，通常在定義數(shù)量的通電/斷電熱循環(huán)之后會停止使用燃氣渦輪發(fā)動機以便用于檢查和維修。
[0009]除了易于發(fā)生熱或者振動應力裂紋之外，發(fā)動機部件上的TBC層在熱燃燒氣體內(nèi)的污染物微粒撞擊較易碎的TBC材料時還容易發(fā)生異物損傷(FOD)。異物沖擊可能會使TBC表面產(chǎn)生裂紋，最終會引起與道路坑洼類似的表面整體性的散裂損失。一旦異物撞擊TBC層的一部分的碎片，其余的TBC材料容易發(fā)生絕熱層的結(jié)構裂紋擴展和/或者進一步散裂。除了由異物引起的TBC層的環(huán)境損傷之外，燃燒氣體中的污染物，諸如鈣、鎂、鋁和硅(通常稱為“CMAS”)，可以附著到TBC層上或者與TBC層發(fā)生反應，從而增加了TBC散裂的可能性并且將下方粘結(jié)涂覆暴露出來。
[0010]過去對提高TBC層結(jié)構整體性和與下方渦輪機部件基板的固定的嘗試已經(jīng)包括了對更能夠抵抗熱破裂或者FOD的更強TBC材料的研發(fā)，但是付出的代價是熱阻性降低或者材料成本增加。一般而言，用于TBC涂敷的相對較強的、更不易碎的潛在材料具有較低的熱阻率。替代地，作為折衷，已經(jīng)將單獨涂敷的具有不同有利性質(zhì)的多層TBC材料涂敷到渦輪機部件基板，例如，具有更好絕緣性能的更易碎或者更柔軟的TBC材料，其又用更牢固的、絕緣值低的TBC材料覆蓋以作為更能夠抵抗FOD和/或CMAS污染物附著的較硬“盔甲”外涂層。為了提高與下方基板的TBC附著力，已經(jīng)直接將中間金屬粘結(jié)涂層(BC)層涂敷于基板之上。也已經(jīng)從平整的裸露表面修改了到TBC的基板或者BC界面的結(jié)構表面性能和/或者輪廓。一些公知的基板和/或者BC表面修改(例如，所謂的“粗糙粘結(jié)涂層”或者RBC)已經(jīng)包括了通過燒蝕或者其它噴射、熱噴涂沉積等對表面進行粗糙化。在某些情況下，已經(jīng)對BC或者基板表面進行了光刻膠或者激光蝕刻以包括高度和間隔寬度為大約幾微米(μπι)的跨表面平面的表面特征。已經(jīng)在渦輪機葉片尖端的基板表面上直接形成特征以緩解葉片尖端涂層中受到的應力。已經(jīng)對粗糙粘結(jié)涂層進行了熱噴涂以留下幾微米大小的特征的多孔表面。通過局部地改變所涂敷的陶瓷金屬材料的同質(zhì)性，已經(jīng)涂敷了 TBC層以形成預先弱化的區(qū)域以在受控方向下吸引裂紋擴展。例如，在與公知的或者可能的應力集中區(qū)域?qū)腡BC層中形成弱化區(qū)域，從而使在該弱化區(qū)域中形成的任何裂紋在期望方向上擴散以減小對TBC層的整體結(jié)構損傷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本文中描述的渦輪機部件構造和用于制造渦輪機部件的方法的各個實施例有助于在渦輪發(fā)動機運轉(zhuǎn)期間保護渦輪機部件熱障涂層(TBC)層結(jié)構完整性。在某些實施例中，直接形成于部件基板中或者涂敷在基板之上的中間層中的設計表面特征(ESF)提高了 TBC層至其的附著力。在某些實施例中，ESF起到牽制或者隔離TBC層中的裂紋的壁或者屏障的作用，以抑制在該層內(nèi)的額外裂紋擴展或者與相鄰聯(lián)接層的分層。
[0012]在某些實施例中，在TBC層中形成穿透其外表面的設計槽特征(EGF)，諸如，通過激光或者噴水燒蝕或者機械切割到先前形成的TBC層中。EGF起到防止火蔓延過易燃材料中的空隙或者間隙的防火線的等同物的作用，阻止在TBC層中的裂紋進一步擴散通過該槽并且擴散到TBC層中的其它區(qū)域。在某些實施例中，EGF與在發(fā)動機運轉(zhuǎn)期間容易形成裂紋的應力區(qū)域?qū)R。在這些實施例中，在應力區(qū)域中形成槽移除了在發(fā)動機運轉(zhuǎn)期間可能或者也許會形成應力裂紋的材料。在其它實施例中，以二維或者多邊形平面圖案將EGF方便地形成在TBC層中。ESF使在TBC內(nèi)的熱應力誘發(fā)的或者異物損傷(FOD)誘發(fā)的裂紋擴展局部化，否則該裂紋擴展可能會允許過度的TBC散裂和隨后對渦輪機部件下方基板的熱暴露損傷。將已經(jīng)形成一條或者多條裂紋的給定TBC表面區(qū)域與在EGF外側(cè)的未裂開部分隔離開。因此，如果由一個或者多個EGF隔離開的裂開部分從該部件散裂，那么由于受牽制的裂紋，在包含槽的裂紋外側(cè)的其余TBC表面不會散裂。
[0013]在某些實施例中，牽制在ESF和/或者EGF內(nèi)的裂開TBC材料的散裂會留下與道路坑洼類似的部分下方TBC層。形成“坑洼”的底面或者基層的下方TBC材料為渦輪發(fā)動機部件下方基板提供持續(xù)的熱保護。
[0014]在某些實施例中，渦輪機部件具有熱噴涂的上方熱障涂層(TBC)，該TBC具有深度變化材料性質(zhì)。示例性深度變化材料性質(zhì)包括從TBC層內(nèi)表面到外表面變化的彈性模數(shù)、斷裂韌性和導熱性。用于修改物理性質(zhì)的示例性方式包括:涂敷不同材料成分的多個單獨上方層、或者通過在熱噴涂涂敷TBC層期間使所涂敷的材料成分發(fā)生變化。
[0015]某些實施例還在TBC層之上涂敷鈣鎂鋁硅(CMAS)阻滯材料，以阻止包含燃燒顆粒的CMAS與TBC層發(fā)生反應或者附著到TBC層上。當在EGF之上涂敷了CMAS阻滯層時，CMAS阻滯層抑制了異物在槽內(nèi)的累積并且還提供了更平整的邊界層表面以提高燃燒氣流空氣動力效率。
[0016]更具體地，本文中描述的本發(fā)明的實施例的特征在于一種具有暴露到燃燒氣體的絕熱外表面的燃氣渦輪機部件，其包括:具有基板表面的金屬基板;建立于基板表面上的錨固層；以及熱噴涂的或者氣相沉積的或者溶液/懸浮液等離子噴涂的熱障涂層(TBC)層，該熱障涂層(TBC)層具有TBC總厚度以及聯(lián)接至錨固層的TBC內(nèi)表面、和暴露至燃燒氣體的TBC外表面。TBC層材料斷裂韌性、彈性模數(shù)、多孔性和導熱性性質(zhì)從TBC內(nèi)表面至TBC外表面發(fā)生變化。設計表面特征(ESF)的平面圖案從所述錨固層突出，該平面圖案具有在TBC層總厚度的大約2%至75%之間的突出高度。設計槽特征(EGF)的平面圖案形成到TBC外表面中并且使先前涂敷的TBC層穿透TBC外表面。相應的EGF具有槽深度。
[0017]本文描述的本發(fā)明的其它實施例的特征在于一種用于通過提供具有基板表面的金屬基板來制造具有暴露至燃燒氣體的熱絕緣外表面的燃氣渦輪機部件的方法。錨固層建立于基板表面上。在錨固層之上形成具有TBC層厚度的熱噴涂的或者氣相沉積的或者溶液/懸浮液等離子噴涂的整體層熱障涂層(TBC)。形成的TBC層具有聯(lián)接至錨固層的內(nèi)表面和暴露至燃燒氣體的TBC外表面。在將TBC層連續(xù)地涂敷在錨固層之上時使TBC層材料的成分逐步地發(fā)生變化。
[0018]本文描述的本發(fā)明的另外的實施例的特征在于一種制造具有暴露至燃燒氣體的熱絕緣外表面的燃氣渦輪機部件的方法。提供了具有基板表面的金屬基板。錨固層建立于基板表面上，該錨固層包括從錨固層突出的設計表面特征(ESF)的平面圖案。在錨固層之上形成熱噴涂的或者氣相沉積的或者溶液/懸浮液等離子噴涂的整體層熱障涂層(TBC) JBC具有:TBC層厚度、聯(lián)接至所述錨固層的內(nèi)表面、和暴露至燃燒氣體的TBC外表面。在將TBC層涂敷在錨固層之上時使TBC層材料的成分逐步地發(fā)生變化。設計槽特征(EGH的平面圖案形成在TBC外表面上并且使先前涂敷的TBC層穿透TBC外表面。相應的EGF具有槽深度。
[0019]本文中描述的本發(fā)明的各個實施例的相應特征可以按照任何組合或者子組合進行共同應用或者分別應用。
【附圖說明】
[0020]可以鑒于以下具體描述，結(jié)合附圖，來理解本文中示出并描述的實施例，在附圖中:
圖1是包含本發(fā)明的一個或者多個示例性熱障涂層實施例的氣體或者燃氣渦輪發(fā)動機的部分軸向截面圖；
圖2是圖1的渦輪發(fā)動機的詳細截面正視圖，示出了包含本發(fā)明的一個或者多個示例性熱障涂層實施例的第I排渦輪機葉片以及第I排和第2排輪葉；
圖3是渦輪機葉片尖端可磨損(abradable)表面的多高度或者正視脊輪廓構型和相應的槽圖案的平面圖或者俯視圖，適合用于標準或者“快速啟動”發(fā)動機模式；
圖4是圖3的渦輪機葉片尖端可磨損表面實施例沿著C-C的截面視圖；
圖5是具有非對稱輪廓脊構型和多深度平行槽輪廓圖案的渦輪機葉片尖端可磨損表面的透視圖；
圖6是具有非對稱的且多深度交叉槽輪廓圖案的渦輪機葉片尖端可磨損表面的另一個實施例的透視圖，其中，上槽垂直于脊尖端并且相對于脊尖端軸向/縱向傾斜； 圖7是臺階狀輪廓渦輪機葉片尖端可磨損表面脊的透視圖，其中，上層脊具有從下脊平臺突出的像素化直立嘴部的陣列；
圖8是圖7的直立渦輪機葉片尖端可磨損表面嘴部的替代實施例，其中，在嘴部尖端近端處的相應嘴部由材料層構成，該材料層具有不同于該層下面的材料的物理性質(zhì)；
圖9是具有多個微表面特征(MSF)的彎曲的細長的像素化主平面圖案(PMPP)的渦輪葉片尖端可磨損部件的剝離層的平面圖或者俯視圖；
圖10是圖9的可磨損部件的V形微表面特征(MSF)的詳細透視圖；
圖11是具有第一高度微表面特征和更高的第二高度微表面特征(MSF)的鋸齒形波狀像素化主平面圖案(PMPP)的渦輪葉片尖端可磨損部件表面的局部平面圖或者俯視圖；
圖12是圖11的渦輪機葉片尖端可磨損部件沿著C-C的截面視圖；
圖13是具有形成于涂敷在支撐基板之上的金屬粘結(jié)涂層中的微表面特征(MSF)的渦輪機葉片尖端可磨損部件沿著圖9的13-13的截面視圖；
圖14是具有形成于支撐基板中的微表面特征(MSH的渦輪機葉片尖端可磨損部件沿著圖9的14-14的截面視圖；
圖15是圖14的可磨損尖端部件的替代實施例，其具有作為在基板與TBC之間的中間層而涂敷的金屬粘結(jié)涂層(BC);
圖16是具有形成于粘結(jié)涂層(BC)中的設計表面特征(ESH的示例性實施例的渦輪機部件(諸如，例如，渦輪機葉片、輪葉或者燃燒段過渡件)的局部視圖，該BC具有涂敷于ESF之上的熱障涂層(TBC);
圖17是具有直接形成于基板表面中的設計表面特征(ESH的示例性實施例的渦輪機部件的局部視圖，該基板具有涂敷于ESF之上的熱障涂層(TBC);
圖18是具有直接形成于基板表面中的設計表面特征(ESH的示例性實施例的渦輪機部件的局部視圖，該基板表面具有兩層TBC，這兩層TBC包括涂敷于ESF之上的下熱障涂層(LTBC)和涂敷于LTBS之上的外熱障涂層(OTBC);
圖19是具有形成于粘結(jié)涂層(BC)中的設計表面特征(ESH的示例性實施例的渦輪機部件的局部視圖，該BC具有兩層TBC，這兩層TBC包括涂敷于ESF之上的下熱障涂層(LTBC)和涂敷于LTBS之上的外熱障涂層(OTBC);
圖20是在其基板表面上具有實突出設計表面特征(ESH的六邊形平面輪廓的示例性實施例渦輪機部件的局部視圖；
圖21是圖20的ESF的截面圖；
圖22是具有多個圓柱形或者柱狀輪廓設計表面特征(ESH的示例性實施例的渦輪機部件的局部視圖，該多個圓柱形或者柱狀輪廓設計表面特征(ESF)在其基板表面上按照組合的方式形成六邊形平面圖案，該多個圓柱形或者柱狀輪廓設計表面特征(ESF)圍繞或者包圍另一個位于中心的柱狀ESF ；
圖23是圖22的ESF的截面圖；
圖24是具有涂敷于下BC中先前形成的設計表面特征(ESF)之上的粗糙化粘結(jié)涂層(RBC)層的示例性實施例的渦輪機部件的局部視圖，先前將該下BC涂敷到部件基板；
圖25是具有設計表面特征(ESH的示例性實施例的渦輪機部件的截面示意圖，該ESF相對于下方基板表面成角度； 圖26是在雙層TBC中經(jīng)歷垂直和水平裂紋形成的現(xiàn)有技術渦輪機部件的局部截面，其具有涂敷于相似的無特征表面基板之上的無特征表面粘結(jié)涂層(BC);
圖27是具有形成于下TBC層中的設計表面特征(ESF)的示例性實施例的渦輪機部件的局部截面，其中，已經(jīng)通過ESF抑制且中斷了垂直和水平裂紋擴展；
圖28是具有形成于熱障涂層(TBC)外表面中的設計槽特征(EGF)的示例性實施例的渦輪機部件的局部透視圖；
圖29是具有形成于熱障涂層(TBC)中的設計槽特征(EGF)的圖28的渦輪機部件的截面示意圖；
圖30是在受到異物沖擊而在TBC中引起異物損傷(FOD)之后圖29的渦輪機部件的截面示意圖，其中，已經(jīng)阻止了沿著與EGF的交叉點的裂紋擴展；
圖31是在裂紋之上發(fā)生一部分TBC散裂而留下在裂紋下面的整層TBC繼續(xù)進行下方渦輪機部件基板的熱隔離之后圖29的渦輪機部件的截面示意圖；
圖32是具有正錨固熱障涂層(TBC)的梯形截面設計表面特征(ESF)的示例性實施例的渦輪機部件的截面示意圖，箭頭指向TBC內(nèi)的應力集中區(qū)域；
圖33是圖32的渦輪機部件的截面示意圖，其中，已經(jīng)將成角度的設計槽特征(EGF)的示例性實施例切割成與應力集中區(qū)域?qū)R的TBC以便緩解潛在的應力集中；
圖34是具有設計表面特征(ESF)和設計槽特征(EGF)兩者的渦輪機部件的示例性實施例的截面示意圖；
圖35是圖34的渦輪機部件的截面示意圖，其中，已經(jīng)通過設計表面特征(ESF)和設計槽特征(EGF)約束了異物損傷(FOD)裂紋擴展；
圖36至圖43示出了形成于靠近部件冷卻孔的渦輪機部件熱障涂層(TBC)中的設計槽特征(EGH的示例性實施例，以便阻止在圍繞冷卻孔的區(qū)域中的TBC層的裂紋或者層離擴散到在槽的相對側(cè)上的表面區(qū)域；
圖44是具有設計表面特征(ESF)、設計槽特征(EGF)、和熱噴涂的或者氣相沉積形成的多層熱障涂層(TBC)的渦輪機部件的示例性實施例的截面示意圖，該多層熱障涂層的材料物理延展性、強度和熱阻性性質(zhì)從TBC層內(nèi)表面到TBC層外表面變化；
圖45是圖44的渦輪機部件的替代實施例的截面示意圖，其進一步包括涂敷于TBC外表面之上且涂敷于EGF中的熱噴涂的鈣鎂鋁硅(CMAS)阻滯層；
圖46是圖44的渦輪機部件的替代實施例的截面示意圖，通過在將TBC層涂敷在ESF之上時使TBC的成分逐步地發(fā)生變化的過程來形成熱障涂層(TBC);
圖47是圖46的渦輪機部件的替代實施例的截面示意圖，其進一步包括涂敷于TBC外表面之上且涂敷于EGF中的熱噴涂的鈣鎂鋁硅(CMAS)阻滯層；
圖48是具有設計表面特征(ESF)、設計槽特征(EGF)、和熱噴涂的或者氣相沉積的多層熱障涂層(TBC)的彎曲表面渦輪機部件的示例性實施例的截面示意圖；
圖49是圖48的彎曲渦輪機部件的替代實施例，其進一步包括涂敷于TBC外表面之上且涂敷于EGF中的熱噴涂的鈣鎂鋁硅(CMAS)阻滯層。
[0021]為了便于理解，在可能的情況下，已經(jīng)使用相同的附圖標記來表示這些附圖所共有的相同元件。這些附圖并不是按比例繪制。在本文中描述的各個發(fā)明實施例中，已經(jīng)針對尺寸、截面、流體流、軸向或者徑向定向、和渦輪機葉片轉(zhuǎn)動使用了以下共同指示符: C-C截面；
Dg槽深度；
F通過渦輪發(fā)動機的流動方向；
G至可磨損表面間隙的渦輪機葉片尖端；
H表面特征的高度；
Hr脊高度；
L表面特征的高度；
R渦輪機葉片轉(zhuǎn)動方向；
Ri第一排的渦輪發(fā)動機渦輪段；
R2第2排的渦輪發(fā)動機渦輪段；
Sr脊中線間距；
Sg槽間距；
T熱障涂層(TBC)層厚度；
W表面特征的寬度；
Wg槽寬度；
Wr可磨損脊寬度；
A相對于可磨損脊縱向/軸向軸線的槽傾斜角；以及 σ熱障涂層(TBC)中的應力集中。
【具體實施方式】
[0022]本發(fā)明的示例性實施例提高了涂敷于渦輪發(fā)動機部件(包括燃燒或者氣體渦輪發(fā)動機和蒸汽渦輪發(fā)動機)的表面的熱障涂層(TBC)的性能。在本文中更詳細描述的本發(fā)明的示例性實施例中，在渦輪機部件上形成具有深度變化材料性質(zhì)的上方熱障涂層(TBC)作為外層。示例性深度變化材料性質(zhì)包括從所述TBC層內(nèi)表面到外表面發(fā)生變化的物理延展性、強度、和熱阻性。用于修改物理性質(zhì)的示例性方式包括:涂敷不同材料成分的多個單獨上層、或者在熱噴涂涂敷TBC層期間使所涂敷的材料成分發(fā)生變化。本文描述的各個實施例還在所述TBC層之上涂敷鈣鎂鋁硅(CMAS)阻滯材料，以便阻滯包含燃燒顆粒的CMAS與所述TBC層發(fā)生反應或者粘合至所述TBC層。CMAS阻滯層通過避免微粒累積到另外的光滑的TBC層外表面來提高了表面邊界層空氣動力。當在設計槽特征(EGF)之上涂敷了 CMAS阻滯層時，CMAS阻滯層通過覆蓋該槽來提高了邊界層空氣動力并且還抑制了碎肩在槽內(nèi)的累積。
[0023]熱噴涂的TBC的總述
在燃氣渦輪發(fā)動機部件中的應用
參照圖1至圖2，渦輪發(fā)動機，諸如，氣體或者燃氣渦輪發(fā)動機80，包括多級壓縮機段82、燃燒段84、多級渦輪段86和排氣系統(tǒng)88。沿著渦輪發(fā)動機80的軸向長度，在箭頭F的流動方向上，將大氣壓力進氣空氣引入到壓縮機段82中。在壓縮機段82中，按行轉(zhuǎn)動壓縮機葉片，對進氣空氣進行逐漸加壓，并且通過匹配壓縮機輪葉將進氣空氣引導至燃燒段84，在燃燒段84處使進氣空氣與燃料混合并且點火?，F(xiàn)在在比原進氣空氣更大的壓力和速度下，將點燃的燃料/空氣混合物引導通過過渡件85到在渦輪段86中的連續(xù)葉片排仏、1?2等。發(fā)動機的轉(zhuǎn)子與軸90具有多排截面呈翼形的渦輪葉片92，這些渦輪葉片92終止于壓縮機82和渦輪段86中的遠端葉片尖端94。為了方便和簡潔起見，對發(fā)動機部件上的熱障涂層(TBC)層的進一步論述將重點放在渦輪段86實施例和應用，但是相似構造可應用于壓縮機段82或者燃燒段84和蒸汽渦輪發(fā)動機部件。在發(fā)動機80的渦輪段86中，各個渦輪葉片92具有凹形輪廓高壓側(cè)96和凸形低壓側(cè)98。形成于葉片92中的冷卻孔99促進冷卻流體沿著葉片表面通過。在燃燒流動方向F上流動的高速高壓的燃燒氣體在葉片92上給予轉(zhuǎn)動運動，以使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。眾所周知，在轉(zhuǎn)子軸上給予一些機械功率可用于進行有用功。通過渦輪機外殼100在轉(zhuǎn)子的遠端上并且通過包括可磨損表面的氣密封件102在轉(zhuǎn)子的近端上對燃燒氣體進行徑向約束。參照圖2所示的第I排段，相應的上游輪葉104和下游輪葉106分別引導大體上平行于渦輪葉片92的前緣的入射角的上游燃燒氣體，并且重新引導排出葉片的后緣以便以期望的進入角度到達下游的第2排渦輪葉片(未示出)的下游燃燒氣體。形成于輪葉104、106中的冷卻孔105促進冷卻流體沿著輪葉表面通過。注意，圖2所示的冷卻孔99和105僅是示意性表示，為了視覺清晰起見可以進行放大，但是并不是按比例繪制。通常的渦輪葉片92或者輪葉104、406具有圍繞相應翼主體分布的更多冷卻孔，相應翼主體具有相對于暴露于發(fā)動機燃燒氣體的相應葉片或者葉片總表面積要小得多的直徑。
[0024]如前所述，暴露于燃燒氣體的渦輪機部件表面通常構造有用于隔離其下方基板的熱障涂層(TBC)層。通常的TBC涂層表面包括渦輪葉片92、葉片104、106以及相關的渦輪輪葉承載表面、和燃燒段過渡件85 ο用于葉片92、輪葉104、106和過渡件85裸露表面的TBC層通常通過熱噴涂或者氣相沉積或者溶液/懸浮液等離子噴涂方法來涂敷，總TBC層厚度為300-2000 微米(μ??)。
_5] 渦輪機葉片尖端可磨損部件TBC應用
厚度大于1000微米的絕緣層通常涂敷于扇形渦輪機葉片尖端可磨損部件110(下文中統(tǒng)稱為“可磨損部件”)，該可磨損部件110和與葉片尖端94成相反關系的渦輪發(fā)動機80渦輪機外殼100呈直線?？赡p部件110具有保持在外殼內(nèi)并且聯(lián)接至外殼的支撐表面112和通過葉片尖端間隙G與葉片尖端成相反的、間隔開的關系的絕緣可磨損基板120?？赡p基板通常由與涂敷到葉片92、輪葉104、106和過渡件85暴露于燃燒氣體的表面的TBC涂層材料相似的金屬/陶瓷材料構成。這些可磨損基板材料具有高熱阻和抗熱腐蝕性能，并且在高燃燒溫度下保持結(jié)構完整性。一般而言，應該理解的是，一些形式的TBC層形成在葉片尖端可磨損部件110裸露的下方金屬支撐表面基板112之上以用于絕緣保護，加上在TBC之上的額外高度處突出的絕緣基板厚度。從而，應該理解的是，可磨損部件110具有功能等同于在渦輪過渡件85、葉片92和輪葉102/104之上涂敷的TBC層的TBC層。可磨損表面120的功能類似于保護可磨損部件支撐表面基板112免受磨損并且提供熱保護的額外層的鞋底或者鞋后跟。用于葉片尖端可磨損表面脊/槽的示例性材料包括燒綠石、完全立方體的或者部分穩(wěn)定的氧化釔、穩(wěn)定的氧化鋯。由于可磨損表面120金屬陶瓷材料通常比渦輪葉片尖端94材料更有磨損作用，所以保持葉片尖端間隙G以避免兩個相對部件之間的接觸，該接觸在最好的情況下可能會引起過早的葉片尖端磨損而在最壞的情況下可能會引起發(fā)動機損傷。
[0026]葉片尖端可磨損組件110通常構造有金屬基層支撐表面112，幾千微米厚度(即，通常過渡件85、葉片92或者輪葉104/106的TBC層厚度的幾倍)的熱噴涂的陶瓷/金屬可磨損基板層120涂敷到該金屬基層支撐表面112。如下文中更詳細描述的，在本文中要求優(yōu)先權的相關專利申請中描述的示例性渦輪動葉尖端相對的可磨損表面的可磨損層平面圖和突出輪廓發(fā)明實施例包括在可磨損基板層120中的槽、凹陷或者脊以減少可磨損表面材料截面，以用于減少潛在的葉片尖端94磨損和用于引導在間隙區(qū)域G中的燃燒氣流。提高發(fā)動機效率以節(jié)省燃料的商業(yè)要求已經(jīng)產(chǎn)生了更小的葉片尖端間隙G規(guī)格:優(yōu)選不超過2毫米并且期望地接近I毫米(1000 μηι)ο
[0027]圖3至圖15是本文中要求優(yōu)先權的相關專利申請中描述的示例性渦輪葉片尖端相對的可磨損表面的平面圖和突出輪廓發(fā)明實施例的簡短概要。圖3至圖8中所示的形成于熱噴涂的或者氣相沉積的可磨損層中的可磨損部件截面輪廓包括具有不同的上磨損區(qū)域(區(qū)域I)和下磨損區(qū)域(區(qū)域II)的復合多高度/深度脊與槽圖案。圖9至圖15所示的可磨損部件截面輪廓包括不連續(xù)的微表面特征(MSF)的像素化主平面圖案(PMPP)，在該PMPP之上涂敷了可磨損層，這樣使加工完成的葉片尖端可磨損層120具有與圖3至圖8所示的實肋和槽構造的圖案相似的脊和槽圖案的聚合平面和截面圖案。
[0028]關于圖3至圖8的可磨損表面圖案，在葉片、輪葉或者過渡件部件暴露于燃燒氣體的表面上具有與2000或者更小的TBC層厚度相比在下方基板表面之上突出幾千微米的脊和槽，下磨損區(qū)域II優(yōu)化發(fā)動機氣流和結(jié)構特征，而上磨損區(qū)域I減少與下區(qū)域相比更容易磨損的葉片尖端間隙和磨損?？赡p部件的各個實施例為上區(qū)域的簡單可磨損性提供具有比下區(qū)域肋結(jié)構更小的截面面積的上子脊或者嘴部。在某些實施例中，上子脊或者嘴部形成為在較小葉片尖端接觸的情況下彎曲或者在其它方面折曲，并且在較大葉片尖端接觸的情況下磨損和/或者剪切下。在其它實施例中，將上區(qū)域I的子脊或者嘴部像素化成上磨損區(qū)域的陣列，從而僅磨損與一個或者多個葉片尖端局部接觸的那些嘴部，而在該局部化磨損區(qū)域外面的其它嘴部保持完整。在進一步減少了局部化葉片尖端間隙的情況下，葉片尖端磨損在該位置處的區(qū)域II下脊部分。然而，在該下脊部分局部化磨損區(qū)域外面的相對較高的脊保持較小的葉片尖端間隙以維持發(fā)動機性能效率。
[0029]利用本文中要求優(yōu)先權的現(xiàn)有技術應用的一些葉片尖端可磨損的磨損表面120實施例的漸進式磨損區(qū)域構造，可以將葉片尖端間隙G從先前可接受的公知尺寸減小。例如，如果公知的可接受葉片間隙G設計規(guī)格是I mm，那么在磨損區(qū)域I中的較高脊的高度可以增加，從而將葉片尖端間隙減小至0.5 mm。為磨損區(qū)域II建立起邊界的下脊以一定高度設置，從而使其遠端尖端部分與葉片尖端間隔隔開I mm。通過這種方式，建立縮短50%的葉片尖端間隙G以便常規(guī)渦輪機操作，可接受由葉片與區(qū)域I中的上脊接觸引起的一些潛在磨損。在區(qū)域II中連續(xù)的局部化逐步葉片磨損將僅在葉片尖端占據(jù)到下區(qū)域中時才開始，但是在任何情況下，Imm的葉片尖端間隙G不會比一致的葉片尖端間隙規(guī)格更糟。在某些示例性實施例中，上區(qū)域I高度大約是下區(qū)域II高度的1/3或者2/3。如果由于渦輪機外殼100變形使葉片尖端間隙G針對任意一個或者多個葉片減少時，那么在構成區(qū)域I的較高脊尖端處會發(fā)生快速發(fā)動機啟動模式或者葉片尖端94與可磨損部件10之間的其它原因初始接觸。而在區(qū)域I中，葉片尖端94只摩擦交錯的較高脊。如果葉片間隙G逐漸變小，那么較高脊會磨損直到將區(qū)域I完全磨穿并且開始接觸區(qū)域II中的較低脊尖端。一旦在區(qū)域II中的渦輪機葉片尖端94磨擦掉在局部化磨損區(qū)域處的所有其余脊，但是在渦輪機外殼的其它局部化部分中，可能不存在葉片尖端間隙G的減小，并且上脊可以在其全高度上是完整的。從而，一些可磨損部件110實施例的交替高度肋構造調(diào)解區(qū)域I和II內(nèi)的局部化磨損，而維持葉片尖端間隙G和在沒有渦輪機外殼100或者葉片92變形的局部化區(qū)域中的葉片尖端泄漏的氣動控制。
[0030]在可磨損部件中的多高度磨損區(qū)也有利于要求更快全功率傾斜升溫(約為40-50Mw/分鐘)的所謂“快速啟動”模式發(fā)動機。漸進式上升速率會加劇葉片尖端對環(huán)形段可磨損涂層120的潛在更大侵入，這是由于在轉(zhuǎn)動部件與靜止部件之間的更快熱與機械增長、更大變形和增長速率的更大失配。當需要進行標準發(fā)動機運行模式、快速啟動發(fā)動機運行模式或者這兩種發(fā)動機運行模式時，較高脊區(qū)域I形成具有最小葉片尖端間隙G的空隙的主要層，以便為通常利用低上升速率或者不執(zhí)行熱啟動的機器提供最佳的能量效率空隙。通常，區(qū)域II中的較低脊尖端的脊高度是構成區(qū)域I的較高脊尖端高度的20%至75%之間。
[0031]更具體地，圖3和圖4示出了具有由槽218間隔隔開的、彎曲平面的、雙高度輪廓脊212A、212B的葉片尖端可磨損部件210。脊212A/B形成于熱噴涂的陶瓷/金屬TBC層217的外表面的表面高度之上，該熱噴涂的陶瓷/金屬TBC層217涂敷于渦輪機部件金屬基板211之上。一般而言，參照圖3至圖8，應該理解的是，一些形式的TBC從形成于裸露的下方金屬基板之上以用于后者的絕熱保護。在圖3的情況下，可磨損部件脊212A、212B以超過TBC層217的額外高度突出。從而，應該理解的是，可磨損部件(諸如，可磨損部件210、220(圖5)、230(圖6)和240(圖7))具有功能等同于涂敷在渦輪機過渡件85、葉片92和輪葉102/104之上的TBC層的TBC層，加上構成可磨損層(通常包括與TBC層相似的材料)的脊和槽的額外厚度。在圖3和圖4中，通過公知的沉積或者燒蝕材料工作方法將噴涂的金屬/陶瓷可磨損層中的脊212A/B和槽218進行沉積并且形成三維脊和槽輪廓。一種形成可磨損部件210可磨損表面輪廓或者本文中示出的任何其它輪廓的簡便方式是將槽切割成平整表面的較厚可磨損基板坯表面。
[0032]通過將槽切割成肋，可以將在圖5至圖8的實施例的可磨損部件表面120中的漸進式磨損區(qū)域包含在非對稱肋或者任何其它肋輪廓中，這樣使在槽切口側(cè)面上的其余直立肋材料具有比其余下方肋更小的水平截面面積。也可以對槽定向和輪廓進行裁剪，以通過減少不期望的葉片尖端泄漏來提高渦輪發(fā)動機的氣流特性。圖5示出了包括雙層的槽的可磨損部件220，具有形成于脊尖端222/224中的槽228A和形成于脊222/224到覆蓋基板表面227的TBC材料的較薄層之間的槽228B ο上槽228A構成了較淺深度Dga側(cè)向脊，該較淺深度Dga側(cè)向脊包括磨損區(qū)域I，而在上槽深度下面的其余脊222或者224包括下磨損區(qū)域II。
[0033]在圖6的渦輪機葉片尖端可磨損部件230中，相對于脊232的脊尖端234將多個上槽238A傾斜角度△。上磨損區(qū)域I超過槽深度Dga，而磨損區(qū)域II低于該槽深度直到隔離基板237的下方金屬主體的TBC層的外表面。如所示的上槽388A還垂直于脊尖端384表面。
[0034]利用熱噴涂的葉片尖端可磨損部件構造，通過在脊的頂部限定微肋或者嘴部的陣列(如在圖7和圖8中示出的)，可以將上磨損區(qū)域I熱噴涂的可磨損材料的截面和高度構造為符合不同程度的葉片尖端侵入?？赡p部件240包括先前描述的用TBC表面層絕緣的金屬支撐表面241。下槽和脊的陣列形成下磨損區(qū)域II。具體地，下脊242B具有終止于脊平臺(plateau)244B中的側(cè)壁245B和246B。下槽2488B是由脊側(cè)壁245B和246B以及覆蓋基板247的基板TBC層外表面來限定的。通過公知的增材工藝或者通過在下脊242B內(nèi)形成交叉槽248A和248C的陣列，在下脊平臺244B上形成像素化微肋或者嘴部242A。在圖7的實施例中，嘴部242A具有由終止于共同高度的脊尖端244A中的直立側(cè)壁245A、245C、246A和246C限定的正方形或者其他矩形截面?？梢岳闷渌袼鼗觳?42A截面平面形狀，包括，例如，梯形或者六邊形截面。也可以利用包括不同局部化截面和高度的嘴部陣列。
[0035]在圖8的替代實施例中，直立像素化嘴部242A’的遠端肋尖端244A’由熱噴涂的材料250構成，該熱噴涂的材料250具有與下熱噴涂的材料252不同的物理性質(zhì)和/或者成分。例如，上遠端材料250可以構造有比下部材料252更易于有磨損作用的磨損性質(zhì)或者更少有磨損作用的磨損性質(zhì)(例如，更柔軟或者更多孔或者兩者)。通過這種方式，可以將葉片尖端間隙G設計為小于以前的公知的可磨損部件中使用的以減少葉片尖端泄漏，從而使任何到材料250中的局部化葉片侵入不太可能磨損葉片尖端，即使這種接觸變得更有可能。通過這種方式，渦輪發(fā)動機可以設計有更小的葉片尖端間隙，以增加其運行效率及其在標準或者快速啟動模式下運轉(zhuǎn)的能力，而不會對葉片磨損有顯著影響。
[0036]在圖7和圖8中確定了像素化嘴部242A和槽248A/C的尺寸邊界，這與現(xiàn)有技術實施例中描述的一致。一般而言，嘴部242A高度Hra在葉片尖端間隙G的大約20%至100%的范圍內(nèi)或者在下脊242B和嘴部242A的總脊高度的大約1/3至2/3的范圍內(nèi)。嘴部242A截面在嘴部高度Hra的大約20%至50%的范圍內(nèi)。
[0037]—般而言，可磨損部件中的上磨損區(qū)域I脊高度可以選擇以使理想的葉片尖端間隙為0.25 mmd10和9:00渦輪機外殼圓周的磨損區(qū)域在整個發(fā)動機運行周期中可能保持期望的0.25 _葉片尖端間隙，但是存在在其它圓周位置處的渦輪機外殼/可磨損部件變形的更大可能性?？梢赃x擇下脊高度以在1.0 mm的理想化葉片尖端間隙處設置其脊尖端，從而，在較高磨損區(qū)域中，葉片尖端只更深地磨損進入到磨損區(qū)域I中并且不會接觸為下磨損區(qū)域II設置邊界的下脊尖端。如果不管最佳計算，葉片尖端繼續(xù)磨損進入到磨損區(qū)域II中時，結(jié)果的葉片尖端磨損操作情況不會比以前公知的可磨損層構造更糟。然而，在圍繞可磨損層的其余局部化圓周位置處，渦輪機利用較低葉片尖端間隙G成功運行并且因而具有較高運行效率，而在葉片尖端上具有很少或者沒有增加的不利磨損。
[0038]在圖9至圖15的葉片尖端可磨損實施例中，可磨損部件包括用于聯(lián)接至渦輪機外殼的金屬支撐表面和聯(lián)接至支撐表面的熱噴涂的陶瓷/金屬可磨損基板，該熱噴涂的陶瓷/金屬可磨損基板包括涂敷在整個支撐表面上的絕緣TBC層。包括多個不連續(xù)微表面特征(MSF)的細長像素化主平面圖案(PMPP)跨從渦輪機葉片的尖端至尾部的大部分圓周掠掃路徑從金屬基板表面及其絕緣TBC層突出。在某些示例性實施例中，PMPP集合了圖3至圖8的實突出肋可磨損部件的通用平面的平面模擬物。PMPP沿著掠掃路徑在葉片尖端轉(zhuǎn)動方向上徑向地重復，以在葉片尖端與基板表面之間選擇性地引導氣流。各個MSF由限定寬度、長度和高度的一對相對的第一側(cè)壁來限定，該對第一側(cè)壁占據(jù)1-12立方毫米的體積包絡。在某些實施例中，MSF長度和各個MSF之間限定的間隙的比值在大約1:1至1:3的范圍內(nèi)。在其它實施例中，MSF寬度和間隙的比值在大約1:3至1:5的范圍內(nèi)。在某些實施例中，MSF高度和寬度的比值為大約0.5至1.0。特征尺寸可以(但不限于)在I mm與3 mm之間，壁高度在0.1 mm與2mm之間，壁厚度在0.2 mm與I mm之間。在某些實施例中，PMPP具有第一高度MSF和更高的第二高度MSF。
[0039]在某些實施例的PMPP中的MSF由鑄件或者直接成形在基板材料中的設計表面特征產(chǎn)生。在其它實施例中，PMPP中的MSF通過燒蝕或者增材表面修改技術(諸如，水射流或者電子束或者激光切割)或者通過激光燒結(jié)方法產(chǎn)生于基板或者下方粘結(jié)涂層(BC)層中。隨后，在利用或者沒有利用涂敷于PMPP中的設計MSF特征上的中間粘結(jié)涂層層的情況下，使設計表面特征涂覆有高溫可磨損熱障涂層(TBC)，以產(chǎn)生將比現(xiàn)有技術的涂層更有效地具有磨損作用的不連續(xù)表面。一旦接觸(由經(jīng)過的葉片尖端)，經(jīng)由彎曲的盤旋狀(在上面或者表面下)路徑將釋放出的(磨損掉的)顆粒移除到在MSF之間的間隙中或者在MSF之間的可磨損表面內(nèi)形成的額外狹槽中。將可選的連續(xù)狹槽和/或者間隙定向以提供用于熱氣噴射的彎曲路徑，從而保持主(接觸)表面的密封效率。減小在葉片尖端和不連續(xù)MSF之間的潛在摩擦接觸表面積的表面構型減少了在葉片尖端中產(chǎn)生的摩擦熱。減少葉片尖端中的摩擦熱潛在地減少了由尖端過熱和可磨損表面上的金屬涂抹/傳遞引起的已磨損葉片尖端材料損失。其它益處包括在MSF之上沉積比通常可能公知的連續(xù)可磨損肋設計更厚、更穩(wěn)健的熱障涂層，從而給予環(huán)形段潛在延長的設計壽命。
[0040]最簡單形式的微表面特征(MSF)可以是基本形狀幾何結(jié)構，利用相應單元格之間的間隙跨環(huán)形段的表面在單元格中重復。單元格MSF與整體形成PMPP的較大圖案的像素類似。在更優(yōu)化的形式中，可以根據(jù)運行期間部件的熱行為的葉片尖端關系的要求來對MSF進行修改。在這種情況下，可以在表面內(nèi)修改特征深度、定向、角度和縱橫比，以從葉片掠掃的開始到結(jié)束都產(chǎn)生優(yōu)化的可磨損性能。其它優(yōu)化參數(shù)包括形成TBC的熱噴涂設備完全穿透表面內(nèi)的捕捉區(qū)域并且跨整個表面允許有效的連續(xù)TBC涂層的能力。
[0041]如前所述，具有包括MSF的陣列的PMPP的可磨損部件是通過在制造期間將MSF直接鑄造在可磨損基板中形成的或者建立在基板上(諸如通過熱噴涂或者增材制造技術，例如，電子束或者激光束沉積)或者通過燒蝕基板材料來形成的。在首先提到的形成過程中，在每個標準化熔模鑄造程序中，可以在蠟模中形成表面特征，然后去殼并且進行澆鑄。替代地，可以在蠟模外側(cè)使用陶瓷殼插件以形成殼結(jié)構的一部分。在利用陶瓷殼插件時，可以使MSF在可磨損部件制造處理過程中得到更有效的保護并且具有更獨特的特征形狀和幾何結(jié)構(即，可以包含不會在正常去殼操作中存在的底切或者易碎的突出特征)。
[0042]可以使MSF交錯(形成臺階)以接收等離子濺射并且具體地使等離子濺射轉(zhuǎn)向以用于最佳的TBC穿透。在基板上鑄造并且沉積的表面特征可以不一定在形式上完全過渡至全TBC涂層表面。在涂覆期間，陶瓷沉積將會以通常變化的性質(zhì)建立在基板上，但是不會直接復制原來的設計表面特征。熱噴涂厚度也可以是決定最終的表面形式的因素。一般而言，熱噴涂涂層越厚，最終的表面幾何結(jié)構越消散。在設計設計表面特征(初始大小和縱橫比兩者)時，這不一定是問題，但是需要考慮。例如，在隨后用中間粘結(jié)涂層層和TBC頂部層進行涂覆時，形成于基板中的V形MSF可以消散為在加工完成的可磨損表面突出輪廓中的新月形的或者堆形的突起。
[0043]在圖9至圖15中示出示例性MSF單元格的情況下，存在尺寸考慮。為了有效的尺寸引導，可以將單元格大小考慮成大小在I mm至12 mm范圍內(nèi)的立方體。立方體尺寸的變化也可以適用于單元格高度。根據(jù)特征的幾何結(jié)構和待涂敷的涂層的厚度，這可以比立方體大小更小或者更大。通常，該尺寸的大小范圍可以在I mm與10 mm之間。
[0044]在不同組合中共同包含或者分別包含了不連續(xù)微表面特征(MSF)的像素化主平面圖案(PMPP)的本文中所述的各個示例性實施例至少具有下列特征的一些:
?由于增加的粘結(jié)表面面積和表面特征經(jīng)由本文中已經(jīng)描述的各種互鎖幾何結(jié)構將涂層法線互鎖至表面的唯一性，MSF設計表面特征提高了等離子噴涂的可磨損涂層的附著力和機械互鎖性能。
?由于減少了可磨損表面與渦輪機葉片尖端的接觸面積，不需要比標準成本8YSZ熱障涂層材料(諸如，33YBZ0 (33% Yb2O3 -氧化鋯)或者Talon型YSZ (用聚合物共噴涂的高孔隙率YSZ))更加可磨損的成本相對較高的涂層。葉片尖端的較小可磨損性(S卩，更硬)YSZ的磨損由與轉(zhuǎn)動葉片尖端的更小表面面積潛在摩擦接觸取消。
?由于與下方熱障涂層的增加的附著表面接觸面積，微表面特征(MSF)(其中一些的高度小到100微米(μπι))減少了潛在的熱障涂層散裂。
[0045]在圖9至圖15中示出了包括非連續(xù)微表面特征(MSF)的像素化主平面圖案(PMPP)的渦輪機可磨損部件的示例性實施例。為了繪制簡單性起見，圖9示意性地示出了包括兩排MSF的ΡΜΡΡ。然而，在任意可磨損部件中的一個或者多個PMPP可以包括單排或者兩排以上的MSF。例如，圖9是分裂成上部分和下部分的可磨損部件260的平面示意圖，該可磨損部件260具有金屬基板261。在分裂之上的上部分上，基板261具有彎曲的整體輪廓像素化主平面圖案(ΡΜΡΡ)262，該整體輪廓像素化主平面圖案(ΡΜΡΡ)262包括直接形成于基板上的V形微表面特征(MSF)263的陣列。如前所述，通過在基板初始形成期間直接形成MSF的任意一個或者多個澆鑄過程、在先前形成的基板261表面上建立MSF的增材過程;或者通過將金屬從基板切除或者移除以在剩余材料中留下形成的MSF的燒蝕過程，來形成MSF 263。
[0046]在可磨損部件260的最上面部分上，直接在MSF263之上涂敷熱障涂層(TBC)266，以在排列為在可磨損部件與轉(zhuǎn)動渦輪機葉片尖端之間引導熱氣體的PMPP 262中的可磨損部件上留下堆形的或者新月形的輪廓突起267。在葉片尖端與可磨損部件260的相對表面接觸的情況下，相對較小的截面表面積的MSF 263會摩擦抵靠葉片尖端并且由葉片尖端磨損。與不具有可磨損上區(qū)域和下區(qū)域I和11(諸如，圖3至圖8所示的)的益處的以前公知的連續(xù)單高度或者實表面可磨損部件相比較，MSF 263和渦輪機葉片尖端不太可能會引起葉片尖端腐蝕或者可磨損表面260從接觸處散裂。
[0047]在可磨損部件260的最下面部件上，將金屬粘結(jié)涂層(BC)264涂敷于裸露的金屬基板261，并且通過增材或者燒蝕制造過程在BC中形成V形MSF 265。然后用TBC 266覆蓋PMPP262中排列的BC 264和MSF 265，以留下從基板260表面突出的大體上呈V形的MSF 268。
[0048]在圖10中示出了示例性V形MSF 272的尺寸。V形MSF 272具有封閉的連續(xù)前緣273、后緣274、面向轉(zhuǎn)動渦輪機葉片的頂部表面275。交錯的多排V形272形成用于熱氣流的彎曲路徑。各個V形MSF實施例272具有占據(jù)了 1-12立方毫米的體積包絡的寬度W、長度L和高度H尺寸。在某些實施例中，MSF長度和在各個MSF之間限定的間隙的比值大約在1:1至1:3的范圍內(nèi)。在其它實施例中，MSF寬度和間隙的比值大約為1: 3至1: 8。在某些實施例中，MSF高度和寬度的比值大約為0.5至1.0。特征尺寸可以(但不限于)在3 mm與10 mm之間，壁高度和/或者壁厚度在100-2000微米(μπι)之間。
[0049]如具有圖3至圖8所示的葉片尖端可磨損部件實施例，在PMPP內(nèi)可以改變MSF高度以促進具有普通可磨損部件輪廓的渦輪發(fā)動機中的快速啟動模式和正常啟動模式。在圖11至圖12中，可磨損部件280在其PMPP中具有雙高度的V形MSF陣列，其與先前描述的實肋實施例中的區(qū)域I和區(qū)域II脊高度相比較，具有相應的較高高度^和較低高度Η2?？赡p部件280利用表面281上的Z形MSF 282和283的交錯高度不連續(xù)的圖案。
[0050]如前面所論述的，微表面特征MSF可以形成于基板中或者可磨損部件的粘結(jié)涂層中。在圖13中，可磨損部件260的截面示出了平滑的無特征基板261，在該平滑的無特征基板261上涂敷了粘結(jié)涂層(BC)層264，通過先前描述的任意一個或者多個增材或者燒蝕過程將MSF 265形成到(BC)層中。在BC 264之上涂敷噴涂的熱障涂層(TBC)266，其包括MSF 265，從而產(chǎn)生大體上呈V形的MSF 268。如圖14所示，替代地，在沒有中間BC層的情況下可以將TBC層266直接涂敷于下方基板260及其設計表面MSF 265，從而產(chǎn)生堆形的或者新月形的輪廓突起267。在圖15的另一個替代實施例中，可磨損部件260’基板261具有設計表面特征263，在基板制造、燒蝕或增材過程期間可以通過直接澆鑄來形成設計表面特征263，如前所述。在該示例中，在包括設計特征MSF 263的基板261之上涂敷粘結(jié)涂層264’。隨后，用TBC層266來覆蓋BC 264’，從而產(chǎn)生堆形的或者新月形的輪廓突起267’。在圖13至圖15的各個PMPP可磨損實施例截面中，MSF高度在大約100-2000微米(μπι)之間。如前所述，MSF 263或者265可以有助于TBC對下方BC或者基板層的機械互鎖。
[0051 ] 設計表面特征(ESF)提高TBC附著和裂紋隔離
一些示例性渦輪機部件實施例包含了設計表面特征(ESH的錨固層，其有助于TBC層的機械互鎖并且有助于隔離TBC層中的裂紋，從而使裂紋不會擴散到ESF之外。在某些葉片尖端的可磨損應用中，根據(jù)實脊和槽突出表面特征的物理尺寸和其之間的相對間距，實脊和槽突出表面特征以及MSF起到ESF的作用，但是它們對更通常應用于除了葉片尖端可磨損部件之外的渦輪機部件來說太大。對于示例性渦輪機葉片、輪葉或者燃燒器過渡應用，在聯(lián)接至TBC層的內(nèi)表面層的錨固層中形成ESF，并且在不改變另外的暴露于燃燒氣體的TBC層的大體上平整的外表面的情況下這些ESF的大小確定成錨固涂敷到這些部件的厚度范圍為300-2000微米(μπι)的TBC層涂層。一般而言，ESF在渦輪機部件表面上具有在TBC層的總厚度內(nèi)足夠以提供機械錨固和裂紋隔離的高度和三維平面間距。從而，ESF將比總TBC層厚度更短而比蝕刻的或者雕刻的表面特征更高，這些蝕刻的或者雕刻的表面特征據(jù)稱提供成提高在TBC與鄰接下層(例如，下層裸露的基板或者介于裸露的基板與TBC層之間的中間粘結(jié)涂層層)之間的附著粘結(jié)。一般而言，在示例性實施例中，ESF具有在TBC層的總厚度的大約2%至75%之間的突出高度。在某些優(yōu)選實施例中，ESF具有TBC層的總厚度的至少大約33%的突出高度。在某些示例性實施例中，ESF限定比等同平整表面大至少20%的整體表面面積。
[0052]圖16至圖19示出了形成于聯(lián)接至TBC層的內(nèi)表面的錨固層中的設計表面特征(ESF)的示例性實施例。TBC層可以包括多層TBC材料，但是基本上至少會具有熱障涂層(TBC)，該TBC具有用于暴露于燃燒氣體的外表面。在圖16中，渦輪機部件300(例如，燃燒器段過渡件、渦輪機葉片或者渦輪機輪葉)具有受上方熱障涂層在(TBC)保護的金屬基板301。粘結(jié)涂層(BC)層302建立并且涂敷于在另外的無特征基板301上，該無特征基板301包含設計表面特征(ESF)304的平面圖案。這些ESF304通過下列方式直接形成在BC中:(i)熔化顆粒的公知熱噴涂以建立表面特征;或者(ii)表面特征的公知增材層制造建立應用，諸如，通過3D印刷、燒結(jié)、電子或者激光束沉積;或者(iii)基板材料制造過程的公知燒蝕移除，以通過未移除的部分來限定特征。ESF304和BC層302的其余暴露表面可以接收其它表面處理，例如，表面粗糙化、微雕或者光蝕刻過程，以提高隨后熱噴涂的TBC層306的附著。從而，ESF和BC層302的其余暴露表面包括用于TBC層306的錨固層。將TBC層306的外表面暴露于燃燒氣體。
[0053]在圖17中，渦輪機部件310具有金屬基板311，設計表面特征(ESF)314的平面圖案通過公知的直接澆鑄直接形成在另外的無特征基板311中，或者通過熱噴涂、增材層建立或者基板材料制造過程的燒蝕移除建立在基板表面上，該燒蝕移除通過未移除的基板的剩余部分來限定特征。ESF 314和裸露基板311的暴露表面可以接收其它表面處理，例如，表面粗糙化、微雕或者光蝕刻過程，以提高隨后熱噴涂的TBC層316的附著。從而，在沒有任何中間BC層的情況下，ESF 314和裸露基板表面包括用于TBC層316的錨固層。
[0054]在圖18中，渦輪機部件320具有與圖17所示的部件310相似的錨固層構造，其中，在部件金屬基板321中直接形成ESF324的平面陣列，而在錨固層之上涂敷多層TBC 326。多層TBC層326包括聯(lián)接至錨固層的下熱障涂層(LTBC)327層(在某些實施例中，LTBC起錨固層的一部分的作用)和具有暴露于燃燒氣體的外表面的外熱障涂層(OTBC)層?？梢栽贚TBC層與OTBC層之間涂敷額外熱障涂層中間層。同樣，圖19的渦輪機部件330還具有涂敷在基于粘結(jié)涂層(BC)的錨固層之上的多層TBC層336AC層332具有形成于該BC層中的ESF 334的平面陣列，這類似于圖16中所示出的錨固層實施例。TBC層336包括LTBC層337和具有暴露于燃燒氣體的外表面的OTBC層338。如下面詳細討論的，多層TBC可以包括具有不同材料性能(諸如，強度、延展性、熱阻性或者脆性)的一系列按順序涂敷的層。可以通過涂敷分等級的TBC層來改變這些材料性能，其中，在渦輪機部件上在不同物理位置處熱噴涂不同的材料成分，或者在涂敷期間隨著建立TBC層來改變這些材料性能。
[0055]在渦輪機部件的設計和制造期間，可以改變設計表面特征(ESF)截面輪廓、其平面陣列圖案和其相應尺寸，以通過抑制裂紋形成、裂紋擴展和TBC層散裂來優(yōu)化熱保護。在圖16至圖25中示出了 ESF截面輪廓、其三維平面陣列圖案和其相應尺寸的不同示例性排列。在這些附圖中，示出了ESF高度Hr、ESF脊寬度W、脊間距Sr和脊之間的槽寬度Sg。在圖16、19、23和24中，相應的ESF 304、334、354和364具有矩形或者正方形截面輪廓。在圖17中，ESF314具有大體上呈三角形的截面輪廓，而在圖18中，ESF具有梯形截面輪廓，該梯形截面輪廓具有終止于平臺中的一對相對的、向內(nèi)傾斜的第一側(cè)壁。在圖25的渦輪機部件370中，形成于BC372中的ESF 374相對于下方金屬基板371表面成角度，以用于TBC層376的額外低切機械錨固。還要注意的是，通過在錨固層表面之上涂敷粗糙粘結(jié)涂層(RBC)層，諸如圖24所示的渦輪機部件360的RBC層365，來實現(xiàn)額外錨固能力。雖然RBC 364示出為涂敷于BC 362及其ESF364之上，但是也可以在部件的金屬基板361之上直接涂敷RBC 364或者其它類型的粘結(jié)層。
[0056]在示例性實施例中，將ESF選擇性地排列在三維平面線性或者多邊形圖案中。例如，圖16、19、23和24中所示的平行的垂直突起的ESF平面圖案也可以在附圖中或者之外突出的平面中正交地或者成傾斜角度地重復。在圖20和21中，渦輪機部件340具有金屬基板341，在金屬基板341中形成有ESF 354，包括限制上槽的雙槽的六邊形平面，這類似于渦輪機可磨損部件220雙高度脊228A的截面輪廓。在圖22和23中，渦輪機部件350具有金屬基板351，在金屬基板351中形成有ESF 354，包括圓柱形銷。為了圖20-23的視覺簡潔性起見，示出了不具有覆蓋ESF 344或者354的TBC層的渦輪機部件340和350 JSF 344或者354通常在其相應基板的表面的至少一部分之上重復。三維平面圖案也可以針對渦輪機部件表面拓撲結(jié)構而局部變化。雖然圖20至圖23中所示的ESF直接形成在其相應的基板中，但是如前所述，它們可以形成在無特征基板之上涂敷的粘結(jié)涂層中。
[0057]如前所述，除了本文中所述的ESF提供的TBC層錨固優(yōu)點之外，它們也局部化TBC層裂紋擴展。在圖26的渦輪機部件380中，在雙層TBC 386的外TBC層388中形成了熱誘發(fā)的和/或者外物誘發(fā)的裂紋389V和389H。通常具有不同于外TBC層388的材料性能的內(nèi)TBC層387聯(lián)接至粘結(jié)涂層層382，而BC層又聯(lián)接至部件金屬基板381。最右側(cè)的垂直裂紋389V’滲透到外TBC層388與內(nèi)TBC層387的界面，并且現(xiàn)在正在隨著裂紋389H水平擴展。裂紋389H的進一步擴展可能會引起外TBC層388從其余的渦輪機部件380層離，并且最終引起位于最右側(cè)垂直裂紋389V與最左側(cè)垂直裂紋389V’之間的全部外TBC層材料的潛在散裂。散裂最終會減少對散裂區(qū)域下面的下方金屬基板381的整體絕緣保護。
[0058]現(xiàn)在比較圖27所示的渦輪機部件390的抗裂紋擴展構造。金屬進班391還具有TBC層396附接到的層382之上的BC13TBC層396進一步包括下熱障涂層(LTBC)層397，在該LTBC層397具有形成在其中的ESF 394以便與外熱障涂層(OTBC)層398的互鎖。從而，具有ESF 394的LTBC層397有效地起到用于OTBC層398的錨固層的作用。在某些實施例中，LTBC層397具有比OTBC層398更大的強度和延展性材料性能，而OTBC層398具有更大的熱阻性和脆性材料性能。垂直裂紋399V已經(jīng)擴展通過OTBC 398的整個厚度，但是在LTBC的界面處阻止了進一步的垂直擴展。雖然垂直裂紋399V沿著0TBC/LTBX界面擴散以形成水平裂紋399H，但是在與位于水平裂紋區(qū)域側(cè)面的ESF 394的垂直壁的相交時進一步阻止了水平裂紋擴展，這樣將OTBC的潛在層離限制在ESF之間的槽寬度。如果在水平裂紋399H之上的全部或者部分OTBC層從其余的部件碎裂，那么現(xiàn)在暴露的LTBC的相對較小的表面面積會更好地抵抗對下方渦輪機部件基板391的潛在熱損傷。同樣，在與鄰接該裂紋的ESF的頂部脊表面的相交時阻止了垂直裂紋399V’的垂直擴展。阻止裂紋399V’的進一步垂直擴展減少了裂紋周圍的OTBC散裂的可能性。
[0059]設計槽特征(EGF )提高TBC裂紋隔離
某些示例性渦輪機部件實施例包含設計槽特征(EGF)的平面陣列，該平面陣列在TBC層涂敷之后形成于TBC的外表面中。EGF槽軸線相對于TBC外表面以任意傾斜角度選擇性地定向，并且延伸到TBC層中。類似于消防隊員火災前線，EGF隔離TBC層中的裂紋，從而使裂紋不會垮槽空隙的邊界擴展到相鄰TBC材料的其它部分。一般而言，如果在TBC中的裂紋最終導致在裂紋之上的材料的散裂，則圍繞該裂紋的EGF陣列形成散裂位置的局部化邊界周長，以在邊界整體外留下TBC材料。在由EGF界定的散裂區(qū)域內(nèi)，通常會將損壞限制到在EGF槽深度之上的材料損失。從而，在許多示例性實施例中，將EGF深度限制于小于所有TBC層的總體厚度，這樣完整TBC材料的體積和深度保持而為局部的下方部件金屬基板提供熱保護。在某些實施例中，EGF陣列與ESF陣列組合以提供除了EGF陣列或者ESF陣列單獨可能提供的之外的額外TBC整體性。
[0060]圖28和圖29示出了具有下方金屬基板401的渦輪機部件400，TBC基板402附接到下方金屬基板401上，TBC基板402具有在TBC層涂敷之后形成的正交相交的設計槽特征EGF403、404的示例性三維平面陣列。槽403和404構造有一個或者多個槽深度Dg、槽寬度WG、槽間距Sg和/或者多邊形平面陣列圖案。任意多個不同的槽深度、間距、寬度和多邊形平面圖案可以在渦輪機部件表面周圍局部地變化。例如，三維平面多邊形圖案可以跨全部部件表面或者部分部件表面重復，而槽深度可以跨該表面變化。雖然TBC層402示出為直接聯(lián)接至基板401，但是在其它實施例中可以代替先前所述的中間錨固層構造，包括一個或者多個粘結(jié)涂層或者下熱障涂層層。
[0061]在圖30和31中示出了示例性設計槽特征裂紋隔離能力，其中，渦輪機部件(諸如，燃燒段過渡件85、渦輪機葉片92或者渦輪機輪葉104/106)遭受到外物FO沖擊損壞，從而導致在其TBC 402外表面405內(nèi)的垂直和水平裂紋408H和408V。在沖擊損壞側(cè)面上的EGF 404阻止了跨槽空隙的進一步裂紋擴展，以使槽邊界外面的TBC材料免受進一步的串聯(lián)裂紋擴展。如果在沖擊區(qū)域中TBC材料從TBC外表面405散裂，那么由裂紋和有坑洞的底面406界定的剩余的完整且未損壞的“坑洼” TBC層402材料保護下方金屬基板401免受進一步損壞。
[0062]不像在涂敷的熱噴涂的或者氣相沉積的TBC層內(nèi)產(chǎn)生空隙或者間斷的現(xiàn)有技術公知的TBC應力裂紋減輕機構，諸如，通過改變層涂敷定向或者材料孔隙性，本文中的設計槽特征(EGF)實施例形成通過先前形成的TBC層外表面到達期望深度的切割的或者燒蝕的槽或者其它空隙。如圖32和33所示，渦輪機部件410具有錨固層412，錨固層412包括梯形截面輪廓的設計表面特征414。圖32中的箭頭指示在TBC層416中用于在渦輪發(fā)動運轉(zhuǎn)期間在ESF414的相交邊緣或者頂點處的實際的或者潛在的熱應力或者機械應力集中區(qū)域σ的可能位置。相應地，在傾斜槽軸線角度處沿著應力線σ以一定角度將EGF 418以足夠深度切割到TBC外表面中以與ESF 414頂點相交。在EGF 414的任意一側(cè)上的TBC層中誘發(fā)的應力不會從一側(cè)擴展到另一側(cè)。在EGF 418的任意一側(cè)上的TBC層416沿著槽空隙自由伸展或者收縮，以進一步減少產(chǎn)生平行于槽的裂紋的可能性。
[0063]圖33至圖35的渦輪機部件實施例示出了通過結(jié)合設計槽特征(EGF)和設計表面特征(ES1而提供的額外TBC裂紋抑制和隔離優(yōu)勢。在圖33中，通過形成一直貫穿TBC 418深度直到其與錨固層的ESF 414相交的EGF 418，實現(xiàn)緩解實際的或者潛在的應力線σ的優(yōu)點。在圖34和35的實施例中，渦輪機部件420(例如，渦輪機葉片或者輪葉或者過渡件)金屬基板421具有粘結(jié)涂層(BC)422錨固層，該粘結(jié)涂層422錨固層限定了定向在三維平面圖案中的設計表面特征(ESF)424。在錨固層之上涂敷TBC層426，并且在此之后，使EGF 428的另一個平面三維圖案切割穿過暴露于燃燒氣體的TBC層外表面427 JGF 428平面圖案可以不同于ESF 424平面圖案。如果將相同的平面圖案用于ESF和EGF，則其相應的圖案不一定必須在TBC層內(nèi)垂直對齊。換言之，EGF和ESF可以跨部件限定單獨的三維的、獨立對齊的平面圖案。在某些實施例中，ESF和EGF分別具有重復的三維平面圖案。這些圖案可以在部件表面周圍局部變化。
[0064]在圖34中，EGF 428平面圖案不具有與ESF 424圖案重復對應的任何具體對齊。使一些EGF 428切割到ESF 424脊平臺中，而使其它EGF 428僅切割到TBC 426層中。在圖35中，外物FO沖擊TBC上表面427，以產(chǎn)生由ESF 424A、424B和EGF 428A和428B阻止的裂紋，ESF424A、424B和EGF 428A和428B界定或者另外地外切FO沖擊區(qū)域。如果在裂紋上面的TBC材料426B與其余的渦輪機部件420TBC層分離，那么仍然附接至在“坑洼”的基部處的BC錨固層422的其余未損壞的TBC材料426A向其下方金屬基板421提供熱保護。
[0065]設計槽特征(EGF)
抑制冷卻孔周圍的TBC層離
有利的是，設計槽特征可以形成于圍繞渦輪機部件冷卻孔或者其它表面間斷的部分或者全部周向的TBC層中，以便限制在沿著部件基板中的冷卻孔或者其它間斷邊緣的層之上的TBC的層離。在冷卻孔的極端邊緣處的TBC層可以發(fā)起與金屬基板的分離，該分離可以在TBC層內(nèi)遠離該孔側(cè)向地/水平地蔓延。在與冷卻孔邊緣側(cè)向地間隔一定距離處處(諸如，在接觸錨固層或者金屬基板的深度處)形成EGF限制了在槽之外的進一步層離。
[0066]在圖36至圖43中示出了各種冷卻孔周向EGF實施例。在圖36至圖37中，渦輪機部件430(例如，渦輪機葉片或者渦輪機輪葉)具有完全受淚滴狀平面EGF 432限制的多個相應冷卻孔99/105。在限制EGF 432的相交處，阻止了沿著一個或者多個冷卻孔周向邊緣的TBC層離。為了簡潔起見，對孔周向EGF的進一步描述限制于槽形狀和定向。根據(jù)先前所述的現(xiàn)有技術描述來構造下方基板、錨固層、ESF和任何其它EGF。
[0067]在圖38中，渦輪機部件440具有限制多個冷卻孔99/105的EGF442，其類似于圍繞孔群的溝渠或者壕溝。將在由EGF 442圍繞的冷卻孔99/105的群內(nèi)的任何表面層離的擴展限制在EGF 442內(nèi)。在圖39-41的實施例中，EGF沒有完全圍繞任何一個冷卻孔，但是通過靠近一個或者多個孔的一個或者多個部分限制EGS可能阻止層離蔓延。在圖39中，在渦輪機部件450TBC外層表面中的一個或者多個水平定向的EGF 452或者垂直定向的EGF 454部分地或者完全圍繞各個冷卻孔99/105。在圖40中，渦輪機部件460的冷卻孔99/105由波狀的帶狀EGF 462或者464完全地或者部分地限制。在圖41的渦輪機部件實施例470中，線性EGF 474和半圓形或者弓形EGF 476的組合至少部分地限制了冷卻孔99/105。圖42的渦輪機部件480具有與將多排冷卻孔99/105相互隔離的分段線性EGF 486—起重疊的線性EGF 482和484。在圖42中，渦輪機部件490的線性EGF段494和496完全地或者部分地將冷卻孔99/105相互限制。
[0068]材料不同的多層且分級的TBC構造
如前所述，本文中描述的任何渦輪機部件實施例的整體熱噴涂的TBC層均可以具有橫向地跨部件表面或者在TBC層厚度尺寸內(nèi)的不同局部材料性能。作為一個示例，離錨固層最近的一個或者多個單獨涂敷的TBC層可以具有離部件外表面較遠的層更大的強度、延展性、韌性和彈性模數(shù)材料性能，但是較高層次的層可以具有更大的熱阻性和脆性材料性能。在圖44和45中示出了多層TBC實施例。替代地，在連續(xù)的熱噴涂過程中，通過選擇性地改變用于形成TBC層的成分材料，可以形成分級的TBC層構造，如圖46和47所示。在某些實施例中，在TBC外表面之上涂敷鈣鎂鋁硅(CMAS)阻滯層，以防止污染沉積物附著到TBC外表面上。不利的污染沉積物可以改變TBC層的材料性能并且減少沿著部件表面的空氣動力邊界情況。在CMAS阻滯層涂敷于并且浸潤在TBC外表面層中形成的EGF槽的實施例中，通過形成相對平滑的TBC外表面提高了空氣動力邊界情況，并且抑制了槽內(nèi)的碎片累積。
[0069]熱障涂層(TBC)層的示例性材料分包括氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、具有燒綠石結(jié)構的稀土穩(wěn)定的氧化鋯、稀土穩(wěn)定的完全穩(wěn)定的立方結(jié)構、或者復雜的氧化物晶體結(jié)構，諸如，磁鉛石或者鈣鈦礦或者缺陷晶體結(jié)構。其它示例性TBC材料成分包括具有高缺陷濃度的多元素摻雜氧化物。CMAS阻滯劑成分的示例包括鞏土、氧化招乾石植石(yttrium aluminumoxide garnet)、漿料沉積的/滲透的高孔隙度TBC材料(相同的材料用于OTBC或者LTBC成分)、和氧化形成多孔氧化鋁的多孔鋁。
[0070]在圖44中，渦輪機部件500具有金屬基板501，金屬基板501用包括設計表面特征(ESF)504的粘結(jié)涂層(BC)層502覆蓋。該BC層又用粗糙的粘結(jié)涂層(RBC)層505覆蓋。在RBC層505之上涂敷包括下熱障涂層(LTBO507和隨后涂敷的外熱障涂層(0TBO508的多層TBC層506。雖然在該示例中僅示出了兩層，但是在LTBC 507與OTBC 508層之間可以涂敷額外層。隨后，使設計槽特征(EGF)519切割到TBC層的外表面中:在該實施例中，足夠深到接觸RBC層505。
[0071]在圖45的實施例中，渦輪機部件510具有順序與圖44的實施例相似的整體構造，在TBC外表面上涂敷了額外的鈣鎂鋁硅(CMAS)阻滯層520。部件510包括金屬基板511、包括設計表面特征(ESF)514的粘結(jié)涂層(BC)層512、和粗糙粘結(jié)涂層(RBC)層515。在RBC層515之上涂敷包括下熱障涂層(LTBC)517和隨后涂敷的外熱障涂層(0TBO518的多層TBC層516。隨后，使設計槽特征(EGF)519切割至IjTBC層的外表面518中，以便TBC中的應力釋放和潛在裂紋隔離。在TBC層的外表面上涂敷CMAS阻滯層520，在該TBC的外表面處將CMAS阻滯層520浸潤并且錨固在EGF 519內(nèi)。CMAS阻滯層520抑制了在EGF 519內(nèi)的碎片累積，并且其相對平滑的表面提高了沿著燃燒氣體接觸表面的表面邊界層空氣動力。示例性CMAS阻滯層厚度范圍在20-200微米之間。
[0072]圖46所示的連續(xù)涂敷的、熱噴涂的、分級的TBC層構造渦輪機部件530具有與圖44的構造相似的總構造。圖46的實施例用前者的分層TBC 506代替分級TBC層536。渦輪機部件530包括由粘結(jié)涂層(BC)層532覆蓋的金屬基板531，BC層532包括設計表面特征(ESF)534，并且又用粗糙粘結(jié)涂層(RBC)層535覆蓋。分級的TBC層536涂敷在RBC層535上，該層的下部分536A具有不同于該層的上部分536B的材料性能。隨后，使設計槽特征(EGF)切割到TBC外表面中以便TBC中的應力釋放和潛在裂紋隔離。
[0073]在圖47的實施例中，渦輪機部件540具有順序與圖46的實施例相似的整體構造，在TBC外表面上涂敷了額外的CMAS阻滯層550。部件540包括金屬基板541、包括設計表面特征(ESF)544的粘結(jié)涂層(BC)層542、和粗糙粘結(jié)涂層(RBC)層545。在RBC層535之上涂敷分級的TBC層546，該層的下部分546A具有不同于該層的上部分546B的材料性能。隨后，使設計槽特征(EGF)549侵入到TBC層的外表面中，以便TBC中的應力釋放和潛在裂紋隔離。在TBC層的外表面上涂敷CMAS阻滯層550，在該TBC的外表面處將CMAS阻滯層550浸潤并且錨固在EGF 549內(nèi)。CMAS阻滯層的優(yōu)勢參照先前所述的圖45的實施例。
[0074]分段TBC構造
分段TBC構造實施例在概念上類似于谷穗或者玉米穗，結(jié)合了設計表面特征(ESF)和設計槽特征(EGH實施例以及多層的或者分級的不同材料的熱障涂層和CMAS阻滯表面涂層的可選組合。分段TBC構造適合于渦輪發(fā)動機部件(諸如燃燒段過渡、葉片和輪葉)的彎曲表面和平整表面。在圖48和49中示出了示例性的分段TBC保護的、彎曲表面渦輪機部件。這些示例性實施例具有相似的構造EGF和ESF以及雙層TBC層的特征，但是不同之處在于是否涂敷暴露于燃燒氣體的CMAS阻滯外層。CMAS阻滯層厚度通常在20-200毫米的范圍內(nèi)。
[0075]在圖48中，渦輪機部件實施例560諸如在渦輪機葉片或者輪葉的前緣上具有彎曲表面基板561。粘結(jié)涂層BC 562涂敷于該基板，并且包括網(wǎng)格圖案狀的ESF 564的三維平面陣列，該網(wǎng)格圖案狀的ESF 564限定了用于錨固雙層熱障涂層566的井或者孔。TBC 566包括下熱障涂層(LTBC)567和外熱障涂層(0TBO568。使EGF 569侵入到網(wǎng)格狀三維平面陣列中的OTBC 568的外表面中，該網(wǎng)格狀三維平面陣列不一定與TBC層566內(nèi)的ESF 564陣列圖案同中心地對齊。如果這樣對齊的話，那么在ESF 564內(nèi)形成的相似槽中捕捉到的各個雙層三維段類似于嵌入到其芯內(nèi)的核、谷物或者玉米。
[0076]圖49的渦輪機部件實施例570將CMAS阻滯層580添加到穿透EGF 579的OTBC層578的表面?；蛘?，基板571、BC 572以及ESF 574、TBC層576、LTBC層577和OTBC層578的另外構造基本上與圖48的實施例560相似。已經(jīng)參照圖45對額外的CMAS阻滯層的優(yōu)勢進行了論述。
[0077]雖然在本文中已經(jīng)示出并且描述了包含本發(fā)明的啟示的各個實施例，但是本領域技術人員可以輕易構思仍然包含這些啟示的許多其它不同的實施例。本發(fā)明在其應用上并不限于本說明書中陳述的或者附圖中圖示的構造的示例性實施例細節(jié)和部件的布置。本發(fā)明能夠有其它實施例，并且能夠以各種方式來實踐或者實施。例如，各種脊和槽輪廓可以包含在不同的平面陣列中，這些不同的平面陣列還可以圍繞特定發(fā)動機應用的圓周而局部變化。此外，應該理解的是，本文中使用的措辭和術語用于說明目的，而不應該視為限制性的?！鞍?、“包括”或者“具有”及其變型的使用意為包含其后列舉的項及其等同物和額外項。除非另有規(guī)定或者限制，術語“安裝”、“連接”、“支撐”、“聯(lián)接”及其變型是廣義的，并且包含直接的和間接的安裝、連接、支撐和聯(lián)接。另外，“連接”和“聯(lián)接”并不限制于物理的或者機械的連接或者聯(lián)接。
【主權項】
1.一種具有暴露至燃燒氣體的絕緣外表面的燃氣渦輪機部件，其包括: 金屬基板，所述金屬基板具有基板表面； 錨固層，所述錨固層建立于所述基板表面上； 熱噴涂的或者氣相沉積的或者溶液/懸浮液等離子噴涂的熱障涂層(TBC)層，所述熱障涂層(TBC)層具有:TBC總厚度、聯(lián)接至所述錨固層的內(nèi)表面、和暴露于燃燒氣體的TBC外表面，所述TBC層材料斷裂韌性、彈性模數(shù)、多孔性和導熱性性質(zhì)從所述TBC內(nèi)表面至所述TBC外表面發(fā)生變化； 從所述錨固層突出的設計表面特征(ESF)的平面圖案，所述平面圖案具有在TBC層總厚度的大約2%至75%之間的突出高度；以及 形成于所述TBC外表面中并且使先前涂敷的TBC層穿透所述TBC外表面的設計槽特征(EGF)的平面圖案，所述EGF具有槽深度。2.根據(jù)權利要求1所述的部件，所述錨固層進一步包括熱噴涂的或者氣相沉積的或者溶液/懸浮液等離子噴涂的下熱障涂層(LTBC)層部分，所述下熱障涂層(LTBC)層部分限定出ESF的平面圖案，并且所述熱障涂層(TBC)層進一步包括外熱障涂層(OTBC)層部分，所述外熱障涂層(OTBC)層部分單獨地涂敷在所述LTBC之上，具有聯(lián)接至所述LTBC的OTBC內(nèi)表面和暴露于燃燒氣體的OTBC外表面； 所述LTBC層部分具有比所述OTBC層部分大的斷裂韌性和彈性模數(shù)；以及 所述OTBC層部分具有比所述LTBC層部分大的多孔性和更小的導熱性。3.根據(jù)權利要求2所述的部件，其進一步包括涂敷在所述OTBC外表面之上和到所述EGF中的熱噴涂的鈣鎂鋁硅(CMAS)阻滯層。4.根據(jù)權利要求1所述的部件，所述錨固層進一步包括粘結(jié)涂層(BC)層，所述粘結(jié)涂層(BC)層聯(lián)接至所述基板和形成于所述BC中的ESF。5.根據(jù)權利要求1所述的部件，所述TBC層包括熱噴涂的或者氣相沉積的或者溶液/懸浮液等離子噴涂的分級材料整體層，所述分級材料整體層是通過如下過程形成:在將所述TBC層連續(xù)地涂敷在所述錨固層之上時，使所述TBC層材料的成分逐步地發(fā)生變化。6.由權利要求5所述的過程形成的部件，所述過程進一步包括:通過在將所述TBC層涂敷在所述錨固層之上時使斷裂韌性、彈性模數(shù)和導熱性逐步地減小并且使多孔性逐步地增加，來在將所述TBC層涂敷在所述錨固層之上時使所述TBC層的成分逐步地發(fā)生變化。7.根據(jù)權利要求6所述的部件，其進一步包括涂敷在所述OTBC外表面之上和到所述EGF中的熱噴涂的鈣鎂鋁硅(CMAS)阻滯層。8.根據(jù)權利要求6所述的部件，所述錨固層進一步包括粘結(jié)涂層(BC)層，所述粘結(jié)涂層(BC)層聯(lián)接至所述基板和形成于所述BC中的ESF。9.根據(jù)權利要求1所述的部件，所述錨固層進一步包括粘結(jié)涂層(BC)層，所述粘結(jié)涂層(BC)層聯(lián)接至無特征基板和形成于所述BC中的ESF。10.根據(jù)權利要求9所述的部件，所述錨固層進一步包括涂敷在所述BC層之上的粗糙粘結(jié)涂層層。11.一種燃氣渦輪發(fā)動機，所述燃氣渦輪發(fā)動機包括權利要求1所述的部件，所述部件TBC外表面與所述發(fā)動機的燃燒路徑連通以暴露至燃燒氣體。12.根據(jù)權利要求11所述的燃氣渦輪發(fā)動機，所述部件ESF限定出比等同平整表面大至少20%的整體表面面積。13.—種制造具有暴露至燃燒氣體的絕緣外表面的燃氣渦輪機部件的方法，所述方法包括: 提供具有基板表面的金屬基板； 在所述基板表面上建立錨固層；以及 通過在將所述TBC層連續(xù)地涂敷在所述錨固層之上時使所述TBC層材料的成分逐步地發(fā)生變化，來形成熱噴涂的或者氣相沉積的或者溶液/懸浮液等離子噴涂的整體層熱障涂層(TBC)，所述整體層熱障涂層(TBC)具有:TBC層厚度、聯(lián)接至所述錨固層的內(nèi)表面、和暴露至燃燒氣體的TBC外表面。14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其進一步包括:通過在將所述TBC層涂敷在所述錨固層之上時使斷裂韌性、彈性模數(shù)和導熱性逐步地減小并且使多孔性逐步地增加，來在將所述TBC層涂敷在所述錨固層之上時使所述TBC層的成分逐步地發(fā)生變化。15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其進一步包括:形成設計槽特征(EGF)的平面圖案，所述設計特征(EGF)使先前涂敷的TBC層穿透所述TBC外表面，所述EGF具有槽深度。16.根據(jù)權利要求15所述的方法，其進一步包括:將鈣鎂鋁硅(CMAS)阻滯層熱噴涂在所述TBC外表面之上和到所述EGF中。17.根據(jù)權利要求13所述的方法，其進一步包括:形成設計槽特征(EGF)的平面圖案，所述設計槽特征(EGF)使先前涂敷的TBC層穿透所述TBC外表面，所述EGF具有槽深度。18.根據(jù)權利要求17所述的方法，其進一步包括:將鈣鎂鋁硅(CMAS)阻滯層熱噴涂在所述TBC外表面之上和到所述EGF中。19.一種制造具有暴露至燃燒氣體的絕緣外表面的燃氣渦輪機部件的方法，所述方法包括: 提供具有基板表面的金屬基板； 在所述基板表面上建立錨固層，所述錨固層包括從所述錨固層突出的設計表面特征(ESF)的平面圖案； 通過在將所述TBC層涂敷在所述錨固層之上時使所述TBC層材料的成分逐步地發(fā)生變化，來形成熱噴涂的或者氣相沉積的或者溶液/懸浮液等離子噴涂的整體層熱障涂層(TBC)，所述整體層熱障涂層(TBC)具有:TBC層厚度、聯(lián)接至所述錨固層的內(nèi)表面、和暴露至燃燒氣體的TBC外表面;以及 形成設計槽特征(EGF)的平面圖案，所述設計槽特征(EGF)使先前涂敷的TBC層穿透所述TBC外表面，所述EGF具有槽深度。20.根據(jù)權利要求19所述的方法，所述錨固層形成進一步包括: 涂敷熱噴涂的或者氣相沉積的或者溶液/懸浮液等離子噴涂的下熱障涂層(LTBC)層部分，所述下熱障涂層(LTBC)層部分限定出ESF的所述平面圖案；以及 所述熱障涂層(TBC)層進一步包括單獨地涂敷在所述LTBC之上的外熱障涂層(OTBC)層部分，所述外熱障涂層(OTBC)層部分具有聯(lián)接至所述LTBC的OTBC內(nèi)表面和暴露至燃燒氣體的OTBC外表面； 所述LTBC部分具有比所述OTBC層部分大的斷裂韌性和彈性模數(shù)；以及 所述OTBC層部分具有比所述LTBC層部分大的多孔性和更小的導熱性。
【文檔編號】F01D11/12GK106030039SQ201580010523
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年2月18日
【發(fā)明人】N.希奇曼, R.蘇布拉馬尼安, C.施利希
【申請人】西門子公司