具有裂紋隔離工程化表面特征件的渦輪部件熱障涂層的制作方法
【專利摘要】在工程化表面特征件（ESF）上施加用于渦輪發(fā)動機部件的熱障涂層（TBC），所述工程化表面特征件形成在部件基底中或者在所述基底與所述TBC之間施加的中間層內(nèi)。所述ESF有助于錨固所述TBC層并且/或者局部化由一個或者多個ESF界定的裂紋。在發(fā)動機運行期間，所述ESF抑制在所述TBC內(nèi)熱應(yīng)力誘發(fā)的或者異物損傷（FOD）誘發(fā)的裂紋擴展，所述裂紋擴展可能否則會引起過度的TBC剝落和隨后對渦輪部件下面基底的熱暴露損傷。在某些實施例中，所述ESF與形成在所述TBC中的工程化槽特征件組合。
【專利說明】具有裂紋隔離工程化表面特征件的渦輪部件熱障涂層
[0001]優(yōu)先權(quán)聲明和相關(guān)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(quán)，其每個的全部內(nèi)容通過引用并入本文:在2014年2月25日提交并分配的序列號為14/188,941的“ TURBINE ABRADABLE LAYERWITH PROGRESSIVE WEAR ZONE HAVING A FRANGIBLE OR PIXELATED NIB SURFACE”；以及在2014年2月25日提交并分配的序列號為14/188,958的“ TURBINE ABRADABLE LAYERWITH PROGRESSIVE WEAR ZONE MULTI LEVEL RIDGE ARRAYS”。
[0002]案卷編號為2013P20413W0、分配的序列號未知、發(fā)明名稱為“TURBINE ABRADABLELAYER WITH AIRFLOW DIRECTING PIXELATED SURFACE FEATURE PATTERNS” 的同時提交的國際專利申請視為相關(guān)申請并且通過弓I用并入本文。
[0003]為了審查當(dāng)前提交的申請，將下列美國專利申請視為相關(guān)申請，其每個的全部內(nèi)容通過引用并入本文:
在2014年2月25日提交并分配的序列號為14/188,992的“ TURBINE ABRADABLE LAYERWITH PROGRESSIVE WEAR ZONE TERRACED RIDGES”；
在2014年2月25日提交并分配的序列號為14/188,813的“ TURBINE ABRADABLE LAYERWITH PROGRESSIVE WEAR ZONE MULTI DEPTH GROOVES”；
在2014年2月25日提交并分配的序列號為14/189,035的“ TURBINE ABRADABLE LAYERWITH ASYMMETRIC RIDGES OR GROOVES”；
在2014年2月25日提交并分配的序列號為14/189,081的“ TURBINE ABRADABLE LAYERWITH ZIG-ZAG GROOVE PATTERN”；以及
在2014年2月25日提交并分配的序列號為14/189,011的“ TURBINE ABRADABLE LAYERWITH NESTED LOOP GROOVE PATTERN”。
技術(shù)領(lǐng)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)引起的對這些渦輪發(fā)動機部件TBC層的裂紋擴展或者剝落損傷的方法。更具體地，本文中描述的各個實施例涉及:通過包括工程化表面特征件(ESF)以增強上覆熱障涂層(TBC)的貼附性，來對渦輪部件的下面基底或者對施加在基底上的中間層進行結(jié)構(gòu)修改。ESF有助于錨固TBC層并且/或者使由熱應(yīng)力誘發(fā)的或者異物損傷(FOD)誘發(fā)的裂紋擴展在TBC內(nèi)局部化，該裂紋擴展可能以其他方式引起過度的TBC剝落和隨后對渦輪部件下面基底的熱暴露損傷。
【背景技術(shù)】
[0005]已知的渦輪發(fā)動機(包括氣體/燃氣渦輪發(fā)動機和蒸汽渦輪發(fā)動機)包含在周向上由渦輪機外殼或者殼體包圍的軸裝式渦輪機葉片。雖然本說明書的其他部分將重點放在燃氣或者氣體渦輪機技術(shù)應(yīng)用和環(huán)境內(nèi)的應(yīng)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被引導(dǎo)到渦輪段中。向前的或者第一排輪葉將燃燒氣體引導(dǎo)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(gòu)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，以便將冷卻劑流體通到燃燒路徑中。
[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層或者涂料(TBC)，該TBC直接施加到部件基底表面的外表面或者在先前施加到基底表面的中間金屬粘結(jié)涂層(BC)上。TBC在部件基底上提供隔熱層，這降低了基底溫度。TBC施加與部件中的冷卻通道的結(jié)合進一步降低了基底溫度。
[0008]由于用于制造上述的示例性渦輪部件的典型金屬陶瓷TBC材料與典型超合金材料(尤其)在熱膨脹、斷裂韌性和彈性模量上的差異，在異質(zhì)材料的界面處存在使TBC層產(chǎn)生裂紋和TBC/渦輪部件粘附性損失的潛在風(fēng)險。裂紋和/或者粘附性損失/分層會負面地影響TBC層結(jié)構(gòu)整體性，并且潛在地導(dǎo)致其剝落，即，使絕熱材料與渦輪部件的分離。例如，在TBC層內(nèi)形成的垂直裂紋可擴展至TBC/基底界面，然后水平延展。同樣，水平定向的裂紋可起源于TBC層內(nèi)或者靠近TBC/基底界面。TBC結(jié)構(gòu)整體性的這種破裂損失可能會導(dǎo)致對下面部件基底的進一步的過早損傷。當(dāng)TBC層脫離下面基底時，基底會失去防護的熱層涂層。在渦輪發(fā)動機的繼續(xù)運行期間，隨著時間的推移，熱燃燒氣體可能會腐蝕或者以其他方式損傷暴露的部件基底表面，從而潛在地降低發(fā)動機工作壽命。當(dāng)使發(fā)動機響應(yīng)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轉(zhuǎn)時，隨著連續(xù)的通電/斷電循環(huán)會增大潛在的剝落風(fēng)險。為了管理TBS剝落風(fēng)險和其它發(fā)動機運行維護需要，通常在限定數(shù)量的通電/斷電熱循環(huán)之后會停止使用燃氣渦輪發(fā)動機以便檢查維修。
[0009]除了易于發(fā)生熱或者振動應(yīng)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脆的TBC材料時還易受異物損傷(FOD)。異物沖擊可使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剝落損失。一旦異物撞擊使TBC層的一部分的剝落，TBC材料的其余部分易受絕熱層的結(jié)構(gòu)性裂紋擴展和/或者進一步剝落。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(通常被稱為“CMAS”)可粘附到TBC層或者與TBC層發(fā)生反應(yīng)，從而增加了 TBC剝落的可能性并且使下面粘結(jié)涂層暴露。
[0010]過去對提高TBC層結(jié)構(gòu)整體性和與下面渦輪部件基底的貼附性的嘗試已經(jīng)包括對更能夠抵抗熱裂化或者FOD的更堅固TBC材料的研發(fā)，但是付出的代價是熱阻率降低或者材料成本增加。通常，用于TBC應(yīng)用的相對較強的、比較脆的潛在材料具有較低的熱阻率?？商娲?，作為折中，已經(jīng)將單獨施加的具有不同有利性能的多層TBC材料施加到渦輪部件基底，例如，具有較好絕熱性能的較脆或者較柔軟的TBC材料繼而用較堅固的、絕熱值較低的TBC材料覆蓋以作為更能夠抵抗FOD和/或者CMAS污染物粘附的較硬“盔甲”外涂層。為了提高與下面基底的TBC粘附性，已經(jīng)直接將中間金屬粘結(jié)涂層(BC)層施加在基底上。TBC與基底或者BC界面的結(jié)構(gòu)性表面性能和/或者輪廓也已從平坦的裸露表面進行了修改。一些已知的基底和/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砂、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或者基底表面進行了光刻膠或者激光蝕刻以包括高度為大約幾微米(μπι)和橫穿表面平面平面的間隔寬度的表面特征件。已經(jīng)在渦輪機葉片尖端的基底表面上直接形成特征件以緩解葉片尖端涂層中受到的應(yīng)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件的多孔表面。通過局部地改變所施加的陶瓷金屬材料的同質(zhì)性，已經(jīng)施加了 TBC層以產(chǎn)生預(yù)先弱化的區(qū)域以便在受控條件下吸引裂紋擴展。例如，弱化區(qū)域在與已知的或者可能的應(yīng)力集中區(qū)域?qū)?yīng)的TBC層中產(chǎn)生，使得使在該弱化區(qū)域中形成的任何裂紋在期望方向上擴展以最小化對TBC層的整體結(jié)構(gòu)損傷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本文中描述的渦輪部件構(gòu)造和用于制造渦輪部件的方法的各個實施例有助于在渦輪發(fā)動機運行期間保護渦輪部件熱障涂層(TBC)層。在某些實施例中，直接形成于部件基底中或者施加在基底上的中間層中的工程化表面特征件(ESF)提高了TBC層至基底的粘附性。在某些實施例中，ESF起著控制或者隔離TBC層中的裂紋的壁或者屏障的作用，從而抑制在該層內(nèi)的額外裂紋擴展或者從相鄰聯(lián)接層的分層。
[0012]在某些實施例中，諸如通過激光或者噴水切除或者機械切割到先前形成的TBC層中，來在TBC層中形成刺入其外表面的工程化槽特征件(EGF)。EGF起著防止火蔓延橫穿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展橫穿槽并且擴展到TBC層中的其它區(qū)域。在某些實施例中，EGF與在發(fā)動機運行期間容易形成裂紋的應(yīng)力區(qū)域?qū)R。在這些實施例中，在應(yīng)力區(qū)域中槽的形成移除了在發(fā)動機運行期間可能或者也許將形成應(yīng)力裂紋的材料。在其它實施例中，EGF以方便的二維或者多邊形平面型式形成在TBC層中ASF使在TBC內(nèi)的熱應(yīng)力誘發(fā)的或者異物損傷(FOD)誘發(fā)的裂紋擴展局部化，該裂紋擴展可能否則會引起過度的TBC剝落和隨后對渦輪部件下面基底的熱暴露損傷。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)的未產(chǎn)生裂紋的部分隔離。因此，如果由一個或者多個EGF隔離開的裂開部分從該部件剝落，那么由于(多條)受控制的裂紋，包含槽的在裂紋外側(cè)的其余TBC表面不會剝落。
[0013]在某些實施例中，在ESF和/或者EGF內(nèi)限制的裂開TBC材料的剝落會留下與道路坑洼類似的部分下面TBC層。形成“坑洼”的底層或者基層的下面TBC材料為渦輪發(fā)動機部件下面基底提供持續(xù)的熱保護。
[0014]在某些實施例中，渦輪部件具有熱噴涂的上層熱障涂層(TBC)，該TBC具有深度變化的材料性能。示例性深度變化的材料性能包括從TBC層內(nèi)表面到外表面變化的彈性模量、斷裂韌性和熱導(dǎo)率。用于修改物理性質(zhì)的示例性方式包括:施加不同材料成分的多個單獨上層、或者在TBC層的熱噴涂施加期間使所施加的材料成分發(fā)生變化。
[0015]某些實施例還在TBC層上施加鈣鎂鋁硅(CMAS)阻滯材料，以阻止包含燃燒顆粒的CMAS與TBC層發(fā)生反應(yīng)或者附著到TBC層。當(dāng)在EGF上施加CMAS阻滯層時，CMAS阻滯層抑制了異物在槽內(nèi)的積聚并且提供更平滑的邊界層表面以提高燃燒氣流空氣動力學(xué)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于燃燒氣體的絕熱外表面的燃氣渦輪部件，該燃氣渦輪部件包括:具有基底表面的金屬基底;建立于基底表面上的錨固層；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)。該TBC包括至少外熱障涂層(OTBC)層，其具有施加在錨固層上并且聯(lián)接至錨固層的OTBC內(nèi)表面和暴露于燃燒氣體的OTBC外表面。工程化表面特征件(ESF)的平面型式從錨固層突出。ESF具有在TBC層整體總厚度的大約2%至75%之間的突出高度。工程化槽特征件(EGF)的平面型式形成到先前施加的OTBC層中并且穿過所述OTBC外表面刺入所述先前施加的OTBC層。相應(yīng)的ESF具有槽深度。
[0017]本文中描述的本發(fā)明的其它實施例的特征在于一種制造具有暴露于燃燒氣體的隔熱外表面的燃氣渦輪部件的方法。提供金屬基底，該金屬基底具有基底表面。在基底表面上建立錨固層，在該錨固層中形成突出的工程化表面特征件(ESF)的平面型式。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)層形成在錨固層上并聯(lián)接至錨固層。TBC層包括至少外熱障涂層(OTBC)層，其具有施加于錨固層上并且聯(lián)接至錨固層的OTBC內(nèi)表面和暴露于燃燒氣體的OTBC外表面。工程化槽特征件(EGF)的平面型式形成到先前施加的OTBC層中并且穿過所述OTBC外表面刺入所述先前施加的OTBC層。相應(yīng)的EGF具有槽深度。形成于錨固層中的相應(yīng)ESF具有在TBC層整體總厚度的大約2%至75%之間的突出高度。
[0018]在本文中描述的本發(fā)明的額外實施例的特征在于一種用于控制在燃氣渦輪發(fā)動機部件的熱障涂層(TBC)外層中的裂紋擴展的方法。提供的燃氣渦輪發(fā)動機包括具有暴露于燃燒氣體的隔熱外表面的部件。提供的部件包括具有基底表面的金屬基底和建立于基底表面上的錨固層。工程化表面特征件(ESF)的平面型式從錨固層突出。熱噴涂的或者氣相沉積的或者溶液/懸浮液等離子噴涂的外熱障涂層(OTBC)具有施加于錨固層上并且聯(lián)接至錨固層的OTBC內(nèi)表面和暴露于燃燒氣體的OTBC外表面。工程化槽特征件(EGF)的平面型式形成到先前施加的OTBC層中并且穿過所述OTBC外表面刺入所述先前施加的OTBC層。相應(yīng)的EGF具有槽深度。在提供的部件中，所有TBC層都具有在大約300-2000微米之間的整體厚度，并且形成的相應(yīng)ESF具有在TBC層整體總厚度的大約2%至75%之間的突出高度。使包括已安裝的所提供部件的所提供燃氣渦輪發(fā)動機運行。在發(fā)動機運行期間，在發(fā)動機熱循環(huán)期間在OTBC中誘發(fā)熱應(yīng)力或者機械應(yīng)力，或者通過異物沖擊在OTBC中誘發(fā)機械應(yīng)力。所誘發(fā)的應(yīng)力中的任意在OTBC中產(chǎn)生裂紋。在與一個或者多個EGF或者ESF相交時在OTBC中的裂紋擴展得以抑制。
[0019]本文中描述的本發(fā)明的各個實施例的相應(yīng)特征可以按照任何組合或者子組合共同地應(yīng)用或者分別地應(yīng)用。
【附圖說明】
[0020]可通過考慮結(jié)合附圖的以下詳細描述來理解本文中示出并描述的實施例，其中:
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)動機的部分軸向橫截面視圖；
圖2是圖1的渦輪發(fā)動機的詳細橫截面正視圖，其示出了包含本發(fā)明的一個或者多個示例性熱障涂層實施例的第一排渦輪機葉片以及第一排和第二排輪葉；
圖3是渦輪機葉片尖端可磨耗表面的多高度或者海拔脊輪廓構(gòu)造和相應(yīng)槽型式的平面圖或者平面視圖，其適合用于標(biāo)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耗表面實施例沿著其C-C截取的橫截面視圖；
圖5是具有非對稱輪廓脊構(gòu)造和多深度平行槽輪廓型式的渦輪機葉片尖端可磨耗表面的透視圖；
圖6是具有非對稱的且多深度交叉槽輪廓型式的渦輪機葉片尖端可磨耗表面的另一實施例的透視圖，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耗表面脊的透視圖，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耗表面嘴部的替代實施例，其中，在嘴部尖端附近處的相應(yīng)嘴部部分由具有不同于該層下面的材料的物理性能的材料層構(gòu)成；
圖9是具有多個微表面特征件(MSF)的彎曲的細長像素化主平面型式(PMPP)的渦輪葉片尖端可磨耗部件的剝離層的平面圖或者平面視圖；
圖10是圖9的可磨耗部件的臂章形微表面特征件(MSH的詳細透視圖；
圖11是示出具有第一高度微表面特征件和更高的第二高度微表面特征件(MSF)的之字形波狀像素化主平面型式(PMPP)的渦輪葉片尖端可磨耗部件的片段式平面圖或者平面視圖；
圖12是圖11的渦輪機葉片尖端可磨耗部件沿著其C-C截取的橫截面視圖；
圖13是具有微表面特征件(MS1的渦輪機葉片尖端可磨耗部件沿著圖9的13-13截取的橫截面視圖，所述MSF形成于施加在支撐基底上的金屬粘結(jié)涂層中；
圖14是具有形成于支撐基底中的微表面特征件(MSH的渦輪機葉片尖端可磨耗部件沿著圖9的14-14截取的橫截面視圖；
圖15是圖14的可磨耗尖端部件的替代實施例，其具有用作在基底與TBC之間的中間層而施加的金屬粘結(jié)涂層(BC)；
圖16是具有形成在粘結(jié)涂層(BC)中的工程化表面特征件(ESH的示例性實施例的渦輪部件(諸如例如，渦輪機葉片、輪葉或者燃燒段過渡件)的片段式視圖，該BC具有施加在ESF上的熱障涂層(TBC);
圖17是具有直接形成在基底表面中的工程化表現(xiàn)特征件(ES1的示例性實施例的渦輪部件的片段式視圖，所述基底表面具有施加在ESF上的熱障涂層(TBC);
圖18是具有直接形成在基底表面中的工程化表現(xiàn)特征件(ES1的示例性實施例的渦輪部件的片段式視圖，該基底表面具有兩層TBC，這兩層TBC包括施加在ESF上的下熱障涂層(LTBC)和施加在LTBS上的外熱障涂層(OTBC)；
圖19是具有形成在粘結(jié)涂層(BC)中的工程化表現(xiàn)特征件(ESH的示例性實施例的渦輪部件的片段式視圖，該BC具有兩層TBC，這兩層TBC包括施加在ESF上的下熱障涂層(LTBC)和施加在LTBS上的外熱障涂層(OTBC);
圖20是在其基底表面上具有實體突出工程化表面特征件(ESH的六邊形平面輪廓的示例性實施例渦輪部件的片段式視圖；
圖21是圖20的ESF的橫截面；
圖22是具有多個筒形或者柱狀輪廓工程化表面特征件(ESH的示例性實施例的渦輪部件的片段式視圖，該ESF在其基底表面上按照組合方式形成六邊形平面型式，其圍繞或者包圍另一位于中心的柱狀ESF ；
圖23是圖22的ESF的橫截面圖；
圖24是具有施加在下BC中的先前形成的工程化表面特征件(ESH上的粗糙化粘結(jié)涂層(RBC)層的示例性實施例的渦輪部件的片段式視圖，將該下BC先前施加到部件基底；
圖25是具有工程化表面特征件(ESF)的示例性實施例的渦輪部件的橫截面示意圖，該ESF相對于下面基底表面成角度；
圖26是在雙層TBC中經(jīng)受垂直和水平裂紋形成的現(xiàn)有技術(shù)的渦輪部件的片段式橫截面，其具有施加在相似的無特征件表面基底上的無特征件表面粘結(jié)涂層(BC);
圖27是具有形成在下TBC層中的工程化表面特征件(ESF)的示例性實施例的渦輪部件的片段式橫截面，其中，通過ESF抑制且中斷垂直和水平裂紋擴展；
圖28是具有形成在熱障涂層(TBC)外表面中的工程化槽特征件(EGF)的示例性實施例的渦輪部件的片段式透視圖；
圖29是具有形成在熱障涂層(TBC)中的工程化槽特征件(EGF)的圖28的渦輪部件的橫截面示意圖；
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的渦輪部件的橫截面示意圖，其中抑制沿著與EGF的交叉的裂紋擴展；
圖31是在裂紋上方的一部分TBC剝落之后圖29的渦輪部件的橫截面示意圖，從而留下在裂紋下方的TBC完整層用于繼續(xù)進行下面渦輪部件基底的熱隔離；
圖32是具有錨固熱障涂層(TBC)的梯形橫截面工程化表面特征件(ESF)的示例性實施例的渦輪部件的橫截面示意圖，其中箭頭指向TBC內(nèi)的應(yīng)力集中區(qū)域；
圖33是圖32的渦輪部件的橫截面示意圖，其中已將成角度的工程化槽特征件(EGF)的示例性實施例切割成與應(yīng)力集中區(qū)域?qū)R的TBC以便緩解潛在的應(yīng)力集中；
圖34是具有工程化表面特征件(ESF)和工程化槽特征件(EGF)兩者的渦輪部件的示例性實施例的橫截面示意圖；
圖35是圖34的渦輪部件的橫截面示意圖，其中，通過工程化表面特征件(ESF)和工程化槽特征件(EGF)限制異物損傷(FOD)裂紋擴展；
圖36至圖43示出了形成在鄰近部件冷卻孔的渦輪部件熱障涂層(TBC)外表面中的工程化槽特征件(EGF)的示例性實施例，以便抑制在圍繞冷卻孔的區(qū)域中的TBC層的裂紋擴展或者層離到在槽的相對側(cè)上的表面區(qū)域；
圖44是具有工程化表面特征件(ESF)、工程化槽特征件(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橫截面示意圖，該多層熱障涂層的材料物理延展性、強度和熱阻性從TBC層內(nèi)表面到TBC層外表面變化；
圖45是圖44的渦輪部件的替代實施例的橫截面示意圖，其還包括施加在TBC外表面上且施加在EGF中的熱噴涂的鈣鎂鋁硅(CMAS)阻滯層；
圖46是圖44的渦輪部件的替代實施例的橫截面示意圖，其中將通過使TBC層的成分逐步地發(fā)生變化為TBC層的過程形成的熱障涂層(TBC)施加在ESF上；
圖47是圖46的渦輪部件的替代實施例的橫截面示意圖，其還包括施加在TBC外表面上且施加在EGF中的熱噴涂的鈣鎂鋁硅(CMAS)阻滯層；
圖48是具有工程化表面特征件(ESF)、工程化槽特征件(EGF)、和熱噴涂的或者氣相沉積的多層熱障涂層(TBC)的彎曲表面渦輪部件的示例性實施例的橫截面示意圖；
圖49是圖48的彎曲渦輪部件的替代實施例的橫截面示意圖，其還包括施加在TBC外表面上且施加在EGF中的熱噴涂的鈣鎂鋁硅(CMAS)阻滯層；
為了便于理解，在可能的情況下，使用相同的附圖標(biāo)記來指示這些附圖所共有的相同元件。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，已針對尺寸、橫截面、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橫截面；
Dg槽深度；
F通過渦輪發(fā)動機的流方向；
G至可磨耗表面間隙的渦輪機葉片尖端；
H表面特征件的高度；
Hr脊高度；
L表面特征件的高度；
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第二排的渦輪發(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表面特征件的寬度；
Wg槽寬度；
Wr可磨耗脊寬度；
A相對于可磨耗脊縱向/軸向軸線的槽傾斜角；以及 σ熱障涂層(TBC)中的應(yīng)力集中。
【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明的示例性實施例增強了施加到渦輪發(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，對渦輪部件的下面基底或者施加在基底上的中間層進行的結(jié)構(gòu)修改包括形成工程化表面特征件(ESF)以增強上覆熱障涂層(TBC)的貼附性。ESF有助于錨固TBC層，并且/或者充當(dāng)屏障或者壁以便在TBC內(nèi)將熱應(yīng)力誘發(fā)的或者異物損傷(FOD)誘發(fā)的裂紋擴展局部化，該裂紋擴展可能否則會引起過度的TBC剝落和隨后對渦輪部件下面基底的熱暴露損傷。
[0022]熱噴涂的TBC的總述
在燃氣渦輪發(fā)動機部件中的應(yīng)用
參照圖1至圖2，渦輪發(fā)動機(諸如氣體或者燃燒渦輪發(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的軸向長度大體在箭頭F的流動方向上將大氣壓進氣空氣引入到壓縮機段82中。逐排使壓縮機葉片旋轉(zhuǎn)來在壓縮機段82中對進氣空氣進行逐漸加壓，并且通過匹配的壓縮機輪葉將進氣空氣引導(dǎo)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)在在比初始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(dǎo)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具有多排橫截面呈翼形的渦輪葉片92，其終止在壓縮機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(yīng)用，但是相似構(gòu)造可應(yīng)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，每個渦輪葉片92具有凹形輪廓高壓側(cè)96和凸形低壓側(cè)98。形成在葉片92中的冷卻孔99促進冷卻流體沿著葉片表面通過。在燃燒流方向F上流動的高速和高壓的燃燒氣體在葉片92上賦予旋轉(zhuǎn)運動以使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。眾所周知，賦予在轉(zhuǎn)子軸上的一些機械功率可用于進行有用功。燃燒氣體通過渦輪機外殼100約束為徑向遠離轉(zhuǎn)子并且通過包括可磨耗表面的空氣密封件102約束為靠近轉(zhuǎn)子。參照圖2所示的第一排段，相應(yīng)的上游輪葉104和下游輪葉106分別將上游燃燒氣體引導(dǎo)為大體平行于渦輪葉片92的前緣的入射角，和將下游燃燒氣體重新引導(dǎo)為離開葉片的后緣以便以期望進入角到下游的第二排渦輪葉片(未示出)中。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，為了視覺清晰起見而進行放大，但是并不按比例繪制。典型的渦輪葉片92或者輪葉104、406具有圍繞相應(yīng)機翼主體分布的更多冷卻孔，所述機翼主體相對于暴露于發(fā)動機燃燒氣體的相應(yīng)葉片或者輪葉整體表面積具有要小得多的直徑。
[0023]如前所述，暴露于燃燒氣體的渦輪部件表面通常構(gòu)造有用于隔離其下面基底的熱障涂層(TBC)層。典型的TBC涂層表面包括渦輪葉片92、輪葉104、106和相關(guān)的渦輪機輪葉承載件表面、以及燃燒段過渡件85。用于葉片92、輪葉104、106和過渡件85暴露表面的TBC層通常通過熱噴涂或者氣象沉積或者溶液/懸浮液等離子噴涂方法來施加，其中總TBC層厚度為300-2000 微米(μπι)。
[0024]渦輪機葉片尖端可磨耗部件TBC應(yīng)用
厚度大于1000微米的隔熱層通常用于扇形渦輪機葉片尖端可磨耗部件110(下文中統(tǒng)稱為“可磨耗部件”)，該可磨耗部件110和與葉片尖端94成相反關(guān)系的渦輪發(fā)動機80渦輪機外殼100呈直線。可磨耗部件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(guān)系的隔熱可磨耗基底120。可磨耗基底通常由與施加于葉片92、輪葉104、106和過渡件85燃燒氣體暴露表面的相似于TBC涂層材料的金屬/陶瓷材料構(gòu)成。這些可磨耗基底材料具有高抗熱性和抗熱腐蝕性，并且在高燃燒溫度下保持結(jié)構(gòu)完整性。通常，應(yīng)理解，一些形式的TBC層形成在葉片尖端可磨耗部件110裸露的下面金屬支撐表面基底112上用于表面基底112的隔熱保護和在TBC上以額外高度突出的隔熱基底厚度。從而，應(yīng)理解，可磨耗部件110具有與施加在渦輪過渡件85、葉片92和輪葉102/104上的TBC層功能上等同的TBC層，可磨耗表面120功能類似于保護可磨耗部件支撐表面基底112免受磨損并且提供熱保護的額外層的鞋底或者鞋后跟。用于葉片尖端可磨耗表面脊/槽的示例性材料包括燒綠石、立方體的或者部分穩(wěn)定的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯。由于可磨耗表面120金屬陶瓷材料通常比渦輪葉片尖端94材料更磨損的，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，其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。
[0025]葉片尖端可磨耗組件110通常構(gòu)造有金屬基層支撐表面112，在該金屬基層支撐表面112上施加幾千微米厚度(S卩，典型過渡件85、葉片92或者輪葉104/106 TBC層厚度的多倍)的熱噴涂的陶瓷/金屬可磨耗基底層120。如下文中更詳細描述的，在本文中要求優(yōu)先權(quán)的相關(guān)專利申請中描述的示例性渦輪葉片尖端相對的可磨耗表面平面的可磨耗層和突出輪廓發(fā)明實施例包括在可磨耗基底層120中的槽、凹陷部或者脊以減少可磨耗表面材料橫截面，以便潛在的葉片尖端94磨損減少和引導(dǎo)在間隙區(qū)域G中的燃燒空氣流。提高發(fā)動機效率以便燃料保護的商業(yè)期望已推動更小的葉片尖端間隙G規(guī)范:優(yōu)選不超過2毫米并且期望地接近I毫米(1000 μπι) ο
[0026]圖3至圖15是本文中要求優(yōu)先權(quán)的相關(guān)專利申請中描述的示例性渦輪葉片尖端相對的可磨耗表面平面和突出輪廓發(fā)明實施例的簡短概要。圖3至圖8中所示的形成在熱噴涂的或者氣相沉積的可磨耗層中的可磨耗部件橫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(fù)合多高度/深度脊與槽型式。在圖9至圖15中所示的可磨耗部件橫截面輪廓包括不連續(xù)的微表面特征件(DSF)的像素化主平面型式(PMPP)，在該PMPP上施加可磨耗層使得加工好的葉片尖端可磨耗層120具有與圖3至圖8的實體肋和槽構(gòu)造的型式相似的脊和槽型式的整體平面和橫截面型式。
[0027]關(guān)于圖3至圖8的可磨耗表面型式(與在葉片、輪葉或者過渡件部件燃燒氣體暴露的表面上具有2000或者更小的TBC層厚度相比再次具有在下面基底表面上方突出幾千微米的脊和槽)，下磨損區(qū)域II優(yōu)化發(fā)動機空氣流和結(jié)構(gòu)特征，而上磨損區(qū)域I通過對比下區(qū)域更容易磨損來減少葉片尖端間隙和磨損。可磨耗部件的各個實施例為上區(qū)域的更易可磨耗性提供具有比下區(qū)域肋結(jié)構(gòu)更小的橫截面的上子脊或者嘴部。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以其他方式收縮，并且在較大葉片尖端接觸的情況下磨損和/或者折斷。在其它實施例中，將上區(qū)域I子脊或者嘴部像素化成上磨損區(qū)域的陣列，從而只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)域外的其它嘴部保持完整。在進一步減少局部化葉片尖端間隙的情況下，葉片尖端磨損掉在該位置處的區(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。
[0028]利用本文中要求優(yōu)先權(quán)的現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用的一些葉片尖端可磨耗磨損表面120實施例的漸進式磨損區(qū)域構(gòu)造，可將葉片尖端間隙G從先前可接受的已知尺寸減小。例如，如果已知的可接受葉片間隙G設(shè)計規(guī)范是I mm，則在磨損區(qū)域I中的較高脊的高度可增加，使得將葉片尖端間隙減小至0.5 mm。為磨損區(qū)域II建立邊界的下脊以一高度設(shè)置，使得其遠端尖端部分從葉片尖端間隔開I mm。通過這種方式，建立收緊50%的葉片尖端間隙G用于常規(guī)渦輪機操作，其中接受由葉片與區(qū)域I中的上脊接觸引起的一些潛在磨損。僅當(dāng)葉片尖端侵占到下區(qū)域中時才將發(fā)起區(qū)域II中的連續(xù)局部化漸進式葉片磨損，而在任何情況下，Imm的葉片尖端間隙G不差于已知的葉片尖端間隙規(guī)范。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到2/3。如果由于渦輪機外殼100變形使任意一個或者多個葉片的葉片尖端間隙G減少時，則在形成區(qū)域I的較高脊尖端處將發(fā)生快速發(fā)動機啟動模式或者葉片尖端94與可磨耗部件10之間的其它原因初始接觸。而還在區(qū)域I中，葉片尖端94只摩擦交替相錯的較高脊。如果葉片間隙G逐漸變小，則較高脊將被磨損直到將區(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中渦輪機葉片尖端94磨擦在局部化磨損區(qū)域處的所有其余脊，但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的減小并且上脊可在其全高度上是完整的。從而，一些可磨耗部件110實施例的交替高度肋構(gòu)造適應(yīng)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空氣動力學(xué)控制。
[0029]在可磨耗部件中的多高度磨損區(qū)域構(gòu)造也有利于要求更快全功率傾斜升溫(約為40-50 Mw/分鐘)的所謂“快速啟動”模式發(fā)動機。積極傾斜升溫速率加劇葉片尖端到環(huán)形段可磨耗涂層120中的潛在更大侵入，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、和更大變形以及增長速率的更大失配。當(dāng)需要進行標(biāo)準發(fā)動機運行模式或快速啟動發(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，從而為通常利用較低升溫速率或者不執(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形成區(qū)域I的較高脊尖端高度的20%至75%之間。
[0030]更具體地，圖3和圖4示出具有由槽218分離的彎曲平面的雙高度輪廓脊212A、212B的葉片尖端可磨耗部件210。脊212A/B形成在熱噴涂的陶瓷/金屬TBC層217的外表面的表面高度上方，該熱噴涂的陶瓷/金屬TBC層217施加在渦輪部件金屬基底211上。通常，參照圖3至圖8，應(yīng)理解，一些形式的TBC形成在裸露的下面金屬基底上用于金屬基底的絕熱保護。在圖3的情況下，可磨耗部件脊212A、212B在TBC層217上以額外高度突出。從而，應(yīng)理解，可磨耗部件(諸如，可磨耗部件210、220(圖5)、230(圖6)和240(圖7))具有與施加在渦輪機過渡件85、葉片92和輪葉102/104上的TBC層功能上等同的TBC層，加上脊和槽的額外厚度，從而形成可磨耗層(其通常包括與TBC層相似的材料)。在圖3和圖4中，通過已知的沉積或者燒蝕材料工作方法將噴涂的金屬/陶瓷可磨耗層中的脊212A/B和槽218進行沉積并形成為三維脊和槽輪廓。一種形成可磨耗部件210可磨耗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坦表面的較厚可磨耗基底坯表面。
[0031]通過將槽切割成肋，可將在圖5至圖8的實施例的可磨耗部件表面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，使得在槽切口側(cè)面上的其余直立肋材料具有比其余下面肋更小的水平橫截面面積。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)動機的空氣流特征。圖5示出了包括雙水平槽的可磨耗部件220，其具有形成于脊尖端222/224中的槽228A和形成在脊222/224到覆蓋基體基底表面227的TBC材料的較薄層之間的槽228B。上槽228A形成包括磨損區(qū)域I的較淺深度Dga側(cè)向脊，而在上槽深度下方的脊222或者224的其余部分包括下磨損區(qū)域II。
[0032]在圖6的渦輪機葉片尖端可磨耗部件230實施例中，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在槽深度Dga上方，并且磨損區(qū)域II在該槽深度下方直到隔離基底237的下面金屬主體的TBC層的外表面。所示的上槽388A還垂直于脊尖端384表面。
[0033]利用熱噴涂的葉片尖端可磨耗部件構(gòu)造，通過在脊的頂部限定微肋或者嘴部的陣列，可將上磨損區(qū)域I熱噴涂的可磨耗材料的橫截面和高度構(gòu)造為符合不同程度的葉片尖端侵入，如在圖7和8中所示?？赡ズ牟考?40包括用TBC表面層隔離的先前描述的金屬支撐表面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以及覆蓋基底247的基底TBC層外表面來限定。通過已知的加成工藝或者通過在下脊242B內(nèi)形成交叉槽248A和248C的陣列，來在下脊平臺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具有由終止在共同高度的脊尖端244A中的直立側(cè)壁245A、245C、246A和246C限定的正方形或者矩形橫截面?？衫闷渌袼鼗觳?42A橫截面平面形狀，包括作為實例的梯形或者六邊形橫截面。也可利用包括不同局部化橫截面和高度的嘴部陣列。
[0034]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’由具有與下熱噴涂材料252不同的物理性質(zhì)和/或者成分的熱噴涂材料250構(gòu)成。例如，上遠端材料250可構(gòu)造有比下部材料252更易磨損或者更少磨損的可磨耗性質(zhì)(例如，更柔軟或者更多孔或者兩者)。通過這種方式，可將葉片尖端間隙G設(shè)計為小于先前已知的可磨耗部件中使用的間隙以減少葉片尖端泄漏，使得任何對材料250的局部化葉片侵入不太可能磨損葉片尖端，SP使這種接觸變得更有可能。通過這種方式，渦輪發(fā)動機可設(shè)計成具有更小的葉片尖端間隙，從而增加其運行效率及其在標(biāo)準或者快速啟動模式下的運行能力，而不會對葉片磨損有顯著影響。
[0035]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(shù)實施例中描述的那些一致。通常，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橫截面在嘴部高度Hra的大約20%至50%的范圍內(nèi)。
[0036]通常，可磨耗部件中的上磨損區(qū)域I脊高度可選擇成使得理想的葉片尖端間隙為
0.25 _。3:00和9:00渦輪機外殼周向磨損區(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，但是在其它周向位置處的渦輪機外殼/可磨耗部件變形存在更大可能性?？蛇x擇下脊高度以在1.0 mm的理想化葉片尖端間隙時設(shè)置其脊尖端，使得在較高磨損區(qū)域中葉片尖端只更深地磨損到磨損區(qū)域I中并且不會接觸為下磨損區(qū)域II設(shè)置邊界的下脊尖端。如果不管最佳計算而葉片尖端繼續(xù)磨損進入到磨損區(qū)域II中，則產(chǎn)生的葉片尖端磨損操作情況不會比先前已知的可磨耗層構(gòu)造更差。然而，在圍繞可磨耗層的局部化周向位置的其余部分中，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，在葉片尖端上具有很少的或者沒有不良增加的磨損。
[0037]在圖9至圖15的葉片尖端可磨耗實施例中，可磨耗部件包括用于聯(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陶瓷/金屬可磨耗基底，該熱噴涂陶瓷/金屬可磨耗基底包括施加在整個支撐表面上的隔熱TBC層。包括多個不連續(xù)微表面特征件(MSF)的細長像素化主平面型式(PMPP)橫穿從渦輪機葉片的尖端至尾部的大部分周向掠掃路徑從金屬基底表面及其隔熱TBC層突出。在某些示例性實施例中，PMPP整體平面模仿圖3至圖8的實體突出肋可磨耗部件的通常平面。PMPP在葉片尖端旋轉(zhuǎn)方向上沿著掠掃路徑徑向地重復(fù)，以便在葉片尖端與基底表面之間選擇性地引導(dǎo)空氣流。每個MSF由限定寬度、長度和高度的一對第一相對側(cè)壁來限定，該對第一相對側(cè)壁占據(jù)1-12立方毫米的包絡(luò)體積。在某些實施例中，MSF長度和各個MSF之間限定的間隙的比率在大約1:1至1:3的范圍內(nèi)。在其它實施例中，MSF寬度和間隙的比率在大約1:3至1:5的范圍內(nèi)。在某些實施例中，MSF高度和寬度的比率為大約0.5至1.0。特征件尺寸可以(但不限于)在I mm與3 mm之間，其中壁高度在0.Imm與2 mm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。
[0038]在某些實施例的PMPP中，MSF由鑄件或者直接成形在基底材料中的工程化表面特征件產(chǎn)生。在其它實施例中，PMPP中的MSF通過燒蝕或者加成表面改性技術(shù)(諸如，水噴射或者電子束或者激光切割)或者通過激光燒結(jié)方法產(chǎn)生在基底或者下面粘結(jié)涂層(BC)層中。隨后，在采用或者未采用施加在PMPP中的工程化MSF特征件上的中間粘結(jié)涂層層的情況下，使工程化表面特征件涂覆有高溫可磨耗熱障涂層(TBC)，以產(chǎn)生將比現(xiàn)有技術(shù)的涂層更有效可磨耗的不連續(xù)表面。一旦接觸(由經(jīng)過的葉片尖端)，經(jīng)由彎曲的旋繞狀(在上方或者表面下)路徑將釋放的(磨損的)顆粒移除到在MSF之間的間隙中或者在MSF之間的可磨耗表面內(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體噴射的彎曲路徑，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(gòu)造減少了在葉片尖端中產(chǎn)生的摩擦熱。葉片尖端中減少的摩擦熱潛在地減少了由尖端過熱和可磨耗表面上的金屬涂片/傳遞引起的已磨損葉片尖端材料損失。其它益處包括:與通常采用已知的連續(xù)可磨耗肋設(shè)計相比，可在MSF上沉積更厚、更穩(wěn)健的熱障涂層，從而賦予環(huán)形段潛在延長的設(shè)計壽命。
[0039]最簡單形式的微表面特征件(MSF)可以是基本形狀幾何結(jié)構(gòu)，在環(huán)形段的表面上重復(fù)單元格，其中間隙在相應(yīng)單元格之間。單元格MSF與整體形成PMPP的較大型式的像素類似。在更優(yōu)化的形式中，在運行期間可根據(jù)部件的熱行為的葉片尖端關(guān)系的要求來對MSF進行修改。在這種情況下，可在表面內(nèi)修改特征件深度、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)化的可磨耗性能。其它優(yōu)化參數(shù)包括形成TBC的熱噴涂設(shè)備以穿入表面內(nèi)的捕捉區(qū)域并且在整個表面上實現(xiàn)有效的連續(xù)TBC涂層的能力。
[0040]如前所述，具有包括MSF的陣列的PMPP的可磨耗部件通過在制造期間將MSF直接鑄造在可磨耗基底中或者建立在基底上(諸如通過熱噴涂或者添加劑制造技術(shù)，例如，電子束或者激光束沉積)或者通過燒蝕基底材料來形成。在首先提到的形成過程中，在每個標(biāo)準化熔模鑄造程序中，可以在蠟?zāi)Ｖ行纬杀砻嫣卣骷?，然后去殼并且進行澆鑄?？商娲?，可以在蠟?zāi)Ｍ鈧?cè)使用陶瓷殼插入件以形成殼結(jié)構(gòu)的部分。在利用陶瓷殼插入件時，可使MSF在可磨耗部件制造處理過程期間得到更有效的保護并且可具有更獨特的特征件形狀和幾何結(jié)構(gòu)(S卩，可包含不會使正常去殼操作存在的底切或者易碎突出特征件)。
[0041]可以使MSF交錯(形成臺階)以接收等離子體并且具體地使等離子體轉(zhuǎn)向以便最佳的TBC穿入。在基底上鑄造并且沉積的表面特征件可不必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形性質(zhì)建立在基底上，但不會直接重復(fù)初始的工程化表面特征件。熱噴涂厚度也可以是決定最終的表面形式的因素。通常，熱噴涂涂層越厚，最終的表面幾何結(jié)構(gòu)更消散。在設(shè)計工程化表面特征件(初始大小和縱橫比)時，這不一定是問題，但需要考慮。例如，在隨后用中間粘結(jié)涂層層和TBC頂部層進行涂覆時，形成在基底中的臂章形MSF可消散為在已加工可磨耗表面突出輪廓中的新月形的或者土堆形的突起部。
[0042]在圖9至圖15中示出示例性MSF單元格的情況下，這些為了尺寸考慮而提供。為了有效的尺寸引導(dǎo)，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適用于單元格高度。根據(jù)特征件的幾何結(jié)構(gòu)和待施加的涂層的厚度，這可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。
[0043]以不同組合共同包含或者分別包含不連續(xù)微表面特征件(MSF)的像素化主平面型式(PMPP)的本文中所述的各個示例性實施例具有至少以下特征中的一些: ?由于增加的粘結(jié)表面積和表面特征件經(jīng)由本文中已經(jīng)描述的各種互鎖幾何結(jié)構(gòu)將涂層法線互鎖至表面的唯一性，因此MSF工程化表面特征件改善等離子噴涂的可磨耗涂層的粘附性和機械互鎖性能。
[0044].由于減少了可磨耗表面與渦輪機葉片尖端的接觸面積，因此不需要比標(biāo)準成本8YSZ熱障涂層材料(諸如33YBZ0(33% Yb2O3 - Zirconia)或者Talon型YSZ (用聚合物共噴涂的高孔隙率YSZ))更可磨耗的成本相對較高的涂層。葉片尖端的較少可磨耗的(S卩，較硬)YSZ磨損由與旋轉(zhuǎn)葉片尖端的較小表面積潛在摩擦接觸否定。
[0045].由于與下面熱障涂層的附著表面接觸面積增加，微表面特征件(MSF)(其中一些的高度小到100微米(μπι))減少了潛在的熱障涂層剝落。
[0046]在圖9至圖15中示出了包括非連續(xù)微表面特征件(MSF)的像素化主平面型式(PMPP)的渦輪機可磨耗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，在任意可磨耗部件中的一個或者多個PMPP可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耗部件260的平面示意圖，該可磨耗部件260具有金屬基底261。在分裂上方的上部分上，基底261具有彎曲的整體輪廓像素化主平面型式(ΡΜΡΡ)262，其包括直接形成在基底上的臂章形微表面特征件(MSF)的陣列。如前所述，通過在基底初始形成期間直接建立MSF的任意一個或者多個鑄造過程;通過在先前形成的基底261表面建立MSF的加成過程;或者通過將金屬從基底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。
[0047]在可磨耗部件260的最上面部分上，直接在MSF263上施加熱障涂層(TBC)266，以在排列為在可磨耗部件與旋轉(zhuǎn)渦輪機葉片尖端之間引導(dǎo)熱氣體流的PMPP 262中的可磨耗部件上留下土堆形的或者新月形的輪廓突起部267。在葉片尖端與可磨耗部件260的相對表面接觸的情況下，橫截面表面積相對較小的MSF 263會摩擦葉片尖端并且被葉片尖端磨損。與不具有可磨耗上區(qū)域和下區(qū)域I和II的益處的以前已知的連續(xù)單高度或者實體表面可磨耗部件(諸如，圖3至圖8所示的)相比，MSF 263和渦輪機葉片尖端接觸不太可能會引起葉片尖端腐蝕或者可磨耗表面從接觸剝落。
[0048]在可磨耗部件260的最下面部分上，將金屬粘結(jié)涂層(BC)264施加在裸露的金屬基底261，并且通過加成或者燒蝕制造過程在BC中形成臂章形MSF 265。然后用TBC 266覆蓋排列在PMPP262中的BC 264和MSF 265，以留下從基底260表面突出的大體臂章形的MSF 268。
[0049]在圖10中示出示例性臂章形MSF 272的尺寸。臂章形MSF 272具有封閉的連續(xù)前緣273、后緣274、面向旋轉(zhuǎn)渦輪機葉片的頂部表面275。交錯的多排臂章形272產(chǎn)生用于熱氣體流的彎曲路徑。每個臂章形MSF實施例272具有占據(jù)了 1-12立方毫米的包絡(luò)體積的寬度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率大約在1:1至I: 3的范圍內(nèi)。在其它實施例中，MSF寬度和間隙的比率大約為1: 3至1:8。在某些實施例中，MSF高度和寬度的比率大約為0.5至1.0。特征件尺寸可以(但不限于)在3 mm與10 mm之間，其中壁高度和/或者壁厚度在100-2000微米(μπι)之間。
[0050]由于具有圖3至圖8所示的葉片尖端可磨耗部件實施例，在PMPP內(nèi)可改變MSF高度以促進具有通?？赡ズ牟考喞臏u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，可磨耗部件280在其PMPP中具有雙高度的臂章形MSF陣列，其與先前描述的實體肋實施例中的區(qū)域I和區(qū)域II脊高度相比具有相應(yīng)的較高高度H1和較低高度Η2?？赡ズ牟考?80利用表面281上的Z形MSF 282和283的交錯高度不連續(xù)的型式。
[0051]如前面所討論的，微表面特征件MSF可形成在基底中或者可磨耗部件的粘結(jié)涂層中。在圖13中，可磨耗部件260的橫截面示出平滑的無特征件基底261，在其上施加粘結(jié)涂層(BC)層264，通過先前描述的加成或者燒蝕過程中的任意一個或者多個在BC 264層中形成MSF 265。在BC 265上施加噴涂的熱障涂層(TBC)266，其包括MSF 265，從而產(chǎn)生大體臂章形的MSF 268ο如圖14所示，可替代地，可將TBC層266直接施加在下面基底260及其工程化表面MSF 265而不需要中間BC層，從而產(chǎn)生土堆形的或者新月形的輪廓突起部267。在圖15所示的另一替代實施例中，可磨耗部件260’基底261具有工程化特征件263，其可在基底制造、燒蝕或者加成過程期間通過直接澆鑄來形成，如前所述。在該示例中，在包括工程化特征件MSF 263的基底261上施加粘結(jié)涂層264’。隨后，用TBC層266覆蓋BC 264’，從而產(chǎn)生土堆形的或者新月形的輪廓突起部267’。在圖13至圖15的每個PMPP可磨耗實施例橫截面中，MSF高度在大約100-2000微米(μπι)之間。如前所述，MSF 263或者265可有助于將TBC機械互鎖到下面BC層或者基底層。
[0052]工程化表面特征件(ESF )提高TBC粘附和裂紋隔離
一些示例性渦輪部件實施例包含了工程化表面特征件(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，從而使裂紋不會擴展到ESF之外。在某些葉片尖端可磨耗應(yīng)用中，實體脊和槽突出表面特征件與MSF根據(jù)其MSF的物理尺寸和其之間的相對間距來充當(dāng)ESF，但是它們對渦輪部件的除葉片尖端可磨耗部件之外的更通常應(yīng)用來說太大。對于示例性渦輪機葉片、輪葉或者燃燒器過渡應(yīng)用，ESF在聯(lián)接至TBC層的內(nèi)表面層的錨固層中形成，并且其尺寸設(shè)計為錨固施加到這些部件的厚度范圍為300-2000微米(μπι)的TBC層涂層而不需改變暴露于燃燒氣體的TBC層的另外大體平坦外表面。通常，ESF在渦輪部件表面上具有足夠高度和三維平面間距以在TBC層的總厚度內(nèi)提供機械錨固和裂紋隔離。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件更高，這些蝕刻的或者雕刻的表面特征件據(jù)稱被提供以增強在TBC與鄰接下面層之間(例如，下面裸露的基底或者在裸露的基底與TBC層之間的中間粘結(jié)涂層層)的粘附粘結(jié)。通常，在示例性實施例中，ESF具有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具在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限定比等同平坦表面積大至少20%的整體表面積。
[0053]圖16至圖19示出形成在聯(lián)接至TBC層的內(nèi)表面的錨固層中的工程化表面特征件(ESF)的示例性實施例。TBC層可包括多層TBC材料，但將基本上具有至少熱障涂層(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)具有受上覆的熱障涂層(TBC)保護的金屬基底301。粘結(jié)涂層(BC)層302建立并且施加于在另外的無特征件基底301上，其包含工程表面特征件(ESF)304的平面型式。這些ESF 304通過下列方式直接形成在BC中:(i)熔融顆粒的已知熱噴涂以建立表面特征件或(ii)表面特征件的已知附加層制造建立應(yīng)用，諸如，通過3D打印、燒結(jié)、電子束沉積或者激光束沉積或者(iii)基底材料制造過程的已知燒蝕移除，以通過未移除的部分來限定特征件。ESF 304和TBC層302的暴露表面的其余部分可接收進一步表面處理，例如，表面粗糙化、微雕或者光蝕刻過程，以增強隨后熱噴涂TBC層306的粘附。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。
[0054]在圖17中，渦輪部件310具有金屬基底311，工程化表面特征件(ESF)314的平面型式通過已知的直接鑄造直接形成于在另外的無特征件基底311中，或者通過熱噴涂、附加層建立或者基底材料制造過程的燒蝕移除來建立在基底表面上，該燒蝕移除通過未移除的基底的剩余部分來限定特征件。ESF 314和裸露基底311的暴露表面可接收進一步表面處理，例如，表面粗糙化、微雕或者光蝕刻過程，以增強隨后熱噴涂的TBC層316的粘附。從而，ESF314和裸露基底表面包括用于TBC層316的錨固層而不需要任何中間BC層。
[0055]在圖18中，渦輪部件320具有與圖17所示的部件310相似的錨固層構(gòu)造，其中，在部件金屬基底321中直接形成ESF 324的平面陣列，而在錨固層上施加多層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充當(dāng)錨固層的一部分)和具有用于暴露于燃燒氣體的外表面的外熱障涂層(OTBC)層?？稍贚TBC層與OTBC層之間施加額外熱障涂層中間層。同樣，圖19的渦輪部件330也具有施加在基于粘結(jié)涂層(BC)的錨固層上的多層TBC層336 AC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所述的錨固層實施例。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。如下面詳細描述的，多層TBC可包括具有不同材料性能(諸如，強度、延展性、熱阻性或者脆性)的一系列按順序施加的層。這些材料性能可通過施加分級TBC層來改變，其中，在渦輪部件上在不同物理位置處熱噴涂不同的材料成分，或者在施加期間建立TBC 層。
[0056]在渦輪部件的設(shè)計和制造期間，可改變工程化表面特征件(ESF)橫截面輪廓及其平面陣列型式和其相應(yīng)尺寸，以通過抑制裂紋形成、裂紋擴展和TBC層剝落來優(yōu)化熱保護。在圖16至圖25中示出了 ESF橫截面輪廓及其三維平面陣列型式和其相應(yīng)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(yīng)的ESF 304、334、354和364具有矩形或者正方形橫截面輪廓。在圖17中ESF 314具有大體三角形的橫截面輪廓，而在圖18中ESF具有梯形橫截面輪廓，其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的渦輪部件370中，形成在BC 372中的ESF 374相對于下面金屬基底371表面成角度，以便TBC層376的額外底切機械錨固。還要注意的是，通過在錨固層表面上施加粗糙粘結(jié)涂層(RBC)層(諸如圖24所示的渦輪部件360的RBC層365)來實現(xiàn)額外錨固能力。雖然RBC 364圖示為施加在BC 362及其ESF 364上，但也可在部件的金屬基底361上施加這種類型的或者其它類型的粘結(jié)涂層。
[0057]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型式中。例如，圖16、19、23和24所示的平行的垂直突起部的ESF平面型式也可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(fù)。在圖20和21中，渦輪部件340具有金屬基底341，在金屬基底341中形成有ESF 354，其包括限制上槽的雙槽的六邊形平面，這類似于渦輪機可磨耗部件220雙高度脊228A的橫截面輪廓。在圖22和23中，渦輪部件350具有金屬基底351，在金屬基底351中形成有ESF 354,ESF 354包括筒形銷。為了圖20至圖23的可視簡潔性起見，示出了不具有覆蓋ESF 344或者354的TBC層的渦輪部件340和350 JSF 344或者354大體在其相應(yīng)基底的表面的至少一部分上重復(fù)。三維平面型式也可針對渦輪部件表面拓撲結(jié)構(gòu)而局部變化。雖然圖20至圖23所示的ESF直接形成于相應(yīng)基底中，但是如前所述的，其可形成在施加在無特征件基底上的粘結(jié)涂層中。
[0058]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，其也使TBC層裂紋擴展局部化。在圖26的渦輪部件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，其中BC層繼而聯(lián)接至部件金屬基底381。最右側(cè)的垂直裂紋389V’穿透到夕卜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從禍輪部件380的其余部分層離，并且最終會引起位于最右側(cè)垂直裂紋389V與最左側(cè)垂直裂紋389V’之間的所有外TBC層材料的潛在剝落。剝落最終會減少對剝落區(qū)域下方的下面金屬基底381的整體隔熱保護。
[0059]現(xiàn)在比較圖27所示的渦輪部件390的抗裂紋擴展構(gòu)造。金屬基底391還具有附接至TBC層396的層382上的BC13TBC層396還包括下熱障涂層(LTBC)層397，在該LTBC層397中形成有ESF 394以便與外熱障涂層(ORBC)層398互鎖。從而，具有ESF 394的LTBC層397有效地充當(dāng)用于OTBC 398的錨固層。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具有更大的熱阻率和脆性材料性能。垂直裂紋399V已經(jīng)擴展通過OTBC 398的整個厚度，但在LTBC的界面處抑制了進一步的垂直擴展。盡管垂直裂紋399V沿著0TBC/LTBC界面擴展以形成水平裂紋399H，但是在與位于水平裂紋區(qū)域側(cè)面的ESF 394的垂直壁的相交處進一步抑制了水平裂紋擴展，這樣將OTBC的潛在層離限定在ESF之間的槽寬度。如果水平裂紋399H上方的全部或者部分OTBC層從部件的其余部分剝落，則現(xiàn)在暴露的LTBC的相對較小的表面積會更好地抵抗對下面渦輪部件基底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處抑制了垂直裂紋399V的垂直擴展。抑制裂紋399V的進一步垂直穿透減少了裂紋周圍的OTBC剝落的可能性。
[0060]工程化槽特征件(EGF )增強TBC裂紋隔離
某些示例性渦輪部件實施例包含工程化槽特征件(EGF)的平面陣列，這些EGF在TBC層施加之后形成在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。類似于滅火器防火線，EGF隔離TBC層中的裂紋，從而使裂紋不會橫穿槽空隙的邊界擴展到相鄰TBC材料的其它部分。通常，如果在TBC中的裂紋最終導(dǎo)致在裂紋上方的材料的剝落，則圍繞該裂紋的EGF陣列形成剝落位置的局部化邊界周邊，以在邊界外留下完整的TBC材料。在由EGF界定的剝落區(qū)域內(nèi)，通常會將損傷限制到在EGF槽深度上方的材料損失。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，使得完整的TBC材料的體積和深度保持以為局部的下面部件金屬基底提供熱保護。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陣列可能單獨提供之外的額夕卜TBC整體性。
[0061 ]圖28和圖29示出具有下面金屬基底401的渦輪部件400，在下面金屬基底401上附接有TBC基底402，TBC基底402具有在TBC層施加之后形成的正交地相交的工程化槽特征件EGF 403、404的示例性三維平面陣列。槽403和404構(gòu)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型式。多個任意不同的槽深度、間距、寬度和多邊形平面型式可在渦輪部件表面周圍局部地變化。例如，三維平面多邊形型式可橫穿全部或者部分部件表面重復(fù)并且槽深度可橫穿該表面變化。雖然TBC層402示出為直接聯(lián)接至基底401，但在其它示例性實施例中先前所述的中間錨固層構(gòu)造可被替代，包括一個或者多個粘結(jié)涂層或者下熱障涂層層。
[0062]在圖30和31中示出了示例性工程化槽特征件裂紋隔離能力，其中，渦輪部件(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(dǎo)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EGF404阻止了橫穿槽空隙的進一步裂紋擴展，以使槽邊界外側(cè)的TBC材料免受進一步的級聯(lián)(cascading)裂紋擴展。如果在沖擊區(qū)域中TBC材料從TBC外表面405剝落，則由裂紋和有坑洞的地面406界定的剩余的完整且未損壞的“坑洼” TBC層402材料保護下面金屬基底401免受進一步損壞。
[0063]不像諸如通過改變層施加定向或者材料孔隙性來在施加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(shù)已知的TBC應(yīng)力裂紋解除機制，本文中的工程化槽特征件(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，渦輪部件410具有錨固層412，錨固層412包括梯形橫截面輪廓工程化表面特征件414。圖32中的箭頭指示在TBC層416中用于在渦輪發(fā)動運行期間在ESF 414的相交邊緣或者頂點處的實際的或者潛在的熱應(yīng)力或者機械應(yīng)力集中區(qū)域的可能位置。相應(yīng)地，在傾斜槽軸線角度處沿著應(yīng)力線σ以一角度將EGF 418切割足夠深度到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(yīng)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沿著槽空隙自由擴展或者收縮，從而進一步減少平行于槽的裂紋生成的可能性。
[0064]圖33至圖35的渦輪部件實施例示出通過結(jié)合工程化槽特征件(EGF)和工程化表面特征件(ESF)而提供的額外TBC裂紋抑制和隔離優(yōu)點。在圖33中，通過使EGF 418形成為一直貫穿TBC 416深度直到其與錨固層的ESF 414相交，來實現(xiàn)緩解實際的或者潛在的應(yīng)力線σ的優(yōu)點。在圖34和35的實施例中，渦輪部件420(例如，渦輪機葉片或者輪葉或者過渡件)金屬基底421具有粘結(jié)涂層(BC)422錨固層，其限定在三維平面型式中定向的工程化表面特征件(ESF)424。在錨固層上施加TBC層426，并且在此之后，使EGF 428的另一平面三維型式穿過暴露于燃燒氣體的TBC層外表面427 JGF 428平面型式可不同于ESF 424平面型式。如果將相同的平面型式用于ESF和EGF，則相應(yīng)型式不必必須在(多個)TBC層內(nèi)垂直對齊。換句話說，EGF和ESF可限定橫穿部件的分立的三維、獨立對齊平面型式。在某些實施例中，ESF和EGF分別具有重復(fù)的三維平面型式。這些型式可在部件表面周圍局部變化。
[0065]在圖34中，EGF 428平面型式不具有與ESF 424型式重復(fù)對應(yīng)的任何特定對齊。EGF428中的一些切割到ESF 424脊平臺中，并且其它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抑制的裂紋，ESF424A、424B和EGF 428A和428B界定或者以其他方式限制FO沖擊區(qū)域。如果在裂紋上方的TBC材料426B從渦輪部件420 TBC層的其他部分分離，則在“坑洼””的基部處保持附接至的BC錨固層422的其余未損壞的TBC材料426A向其下面金屬基底421提供熱保護。
[0066]工程化槽特征件(EGF)
抑制TBC圍繞冷卻孔層離
有利地，工程化槽特征件可圍繞渦輪部件冷卻孔的部分或者全部周邊或者其它表面間斷處形成在TBC層中，以便限制在沿著冷卻孔或者部件基底中的其它間斷邊緣的層上的TBC的層離。在冷卻孔的極端邊緣處的TBC層可引發(fā)與金屬基底的分離，該分離可在TBC層內(nèi)遠離該孔側(cè)向地/水平地擴展。在離冷卻孔邊緣一側(cè)向間隔距離處(諸如，在接觸錨固層或者金屬基底的深度處)的EGF的產(chǎn)生限制在槽之外的進一步層離。
[0067]在圖36至圖43中示出了各種冷卻孔周邊EGF實施例。在圖36至圖37中，渦輪部件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(yīng)冷卻孔99/105。在限制EGF 432的相交處，抑制沿著冷卻孔周邊邊緣的一個或者多個的TBC層離。為了簡潔起見，對孔周邊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(shù)描述來構(gòu)造下面基底、錨固層、ESF和任何其它EGF。
[0068]在圖38中，渦輪部件440具有限制多個冷卻孔99/105的EGF 442，這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至圖41的實施例中，EGF沒有完全圍繞任何一個冷卻孔，但可通過鄰近一個或者多個孔的一個或者多個部分限制的EGS來抑制層離擴展。在圖39中，在渦輪部件450 TBC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，渦輪部件460的冷卻孔99/105被波狀的帶狀EGF462或者464完全地或者部分地限制。在圖41的渦輪部件實施例470中，線性EGF 474和半圓形或者弧形EGF 476的組合至少部分地限制冷卻孔99/105。圖42的渦輪部件480具有將成排的冷卻孔99/105相互隔離的重疊的線性EGF 482和484以及分段的線性EGF 486。在圖42中，渦輪部件490的線性EGF段494和496完全地或者部分地將冷卻孔99/105彼此限制開。
[0069]材料不同的多層且分級的TBC構(gòu)造
如前所述，本文中描述的任何渦輪部件實施例的整個熱噴涂的TBC層均可具有橫向地橫穿部件表面或者在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施加的TBC層可比離部件外表面較近的層具有更大的強度、延展性、韌性和彈性模量材料性能，但較高水平的層可具有更大的熱阻性和脆性材料性能。在圖44和45中示出多層TBC實施例。替代地，在連續(xù)的熱噴涂過程期間，可通過選擇性地改變用于形成TBC層的成分材料來形成分級的TBC層構(gòu)造，如圖46和47所示。在某些實施例中，在TBC夕卜表面上施加鈣鎂鋁硅(CMAS)阻擋層，以防止污染沉積物附著到TBC外表面。不利的污染沉積物可改變TBC層的材料性能并且減少沿著部件表面的空氣動力學(xué)邊界情況。在CMAS阻擋層施加在形成在TBC外表面層中的EGF槽上并且滲入EGF槽的實施例中，其通過形成相對平滑的TBC外表面增強了空氣動力學(xué)邊界情況并且抑制了槽內(nèi)的碎片積聚。
[0070]用于熱障涂層(TBC)層的示例性材料成分包括氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、具有燒綠石結(jié)構(gòu)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(gòu)、或者復(fù)雜的氧化物晶體結(jié)構(gòu)，諸如磁鐵鉛礦或者鈣鈦礦或者缺陷晶體結(jié)構(gòu)。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礬土、氧化鋁釔石榴石、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)、和被氧化以形成多孔氧化招的多孔招。
[0071]在圖44中，渦輪部件500具有金屬基底501，其由包括工程化表面特征件(ESF)504的粘結(jié)涂層(BC)層502覆蓋。該BC層繼而由粗糙的粘結(jié)涂層(RBC)層505覆蓋。在RBC層505上施加包括下熱障涂層(LTBO507和隨后施加的外熱障涂層(0TBO508的多層TBC層506。雖然在該實施例中示出兩層，但在LTBC 507與OTBC 508層之間可以施加額外層。隨后，將工程化槽特征件(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。
[0072]在圖45的實施例中，渦輪部件510具有大體與圖44的實施例相似的整體構(gòu)造，其中在TBC外表面上施加了額外的鈣鎂鋁硅(CMAS)阻擋層520。部件510包括金屬基底511、包括工程化表面特征件(ESF)514的粘結(jié)涂層(BC)層512、以及粗糙的粘結(jié)涂層(RBC)層515。在RBC層515上施加包括下熱障涂層(LTBC)517和隨后施加的外熱障涂層(0TBO518的多層TBC層516。隨后，將工程化槽特征件(EGF)519切割至IjTBC層的外表面518中，以便TBC中的應(yīng)力釋放和潛在裂紋隔離。在TBC層的外表面上施加CMAS阻擋層520，在該TBC的外表面處將CMAS阻擋層520滲入并且錨固在EGF 519內(nèi)XMAS阻擋層520抑制了碎片在EGF 519內(nèi)的累積，并且其相對平滑的表面提高了沿著燃燒氣體接觸表面的邊界層空氣動力學(xué)性。示例性CMAS阻滯層厚度范圍在20-200微米之間。
[0073]圖46的連續(xù)施加的熱噴涂的和分級的TBC層構(gòu)造渦輪部件530具有與圖44的構(gòu)造相似的總體構(gòu)造。圖46的實施例用分級TBC層536代替分級TBC層536的分層TBC 506。渦輪部件530包括由粘結(jié)涂層(BC)層532覆蓋的金屬基底531 AC層532包括工程化表面特征件(ESF)534，并且繼而由粗糙的粘結(jié)涂層(RBC)層535覆蓋。在RBC層535上施加分級TBC層536，其中該層的下部分536A具有不同于該層的上部分536B的材料性能。隨后，將工程化槽特征件(EGF)切割到TBC外表面中以便TBC中的應(yīng)力釋放和潛在裂紋隔離。
[0074]在圖47的實施例中，渦輪部件540具有與圖46的實施例大體相似的整體構(gòu)造，其中在TBC外表面上施加額外的CMAS阻擋層550。部件540包括金屬基底541、包括工程化表面特征件(ESF)544的粘結(jié)涂層(BC)層542、和粗糙的粘結(jié)涂層(RBC)層545。在RBC層535上施加分級的TBC層546，其中該層的下部分546A具有不同于該層的上部分546B的材料性能。隨后，將工程化槽特征件(EGF)549切割到TBC層的外表面中，以便TBC中的應(yīng)力釋放和潛在裂紋隔離。在TBC層的外表面上施加CMAS阻擋層550，在該TBC的外表面處將CMAS阻擋層550滲入并且錨固在EGF 549內(nèi)。參照圖45的實施例先前所述了CMAS阻擋層的優(yōu)點。
[0075]分段TBC構(gòu)造
分段TBC構(gòu)造實施例在概念上類似于谷穗或者玉米穗，組合了工程化表面特征件(ESF)和工程化槽特征件(EG1實施例以及多層的或者分級的不同材料的熱障涂層和CMAS阻擋表面涂層的可選組合。分段TBC構(gòu)造適合于渦輪發(fā)動機部件(諸如燃燒段過渡件、葉片和輪葉)的彎曲表面和平坦表面。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部件。這些示例性實施例具有相似的構(gòu)造EGF和ESF以及雙層TBC層的特征，但是不同之處在于是否施加暴露于燃燒氣體的CMAS阻擋的外層。CMAS阻擋層厚度通常在20-200毫米的范圍內(nèi)。
[0076]在圖48中，渦輪部件實施例560諸如在渦輪機葉片或者輪葉的前緣上具有彎曲表面基底561。粘結(jié)涂層BC 562施加于該基底，并且包括網(wǎng)格型式狀的ESF 564的三維平面陣列，其限定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。將EGF 569切割到網(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必必須與TBC層566內(nèi)的ESF 564陣列型式同中心地對齊。如果這樣對齊，則在ESF 564內(nèi)形成的相似槽中捕捉到的每個雙層三維段類似于嵌入到其穗軸(cob)內(nèi)的核、谷物或者玉米。
[0077]圖49的渦輪部件實施例570將CMAS阻擋層580添加到穿入EGF 579的OTBC層578的表面。另外，基底571、BC 572以及ESF 574、TBC層576、LTBC層577和OTBC層578的構(gòu)造大體與圖48的實施例560相似。已經(jīng)參照圖45對額外的CMAS阻擋層的優(yōu)點進行了論述。
[0078]雖然在本文中已經(jīng)示出并且描述了包含本發(fā)明的教導(dǎo)的各個實施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可容易構(gòu)思仍然包含這些教導(dǎo)的許多其它不同的實施例。本發(fā)明在其應(yīng)用上并不限于本說明書中提出的或者附圖中圖示的部件的構(gòu)造和布置的示例性實施例細節(jié)。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，各種脊和槽輪廓可包含在不同的平面陣列中，這些不同的平面陣列也可圍繞特定發(fā)動機應(yīng)用的周圍而局部變化。此外，應(yīng)理解，本文中使用的措辭和術(shù)語用于說明目的，而不應(yīng)該視為限制性的?！鞍?、“包括”或者“具有”及其變型的使用意指包含其后列舉的項和其等同物以及額外項。除非相反詳細說明或者限制，術(shù)語“安裝”、“連接”、“支撐”、和“聯(lián)接”及其變型廣義使用，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(quán)項】
1.一種具有用于暴露到燃燒氣體的隔熱外表面的燃氣渦輪部件，其包括: 金屬基底，所述金屬基底具有基底表面； 錨固層，所述錨固層建立在所述基底表面上； 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)，所述熱障涂層(TBC)包括至少外熱障涂層(OTBC)層，所述OTBC層具有施加在所述錨固層上并且聯(lián)接至所述錨固層的OTBC內(nèi)表面和用于暴露到燃燒氣體的OTBC外表面； 從所述錨固層突出的工程化表面特征件(ESF)的平面型式，其具有TBC層整體總厚度的大約2%至75%之間的突出高度；以及 形成到先前施加的OTBC層中并且穿過所述OTBC外表面刺入所述先前施加的OTBC層的工程化槽特征件(EGF)的平面型式，其具有槽深度。2.如權(quán)利要求1所述的部件，所述錨固層還包括: 粘結(jié)涂層(BC)層，所述BC層聯(lián)接至無特征件基底表面； 形成在所述BC層中的ESF;以及 限定比等同平坦表面大至少20%的整體表面積的ESF。3.如權(quán)利要求1所述的部件，所述錨固層還包括: 粘結(jié)涂層(BC)層，所述BC層聯(lián)接至所述基底表面； 形成在所述基底中的ESF;以及 限定比等同平坦表面大至少20%的整體表面積的ESF。4.如權(quán)利要求1所述的部件，所述錨固層還包括: 粘結(jié)涂層(BC)層，所述BC層聯(lián)接至所述基底表面； 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LTBC層部分與所述OTBC層部分接觸，其中所述EGF刺入到所述LTBC層中；以及形成在所述LTBC層部分中的ESF。5.如權(quán)利要求4所述的部件，其還包括LTBC熱噴涂的層部分，所述LTBC熱噴涂的層部分具有比所述OTBC熱噴涂的層部分更高的熱導(dǎo)率和更高斷裂韌性。6.如權(quán)利要求1所述的部件，其還包括橫穿所述部件在分別限定的分開三維的、獨立對齊的平面型式中的ESF和EGF。7.如權(quán)利要求1所述的部件，其還包括分別具有重復(fù)的三維平面型式的ESF和EGF。8.如權(quán)利要求1所述的部件，其還包括具有梯形橫截面的ESF，所述梯形橫截面具有一對相對的、向內(nèi)傾斜的第一側(cè)壁，所述第一側(cè)壁終止于平臺中。9.如權(quán)利要求1所述的部件，所述錨固層還包括: 粘結(jié)涂層(BC)層，所述BC層聯(lián)接至所述基底表面； 形成在所述基底或者所述BC層中的ESF; 限定比等同平坦表面大至少20%的整體表面積的ESF;以及 施加在所述BC層上的粗糙粘結(jié)涂層層。10.—種燃氣渦輪發(fā)動機，其包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，所述OTBC外表面與所述發(fā)動機的燃燒路徑連通以暴露于燃燒氣體。11.如權(quán)利要求10所述的發(fā)動機，所述部件包括渦輪機葉片、渦輪機輪葉、或者燃燒段過渡件或者環(huán)形段。12.如權(quán)利要求1所述的部件，所述ESF額外地用作所述錨固層的部分。13.—種制造具有暴露于燃燒氣體的隔熱外表面的燃氣渦輪部件的方法，其包括: 提供具有基底表面的金屬基底； 在所述基底表面上建立錨固層； 在所述錨固層中形成從所述錨固層突出的工程化表面特征件(ESF)的平面型式； 形成聯(lián)接至所述錨固層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熱障涂層(TBC)層，所述TBC層包括至少外熱障涂層(OTBC)層，所述OTBC層具有施加于所述錨固層上并且聯(lián)接至所述錨固層的OTBC內(nèi)表面和用于暴露于燃燒氣體的OTBC外表面；以及形成到先前施加的OTBC層中并且穿過所述OTBC外表面刺入所述先前施加的OTBC層的工程化槽特征件(EGF)的平面型式，所述EGF具有槽深度； 所述形成的ESF具有在TBC層整體總厚度的大約2%至75%之間的突出高度。14.如權(quán)利要求13所述的方法，所述錨固層成形還包括: 在所述基底表面上形成熱噴涂的粘結(jié)涂層(BC)層；以及 在LTBC層部分的頂部上形成所述OTBC層之前，在所述BC層上形成熱噴涂的或者氣相沉積的或者懸浮液/溶液等離子噴涂的下熱障涂層(LTBC)層； 所述LTBC和OTBC層構(gòu)成所述TBC層整體總厚度的至少一部分。15.如權(quán)利要求13所述的方法，其還包括形成額外用作所述錨固層的部分的ESF。16.—種用于控制在燃氣渦輪發(fā)動機部件的熱障涂層(TBC)外層中的裂紋擴展的方法，其包括: 提供燃氣渦輪發(fā)動機，所述燃氣渦輪發(fā)動機包括具有用于暴露于燃燒氣體的隔熱外表面的部件，所述部件包括: 金屬基底，所述金屬基底具有基底表面； 錨固層，所述錨固層建立在所述基底表面上； 從所述錨固層突出的工程化表面特征件(ESF)的平面型式； 熱噴涂的或者氣相沉積的或者溶液/懸浮液等離子噴涂的外熱障涂層(OTBC)，所述外熱障涂層具有施加在所述錨固層上并且聯(lián)接至所述錨固層的OTBC內(nèi)表面和暴露于燃燒氣體的OTBC外表面； 形成到先前施加的OTBC層中并且穿過所述OTBC外表面刺入所述先前施加的OTBC層的工程化槽特征件(EGF)的平面型式，所述EGF具有槽深度； 所有TBC層都具有在大約300-2000微米之間的整體厚度，并且所述形成的ESF具有在TBC層整體總厚度的大約2%至75%之間的突出高度； 使所述發(fā)動機運行，在發(fā)動機熱循環(huán)期間在所述OTBC中誘發(fā)熱應(yīng)力或者機械應(yīng)力或者通過異物沖擊在所述OTBC中誘發(fā)機械應(yīng)力，所誘發(fā)的應(yīng)力中的任意種在所述OTBC中產(chǎn)生裂紋；以及 在與所述EGF或者ESF中的一個或者多個相交時在所述OTBC中抑制所述裂紋的擴展。17.如權(quán)利要求16所述的方法，所述設(shè)置的錨固層還包括: 粘結(jié)涂層(BC)層，所述BC層聯(lián)接至無特征件基底表面； 形成在所述BC中的ESF;以及 限定比等同平坦表面大至少20%的整體表面積的ESF。18.如權(quán)利要求16所述的方法，所述設(shè)置的錨固層還包括: 粘結(jié)涂層層(BC)，所述粘結(jié)涂層層聯(lián)接至所述基底表面； 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LTBC層部分與所述OTBC層部分接觸，其中所述EGF刺入到所述LTBC層中；以及形成在所述LTBC層部分中的ESF。19.如權(quán)利要求18所述的方法，所述設(shè)置的LTBC熱噴涂的層部分具有比所述OTBC熱噴涂的層部分更高的熱導(dǎo)率和斷裂韌性。20.如權(quán)利要求16所述的方法，其還包括橫穿所述部件在分別限定的分開的三維的、獨立對齊的平面型式中設(shè)置的ESF和EGF。21.如權(quán)利要求16所述的部件，其還包括分別具有重復(fù)三維平面型式的設(shè)置的ESF和EGF022.如權(quán)利要求16所述的方法，所述設(shè)置的錨固層還包括: 粘結(jié)涂層(BC)層，所述BC層聯(lián)接至所述基底表面； 形成在所述BC層或者所述基底中的ESF; 限定比等同平坦表面大至少20%的整體表面積的ESF;以及 施加在所述BC層上的粗糙粘結(jié)涂層。
【文檔編號】F01D11/08GK106030043SQ201580010527
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年2月18日
【發(fā)明人】R.蘇布拉馬尼安, S.蘭彭謝爾夫, C.施利希, N.希奇曼, D.措伊斯
【申請人】西門子公司