專利名稱：用于具有改善的總隔熱特性的熱障涂層的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及用于保護(hù)金屬基板的涂層系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明涉及具有改善的總隔熱特性的熱障涂層。
背景技術(shù)：
熱障涂層(TBC)可使用在燃?xì)廨啓C(jī)部件上，例如葉片，噴嘴，遮板。典型的TBC期望來保護(hù)基板材料，以防止在燃?xì)廨啓C(jī)中存在的不利的侵蝕和氧化環(huán)境。至少一些已知的陶瓷TBC的熱傳導(dǎo)性能的量級低于典型的鎳基和鈷基超耐熱合金。TBC的厚度適合于達(dá)到所需的熱阻率水平，即通過TBC系統(tǒng)的所需溫降。因此，TBC形成對于熱流的熱障，減小對基板的冷卻要求并且增加熱效率。另外，TBC通過降低工作溫度可用于提高基板的耐久性，這可減小在涂層部件中對蠕變的敏感性以及低循環(huán)疲勞(LCF)失效。
在現(xiàn)代的燃?xì)廨啓C(jī)部件上TBC的應(yīng)用包括預(yù)定厚度的涂層，以達(dá)到所需的隔熱性。隔熱性是TBC厚度和TBC傳導(dǎo)率的函數(shù)。熱導(dǎo)率越低，規(guī)定厚度的TBC的隔熱性能越高。因此，通過減小傳統(tǒng)的TBC的傳導(dǎo)率，有可能實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)部件的更高的隔熱性。通過減小TBC傳導(dǎo)率導(dǎo)致的涂層厚度的減小量可造成制造成本降低。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實(shí)施例中，(TBC)包括粘合涂層，包括具有第一值的熱導(dǎo)率kA的第一TBC，和包括具有第二值的熱導(dǎo)率kB的第二TBC，其中第二值不同于第一值。
在另一個實(shí)施例中，一種保護(hù)基板表面的方法包括涂覆粘合涂層到基板表面上，涂覆包括具有第一值的熱導(dǎo)率kA的第一TBC到粘合涂層的至少一部分上，和涂覆包括具有第二值的熱導(dǎo)率kB的第二TBC到第一TBC的至少一部分上，其中第一值不同于第二值。
在又一個實(shí)施例中，渦輪發(fā)動機(jī)部件包括金屬基板和多個TBC，每個涂層包括相應(yīng)的熱導(dǎo)率值，其中每個相應(yīng)的熱導(dǎo)率值相互不同。


圖1是燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的側(cè)面剖視圖；圖2是與燃?xì)廨啓C(jī)(如圖1所示)一起使用的轉(zhuǎn)子葉片的透視示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的示例的多層熱障涂層(TBC)系統(tǒng)的示意的剖視圖；圖4是示出了相應(yīng)于圖3中示出的TBC系統(tǒng)的示例的熱導(dǎo)率曲線蹤跡的曲線圖；圖5是TBC系統(tǒng)厚度減小的示例的蹤跡的曲線圖；和圖6是保護(hù)基板表面的示例的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是包括燃?xì)廨啓C(jī)20的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)10的側(cè)面剖視圖。燃?xì)廨啓C(jī)20包括壓縮機(jī)部分22，包括多個燃燒室26的燃燒器部分24，和使用軸29連接到壓縮機(jī)部分22上的渦輪部分28。多個渦輪葉片30連接到渦輪軸29上。在渦輪葉片30之間設(shè)置多個不旋轉(zhuǎn)的渦輪噴嘴級31，它們包括多個渦輪噴嘴32。渦輪噴嘴32連接到包圍渦輪葉片30和噴嘴32的外殼或者殼體34上。熱氣被引導(dǎo)通過噴嘴32來撞擊葉片30，導(dǎo)致葉片隨著渦輪軸29旋轉(zhuǎn)。
在運(yùn)轉(zhuǎn)中，環(huán)境空氣引導(dǎo)到壓縮機(jī)部分22，在其中環(huán)境空氣壓縮到大于大氣壓力的壓力值。然后壓縮空氣引導(dǎo)到燃燒器部分24中，在其中壓縮空氣和燃料結(jié)合以產(chǎn)生相對高壓，高速的氣體。渦輪部分28被構(gòu)造以從燃燒器部分24流出的高壓、高速氣體中提取能量。燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)10通常借助于許多的控制參數(shù)，由固定到燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)10上的自動和/或電子控制系統(tǒng)(未示出)進(jìn)行控制。
圖2是可以與燃?xì)廨啓C(jī)20一起使用的轉(zhuǎn)子葉片40的透視示意圖。在示例的實(shí)施例中，多個轉(zhuǎn)子葉片40形成燃?xì)廨啓C(jī)20的高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片級(未示出)。每個轉(zhuǎn)子葉片40包括中空的翼片42，和用來以已知的方式安裝翼片42到葉輪(未示出)的整體楔形榫43。
翼片42包括第一側(cè)壁44和第二側(cè)壁46。第一側(cè)壁44是凸形的并且限定翼片42的吸入側(cè)，并且第二側(cè)壁46是凹形的并且限定翼片42的壓力側(cè)。側(cè)壁44和46在前緣48以及前緣48下游的翼片42的軸向間隔的后緣50處相連接。
第一和第二側(cè)壁44和46分別縱向或者徑向向外延伸，從設(shè)置鄰近楔形榫43的葉片根部52跨越到頂板54，其中頂板54限定內(nèi)部冷卻通路或者室56的徑向環(huán)境面。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的示例的多層熱障涂層(TBC)系統(tǒng)300的示意的剖視圖。TBC系統(tǒng)300包括覆蓋在金屬基板304的至少一部分上的粘合涂層。在示例的實(shí)施例中，第一TBC306覆蓋粘合涂層302的至少一部分。TBC306包括具有熱導(dǎo)率值kA和厚度LA的陶瓷混合物。第二TBC308覆蓋TBC306的至少一部分。TBC308包括具有熱導(dǎo)率值kB和厚度LA的陶瓷混合物。雖然僅僅兩個不同的TBC涂層在圖3中示出，應(yīng)該清楚的理解到可以構(gòu)想出具有各自的不同熱導(dǎo)率的超過兩個的涂層?？偟腡BC系統(tǒng)厚度L包括使用在TBC系統(tǒng)300中的全部熱障涂層的厚度。
多層TBC系統(tǒng)300的總的熱導(dǎo)率使用下面公式計算k≈(LA+LB)(LAkA+LBkB)...(1)]]>其中，LA是具有熱導(dǎo)率kA的TBC的厚度，以及LB是具有熱導(dǎo)率kB的TBC的厚度。雖然，有時需要產(chǎn)生具有基本上相等的單個涂層厚度(也就是LA＝LB)的TBC系統(tǒng)300，但TBC系統(tǒng)300的總厚度的減小可通過控制LB/LA的比率來實(shí)現(xiàn)。
圖4是示出了相應(yīng)于TBC系統(tǒng)300(圖3中示出)的示例熱導(dǎo)率曲線的蹤跡402的曲線圖400。曲線圖400包括標(biāo)有相應(yīng)于TBC厚度的距離單位，例如單位英寸，的x軸402。曲線圖400包括標(biāo)有沿著每個TBC厚度的每個點(diǎn)處的溫度單位，例如華氏度數(shù)，的y軸404。點(diǎn)406表示在粘合涂層302和第一TBC306之間的分界面處的溫度。點(diǎn)408表示在第一TBC306和第TBC308的分界面處的溫度。點(diǎn)410表示在TBC308的表面處的溫度。在點(diǎn)406和408之間直線412的斜率表示TBC306的熱導(dǎo)率，在點(diǎn)408和410之間的線414的斜率表示TBC308的熱導(dǎo)率。
圖5是相對于多個第一和第二涂層的厚度比率以及每個相應(yīng)的涂層的熱導(dǎo)率比率的TBC系統(tǒng)厚度減小的示例蹤跡的曲線圖500。曲線圖500包括標(biāo)有LB/LA比率的單位的x軸502。曲線圖500還包括標(biāo)有TBC系統(tǒng)厚度減小的百分比的單位的y軸504。蹤跡506示出當(dāng)涂層具有kB/kA的熱導(dǎo)率的比率(其中使用kB/kA＝0.75)時，所產(chǎn)生的TBC系統(tǒng)厚度下降百分比。蹤跡508示出當(dāng)使用具有kB/kA＝0.5的涂層時，產(chǎn)生的TBC系統(tǒng)厚度下降百分比，和蹤跡510示出當(dāng)使用具有kB/kA＝0.25的涂層時，產(chǎn)生的TBC系統(tǒng)厚度下降百分比。
蹤跡506，508和510能夠?qū)ν繉雍穸群屯繉訜釋?dǎo)率的任何組合使用公式2進(jìn)行計算。
圖6是保護(hù)基板表面的示例的方法600的流程圖。該方法包括涂覆602粘合涂層到基板表面上。在示例的實(shí)施例中，粘合涂層包括MCrAIY，其中M包括鎳，鈷和鐵中的至少一種。粘合涂層可使用空氣等離子體噴涂(APS)，低壓等離子體噴涂(LPPS)，高速氧燃?xì)饣鹧鎳娡?HVOF)過程，電子束物理氣相沉積(EB-PVD)，另一個過程或者它們的結(jié)合進(jìn)行涂覆。方法600還包括涂覆604包括具有第一值的熱導(dǎo)率kA的第一TBC到粘合涂層的至少一部分上。在示例的實(shí)施例中，第一TBC包括小于大約5.0％的孔隙率和具有柱狀顯微結(jié)構(gòu)。方法600還包括涂覆606包括具有第二值的熱導(dǎo)率kB的第二TBC到第一TBC的至少一部分上。在示例的實(shí)施例中，第二TBC包括在大約5.0％和大約30％之間的孔隙率以及其熱導(dǎo)率kB小于熱導(dǎo)率kA。
TBC系統(tǒng)的熱導(dǎo)率使用下面公式確定k=(LA+LB)(LAkA+LBkB),]]>其中，LA是第一TBC的厚度，kA是第一TBC的熱導(dǎo)率，LB是第二TBC的厚度，以及kB是第二TBC的熱導(dǎo)率。
雖然LA≈LB的TBC系統(tǒng)是合乎需要的，但更薄的TBC系統(tǒng)總厚度一般是有利于節(jié)約成本的。TBC系統(tǒng)厚度的減小百分比使用下面公式確定 其中，LA是第一TBC的厚度，kA是第一TBC的熱導(dǎo)率，LB是第二TBC的厚度，以及kB是第二TBC的熱導(dǎo)率。
上述TBC系統(tǒng)是節(jié)約成本并且是用于減小熱障系統(tǒng)的總厚度的非?？煽康姆椒?，并且對于給定厚度的熱障系統(tǒng)提供更大的總隔熱性。多層的涂層產(chǎn)生總傳導(dǎo)率減小的顯微結(jié)構(gòu)以及對于剝落更高的抵抗性。而且，多層TBC便于減小制造成本并且由于工作應(yīng)力的減小(例如由于涂層厚度的減小，涂層的重量的減小將減小離心應(yīng)力)，增加了涂層部件的耐久性。因此，多層TBC系統(tǒng)便于以節(jié)約成本和可靠的方式運(yùn)行燃?xì)廨啓C(jī)部件。
雖然本發(fā)明已經(jīng)在許多的具體的實(shí)施例方面得到描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到本發(fā)明可在權(quán)利要求的精神和范圍之內(nèi)進(jìn)行修改。
部件目錄10 燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)20 燃?xì)廨啓C(jī)22 壓縮機(jī)部分24 燃燒器部分26 燃燒室28 渦輪部分29 渦輪軸30 渦輪葉片31 渦輪噴嘴級32 渦輪噴嘴34 外殼或者殼體40 轉(zhuǎn)子葉片42 翼片43 楔形榫44 第一側(cè)壁46 第二側(cè)壁48 前緣50 后緣52 葉片根部54 頂板56 冷卻通路或者室300熱障涂層(TBC)系統(tǒng)302粘合涂層304金屬基板306第一TBC308第TBC400曲線圖402X軸404Y軸406點(diǎn)
408點(diǎn)410點(diǎn)414線500曲線圖504X軸506Y軸508蹤跡510蹤跡600方法602涂覆粘合涂層到基板表面上604涂覆包括具有第一值的熱導(dǎo)率kA的第一TBC到粘合涂層的至少一部分上606涂覆包括具有第二值的熱導(dǎo)率kB的第二TBC到第一TBC的至少一部分上，其中第二值不同于第一值
權(quán)利要求
1.一種熱障涂層(TBC)系統(tǒng)(300)，包括粘合涂層(302)；第一TBC(306)，其包括具有第一熱導(dǎo)率值的熱導(dǎo)率kA且覆蓋粘合涂層的至少一部分；和第二TBC(308)，其包括具有第二熱導(dǎo)率值的熱導(dǎo)率kB并且覆蓋第一TBC的至少一部分，其中第二熱導(dǎo)率值不同于第一熱導(dǎo)率值。
2.如權(quán)利要求1所述的TBC系統(tǒng)(308)，其中所述粘合涂層(302)包括MCrAlY，其中M包括鎳，鈷和鐵中的至少一種。
3.如權(quán)利要求1所述的TBC系統(tǒng)(300)，其中所述第二值小于所述第一值。
4.如權(quán)利要求1所述的TBC系統(tǒng)(300)，其中所述第一TBC(306)包括小于大約5.0％的孔隙率。
5.如權(quán)利要求1所述的TBC系統(tǒng)(300)，其中所述第一TBC(306)包括柱狀的顯微結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的TBC系統(tǒng)(300)，其中所述第二TBC(308)包括在大約5.0％和大約30％之間的孔隙率。
7.如權(quán)利要求1所述的TBC系統(tǒng)(300)，其中TBC系統(tǒng)的熱導(dǎo)率使用下面公式確定k≈(LA+LB)(LAkA+LBkB),]]>其中，LA是第一TBC(306)的厚度，kA是第一TBC的熱導(dǎo)率，LB是第二TBC(308)的厚度，和kB是第二TBC的熱導(dǎo)率。
8.如權(quán)利要求1所述的TBC系統(tǒng)(300)，其中當(dāng)LA≈LB時的TBC系統(tǒng)厚度包括第一熱導(dǎo)率值，并且當(dāng)LA≠LB時的TBC系統(tǒng)厚度包括第二熱導(dǎo)率值，并且其中當(dāng)?shù)诙釋?dǎo)率值基本上等于第一熱導(dǎo)率值時，TBC系統(tǒng)厚度的減小使用下面公式確定 其中，LA是第一TBC(306)的厚度，kA是第一TBC的熱導(dǎo)率，LB是第二TBC(308)的厚度，和kB是第二TBC的熱導(dǎo)率。
9.一種渦輪發(fā)動機(jī)部件，包括金屬基板；和熱障涂層(TBC)系統(tǒng)(300)，其包括涂覆到基板的多個TBC層，每個TBC層至少部分覆蓋相鄰的先前涂覆的TBC層，每個涂層包括相應(yīng)的熱導(dǎo)率值，其中每個相應(yīng)的熱導(dǎo)率值不同于相鄰層的熱導(dǎo)率值。
10.如權(quán)利要求9所述的渦輪發(fā)動機(jī)部件，還包括粘合涂層(302)，其包括MCrAlY，其中M包括鎳、鈷和鐵中的至少一種，其中所述多個TBC包括第一TBC(306)和第二TBC(308)，第一TBC具有小于大約5.0％的孔隙率和柱狀的顯微結(jié)構(gòu)，第二TBC包括在大約5.0％和大約30％之間的孔隙率。
全文摘要
提供了用于熱障涂層的方法和裝置。該熱障涂層系統(tǒng)(300)包括粘合涂層(302)、第一熱障涂層(306)和第二熱障涂層(308)，第一熱障涂層包括具有第一值的熱導(dǎo)率k
文檔編號C23C4/04GK101067382SQ200710102378
公開日2007年11月7日 申請日期2007年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月1日
發(fā)明者R·安尼格里, D·V·布奇 申請人:通用電氣公司