專利名稱：涂層體系的制作方法
涂層體系本發(fā)明涉及針對組件的涂層體系，并涉及兩個彼此能相對移動的組件形成的組合件(assembly)。許多用于化學腐蝕性環(huán)境的組件必須承受超過1000°C的高溫。因此，它們必須受到保護以確保長的使用壽命。對于作為現(xiàn)代燃氣輪機的部件的組件而言，尤其如此，因為一般趨勢是升高燃燒溫度以提高效率。因此，在燃氣輪機中的熱區(qū)域中的大多數(shù)組件由高抗性合金制備。此外，它們受到特殊的涂層體系的保護。這些涂層體系可以包括在金屬基材上的粘合層、在所述粘合層上的耐氧化層，也即MCrAlX層，和一個或多個具有絕熱性質的陶瓷層。這些層的組合形成了保護該組件的絕熱涂層。在燃氣輪機設計中的一個關鍵方面是密封在熱區(qū)域中移動部件之間的間隙。如果密封不充分，那么熱的氣體會泄露，由此降低汽輪機的總效率。再者，密封機構必須在腐蝕性氣氛中經受高溫。為了滿足一致性和耐受性的目標，使用了可磨損的涂層體系。所述可磨損的涂層體系配備在兩個能相對移動的組件的組合件的一個組件上，所述兩個能相對移動的組件在它們之間形成間隙。所述另一個組件與可磨損體系呈滑動接觸設置。由此密封了所述組件之間的間隙。在運行期間，如果兩個組件彼此相對移動，未經涂覆的組件擦掉可磨損涂層的一部分。已知的可磨損涂層體系包括粘合涂層和至少一個由陶瓷制成的可磨損層。在許多情況下，所述陶瓷含由IO3和/或和/或％203穩(wěn)定化的&02。在使用期間，可磨損層由于燒結效應(這增加了層的硬度)喪失了該層的部分可磨損性質。結果，未經涂覆的組件的基材部分被擦掉，由此降低了密封的一致性和使得需要更早地替換未經涂覆的組件。降低該效應的一種改進的涂層體系公開在EP 1484^6A2中。其包括粘合涂層和第一和第二鋯層，所述第一和第二鋯層均由IO3和％203之一穩(wěn)定化。盡管如此，在所述涂層體系暴露于高溫時，由于仍然發(fā)生一定程度的燒結，其可磨損性質受到負面影響。因此，本發(fā)明的目標在于提供具有進一步提高的耐燒結效應的涂層體系。該目標通過配備在多孔陶瓷層上的可磨損陶瓷層解決。出人意料地已經發(fā)現(xiàn)，如果將可磨損陶瓷層提供在多孔陶瓷層上，涂層體系對燒結的抗性可以進一步提高。在這種情況下，涂層體系作為整體保持其可磨損性質，即使其暴露于高溫達長時間也是如此。根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案，所述多孔陶瓷層具有> 20體積％的孔隙率，優(yōu)選 ^ 22體積％和< 28體積％，更優(yōu)選> 24體積％且< 沈體積％。還可能的是，所述多孔陶瓷層包括陶瓷材料。所述陶瓷材料可以是用％203和/或 Y2O3穩(wěn)定化的&02。在多孔層中IO3的量可以為6wt% -10wt%的范圍。在優(yōu)選實施方案中，所述多孔陶瓷層包括8wt% &03。所述多孔陶瓷層可以為150 μ m-300 μ m,優(yōu)選180 μ m-250 μ m,更優(yōu)選 190 μ m-240 μ m 和最優(yōu)選 225 μ m 厚。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，所述可磨損陶瓷層4可以包括用％203和/或IO3穩(wěn)定化的&02。在這種情況下，Yb2O3的量可以為至少30wt%，優(yōu)選33wt%。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，該可磨損陶瓷層具有> 20體積％的孔隙率，優(yōu)選彡25體積％和< 40體積%，和更優(yōu)選> 27體積％和< 35體積%。所述可磨損陶瓷層可以為300 μ m-800 μ m，優(yōu)選350 μ m-700 μ m,更優(yōu)選 400 μ m-600 μ m 和最優(yōu)選 500 μ m 厚。根據(jù)本發(fā)明的又一優(yōu)選實施方案，所述涂層體系包括位于多孔陶瓷層之下的陶瓷層。優(yōu)選地，所述陶瓷層具有比該多孔陶瓷層更低的孔隙率。所述陶瓷層可以包括由IO3和/或Yb2O3穩(wěn)定化的&02。優(yōu)選地，IO3的量為 6wt% -IOwt%范圍，更優(yōu)選的是其為8wt%。還可能的是，所述陶瓷層為20 μ m-200 μ m,優(yōu)選30 μ m-150 μ m,更優(yōu)選 40 μ m-100 μ m 禾口最優(yōu)選 75 μ m 厚。本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案涉及涂層體系，其中所述陶瓷層、多孔陶瓷層3和可磨損陶瓷層合起來為650 μ m-950 μ m厚。此外，金屬粘合涂層可以配備在多孔層或者陶瓷層之下。所述粘合涂層5可以為 100μ -260μπι，優(yōu)選 130μπι-230μπι，更優(yōu)選 150 μ m-200 μ m 和最優(yōu)選 180 μ m 厚。本發(fā)明的又一實施方案涉及涂層體系，其配備在燃氣輪機組件上。本發(fā)明的第二方面提供了兩個能相對移動的組件的組合件，所述兩個能相對移動的組件在它們之間形成間隙，其中一個組件配備有根據(jù)權利要求1-20之一的涂層體系，另一組件以與所述涂層體系呈滑動接觸的方式設置。優(yōu)選地，所述組件是燃氣輪機的一部分。本發(fā)明的下面兩個實施方案將參照附圖進行詳細描述。在附圖中，

圖1示出了本發(fā)明的第一實施方案，和圖2示出了本發(fā)明的第二實施方案。圖3示出了燃氣輪機，圖4示出了渦輪葉片，圖5示出了燃燒室，圖6示出了高溫合金列表。圖1示出了本發(fā)明的第一實施方案。組件2、120、130作為涂層體系2提供。所述涂層體系2包括在所述基材1上的多孔層3和配備在所述多孔層3上的可磨損層4。多孔陶瓷層3具有彡20體積％的孔隙率，并包含優(yōu)選經6wt% -IOwt %的^O3穩(wěn)定化的&02。此外，其為150μπι-300μπι厚。優(yōu)選地，多孔陶瓷層3的僅由^O3穩(wěn)定化?？赡p陶瓷層4優(yōu)選是由至少30Wt% Yb2O3穩(wěn)定化的&02。優(yōu)選地，該可磨損陶瓷層僅由IO3穩(wěn)定化。14具有彡20體積％的孔隙率并具有300 μ m-800 μ m厚度。圖2示出了本發(fā)明的第二實施方案，其類似于在圖1中所示的第一實施方案。因此，類似的部件用相同的附圖標記標識。組件2作為包括四個不同層的涂層體系2提供?；?的表面優(yōu)選覆蓋有為100 μ m-260 μ m厚的粘合涂層5。在金屬粘合涂層5上，提供有陶瓷層6。所述陶瓷層6包括用Wt^-IOwtWmtO3 穩(wěn)定化的&02，并優(yōu)選為20 μ m-200 μ m厚。在粘合涂層5上，在施加陶瓷層6或者多孔陶瓷層3期間形成氧化物層(TGO)，或者在使用期間在高溫下形成氧化物層(TGO)。所述陶瓷層6具有優(yōu)選6體積％ -17體積％ 的孔隙率，更優(yōu)選8體積％ -15體積％。所述陶瓷層6由多孔陶瓷層3涂覆，該多孔陶瓷層3包括被^O3和/或Yb2O3穩(wěn)定的 ZrO2。 It 6 為 190 μ m-240 μ m 厚。優(yōu)選地，陶瓷層的^O2僅由％203穩(wěn)定化。在多孔層3上的最后層是可磨損陶瓷層4，其包括由33wt% Yb2O3穩(wěn)定化的&02。 It 4 400μπι-600μπι ) 。這兩種涂層體系2能夠承受熱、化學和機械退化。此外，它們顯示出對燒結效應的高抗性。因此，即使所述基材1是在熱區(qū)域中使用的燃氣輪機的部件，所述涂層體系也能夠保護所述基材1。所述涂層體系2可以用于密封所述組合件的兩個能相對移動的部件之間的間隙。 在該情況下，所述部件之一配備有所述涂層體系2之一且另一部件以與所述涂層體系2呈滑動接觸的形式設置。在所述部件的相對移動期間，所述未經涂覆的部件磨損該涂層體系2 的一部分。所述涂層體系2在暴露于熱時不喪失其可磨損性質，因為僅僅很少地或者不發(fā)生燒結。因此，涂層體系2可以用于在兩個能相對移動的部件之間，也即在燃氣輪機的熱區(qū)域中，提供可磨損密封。圖3示出了渦輪機的轉子葉片(rotor blade) 120或導向葉輪(guidevane) 130的透視圖，所述渦輪機沿縱軸121延伸。所述渦輪機可以是飛行器或者用于發(fā)電的發(fā)電廠的燃氣輪機，蒸汽輪機或者壓縮機。沿著縱軸121，葉片(blade)或葉輪(vane) 120,130先后包括緊固區(qū)400、毗鄰的葉片或葉輪臺403以及主葉片(main blade)或主部件(main part)406 作為導向葉輪 130，葉輪130可以在其葉輪尖端415具有另一個臺(未示出)。在緊固區(qū)400內形成葉片根部或葉根183，其用于將轉子葉片120、130緊固在軸或盤(未示出)上。葉片根部或葉根183經設計為例如錘頭形狀。作為揪樹狀或者燕尾根部狀的其它構造也是可行的。葉片或葉輪120、130具有針對流過主葉片或葉輪部件406的前緣409和后緣412。在常規(guī)的葉片或葉輪120、130情況下，例如實心金屬材料，特別是高溫合金，用于葉片或葉輪120、130的所有區(qū)域400、403、406。這樣的高溫合金是例如由下列文獻已知的 EP1204776B1、EP1306454、EP1319729AU W099/67435 或者 W000/44949 ；就合金的化學組成而言，這些文件形成本公開的一部分。在這種情況下，葉片或葉輪120、130通過鑄造方法制造，也即借助定向凝固、鍛造法、銑削法或其組合制造。具有一個或多個單晶結構的工件用作機器的在運轉期間暴露于高機械、熱和/或化學負荷的組件。這樣的單晶工件例如通過定向凝固由熔體制造。所述定向凝固涉及這樣的鑄造方法，其中液態(tài)金屬合金經凝固形成單晶結構，也即形成單晶工件，也即經定向凝固。在這種方法中，沿著熱通量形成樹枝狀晶體，并形成棒晶晶粒結構(也就是說晶粒沿著工件的整個長度延伸，且在上下文中，根據(jù)標準術語學，被稱為定向凝固)或者單晶結構， 也就是說，整個工件由單晶構成。在該方法中，必須避免向球狀(globular)(多晶)凝固轉變，因為不定向生長不可避免地形成橫向和縱向的晶界，這抵消了定向凝固的或單晶的組件的優(yōu)異性能。通常，當提及定向凝固微結構時，既表示這樣的單晶，其沒有任何晶界或者至多具有極小角度晶界；也表示這樣的單晶，其為棒狀晶體結構，其盡管具有沿著縱向延伸的晶界，但是沒有任何橫向晶界。后一種晶體結構在此情況下也可以被稱為定向凝固微結構(定向凝固結構)。這樣的方法由US 6，024，792和EP0892090A1中已知，這些文件是本公開的一部分。葉片或葉輪120、130同樣可以具有抗腐蝕或抗氧化涂層，例如(MCrAlX ；M是選自下列的至少一種元素鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)，X是活性元素并表示釔(Y)和/或硅和/或至少一種稀土元素或者鉿(Hf))。這樣的合金是例如由下列文獻所公知的EP0486489B1、 EP0786017BUEP0412397B1或者EP1306454A1 ；就該合金的化學組成而言，這些文獻構成本公開的一部分。在MCrAlX上，還可以存在絕熱涂層，其例如由&02、Y2O4-ZrO2構成，也即其未經、 部分經或者完全經氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂穩(wěn)定化。絕熱涂層中的棒狀晶粒是通過合適的涂覆方法，例如電子束物理氣相沉積(EB-PVD)產生的。術語整修(refurbishment)是指組件120、130在它們經使用后可能必需脫去保護層(例如通過噴砂)。然后去除腐蝕層和/或氧化層或者腐蝕產物和/或氧化產物。如果需要，還使用本發(fā)明的焊料修補組件120、130中的裂縫。然后再重新涂覆組件120、130，并接著可以將它們重新使用。葉片或葉輪120、130可以被設計為實心的或空心的。如果打算對葉片或葉輪120、 130進行冷卻，那么其是空心的，和能夠還包含膜冷卻孔418(用虛線表示)。圖4示出了燃氣輪機100(圖6)的燃燒室110。燃燒室110例如被設計成所謂的環(huán)形燃燒室，其中多個產生火焰156并在圓周方向繞旋轉軸102排列的燃燒器107開口通向公共燃燒室空間154。為此目的，燃燒室110整體上被設計為繞著旋轉軸102定位的環(huán)狀構造。為了實現(xiàn)相對高的效率，燃燒室110被設計用于相對高的工作介質M的溫度，也即大約1000°C -1600°c。為了允許即使在這樣的對于材料不利的運行參數(shù)下相對長的運行時間，燃燒室壁153在其面向工作介質M的一側配有由熱屏蔽元件155形成的內襯。由合金制備的各熱屏蔽元件1 在其工作介質側配有特別耐熱的保護層(MCrAlX層和/或陶瓷涂層)，或者由能夠耐高溫的材料(實心陶瓷磚)制備。這些保護層可以類似于渦輪機葉片或葉輪，也就是說，例如MCrAlX，其中M是至少一種選自下列的元素鐵0 )、鈷(Co)、鎳 (Ni)，X是活性元素并表示釔(Y)和/或硅和/或至少一種稀土元素或者鉿(Hf)。這樣的合金是例如由下列已知的EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1 或者 EP1306454A1 ；就該合金的化學組成而言，這些文獻構成本公開的一部分。還可能的是，例如在MCrAlX上存在陶瓷絕熱層，所述陶瓷絕熱層例如由&02、 Y2O4-ZrO2構成，也即其未經、部分經或者完全經氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂穩(wěn)定化。絕熱涂層中的棒狀晶粒是通過合適的涂覆方法，例如電子束物理氣相沉積(EP-PVD)產生的。術語整修是指熱屏蔽元件155可能在它們經使用后必須脫去保護層(例如通過噴砂)。然后去除腐蝕層和/或氧化層或者腐蝕產物和/或氧化產物。如果需要，還使用本發(fā)明的焊料修補熱屏蔽元件155中的裂縫。然后，所述熱屏蔽元件155被重新涂覆，接著所述熱屏蔽元件155能夠被再使用。此外，考慮到燃燒室110內部的高溫，還可以給熱屏蔽元件155和/或它們的固定元件配備冷卻系統(tǒng)。在此情況下，所述熱屏蔽元件155例如是中空的，和還能夠具有開口通向燃燒室空間154的膜冷卻孔(未示出)。圖5例如以部分縱截面的形式示出了燃氣輪機100。在其內部，燃氣輪機100具有以能夠繞著旋轉軸102旋轉的方式安裝并具有軸的轉子103(也被稱為渦輪轉子)。沿著轉子103，先后是進氣殼體104，壓縮機105，例如環(huán)狀的(toroidal)燃燒室110，特別是環(huán)形 (annular)燃燒室(具有多個同軸排列的燃燒器107)，渦輪108和排氣殼體109。該環(huán)形燃燒室110與例如環(huán)形的熱氣體通道111連通，在此，例如四個先后連接的渦輪機級(turbine stage) 112 形成渦輪 108。各渦輪機級112例如由兩個葉片或葉輪環(huán)形成。正如工作介質113的流向所示， 在熱氣體通道111中導向葉輪排(row of guide vanes) 115之后是由轉子葉片120形成的排(row)125ο導向葉輪130固定于定子143的內部殼體138上，而排125的轉子葉片120則安裝到轉子103上，例如通過渦輪盤133。連接到轉子103的是發(fā)電機或機器(未示出)。在燃氣輪機100運轉期間，壓縮機105經進氣殼體104吸入空氣135并將其壓縮。 在壓縮機105的渦輪側端提供的壓縮空氣被遞送到燃燒器107，并在那里與燃料混合。然后該混合物在燃燒室110中燃燒形成工作介質133。工作介質133從那里沿著熱氣體通道 111流動通過導向葉輪130和轉子葉片120。在轉子葉片120處，工作介質113膨脹，轉移其沖量，使得轉子葉片120驅動轉子103和與其連接的機器。在燃氣輪機100運轉期間，暴露于熱工作介質113的組件經歷熱負荷。第一個渦輪機級112的導向葉輪130和轉子葉片120(如工作介質113的流向所示)，連同內襯環(huán)形燃燒室110的熱屏蔽元件，經受最高的熱負荷。為了經受此處盛行的溫度，可以借助冷卻劑對這些組件進行冷卻。所述組件的基材同樣可以具有定向結構，也就是說它們是單晶形式的(SX結構) 或者僅含縱向定向的晶粒(DS結構)。例如基于鐵、鎳或鈷的高溫合金是用于該組件(特別是渦輪葉片和葉輪120、130)和燃燒室110的組件的材料。這樣的高溫合金是例如由下列文獻已知的EP1204776B1、EP1306妨4、EP13197^Al、W099/674;35 或者 W000/44949 ；就合金的化學組成而言，這些文件形成本公開的一部分。葉片或葉輪120、130同樣可以具有抗腐蝕涂層(MCrAlX ；M是選自下列的至少一種元素鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)，X是活性元素并表示釔(Y)和/或硅和/或至少一種稀土元素或者鉿)。這樣的合金是例如由下列文獻已知的EP0486489B1、EP0786017B1、 EP0412397B1或者EP1306454A1 ；就化學組成而言，這些文獻意在形成本公開的一部分。在MCrAlX層上，還可以存在絕熱涂層，其例如由&02、Y204-Zr02構成，也即其未經、 部分經或者完全經氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂穩(wěn)定化。絕熱涂層中的棒狀晶粒是通過合適的涂覆方法，例如電子束物理氣相沉積(EB-PVD)產生的。 導向葉輪130包含面向渦輪108內部殼體138的導向葉根(在此未示出)和位于導向葉根相對側上的導向葉輪頂部(guide vane head)。導向葉輪頂部面向轉子103并安裝在定子143的緊固環(huán)140上。
權利要求
1.涂層體系0，120，130)，其包括基材(1)，在該基材(1)上的多孔陶瓷層( 和在該多孔陶瓷層(3)上的可磨損陶瓷層0)。
2.權利要求1的涂層體系，其中所述多孔陶瓷層( 具有>20體積％和< 30體積％ 的孔隙率，優(yōu)選> 22體積％和< 28體積％，和更優(yōu)選> 24體積％和< 26體積％。
3.權利要求1的涂層體系，其中所述多孔陶瓷層C3)含&02，其優(yōu)選由％203和/或IO3 穩(wěn)定化，和更優(yōu)選由用％203和/或IO3穩(wěn)定化的^o2構成。
4.權利要求3的涂層體系，其中所述多孔陶瓷層(3)的&02僅由IO3穩(wěn)定化。
5.權利要求3或4的涂層體系，其中所述多孔陶瓷層(3)的&02由6襯％至10wt%的 Y2O3穩(wěn)定化，優(yōu)選由8wt%的IO3穩(wěn)定化。
6.前述權利要求之一的涂層體系，其中所述多孔層(3)為150μπι-300μπι厚，優(yōu)選 180 μ m-250 μ m,更優(yōu)選 190 μ m-240 μ m 禾口最優(yōu)選 225 μ m。
7.前述權利要求之一的涂層體系，其中所述可磨損陶瓷層(4)具有>20體積％和 (42體積％的孔隙率，優(yōu)選> 25體積％和< 40體積％和更優(yōu)選> 27體積％和< 35體積％，和最優(yōu)選32體積％。
8.前述權利要求之一的涂層體系，其中所述可磨損陶瓷層(4)包含，其優(yōu)選由 Yb2O3和/或^O3穩(wěn)定化，和更優(yōu)選由用％203和/或^O3穩(wěn)定化的^O2構成。
9.權利要求8的涂層體系，其中所述可磨損陶瓷層的&02僅由％203穩(wěn)定化。
10.權利要求8或9的涂層體系，其中所述可磨損陶瓷層(4)包含至少30襯％的％203， 優(yōu)選最多40wt%的Yb2O3，最優(yōu)選33wt%的Yb2O3。
11.前述權利要求之一的涂層體系，其中所述可磨損陶瓷層⑷為300μπι-800μπι厚， 優(yōu)選 350 μ m-700 μ m,更優(yōu)選 400 μ m-600 μ m 和最優(yōu)選 500 μ m。
12.前述權利要求之一的涂層體系，其由基材(1)、多孔陶瓷層(3)和可磨損陶瓷層(4) 和任選的在該基材(4)上的粘合涂層( 和/或在該粘合涂層( 上的TGO組成。
13.前述權利要求1-11之一的涂層體系，其包括在所述多孔陶瓷層(3)之下的陶瓷層(6)。
14.權利要求13的涂層體系，其中所述陶瓷層(6)具有比所述多孔陶瓷層( 更低的孔隙率，優(yōu)選6體積-17體積％，更優(yōu)選8體積％ -15體積％的孔隙率。
15.權利要求13或14的涂層體系，其中所述陶瓷層(6)包含，該陶瓷層優(yōu)選由 Yb2O3和/或^O3穩(wěn)定化，和更優(yōu)選由用％203和/或^O3穩(wěn)定化的^O2構成。
16.權利要求15的涂層體系，其中所述陶瓷層(6)的&02僅由IO3穩(wěn)定化。
17.權利要求15或16的涂層體系，其中所述陶瓷層(6)的&02用6wt%-IOwt %的 Y2O3,優(yōu)選用8wt %的AO3穩(wěn)定化。
18.權利要求13-17之一的涂層體系，其中所述陶瓷層(6)為20μπι-200μπι，優(yōu)選 30 μ m-150 μ m,更優(yōu)選 40 μ m-100 μ m 禾口最優(yōu)選 75 μ m 厚。
19.權利要求13-18之一的涂層體系，其中所述陶瓷層(6)、所述多孔陶瓷層(3)和所述可磨損陶瓷層(4)合起來為65(^111-95(^111厚，優(yōu)選80(^111厚。
20.前述權利要求之一的涂層體系，其在所述多孔陶瓷層C3)或所述陶瓷層(6)之下還包含金屬粘合涂層(5)。
21.權利要求20的涂層體系，其中所述粘合涂層(5)為100μπι-260μπι厚，優(yōu)選.130 μ m-230 μ m,更優(yōu)選 150 μ m-200 μ m 禾口最優(yōu)選 180 μ m。
22.前述權利要求之一的涂層體系，組成如下 基材(1)陶瓷層(6) 多孔陶瓷層(3) 可磨損陶瓷層和任選的在所述基材(4)上的粘合涂層(5) 和/或在所述粘合涂層( 上的TG0。
23.前述權利要求之一的涂層體系，其配備在燃氣輪機組件(1)上。
24.兩個能相對移動的組件(1)的組合件，所述組件在它們之間形成間隙，其中一個組件(1)配備有根據(jù)權利要求1-23之一的涂層體系(2)而另一組件(1)以與該涂層體系(2) 呈滑動接觸的方式設置。
25.權利要求M的組合件，其中所述組件是燃氣輪機(100)的部件。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于組件(1)的涂層體系(2)，包括多孔層(3)和在所述多孔層(3)上的可磨損層(4)。此外，本發(fā)明涉及兩個組件(1)的組合件，所述組件能彼此相對移動并在它們之間形成間隙。一個組件(1)配備有涂層體系(2)而另一組件(1)與該涂層體系(2)滑動接觸。
文檔編號C23C28/00GK102203320SQ200880115236
公開日2011年9月28日 申請日期2008年10月7日 優(yōu)先權日2007年11月8日
發(fā)明者D·B·阿倫, E·舒曼, R·蘇布拉馬尼安 申請人:西門子公司