專利名稱：隔熱層系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有第一主側(cè)面和第二主側(cè)面的隔熱層系統(tǒng)，該 第一主側(cè)面為了鄰接有待熱防護(hù)的部件布置而進(jìn)行設(shè)置，該第二主側(cè) 面為了鄰接熱環(huán)境布置而進(jìn)行設(shè)置。
背景技術(shù)：
在燃?xì)鉁u輪機(jī)中有效使用陶瓷的隔熱層的前提條件除了成本有利 的處理工藝尤其是在燃?xì)鉁u輪機(jī)的典型使用條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及 由此隔熱層的可靠性。如此，例如在發(fā)電站應(yīng)用的領(lǐng)域內(nèi)必須保證25000運(yùn)行小時(shí)以上的無(wú)故障的功能，該時(shí)間相應(yīng)于力求達(dá)到的檢驗(yàn)周 期。隔熱層過(guò)早的故障會(huì)導(dǎo)致基材的過(guò)熱以及可能導(dǎo)致渦輪機(jī)損壞。 由此造成的操作故障成本和修復(fù)成本會(huì)是巨大的，并且可能會(huì)取消隔 熱層在工藝上的使用。在保護(hù)資源和保護(hù)環(huán)境地產(chǎn)生能量的道路上，效率提升起著重要 的作用。提升燃?xì)鉁u輪機(jī)的效率的決定性的參數(shù)是渦輪機(jī)入口溫度。 為了將燃?xì)鉁u輪機(jī)在渦輪機(jī)入口溫度為1230匸(ISO)時(shí)大約38%的 效率提升到45%，需要將渦輪機(jī)入口溫度提高到大約1350X:。除了使 用改善的基材和有效的冷卻方法，在使用陶瓷隔熱層的情況下可以達(dá) 到該目的。在此，可以通過(guò)陶瓷的隔熱層的隔熱作用在保持相同的冷 卻條件的情況下根據(jù)隔熱層的厚度將允許的表面溫度提高幾百個(gè)K。為了可以在通過(guò)高的表面溫度和溫度瞬間對(duì)燃?xì)鉁u輪機(jī)進(jìn)行典型 加載的情況下確保和改善隔熱層的耐久性，由現(xiàn)有技術(shù)公開(kāi)了不同的 方案1. 通過(guò)使用燒結(jié)的耐久的陶瓷材料可以改善隔熱層的溫度穩(wěn)定 性。由此可以限制在高溫下隔熱層材料的不斷的壓縮和隔熱層的與之 相關(guān)的收縮過(guò)程。2. 通過(guò)有目的地將微小裂紋或溝紋結(jié)構(gòu)即所謂的雕刻置入隔熱層 中，可以提高隔熱層的延伸率公差。在此，有目的地產(chǎn)生由減負(fù)裂紋 和減負(fù)溝紋構(gòu)成的緊密的網(wǎng)紋，由此可以提高出現(xiàn)剪切損壞的負(fù)荷極 限。3.在預(yù)先給定的溫度區(qū)域內(nèi)抑制相轉(zhuǎn)變，例如通過(guò)添加釔來(lái)穩(wěn)定 Zr02的四角形的相和與之相關(guān)的效應(yīng)比如轉(zhuǎn)變時(shí)的體積膨脹，引起隔 熱層負(fù)荷的明顯減少。屬基材匹配也會(huì)5^少隔"層^!損壞。一通過(guò);隔熱層"熱膨脹系數(shù)與基 材的熱膨脹系數(shù)相適應(yīng)，可以減少由在熱方面的不匹配在隔熱層中出 現(xiàn)的延伸率的大小，尤其是在隔熱層和朝基材的增附劑層之間的界面 附近出現(xiàn)的延伸率。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的任務(wù)是進(jìn)一步改善隔熱層的耐久性，尤其是在由高的表 面溫度和溫度瞬間引起的對(duì)燃?xì)鉁u輪機(jī)來(lái)說(shuō)典型的負(fù)荷的情況下。該任務(wù)通過(guò)具有權(quán)利要求1所述特征的隔熱層系統(tǒng)得到解決。有 利的設(shè)計(jì)方案由從屬權(quán)利要求中獲得。按本發(fā)明的隔熱層系統(tǒng)具有第一主側(cè)面和第二主側(cè)面，該第一主 側(cè)面為了鄰接有待熱防護(hù)的部件布置而進(jìn)行設(shè)置，該第二主側(cè)面為了鄰接熱環(huán)境布置而進(jìn)行設(shè)置。按本發(fā)明，該隔熱層系統(tǒng)包括具有不同 的熱膨脹系數(shù)的區(qū)段。本發(fā)明基于這個(gè)認(rèn)識(shí)，即通過(guò)使隔熱層的熱膨脹系數(shù)與有待熱防 護(hù)的部件的基材的熱膨脹系數(shù)相適應(yīng)雖然可以減少隔熱層的在隔熱層 和連接隔熱層與基材的增附劑層之間的界面附近的延伸率。然而由于 隔熱層的第二主側(cè)面和隔熱層的構(gòu)成界面的第一主側(cè)面之間大的溫度 差，由此會(huì)在第二主側(cè)面上導(dǎo)致產(chǎn)生顯著的延伸率。尤其在所謂的加 熱或冷卻沖擊時(shí)會(huì)是這樣的情況。在此，該延伸率隨著隔熱層的熱膨 脹系數(shù)的大小以及第一與第二主側(cè)面之間的溫度差而增加。所以，隔 熱層的熱膨脹系數(shù)在一側(cè)與通常由金屬(例如鎳基超合金)制成的基 材的比較大的熱膨脹系數(shù)的匹配會(huì)在第二主側(cè)面上產(chǎn)生不利影響。尤 其隨著開(kāi)頭所提到的朝更高的表面溫度發(fā)展的趨勢(shì)，損壞危險(xiǎn)將會(huì)增 加。所以為了避開(kāi)該問(wèn)題，本發(fā)明提出一種隔熱層系統(tǒng)，該隔熱層系 統(tǒng)包括具有不同的熱膨脹系數(shù)的區(qū)段。由此可以避免在隔熱層系統(tǒng)的 第二主側(cè)面的區(qū)域內(nèi)過(guò)大的延伸率。由此減少了損壞危險(xiǎn)。尤其這樣設(shè)置，即隔熱層系統(tǒng)的鄰接有待熱防護(hù)的部件的第一區(qū)段具有與部件的熱膨脹系數(shù)匹配的第一熱膨脹系數(shù)。此外，隔熱層系 統(tǒng)的至少一個(gè)第二區(qū)段具有較小的第二熱膨脹系數(shù)。由此，本發(fā)明以 該原則為基礎(chǔ)，隨著隔熱層系統(tǒng)上增加的溫度按區(qū)段地減少熱膨脹系 數(shù)。鄰接第二主側(cè)面的第二區(qū)段具有隔熱層系統(tǒng)中最小的熱膨脹系 數(shù)，由此將隔熱層系統(tǒng)的笫二主側(cè)面上的延伸率減少到最低程度。如 此選擇鄰接第二主側(cè)面的第二區(qū)段的第二熱膨脹系數(shù)，即在典型的工 作條件下出現(xiàn)在第二主側(cè)面上的延伸率處于指定的區(qū)域內(nèi)。該指定的 區(qū)域可以通過(guò)根據(jù)隔熱層系統(tǒng)的溫度測(cè)量延伸率公差來(lái)確定。熱膨脹 系數(shù)的最佳值可以從負(fù)荷模擬的結(jié)果與測(cè)量的延伸率公差范圍的比較 中求得。將隔熱層系統(tǒng)構(gòu)造成由面對(duì)有待熱防護(hù)的部件的第一隔熱層和面 對(duì)熱環(huán)境的第二隔熱層組成的復(fù)合體就足夠了 。只有兩個(gè)隔熱層的設(shè) 置是盡可能最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，從而可以以簡(jiǎn)單以及相對(duì)成本有利的方法 提供隔熱層系統(tǒng)。當(dāng)然不排除將隔熱層系統(tǒng)構(gòu)造成由多于兩個(gè)的層組 成的復(fù)合體。證實(shí)有利的是，第一隔熱層具有1.0'1(T5K—1范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)。 而第二隔熱層在一種實(shí)施方式中具有8.(M0 —6K—1范圍內(nèi)的熱膨脹系 數(shù)。隔熱層系統(tǒng)可以由下面的材料組合中的一種制成，其中第一值表 示第一隔熱層的材料并且第二值表示第二隔熱層的材料 -7YSZ/La2Hf207; - 7YSZ/BaZr03; -7YSZ/LaYb03，其中7YSZ-二氧化鋯，用重量百分比7。/。的氧化釔來(lái)穩(wěn)定。在1000 t:的溫度下，熱膨脹系數(shù)CTE如下 -CTE7YSZ~10 5K " -CTELaHf0— 8.0.10 "K1; -CTEBaZro-8.3.10-6K15 -CTEl扁 8.6.106k1。為了獲得高的機(jī)械穩(wěn)定性，通過(guò)等離子噴射方法將第一和第二隔 熱層相互連接。


本發(fā)明以及其優(yōu)點(diǎn)在下面根據(jù)附圖進(jìn)行詳細(xì)解釋。其中圖1是按本發(fā)明的隔熱層系統(tǒng)的橫截面，該隔熱層系統(tǒng)安置在有 待熱防護(hù)的部件上，以及圖2是x-y圖，從該圖中示出了在燃?xì)鉁u輪機(jī)的典型工作條件下 出現(xiàn)在隔熱層表面上的延伸率。
具體實(shí)施方式
圖1以橫截面圖示出了按本發(fā)明的隔熱層系統(tǒng)1。該隔熱層系統(tǒng)1 以第一主側(cè)面2通過(guò)增附劑層31安置在有待熱防護(hù)的部件30上。該 有待熱防護(hù)的部件30例如由金屬制成，例如由鎳基超合金制成。該有 待熱防護(hù)的部件30例如可以是燃?xì)鉁u輪機(jī)的葉片。該隔熱層系統(tǒng)l以 第二主側(cè)面3暴露在熱環(huán)境4下。該隔熱層系統(tǒng)1示例性地包括分別具有不同的熱膨脹系數(shù)CTE1， CTE2的第一區(qū)段5和第二區(qū)段6。第一區(qū)段5的熱膨脹系數(shù)CTE1與 部件30材料的熱膨脹系數(shù)相匹配，而笫二區(qū)段6的材料由對(duì)溫度變化 穩(wěn)定的材料制成，該材料具有比第一區(qū)段5更小的熱膨脹系數(shù)CTE2。該隔熱層系統(tǒng)1構(gòu)造成由隔熱層8和隔熱層9組成的復(fù)合體，這 兩個(gè)隔熱層例如以等離子噴射方法在界面的區(qū)域內(nèi)相互連接。在此， 隔熱層8形成了第一區(qū)段5并且隔熱層9形成了第二區(qū)段6。通過(guò)隔熱層系統(tǒng)1的按區(qū)段不同的熱膨脹系數(shù)，可以顯著減少隔 熱層的損壞危險(xiǎn)，尤其是在冷卻的情況下。另一方面也獲得了提高允 許的表面溫度、也就是說(shuō)隔熱層系統(tǒng)第二主側(cè)面3上的溫度的可能性， 由此如開(kāi)頭所述，獲得在使用在燃?xì)鉁u輪機(jī)中時(shí)提高的效率。由此，本發(fā)明是通過(guò)附加地匹配溫度關(guān)于隔熱層系統(tǒng)1厚度在空 間和時(shí)間上所期望的分布來(lái)擴(kuò)展隔熱層的熱膨脹系數(shù)與部件30的所使 用的基材的至今為止所規(guī)定的匹配。由此可以減少在隔熱層或者說(shuō)隔 熱層系統(tǒng)中出現(xiàn)的機(jī)械載荷，并且尤其是提高了關(guān)于最大表面溫度的 使用極限。如在圖l中示例性地示出，該第一和第二隔熱層8， 9可以是大致 相同厚度的。在此，按本發(fā)明的隔熱層系統(tǒng)1的總厚度大致相應(yīng)于常 規(guī)的隔熱層的厚度。鄰接有待熱防護(hù)的部件30的第一隔熱層例如由 7YSZ (二氧化鋯，用重量百分比7%的氧化釔來(lái)穩(wěn)定)制成，其中該材料具有在iooot:時(shí)大約10—SK"的熱膨脹系數(shù)。鄰接熱環(huán)境4的第 二隔熱層9的材料例如由以下材料中的一種制成，其中在括號(hào)里分別說(shuō)明了在iooox:時(shí)的熱膨脹系數(shù)-7YSZ/La2Hf207，其中CTELaHfo ( 1000*C ) ~ 8.0'10 —6K—"-7YSZ/BaZr03，其中CTEBaZr0 ( 1000X: ) ~ 8.3'10_6K_1;一7YSZ/LaYb03,其中CTELaYb0 ( 1000*C ) ~ 8.6.10-6K_ 、圖2示出了隔熱層系統(tǒng)1關(guān)于其厚度x的延伸率的曲線。在x軸上 繪出了隔熱層系統(tǒng)l中的標(biāo)準(zhǔn)化的位置x。用Xo表示隔熱層系統(tǒng)l與增 附劑層31的界面(也就是第一主側(cè)面2)。用xt表示隔熱層系統(tǒng)l的 表面，也就是第二主側(cè)面3。在y軸上示出了在各個(gè)隔熱層8 (具有熱 膨脹系數(shù)CTE1)和9 (具有熱膨脹系數(shù)CTE2)中的延伸率("WDS 延伸率，，)。在此，負(fù)值表示壓縮延伸率，正值表示拉伸延伸率。該圖示出了在冷卻后的工作狀態(tài)中的延伸率變化曲線。在此假設(shè)， 安置在有待熱防護(hù)的部件30上的隔熱層系統(tǒng)1的整個(gè)裝置在運(yùn)行期間 在高溫下是無(wú)應(yīng)力的。為了更好地闡述本發(fā)明，在圖表中一共畫出了三條延伸率變化曲 線DV1， DV2和DV3。 DV1表示鄰接有待熱防護(hù)的部件30的第一隔 熱層8中的延伸率變化曲線。DV1用實(shí)線進(jìn)行繪制。DV2表示鄰接熱 環(huán)境4的第二隔熱層9中的延伸率變化曲線。DV2用虛線示出。在此 為了說(shuō)明，分別關(guān)于整個(gè)厚度x繪出了延伸率變化曲線DV1和DV2, 并且不只在涉及的隔熱層8或者說(shuō)9中繪出。最后，DV3表示在按本 發(fā)明的隔熱層系統(tǒng)1中的延伸率變化曲線，該延伸率變化曲線在第一 和第二隔熱層8， 9之間形成的界面7的區(qū)域內(nèi)具有突變。第二隔熱層9的材料的減少的熱膨脹系數(shù)CTE2使得在典型工作 條件下出現(xiàn)在隔熱層系統(tǒng)的表面(x軸的xO上的延伸率處于延伸率公 差的指定的區(qū)域DT內(nèi)。可以通過(guò)測(cè)量取決于隔熱層系統(tǒng)1的溫度的延 伸率公差來(lái)確定該區(qū)域DT。熱膨脹系數(shù)的最佳值必須從負(fù)荷模擬的結(jié) 果與測(cè)量的延伸率公差范圍的比較中求得，該最佳值是曲線的在x-0.5 和x - l.O之間的區(qū)域內(nèi)延伸的區(qū)段的斜率。通過(guò)按本發(fā)明的規(guī)定，隔熱層系統(tǒng)1中的延伸率變化曲線不在拉 伸延伸率區(qū)域內(nèi)(參見(jiàn)延伸率變化曲線DV3，該延伸率變化曲線在x, 的區(qū)域內(nèi)處于指定的區(qū)域DT內(nèi)部)。由此可以避免在表面(第二主側(cè)面3)上的損壞整個(gè)裝置的垂直應(yīng)力
權(quán)利要求
1.具有第一主側(cè)面(4)和第二主側(cè)面(5)的隔熱層系統(tǒng)(1)，該第一主側(cè)面為了鄰接有待熱防護(hù)的部件(30)布置而進(jìn)行設(shè)置，該第二主側(cè)面為了鄰接熱環(huán)境(2)布置而進(jìn)行設(shè)置，其中所述隔熱層系統(tǒng)(1)包括具有不同的熱膨脹系數(shù)的區(qū)段(5，6)。
2. 按權(quán)利要求1所述的隔熱層系統(tǒng)，其特征在于， -所述隔熱層系統(tǒng)(1)的鄰接有待熱防護(hù)的部件(30)的第一區(qū)段(5)具有與部件(30)的熱膨脹系數(shù)匹配的第一熱膨脹系數(shù)，并且 -所述隔熱層系統(tǒng)(1)的至少一個(gè)第二區(qū)段(6)具有較小的第 二熱膨脹系數(shù)。
3. 按權(quán)利要求1或2所述的隔熱層系統(tǒng)，其特征在于，鄰接第二 主側(cè)面(5)的第二區(qū)段(6)具有隔熱層系統(tǒng)(1)中最小的熱膨脹系 數(shù)。
4. 按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的隔熱層系統(tǒng)，其特征在于，選 擇鄰接第二主側(cè)面(5)的第二區(qū)段(6)的第二熱膨脹系數(shù)，使得在 典型的工作條件下出現(xiàn)在第二主側(cè)面(5)上的延伸率處于指定的區(qū)域 內(nèi)。
5. 按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的隔熱層系統(tǒng)，其特征在于，所 述隔熱層系統(tǒng)構(gòu)造成由面對(duì)有待熱防護(hù)的部件的第一隔熱層(8)和面 對(duì)熱環(huán)境(4)的第二隔熱層(9)組成的復(fù)合體。
6. 按權(quán)利要求5所述的隔熱層系統(tǒng)，其特征在于，所述第一隔熱 層(8)具有l(wèi).O'lO—5K—i范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)。
7. 按權(quán)利要求5或6所述的隔熱層系統(tǒng)，其特征在于，所述第二 隔熱層(9)具有8.0*10—GK"范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)。
8. 按權(quán)利要求5到7中任一項(xiàng)所述的隔熱層系統(tǒng)，其特征在于， 所述隔熱層系統(tǒng)由下面的材料組合中的一種制成，其中第一值表示第 一隔熱層(8)的材料并且第二值表示第二隔熱層(9)的材料- 7YSZ/La2Hf207; -7YSZ/BaZr03; -7YSZ/LaYb03，其中7YSZ-二氧化鋯，用重量百分比7%的氧化釔來(lái)穩(wěn)定。
9. 按權(quán)利要求5到8中任一項(xiàng)所述的隔熱層系統(tǒng)，其特征在于，通過(guò)等離子噴射方法將第一和第二隔熱層(8， 9)相互連接。
全文摘要
為了改善隔熱層的耐久性，尤其是在由高的表面溫度和溫度瞬間引起的對(duì)燃?xì)鉁u輪機(jī)來(lái)說(shuō)典型的負(fù)荷的情況下，本發(fā)明提出了一種隔熱層系統(tǒng)(1)，該隔熱層系統(tǒng)具有第一主側(cè)面(4)和第二主側(cè)面(5)，該第一主側(cè)面為了鄰接有待熱防護(hù)的部件(30)布置而進(jìn)行設(shè)置，該第二主側(cè)面為了鄰接熱環(huán)境(2)布置而進(jìn)行設(shè)置。該隔熱層系統(tǒng)(1)包括具有不同的熱膨脹系數(shù)的區(qū)段(5，6)。
文檔編號(hào)F01D25/00GK101405422SQ200780009847
公開(kāi)日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2007年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月22日
發(fā)明者S·拉姆彭謝夫 申請(qǐng)人:西門子公司