CN100535166C - 金属保护层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种特别可以防止涡轮机(100)上的结构部件(110，120，130)在高温环境下受到腐蚀和发生氧化的金属保护层。所述金属保护层的有利成分组合为(按重量百分比wt%)：11.5%至20.0%的铬，0.3%至1.5%的硅，0.0%至1.0%的铝，0.0%至0.7%的钇和/或至少一种选自钪(Sc)和稀土元素的金属，其余部分为铁和生产过程中出现的杂质。

Description

金属保护层
技术领域
本发明涉及一种权利要求1所述的金属保护层和一种权利要求3所述的涂层系统。
背景技术
可以特别在高温环境下防止一个结构部件，特别是一个由一种铁、镍或钴基超级合金制成的结构部件受到腐蚀和发生氧化的金属保护层已是众所周知，其中，所述结构部件，特别是一个汽轮机或燃气轮机的一个结构部件，会在高温环境中与一烟气或诸如此类的物质相接触。这类保护层中的大多数一般用集合名称MCrAlX来命名，其中，M代表铁、钴或镍族元素中的至少一种元素，其他重要成分有铬、铝和X＝钇，其中，钇也可以完全或部分地由等量的钪或稀土族元素代替。
美国专利4,005,989和4,034,142公开了这一类的典型涂层。除此之外，后一专利还公开了，通过添加一定含量的硅可以进一步改善上文所述类型的保护层的性能。
此外，EP-A 0 194 392公开了大量专用于保护层的成分组合，所述保护层中添加了适用于各种不同用途的其他元素。除了可选择添加的其他大量元素外，该专利也提到了最高添加量可达十个重量百分点的铼元素。但由于未对可能的添加物的含量范围进行详细规定，因此，所述保护层并不具有适合特殊条件的用途，例如，所述保护层并不能用在必须长时间处于工作状态、且具有较高入口温度的汽轮机或燃气轮机的工作叶片和导向叶片上。
US 5,154,885、EP-A 0 412 397、DE 694 01 260 T2和WO 91/02108 A1也公开了含有铼的保护层。本申请的公开文本完全包括了这些文献中的所有公开内容。
EP 0 253 754 91揭示了在一个燃气轮机的一个具有高热负荷的结构部件上涂敷一个保护层的实施例。
如何提高固定式汽轮机、固定式燃气轮机和航空发动机的入口温度在燃气轮机领域中具有十分重要的意义，因为入口温度对于通过使用燃气轮机所能取得的热力学效率而言是很重要的参数。通过将专门研制的合金用作具有高热负荷的结构部件(例如导向叶片和工作叶片)的母材，特别是通过单晶超级合金的使用，可以达到远远高于1000℃的入口温度。目前，在现有技术条件下，固定式燃气轮机所能达到的入口温度为大于等于950℃，航空发动机的燃气轮机所能达到的入口温度为大于等于1100℃。
WO 91/01433 A1中有关于带有一个单晶基材的涡轮叶片的构造实例，该涡轮叶片可以具有复杂的结构。
尽管从进一步提高入口温度方面看，在此期间研制开发的母材因其所具有的物理负荷能力完全适用于高负荷的结构部件，但为能达到足够高的耐氧化性和耐腐蚀性，就必须使用保护层。除了能承受1000℃左右的烟气侵蚀的耐化学性之外，尤其鉴于保护层和母材之间出现的机械交互作用，保护层还必须具有足够良好的机械性能。所述保护层特别须具有足够大的延展性来适应母材有可能出现的变形，从而避免发生断裂，这是因为保护层上的断裂处容易发生氧化和受到腐蚀。这时通常会出现这样一个问题，即，提高某些可以改善保护层耐氧化性和耐腐蚀性的元素(例如铝和铬)的含量，会导致保护层延展性的降低，这样，伴随着燃气轮机中常见的机械负荷的出现，会产生机械故障，特别是裂纹的形成。现有技术中已经有过因铬元素和铝元素而引起的保护层延展性降低的实例。
发明内容
相应地，本发明的目的是提供一种保护层和一种涂层系统，它们具有良好的高温耐腐蚀性和高温耐氧化性，良好的持久稳定性和特别优良的机械负荷适应性，所述机械负荷主要出现在高温的汽轮机或燃气轮机中。
这个目的通过提供一种保护层和一种包括该保护层在内的涂层系统而达成，所述的保护层和涂层系统用于防止结构部件在高温环境中受到腐蚀和发生氧化，所述保护层主要由下列元素构成，其含量按重量百分比(wt％)分别为：
11.5％至20.0％的铬，
0.3％至1.5％的硅，
0.0％至1.0％的铝，
0.0％至0.7％的钇和/或至少一种选自钪和稀土元素的金属，
其余部分为铁和生产过程中出现的杂质。
所述金属保护层特别由下列元素构成，其含量按重量百分比(wt％)分别为：
12.5％至14.0％的铬，
0.5％至1.0％的硅，
0.1％至0.5％的铝，
0.0％至0.7％的钇和/或至少一种选自钪和稀土元素的金属，
其余部分为铁和生产过程中出现的杂质。
附图说明
下面借助附图对本发明作进一步说明，其中：
图1、2为保护层的布置方案的例子；
图3为一个燃气轮机；
图4为一个燃烧室；以及
图5为一个汽轮机。
具体实施方式
图1显示的是一个涂层系统1的一个金属保护层7的一个布置实施例。金属保护层7布置在一个基材4上，并在这种情况下构成涂层系统1的外层。
图2所示的金属保护层7是涂层系统1中的一个中间层。金属保护层7同样布置在基材4上，但金属保护层7上还存在另一个、例如为陶瓷层10的涂层。所述保护层7同时还起到例如使涂层10附着在基材4上的粘合剂基底涂层的作用。还可以存在其他类型或更多同一类型的金属和/或陶瓷层。所述涂层7上可以特别涂覆或生成一个氧化铝层。
陶瓷层10特别为一个氧化锆基绝热层。所述氧化锆可以是部分稳定的氧化锆，也可以是完全稳定的氧化锆。也可以使用其他陶瓷材料来制备所述陶瓷绝热层10。
同样地，也可以使用任何一种涂层工艺来将金属保护层7和/或陶瓷层10涂覆在基材4或金属保护层7上。如上文所述，这种涂层系统1可以用在燃气轮机100(图3)、汽轮机300、303(图5)或航空涡轮机的结构部件上。
所述涂层系统1可以用在新制成的或接受过翻新处理的结构部件上。承受高负荷的结构部件，特别是涡轮叶片354、357、366(图5)、120、130(图3)，通常在使用之后需要接受翻新处理，即除去外层7、10和其他腐蚀层或氧化层。同时还要检查结构部件(基材4)上是否存在必要时需要修复的裂纹。随后，通过在结构部件(基材4)上重新涂覆一个金属保护层7来建立一个涂层系统1。
除了良好的耐腐蚀性和特别良好的耐氧化性之外，所述保护层7还具有特别优良的延展性，因此，其特别适用于汽轮机，尤其在进一步提高入口温度这一方面。
保护层7的铁基成分组合显示出特别良好的特性，因而保护层7非常适合涂覆在铁氧体基材4上。其中，基材4和保护层7可以具有非常接近的(也就是可以存在最高为10％的差别)或相同的热膨胀系数α，从而使得基材4和保护层7之间不会出现热应力(热失配)，这种热应力的形成会引起保护层7的龟裂。“相同的热膨胀系数”指的是，当两个热膨胀系数之间的差别达到最高时，在工作温度条件下也不会出现热感应应力。这一点特别重要，因为铁氧体基材4最后需要接受调质处理，最好不要使用接近或大于最近一次热处理(回火处理)的温度来对其进行其他热处理，因此，在此情况下一般不对基材4的铁氧体材料进行用于达到涂层7与基材4的扩散结合目的的热处理。
所述保护层7特别适合用来防止铁氧体结构部件在最高为800℃，特别在最高为650℃的温度环境下受到腐蚀和发生氧化。
所述保护层7主要或完全是在附着力的作用下粘附在基材4上。
结构部件1上的保护层7的厚度值优选在约100μm和300μm之间。
所述保护层7也特别适合用来防止这样一个结构部件受到腐蚀和发生氧化，所述结构部件在材料温度约为950℃(在航空涡轮机中也可以约为1100℃)时，与一烟气相接触。
因此，本发明的保护层7特别适合用来保护汽轮机300、303(图5)或燃气轮机100(图3)中的结构部件，特别是导向叶片130、工作叶片120或其他在汽轮机或燃气轮机的涡轮区段前面或里面与过热蒸汽或热气接触的部件(汽缸部件)。
基材4可以是金属基材或陶瓷基材。
在汽轮机中，所述基材4特别是一种铁氧基合金；在燃气轮机中，所述基材4特别是一种镍或钴基超级合金；所述基材4也可以特别是一种钢，尤其是1％CrMoV钢或10-12％铬钢。
涂层系统1的其他有利铁氧体基材4有：
用于涡轮轴(309，图4)的1-2％Cr钢：例如30CrMoNiV5-11或23CrMoNiWV8-8，
用于汽缸(例如333，图4)的1-2％Cr钢：G17CrMoV5-10或G17CrMo9-10，
用于涡轮轴(309，图4)的10％Cr钢：X12CrMoWVNbN10-1-1，
用于汽缸(例如333，图4)的10％Cr钢：GX12CrMoWVNbN10-1-1或GX12CrMoVNbN9-1。
此外，还可以使用下列成分组合作为基材4，其含量按重量百分比(wt％)分别为：
0.03％至0.05％的碳，
18％至19％的铬，
12％至15％的钴，
3％至6％的钼，
1％至1.5％的钨，
2％至2.5％的铝，
3％至5％的钛，
可选择添加的少量钽、铌、硼和/或锆，其余部分为镍。
这类材料作为锻造合金的已知名称为Udimet 520和Udimet 720。
作为替代性方案，可以使用下列成分组合作为结构部件1的基材4，其含量按重量百分比(wt％)分别为：
0.1％至0.15％的碳，
18％至22％的铬，
18％至19％的钴，
0％至2％的钨，
0％至4％的钼，
0％至1.5％的钽，
0％至1％的铌，
1％至3％的铝，
2％至4％的钛，
0％至0.75％的铪，
可选择添加的少量硼和/或锆，其余部分为镍。
这类成分组合作为铸造合金的已知名称为GTD222、IN939、IN6203和Udimet 500。
作为另一个替代性方案，可以使用下列成分组合作为结构部件1的基材4，其含量按重量百分比(wt％)分别为：
0.07％至0.1％的碳，
12％至16％的铬，
8％至10％的钴，
1.5％至2％的钼，
2.5％至4％的钨，
1.5％至5％的钽，
0％至1％的铌，
3％至4％的铝，
3.5％至5％的钛，
0％至0.1％的锆
0％至1％的铪，
可选择添加的少量硼，其余部分为镍。
这类成分组合作为铸造合金的已知名称为PWA1483SX、IN738LC、GTD111、IN792CC和IN792DS；特别优选的材料是IN738LC。
作为另一个替代性方案，可以使用下列成分组合作为结构部件1的基材4，其含量按重量百分比(wt％)分别为：
约0.25％的碳，
24％至30％的铬，
10％至11％的镍，
7％至8％的钨，
0％至4％的钽，
0％至0.3％的铝，
0％至0.3％的钛，
0％至0.6％的锆，
可选择添加的少量硼，其余部分为钴。
这类成分组合作为铸造合金的已知名称为FSX414、X45、ECY768和MAR-M-509。
图3显示的是一个以实施例形式出现的燃气轮机100的纵向局部剖视图。燃气轮机100的内部具有一个支承在一个旋转轴102上的转子103，转子103可以围绕旋转轴102旋转，又称为涡轮转子。沿着转子103依次布置着一个吸进壳体104、一个压缩机105、一个配有若干个共轴布置的燃烧器107的、例如呈环形的燃烧室110，特别是环形燃烧室106、一个涡轮108和一个排气室109。环形燃烧室106和一个例如呈环形的热气通道111连通。在热气通道中，例如四个串联在一起的涡轮级112共同构成了涡轮108。每个涡轮级112均由两个叶片环组成。从一工作介质113的流动方向上看，热气通道111中的每个导向叶片列115后面布置着一个由工作叶片120所组成的工作叶片列125。
其中，导向叶片130固定在定子143上，而组成一个工作叶片列125的工作叶片120则例如通过一个涡轮叶轮盘133安装在转子103上。转子103上耦接着一个发电机或一个做功机器(图中未显示)。
燃气轮机100工作时，压缩机105通过吸进壳体104吸入空气135，并对这部分空气进行压缩。在压缩机105的涡轮侧一端上生成的压缩空气被输送到燃烧器107上，并在这里与一燃料混合。这部分混合物在燃烧室110中燃烧，形成工作介质113。从燃烧室110中出来的工作介质113沿着热气通道111流过导向叶片130和工作叶片120。工作介质113在工作叶片120上以脉冲传输的方式降压，从而使得工作叶片120驱动转子103，再由转子103驱动与其耦接的做功机器。
燃气轮机100工作时，与热工作介质113接触的结构部件承受着一定的热负荷。除了覆盖在环形燃烧室106上的隔热石外，从工作介质113的流动方向上看构成第一涡轮级112的导向叶片130和工作叶片120是热负荷最高的结构部件。为了使这部分导向叶片和工作叶片能够经受住其所在位置的温度，要用一冷却剂对它们进行冷却。叶片120、130上同样也可以存在前文所述的具有防腐(MCrAlX；M＝Fe、Co、Ni，X＝Y、稀土元素)和绝热功能(绝热层，例如ZrO2、Y2O4-ZrO2)的保护层7。
导向叶片130具有一个朝着涡轮108的内缸138的导向叶片根部(图中未显示)和一个位于所述导向叶片根部对面的导向叶片顶部。导向叶片顶部朝向转子103，并固定在定子143的一个紧固环140上。
图4显示的是一个燃气轮机100的一个燃烧室110。燃烧室110实施为例如所谓的环形燃烧室，具有复数个燃烧器102，从切线方向上看，这些燃烧器围绕涡轮轴103布置，并通向一个共同的燃烧室空间。因此从整体上看，燃烧室110具有一个环形结构，可以围绕涡轮轴103布置。
为了达到较高的效率，燃烧室110设计能使用具有较高温度的工作介质M，其中，“较高温度”指的是约1000℃至1600℃。为了即使在存在诸如此类不利于材料的工作参数的情况下也能实现较长的持续工作时间，燃烧室壁153朝向工作介质M的一侧上配备了一个由热屏蔽元件155构成的内衬。每个热屏蔽元件155朝向工作介质的一侧由耐高温材料制成，或者其上配有一个特别耐热的保护层。此外，鉴于燃烧室110内部的高温，还为热屏蔽元件155及其支持件设置了一个冷却系统。
燃烧室壁及其涂层可以采用与涡轮叶片类似的材料。
图5显示的是一个汽轮机300、303的实施例，该汽轮机具有一个沿一旋转轴306延伸的涡轮轴309。
所述汽轮机具有一个高压部分300和一个中压部分303，这两个部分分别具有一个内缸312和一个包围在该内缸外面的外缸315。高压部分300例如实施为圆筒形结构。中压部分303实施为双流式。中压部分303同样也可以实施为单流式。沿高压部分300和中压部分303之间的旋转轴306上布置着一个轴承318，其中，涡轮轴309在轴承318上有一个轴承区321。涡轮轴309支承在位于高压部分300旁边的另一个轴承324上。高压部分300在该轴承324的区域内具有一个轴封装置345。位于中压部分303的外缸315的另一边的涡轮轴部分309由另外两个轴封装置345密封。高压部分300的涡轮轴309在一个高压进汽区348和一个排汽区351之间具有高压动叶栅354、357。所述高压动叶栅354、357与图中未作详细显示的附属动叶片一起构成一个第一叶片区(Beschaufelungsbereich)360。中压部分303具有一个中部进汽区333。位于进汽区333内的涡轮轴309具有一个实施为一个盖板的径向对称轴保护装置363，这个盖板既可以将蒸汽流分成中压部分303的双流蒸汽，也可以防止过热蒸汽与涡轮轴309发生直接接触。涡轮轴309在中压部分303具有一个带有中压动叶片354、342的第二叶片区366。流过第二叶片区366的过热蒸汽从中压部分303的一个出口管369流向一个在流体技术中通常布置在下游的、图中未显示的低压部分。
涡轮轴309由两段涡轮轴309a和309b组成，其在轴承318的区域内固定连接在一起。叶片354、357、366，涡轮轴309或其他汽缸部件333上可以存在前文所述的具有防腐(MCrAlX；M＝Fe、Co、Ni，X＝Y、Si、稀土元素)和绝热功能(绝热层，例如ZrO2、Y2O4-ZrO2)的保护层7、10。

Claims (25)

1.一种金属保护层，所述金属保护层由下列元素组成，其含量按重量百分比(wt％)分别为：
12.5％至14％的铬，
0.5％至1％的硅，
0.1％至0.5％的铝，
0％至0.7％的钇和/或至少一种选自钪和稀土元素的金属，
其余部分为铁和生产过程中出现的杂质。
2.一种涂层系统，所述涂层系统至少包括一个基材(4)和一个布置在所述基材(4)上的、如权利要求1所述的金属保护层(7)。
3.根据权利要求2所述的涂层系统，其特征在于，
所述基材(4)为金属基材或陶瓷基材。
4.根据权利要求2或3所述的涂层系统，其特征在于，
所述基材(4)为一种铁氧基合金、一种钢或一种镍或钴基超级合金。
5.根据权利要求2所述的涂层系统，其特征在于，
所述保护层(7)在附着力的作用下粘附在所述基材(4)上。
6.根据权利要求2或5所述的涂层系统，其特征在于，
所述涂层系统(1)没有接受过扩散处理。
7.根据权利要求2所述的涂层系统，其特征在于，
所述基材(4)是一种铁基合金。
8.根据权利要求7所述的涂层系统，其特征在于，所述铁基合金是1％CrMoV钢或10-12％铬钢。
9.根据权利要求2所述的涂层系统，其特征在于，
所述基材(4)是1-2％Cr钢
或者是10％Cr钢。
10.根据权利要求9所述的涂层系统，其特征在于，所述1-2％Cr钢是30CrMoNiV5-11或23CrMoNiWV8-8或G17CrMoV5-10或G17CrMo9-10。
11.根据权利要求9所述的涂层系统，其特征在于，所述10％Cr钢是X12CrMoWVNbN10-1-1或GX12CrMoWVNbN10-1-1或GX12CrMoVNbN9-1。
12.根据权利要求2所述的涂层系统，其特征在于，
所述金属保护层(7)上存在一个陶瓷层(10)。
13.根据权利要求12所述的涂层系统，其特征在于，
所述陶瓷层(10)是一个绝热层。
14.根据权利要求13所述的涂层系统，其特征在于，
所述陶瓷层(10)是一个氧化锆基绝热层。
15.根据权利要求2、13或14所述的涂层系统，其特征在于，
所述涂层系统(1)是一个燃气轮机(100)的一个结构部件(110，120，130)的一个涂层系统(1)或一个汽轮机(300，303)的一个结构部件(333，354，357，366)的一个涂层系统(1)。
16.根据权利要求2所述的涂层系统(1)，其特征在于，
所述涂层系统(1)是一个涡轮叶片(120，130，354，357，366)，或者
所述涂层系统(1)是一个涡轮机(100，300，303)的一个汽缸部件或一个汽缸的一部分，或者
所述涂层系统(1)是一个燃烧室(110)的一个内衬(155)。
17.根据权利要求15所述的涂层系统(1)，其特征在于，
所述涂层系统(1)是一个涡轮叶片(120，130，354，357，366)，或者
所述涂层系统(1)是一个涡轮机(100，300，303)的一个汽缸部件或一个汽缸的一部分，或者
所述涂层系统(1)是一个燃烧室(110)的一个内衬(155)。
18.根据权利要求2所述的涂层系统，其特征在于，
所述涂层系统(1)布置在一个新制成的结构部件上。
19.根据权利要求18所述的涂层系统，其特征在于，
所述新制成的结构部件是一个涡轮叶片(120，130，354，357，366)。
20.根据权利要求15所述的涂层系统，其特征在于，
所述涂层系统(1)布置在一个新制成的结构部件上。
21.根据权利要求20所述的涂层系统，其特征在于，
所述新制成的结构部件是一个涡轮叶片(120，130，354，357，366)。
22.根据权利要求2所述的涂层系统，
其特征在于，
所述涂层系统(1)布置在一个接受翻新处理的结构部件上。
23.根据权利要求22所述的涂层系统，
其特征在于，
所述接受翻新处理的结构部件是一个涡轮叶片(120，130，354，357，366)。
24.根据权利要求15所述的涂层系统，
其特征在于，
所述涂层系统(1)布置在一个接受翻新处理的结构部件上。
25.根据权利要求24所述的涂层系统，
其特征在于，
所述接受翻新处理的结构部件是一个涡轮叶片(120，130，354，357，366)。
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