CN102203320A - 涂层体系 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于组件(1)的涂层体系(2)，包括多孔层(3)和在所述多孔层(3)上的可磨损层(4)。此外，本发明涉及两个组件(1)的组合件，所述组件能彼此相对移动并在它们之间形成间隙。一个组件(1)配备有涂层体系(2)而另一组件(1)与该涂层体系(2)滑动接触。

Description

涂层体系
本发明涉及针对组件的涂层体系，并涉及两个彼此能相对移动的组件形成的组合件(assembly)。
许多用于化学腐蚀性环境的组件必须承受超过1000℃的高温。因此，它们必须受到保护以确保长的使用寿命。对于作为现代燃气轮机的部件的组件而言，尤其如此，因为一般趋势是升高燃烧温度以提高效率。
因此，在燃气轮机中的热区域中的大多数组件由高抗性合金制备。此外，它们受到特殊的涂层体系的保护。这些涂层体系可以包括在金属基材上的粘合层、在所述粘合层上的耐氧化层，也即MCrAlX层，和一个或多个具有绝热性质的陶瓷层。这些层的组合形成了保护该组件的绝热涂层。
在燃气轮机设计中的一个关键方面是密封在热区域中移动部件之间的间隙。如果密封不充分，那么热的气体会泄露，由此降低汽轮机的总效率。再者，密封机构必须在腐蚀性气氛中经受高温。为了满足一致性和耐受性的目标，使用了可磨损的涂层体系。
所述可磨损的涂层体系配备在两个能相对移动的组件的组合件的一个组件上，所述两个能相对移动的组件在它们之间形成间隙。所述另一个组件与可磨损体系呈滑动接触设置。由此密封了所述组件之间的间隙。在运行期间，如果两个组件彼此相对移动，未经涂覆的组件擦掉可磨损涂层的一部分。
已知的可磨损涂层体系包括粘合涂层和至少一个由陶瓷制成的可磨损层。在许多情况下，所述陶瓷含由Y2O3和/或和/或Yb2O3稳定化的ZrO2。
在使用期间，可磨损层由于烧结效应(这增加了层的硬度)丧失了该层的部分可磨损性质。结果，未经涂覆的组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换未经涂覆的组件。
降低该效应的一种改进的涂层体系公开在EP 1484426A2中。其包括粘合涂层和第一和第二锆层，所述第一和第二锆层均由Y2O3和Yb2O3之一稳定化。尽管如此，在所述涂层体系暴露于高温时，由于仍然发生一定程度的烧结，其可磨损性质受到负面影响。
因此，本发明的目标在于提供具有进一步提高的耐烧结效应的涂层体系。
该目标通过配备在多孔陶瓷层上的可磨损陶瓷层解决。
出人意料地已经发现，如果将可磨损陶瓷层提供在多孔陶瓷层上，涂层体系对烧结的抗性可以进一步提高。在这种情况下，涂层体系作为整体保持其可磨损性质，即使其暴露于高温达长时间也是如此。
根据本发明的第一实施方案，所述多孔陶瓷层具有≥20体积％的孔隙率，优选≥22体积％和≤28体积％，更优选≥24体积％且≤26体积％。
还可能的是，所述多孔陶瓷层包括陶瓷材料。所述陶瓷材料可以是用Yb2O3和/或Y2O3稳定化的ZrO2。在多孔层中Y2O3的量可以为6wt％-10wt％的范围。在优选实施方案中，所述多孔陶瓷层包括8wt％Y2O3。
所述多孔陶瓷层可以为150μm-300μm，优选180μm-250μm，更优选190μm-240μm和最优选225μm厚。
根据本发明的另一实施方案，所述可磨损陶瓷层4可以包括用Yb2O3和/或Y2O3稳定化的ZrO2。在这种情况下，Yb2O3的量可以为至少30wt％，优选33wt％。
在本发明的一个优选实施方案中，该可磨损陶瓷层具有≥20体积％的孔隙率，优选≥25体积％和≤40体积％，和更优选≥27体积％和≤35体积％。
所述可磨损陶瓷层可以为300μm-800μm，优选350μm-700μm，更优选400μm-600μm和最优选500μm厚。
根据本发明的又一优选实施方案，所述涂层体系包括位于多孔陶瓷层之下的陶瓷层。优选地，所述陶瓷层具有比该多孔陶瓷层更低的孔隙率。
所述陶瓷层可以包括由Y2O3和/或Yb2O3稳定化的ZrO2。优选地，Y2O3的量为6wt％-10wt％范围，更优选的是其为8wt％。
还可能的是，所述陶瓷层为20μm-200μm，优选30μm-150μm，更优选40μm-100μm和最优选75μm厚。
本发明的另一优选实施方案涉及涂层体系，其中所述陶瓷层、多孔陶瓷层3和可磨损陶瓷层合起来为650μm-950μm厚。
此外，金属粘合涂层可以配备在多孔层或者陶瓷层之下。所述粘合涂层5可以为100μm-260μm，优选130μm-230μm，更优选150μm-200μm和最优选180μm厚。
本发明的又一实施方案涉及涂层体系，其配备在燃气轮机组件上。
本发明的第二方面提供了两个能相对移动的组件的组合件，所述两个能相对移动的组件在它们之间形成间隙，其中一个组件配备有根据权利要求1-20之一的涂层体系，另一组件以与所述涂层体系呈滑动接触的方式设置。优选地，所述组件是燃气轮机的一部分。
本发明的下面两个实施方案将参照附图进行详细描述。在附图中，
图1示出了本发明的第一实施方案，和
图2示出了本发明的第二实施方案。
图3示出了燃气轮机，
图4示出了涡轮叶片，
图5示出了燃烧室，
图6示出了高温合金列表。
图1示出了本发明的第一实施方案。
组件2、120、130作为涂层体系2提供。所述涂层体系2包括在所述基材1上的多孔层3和配备在所述多孔层3上的可磨损层4。
多孔陶瓷层3具有≥20体积％的孔隙率，并包含优选经6wt％-10wt％的Y2O3稳定化的ZrO2。此外，其为150μm-300μm厚。优选地，多孔陶瓷层3的ZrO2仅由Y2O3稳定化。
可磨损陶瓷层4优选是由至少30wt％Yb2O3稳定化的ZrO2。
优选地，该可磨损陶瓷层仅由Y2O3稳定化。
I4具有≥20体积％的孔隙率并具有300μm-800μm厚度。
图2示出了本发明的第二实施方案，其类似于在图1中所示的第一实施方案。因此，类似的部件用相同的附图标记标识。
组件2作为包括四个不同层的涂层体系2提供。基材1的表面优选覆盖有为100μm-260μm厚的粘合涂层5。
在金属粘合涂层5上，提供有陶瓷层6。所述陶瓷层6包括用6wt％-10wt％的Y2O3稳定化的ZrO2，并优选为20μm-200μm厚。
在粘合涂层5上，在施加陶瓷层6或者多孔陶瓷层3期间形成氧化物层(TGO)，或者在使用期间在高温下形成氧化物层(TGO)。所述陶瓷层6具有优选6体积％-17体积％的孔隙率，更优选8体积％-15体积％。
所述陶瓷层6由多孔陶瓷层3涂覆，该多孔陶瓷层3包括被Y2O3和/或Yb2O3稳定化的ZrO2。It 6为190μm-240μm厚。
优选地，陶瓷层的ZrO2仅由Yb2O3稳定化。
在多孔层3上的最后层是可磨损陶瓷层4，其包括由33wt％Yb2O3稳定化的ZrO2。It 4为400μm-600μm厚。
这两种涂层体系2能够承受热、化学和机械退化。此外，它们显示出对烧结效应的高抗性。因此，即使所述基材1是在热区域中使用的燃气轮机的部件，所述涂层体系也能够保护所述基材1。
所述涂层体系2可以用于密封所述组合件的两个能相对移动的部件之间的间隙。在该情况下，所述部件之一配备有所述涂层体系2之一且另一部件以与所述涂层体系2呈滑动接触的形式设置。在所述部件的相对移动期间，所述未经涂覆的部件磨损该涂层体系2的一部分。所述涂层体系2在暴露于热时不丧失其可磨损性质，因为仅仅很少地或者不发生烧结。因此，涂层体系2可以用于在两个能相对移动的部件之间，也即在燃气轮机的热区域中，提供可磨损密封。
图3示出了涡轮机的转子叶片(rotor blade)120或导向叶轮(guidevane)130的透视图，所述涡轮机沿纵轴121延伸。
所述涡轮机可以是飞行器或者用于发电的发电厂的燃气轮机，蒸汽轮机或者压缩机。
沿着纵轴121，叶片(blade)或叶轮(vane)120、130先后包括紧固区400、毗邻的叶片或叶轮台403以及主叶片(main blade)或主部件(main part)406。作为导向叶轮130，叶轮130可以在其叶轮尖端415具有另一个台(未示出)。
在紧固区400内形成叶片根部或叶根183，其用于将转子叶片120、130紧固在轴或盘(未示出)上。叶片根部或叶根183经设计为例如锤头形状。作为枞树状或者燕尾根部状的其它构造也是可行的。叶片或叶轮120、130具有针对流过主叶片或叶轮部件406的前缘409和后缘412。
在常规的叶片或叶轮120、130情况下，例如实心金属材料，特别是高温合金，用于叶片或叶轮120、130的所有区域400、403、406。这样的高温合金是例如由下列文献已知的：EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、WO99/67435或者WO00/44949；就合金的化学组成而言，这些文件形成本公开的一部分。在这种情况下，叶片或叶轮120、130通过铸造方法制造，也即借助定向凝固、锻造法、铣削法或其组合制造。
具有一个或多个单晶结构的工件用作机器的在运转期间暴露于高机械、热和/或化学负荷的组件。这样的单晶工件例如通过定向凝固由熔体制造。所述定向凝固涉及这样的铸造方法，其中液态金属合金经凝固形成单晶结构，也即形成单晶工件，也即经定向凝固。在这种方法中，沿着热通量形成树枝状晶体，并形成棒晶晶粒结构(也就是说晶粒沿着工件的整个长度延伸，且在上下文中，根据标准术语学，被称为定向凝固)或者单晶结构，也就是说，整个工件由单晶构成。在该方法中，必须避免向球状(globular)(多晶)凝固转变，因为不定向生长不可避免地形成横向和纵向的晶界，这抵消了定向凝固的或单晶的组件的优异性能。通常，当提及定向凝固微结构时，既表示这样的单晶，其没有任何晶界或者至多具有极小角度晶界；也表示这样的单晶，其为棒状晶体结构，其尽管具有沿着纵向延伸的晶界，但是没有任何横向晶界。后一种晶体结构在此情况下也可以被称为定向凝固微结构(定向凝固结构)。这样的方法由US 6,024,792和EP0892090A1中已知，这些文件是本公开的一部分。
叶片或叶轮120、130同样可以具有抗腐蚀或抗氧化涂层，例如(MCrAlX；M是选自下列的至少一种元素：铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)，X是活性元素并表示钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素或者铪(Hf))。这样的合金是例如由下列文献所公知的：EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1或者EP1306454A1；就该合金的化学组成而言，这些文献构成本公开的一部分。
在MCrAlX上，还可以存在绝热涂层，其例如由ZrO2、Y2O4-ZrO2构成，也即其未经、部分经或者完全经氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁稳定化。绝热涂层中的棒状晶粒是通过合适的涂覆方法，例如电子束物理气相沉积(EB-PVD)产生的。
术语整修(refurbishment)是指组件120、130在它们经使用后可能必需脱去保护层(例如通过喷砂)。然后去除腐蚀层和/或氧化层或者腐蚀产物和/或氧化产物。如果需要，还使用本发明的焊料修补组件120、130中的裂缝。然后再重新涂覆组件120、130，并接着可以将它们重新使用。
叶片或叶轮120、130可以被设计为实心的或空心的。如果打算对叶片或叶轮120、130进行冷却，那么其是空心的，和能够还包含膜冷却孔418(用虚线表示)。
图4示出了燃气轮机100(图6)的燃烧室110。
燃烧室110例如被设计成所谓的环形燃烧室，其中多个产生火焰156并在圆周方向绕旋转轴102排列的燃烧器107开口通向公共燃烧室空间154。为此目的，燃烧室110整体上被设计为绕着旋转轴102定位的环状构造。
为了实现相对高的效率，燃烧室110被设计用于相对高的工作介质M的温度，也即大约1000℃-1600℃。为了允许即使在这样的对于材料不利的运行参数下相对长的运行时间，燃烧室壁153在其面向工作介质M的一侧配有由热屏蔽元件155形成的内衬。由合金制备的各热屏蔽元件155在其工作介质侧配有特别耐热的保护层(MCrAlX层和/或陶瓷涂层)，或者由能够耐高温的材料(实心陶瓷砖)制备。这些保护层可以类似于涡轮机叶片或叶轮，也就是说，例如MCrAlX，其中M是至少一种选自下列的元素：铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)，X是活性元素并表示钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素或者铪(Hf)。这样的合金是例如由下列已知的：EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1或者EP1306454A1；就该合金的化学组成而言，这些文献构成本公开的一部分。
还可能的是，例如在MCrAlX上存在陶瓷绝热层，所述陶瓷绝热层例如由ZrO2、Y2O4-ZrO2构成，也即其未经、部分经或者完全经氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁稳定化。
绝热涂层中的棒状晶粒是通过合适的涂覆方法，例如电子束物理气相沉积(EP-PVD)产生的。
术语整修是指热屏蔽元件155可能在它们经使用后必须脱去保护层(例如通过喷砂)。然后去除腐蚀层和/或氧化层或者腐蚀产物和/或氧化产物。如果需要，还使用本发明的焊料修补热屏蔽元件155中的裂缝。然后，所述热屏蔽元件155被重新涂覆，接着所述热屏蔽元件155能够被再使用。
此外，考虑到燃烧室110内部的高温，还可以给热屏蔽元件155和/或它们的固定元件配备冷却系统。在此情况下，所述热屏蔽元件155例如是中空的，和还能够具有开口通向燃烧室空间154的膜冷却孔(未示出)。
图5例如以部分纵截面的形式示出了燃气轮机100。在其内部，燃气轮机100具有以能够绕着旋转轴102旋转的方式安装并具有轴的转子103(也被称为涡轮转子)。沿着转子103，先后是进气壳体104，压缩机105，例如环状的(toroidal)燃烧室110，特别是环形(annular)燃烧室(具有多个同轴排列的燃烧器107)，涡轮108和排气壳体109。该环形燃烧室110与例如环形的热气体通道111连通，在此，例如四个先后连接的涡轮机级(turbine stage)112形成涡轮108。
各涡轮机级112例如由两个叶片或叶轮环形成。正如工作介质113的流向所示，在热气体通道111中导向叶轮排(row of guide vanes)115之后是由转子叶片120形成的排(row)125。
导向叶轮130固定于定子143的内部壳体138上，而排125的转子叶片120则安装到转子103上，例如通过涡轮盘133。连接到转子103的是发电机或机器(未示出)。
在燃气轮机100运转期间，压缩机105经进气壳体104吸入空气135并将其压缩。在压缩机105的涡轮侧端提供的压缩空气被递送到燃烧器107，并在那里与燃料混合。然后该混合物在燃烧室110中燃烧形成工作介质133。工作介质133从那里沿着热气体通道111流动通过导向叶轮130和转子叶片120。在转子叶片120处，工作介质113膨胀，转移其冲量，使得转子叶片120驱动转子103和与其连接的机器。
在燃气轮机100运转期间，暴露于热工作介质113的组件经历热负荷。第一个涡轮机级112的导向叶轮130和转子叶片120(如工作介质113的流向所示)，连同内衬环形燃烧室110的热屏蔽元件，经受最高的热负荷。为了经受此处盛行的温度，可以借助冷却剂对这些组件进行冷却。
所述组件的基材同样可以具有定向结构，也就是说它们是单晶形式的(SX结构)或者仅含纵向定向的晶粒(DS结构)。例如基于铁、镍或钴的高温合金是用于该组件(特别是涡轮叶片和叶轮120、130)和燃烧室110的组件的材料。这样的高温合金是例如由下列文献已知的：EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、WO99/67435或者WO00/44949；就合金的化学组成而言，这些文件形成本公开的一部分。
叶片或叶轮120、130同样可以具有抗腐蚀涂层(MCrAlX；M是选自下列的至少一种元素：铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)，X是活性元素并表示钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素或者铪)。这样的合金是例如由下列文献已知的：EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1或者EP1306454A1；就化学组成而言，这些文献意在形成本公开的一部分。
在MCrAlX层上，还可以存在绝热涂层，其例如由ZrO2、Y2O4-ZrO2构成，也即其未经、部分经或者完全经氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁稳定化。绝热涂层中的棒状晶粒是通过合适的涂覆方法，例如电子束物理气相沉积(EB-PVD)产生的。
导向叶轮130包含面向涡轮108内部壳体138的导向叶根(在此未示出)和位于导向叶根相对侧上的导向叶轮顶部(guide vane head)。导向叶轮顶部面向转子103并安装在定子143的紧固环140上。

Claims (25)

1.涂层体系(2，120，130)，其包括基材(1)，在该基材(1)上的多孔陶瓷层(3)和在该多孔陶瓷层(3)上的可磨损陶瓷层(4)。
2.权利要求1的涂层体系，其中所述多孔陶瓷层(3)具有≥20体积％和≤30体积％的孔隙率，优选≥22体积％和≤28体积％，和更优选≥24体积％和≤26体积％。
3.权利要求1的涂层体系，其中所述多孔陶瓷层(3)含ZrO2，其优选由Yb2O3和/或Y2O3稳定化，和更优选由用Yb2O3和/或Y2O3稳定化的ZrO2构成。
4.权利要求3的涂层体系，其中所述多孔陶瓷层(3)的ZrO2仅由Y2O3稳定化。
5.权利要求3或4的涂层体系，其中所述多孔陶瓷层(3)的ZrO2由6wt％至10wt％的Y2O3稳定化，优选由8wt％的Y2O3稳定化。
6.前述权利要求之一的涂层体系，其中所述多孔层(3)为150μm-300μm厚，优选180μm-250μm，更优选190μm-240μm和最优选225μm。
7.前述权利要求之一的涂层体系，其中所述可磨损陶瓷层(4)具有≥20体积％和≤42体积％的孔隙率，优选≥25体积％和≤40体积％和更优选≥27体积％和≤35体积％，和最优选32体积％。
8.前述权利要求之一的涂层体系，其中所述可磨损陶瓷层(4)包含ZrO2，其优选由Yb2O3和/或Y2O3稳定化，和更优选由用Yb2O3和/或Y2O3稳定化的ZrO2构成。
9.权利要求8的涂层体系，其中所述可磨损陶瓷层(4)的ZrO2仅由Yb2O3稳定化。
10.权利要求8或9的涂层体系，其中所述可磨损陶瓷层(4)包含至少30wt％的Yb2O3，优选最多40wt％的Yb2O3，最优选33wt％的Yb2O3。
11.前述权利要求之一的涂层体系，其中所述可磨损陶瓷层(4)为300μm-800μm厚，优选350μm-700μm，更优选400μm-600μm和最优选500μm。
12.前述权利要求之一的涂层体系，其由基材(1)、多孔陶瓷层(3)和可磨损陶瓷层(4)和任选的在该基材(4)上的粘合涂层(5)和/或在该粘合涂层(5)上的TGO组成。
13.前述权利要求1-11之一的涂层体系，其包括在所述多孔陶瓷层(3)之下的陶瓷层(6)。
14.权利要求13的涂层体系，其中所述陶瓷层(6)具有比所述多孔陶瓷层(3)更低的孔隙率，优选6体积-17体积％，更优选8体积％-15体积％的孔隙率。
15.权利要求13或14的涂层体系，其中所述陶瓷层(6)包含ZrO2，该陶瓷层优选由Yb2O3和/或Y2O3稳定化，和更优选由用Yb2O3和/或Y2O3稳定化的ZrO2构成。
16.权利要求15的涂层体系，其中所述陶瓷层(6)的ZrO2仅由Y2O3稳定化。
17.权利要求15或16的涂层体系，其中所述陶瓷层(6)的ZrO2用6wt％-10wt％的Y2O3，优选用8wt％的Y2O3稳定化。
18.权利要求13-17之一的涂层体系，其中所述陶瓷层(6)为20μm-200μm，优选30μm-150μm，更优选40μm-100μm和最优选75μm厚。
19.权利要求13-18之一的涂层体系，其中所述陶瓷层(6)、所述多孔陶瓷层(3)和所述可磨损陶瓷层(4)合起来为650μm-950μm厚，优选800μm厚。
20.前述权利要求之一的涂层体系，其在所述多孔陶瓷层(3)或所述陶瓷层(6)之下还包含金属粘合涂层(5)。
21.权利要求20的涂层体系，其中所述粘合涂层(5)为100μm-260μm厚，优选130μm-230μm，更优选150μm-200μm和最优选180μm。
22.前述权利要求之一的涂层体系，组成如下：
基材(1)
陶瓷层(6)
多孔陶瓷层(3)
可磨损陶瓷层(4)
和任选的
在所述基材(4)上的粘合涂层(5)
和/或在所述粘合涂层(5)上的TGO。
23.前述权利要求之一的涂层体系，其配备在燃气轮机组件(1)上。
24.两个能相对移动的组件(1)的组合件，所述组件在它们之间形成间隙，其中一个组件(1)配备有根据权利要求1-23之一的涂层体系(2)而另一组件(1)以与该涂层体系(2)呈滑动接触的方式设置。
25.权利要求24的组合件，其中所述组件是燃气轮机(100)的部件。
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