CN102791908A - 双层金属粘合层 - Google Patents

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Abstract

一种部件(1)，如附图所示。该图示出了金属基底(4)。在基底(4)上施加金属粘合层(7)，特别优选施加MCrAlY型的。粘合层(7)是双层金属层(10、13)。外金属粘合层(13)具有比内金属层(10)低的铝(Al)和或铬(Cr)含量。

Description

双层金属粘合层
本发明涉及一种双层金属粘合层(two layered metallic bondcoat)。
热阻挡涂层(TBC)必须提供低导热性，还须与基底或金属粘合层易粘接。
同样需要改善金属粘合层的延展性。
因此本发明的目标是改善金属粘合层的延展性和抗氧化性。
该问题通过根据权利要求1的双层金属粘合层解决。
附图示出
图1、2本发明的示意图，
图3燃气涡轮，
图4涡轮叶片，
图5燃烧室，
图6一系列耐热合金(super alloys)。
下列实施例和附图只是本发明的实施方案。
图1示出部件1、120、130、155。
图1示出金属基底4，特别是作为燃气涡轮100(图2)的类似叶片或轮叶120、130(图3)的部件的情况时的基底，由图6给出的镍基耐热合金制成。
在基底4上优选施加金属粘合层7，特别是MCrAlY类型的。
粘合层7是双层金属层10、13。
内金属粘合层10特别地为下列组合物之一(wt％)：
·Ni-(24-26)Co-(16-18)Cr-(9-11)Al-(0.1-0.5)Y-(1-2)Re
特别是Ni-25Co-17Cr-10Al-0.3Y-1.5Re；
·Co-(29-31)Ni-(27-29)Cr-(7-9)Al-(0.4-0.8)Y-(0.5-0.9)Si，
特别是Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si；
·Co-(27-29)Ni-(23-25)Cr-(9-11)Al-(0.4-0.8)Y，
特别是Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y；
·Ni-(24-26)Co-(22-24)Cr-(9-11)Al-(0.1-0.4)Y，
特别是Ni-25.2Co-22.8Cr-10.1Al-0.17Y；
·Ni-(19-21)Co-(23-25)Cr-(6-8)Al-(0.3-0.9)Y，
特别是Ni-20Co-24Cr-7Al-0.6Y；
·Co-(34-36)Ni-(19-21)Cr-(10.5-12.5)Al-(0.08-0.4)Y-(0.1-0.5)Si，
特别是Co-35Ni-20Cr-11.5-Al-0.2Y-0.3Si；
·Ni-(11-13)Co-(20-22)Cr-(10-12)Al-(0.2-0.6)Y-(1-2)Re，
特别是Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-1.5Re。
外金属粘合层13具有与内金属层10相比减少了的铝(Al)和/或铬(Cr)的量。
优选地，该上层金属层13具有16wt％至18wt％的铬(Cr)和/或4wt％至5wt％的铝(Al)。
外金属层13可具有除上文描述的铝(Al)和/或铬(Cr)的含量外，与内金属层11相同的组成。
这改善了直接朝向陶瓷层的上金属层13的延展性。
特别地，外层13包含下列组合物，尤其特别地由下列组合物组成：
·Co-(29-31)Ni-(27-29)Cr-(7-9)Al-(0.4-0.8)Y-(0.5-0.9)Si，
特别是Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si；
·Co-(27-29)Ni-(23-25)Cr-(9-11)Al-(0.4-0.8)Y，
特别是Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y；
优选地，该上金属层13具有16wt％至18wt％的铬(Cr)和/或4wt％至5wt％的铝(Al)。
选择金属外层13以及包括内层10与外层13的组合来改善延展性。
外金属层13优选地至少比所述内层10薄10％。
在施加陶瓷TBC过程中或至少在涂层系统运行时在粘合层7上形成氧化铝层8(TGO)。
陶瓷热阻挡涂层16优选为双层陶瓷涂层19、22。
特别是陶瓷TBC 16仅由双层19、22组成。
金属粘合层7上的内陶瓷涂层19是纳米结构的，特别是比上覆的陶瓷层22要薄得多，其中所述金属粘合层7在基底4的上方或在基底4上。这改善了陶瓷涂层的延展性和粘着力。
纳米结构是指陶瓷层19的约70％、特别是至少90％的晶粒尺寸小于500nm，特别是≤300nm。
避免烧结的最小晶粒尺寸为大于≥100nm，尤其特别是≥200nm。
只有内陶瓷层19是纳米结构的。外层22是显微结构的。
显微结构是指至少70％，特别是至少90％的晶粒的晶粒尺寸大于1μm，特别是大于20μm。
特别地，下层19比上陶瓷热阻挡涂层19薄得多。
这意味着上层22的厚度占陶瓷层22的总厚度的至少60％，特别是70％。
特别的，下陶瓷层19具有最大至100μm、最小10μm、特别是20μm的厚度。
特别地，内陶瓷层19具有最高至14vol％，特别是9vol％至14vol％的孔隙率。
特别地，上陶瓷层22具有比内陶瓷层19高得多的孔隙率(相差至少10％，特别是≥20％)，尤其是高于15vol％且至多30vol％的孔隙率。
上层22可采用任意涂覆方法，如等离子喷涂，HVOF或冷喷涂(coolgas spraying)来实施。
纳米结构的陶瓷层19优选应用悬浮液，等离子体喷涂或溶液前体等离子体喷涂或任意溶胶凝胶技术来实施。
双陶瓷层19、22的材料可以是相同的，尤其为钇稳定氧化锆。
此外，内陶瓷层19可以是纳米结构的部分稳定氧化锆，且上层22提供不同的组成，尤其为烧绿石结构的陶瓷层，所述烧绿石结构特别为锆酸钆(类似Gd2Zr2O7)或铪酸钆(类似Gd2Hf2O7)。
图4示出涡轮机(组)的转子叶片120或导流叶片130的透视图，所述叶片沿纵轴121延伸。
涡轮机(组)可以是航行器或用于发电的发电站的燃气涡轮，蒸汽轮机或压缩机。
叶片或轮叶120、130具有沿着纵轴121相继排列的固定区400，相邻的叶片或轮叶平台403以及主叶片或主部件406。至于导流叶片130，叶片130可在其叶片末端415具有另外的平台(未示出)。
用于将转转子叶片120、130固定在轴或盘(未示出)上的叶片或轮叶根部183形成在固定区400中。叶片或轮叶根部183被设计为例如锤头形状。其他构型如杉树或楔形的根部也是可能的。叶片或轮叶120、130具有用于流经主叶片或轮叶部分406的介质的前缘409和后缘422。
在传统的叶片或轮叶120、130的情况下，举例来说，固体金属材料，特别是耐热合金，被用于叶片或轮叶120、130的所有区域400、403、406。这类耐热合金可从例如EP 1204776B1、EP 1306454、EP 1319729A1、WO99/67435或WO 00/44949中获知。在这里，叶片或轮叶120、130可通过铸造方法生产，也可依靠定向凝固，通过锻造(forging)方法，通过切削(milling)方法或它们组合的方法生产。
具有单晶结构的工件被用做运转过程中暴露于高机械、热和/或化学载荷中的机器部件。这类单晶工件通过例如熔融材料的定向凝固生产。这涉及液态金属合金凝固形成单晶结构(即单晶工件)的铸造方法，即，定向凝固。在该方法中，在热通量方向上形成树枝状晶体，形成柱状晶粒结构(即具有工件全长的晶粒，按照标准术语，在本文中称为定向凝固)或者单晶结构，即整个工件为一个单晶。在该方法中，需要避免向球形(多晶)凝固的转变，因为非定向的生长不可避免地导致横向和纵向晶界的形成，其会有害于定向凝固部件或单晶部件的优良特性。大体上，当提及定向凝固微观组织时，其可被理解为包括单晶，其不具备任何晶界或至多有小角度晶界，以及柱状晶体结构，其具有纵向延伸的晶界但没有任何横向晶界。在后者这些晶体结构的情形中，也可能称为定向凝固显微组织(定向凝固组织)。这类方法可由US 6024792和EP 0892090A1中获知。
叶片或轮叶120、130也可具有抗腐蚀或抗氧化的涂层，例如(MCrAlX；M是选自铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种，X是一种活性元素，并表示钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素或铪(Hf))。这类合金由EP 0486489B1、EP 0786017B1、EP 0412397B1或EP 1306454A1可获知。
在MCrAlX上也可以存在热阻挡涂层，该涂层由例如ZrO2、Y2O3-ZrO2组成，即没有、部分或全部通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁稳定的那些。在热阻挡涂层中柱状晶粒通过适当的涂覆方法形成，例如电子束物理气相沉积法(EB-PVD)。
术语再磨光(refurbishment)是指在部件120、130经过使用后可能必须去除它们的保护层(例如通过喷砂)。然后，去除腐蚀层和/或氧化层或产物。若有必要，部件120、130的裂纹也通过根据本发明的钎焊料而修补。接下来，部件120、130被再涂覆，然后部件120、130可再度使用。
叶片或轮叶120、130可设计为实心或空心。如果叶片或轮叶120、130待冷却，它是空心的且可能还包含薄膜冷却孔418(由虚线表示)。
图5表示燃气涡轮100的燃烧室110(图6)。
燃烧室110被构造为例如已知的环形燃烧室，其中多个燃烧器107布置为以圆周方向围绕转动轴102，形成共同的燃烧室空间154，燃烧器107产生火焰156。为了这个目的，燃烧室110总体上是环形构型，被安置围绕转动轴102。
为达到较高效率，燃烧室110设计为用于相对高温的工作介质M，大约为1000℃至1600℃。为了甚至在这些对材料不利的运行参数下获得较长的运行时间，燃烧室壁153在面向工作介质M的一侧设置有由热屏元件155形成的内衬。每个由合金形成的热屏元件155在工作介质侧设置有特殊的耐热保护层(MCrAlX层和/或陶瓷涂层)或由耐高温材料(实心陶瓷砖)形成。这些保护层可与涡轮叶片或轮叶相似，即指例如MCrAlX：M是选自铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种，X是一种活性元素，并表示钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素或铪(Hf)。这类合金由EP 0486489B1、EP 0786017B1、EP 0412397B1或EP1306454A1可获知。
在MCrAlX上也可以存在例如陶瓷热阻挡涂层，该涂层由例如ZrO2、Y2O3-ZrO2组成，即没有、部分或全部通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁稳定的那些。
在热阻挡涂层中柱状晶粒通过适当的涂覆方法制成，例如电子束物理气相沉积法(EP-PVD)。
术语再磨光是指部件经过使用后，可能须要去除热屏元件155上的保护层(例如通过喷砂)。然后，去除腐蚀层和/或氧化层或产物。若有必要，热屏元件155的裂纹也通过根据本发明的钎焊料而修补。接下来，热屏元件155被再涂覆，然后热屏元件155可再度使用。
此外，考虑到燃烧室110内部的高温，可能为热屏元件155和/或其支撑元件提供冷却系统。热屏元件155在这种情况下为例如空心的，也可包含开口向燃烧室空间154的薄膜冷却孔(未示出)。
图6以示例方式示出纵向部分截面形式的燃气涡轮100。在其内部，燃气涡轮100具有转子103，也称为涡轮转子，其被安装为可绕转动轴102旋转且具有一个轴杆。进气壳(intake housing)104、压缩机105、例如涡流(toroidal)燃烧室110、特别是环形燃烧室，其具有多个同轴排列的燃烧器107、涡轮108以及排气壳(exhaust casing)109沿转子103依次排列。环形燃烧室110与例如环形热气管111相连，所述管111中例如四个相继的涡轮级112形成涡轮108。
每个涡轮级112由例如两个叶片或轮叶环形成。从工作介质113流动的方向看去，由转子叶片120形成的排(row)125设置在在热气管111中导流叶片排115之后。
导流叶片130固定在在定子143的内壳体138，但是排125的转子叶片120安装在转子103上，例如，利用涡轮盘133安装。电机或机器(未示出)耦接至转子103。
当燃气涡轮100运行的时候，压缩机105通过进气壳104吸入空气135并对其进行压缩。在压缩机105涡轮侧端供给的压缩空气通至燃烧器107，在其中与燃料混合。然后混合物在燃烧室110里燃烧形成工作介质133。从那里，工作介质133沿热气管111流动经过导流叶片130和转子叶片120。工作介质133在转子叶片120处膨胀，传送其动量，从而转子叶片120驱动转子103，进而转子驱动与它相连的机器。
当燃气涡轮100运行的时候，暴露于热工作介质113的部件经历热载荷。从工作介质113流动的方向看，第一涡轮级112的导流叶片130和转子叶片120，以及与衬在环形燃烧室110里面的热屏元件一起，经历最高热载荷。为耐受那里普遍的温度，这些部件可通过冷却剂冷却。
部件的基底同样可能具有定向组织，即，它们是单晶形态(SX结构)或只包含纵向晶粒(DS结构)。例如，使用铁基、镍基或钴基的耐热合金作为部件的材料，特别是作为涡轮叶片和浆片120、130和燃烧室110部件的材料。这类耐热合金，例如，从EP 1204776B1、EP 1306454、EP1319729A1、WO 99/67435或WO 00/44949中可获知。
叶片和浆片120、130可能同样地具有防腐蚀的涂层(MCrAlX；M是选自铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种，X是一种活性元素，并表示钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素或铪(Hf))。这类合金由EP 0486489B1、EP 0786017B1、EP 0412397B1或EP 1306454A1可获知。
热阻挡涂料由例如ZrO2、Y2O3-ZrO2组成，即，没有、部分地或全部通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁稳定，也可存在于MCrAlX上。柱状晶粒在热阻挡涂层中通过适当的涂覆方法制成，比如举例来说电子束物理气相沉积法(EP-PVD)。
导流叶片130具有面向涡轮108的内壳体138的导流叶片根部(此处未示出)，以及在导流叶片根部相反侧的导流叶片头部。导流叶片头部面向转子103，且固定至定子143的固定环140。

Claims (26)

1.层系统，
其包含：
基底(4)，
双层的，
特别是只有双层的
金属粘合层(7、10、13)和
任选地在所述粘合层(7)、(10)、(13)上的陶瓷层(16)，
其特征在于
所述外金属层(13)具有比所述内金属层(10)低的铝(Al)含量，
特别是至少低10％，
尤其特别是至少低20％，
和/或所述外金属层(13)具有较低的铬(Cr)含量，
特别是至少低10％，
非常特别是至少低20％。
2.根据权利要求1的层系统，
其中所述内金属粘合层(10)包含MCrAlY合金，
特别是由MCrAlY合金组成。
3.根据权利要求1或2的层系统，
其中所述外金属粘合层(13)包含MCrAlY合金，
特别是由MCrAlY合金组成。
4.根据权利要求1、2或3的层系统，
其中所述外金属层(13)的所述铝(Al)的含量较低，
特别是具有4wt％至5wt％的值，
非常特别为4.5wt％。
5.根据权利要求1、2、3或4的层系统，
其中所述外金属层(13)的所述铬(Cr)的含量较低，
特别是所述含量(Cr)在16wt％至18wt％之间，
非常特别为17wt％。
6.根据权利要求1、2、3、4或5的层系统，
其中所述内金属粘合层(10)的所述MCrAlY合金选自下组(wt％)：
Ni-(24-26)Co-(16-18)Cr-(9-11)Al-(0.1-0.5)Y-(1-2)Re特别是Ni-25Co-17Cr-10Al-0.3Y-1.5Re；
或
Co-(29-31)Ni-(27-29)Cr-(7-9)Al-(0.4-0.8)Y-(0.5-0.9)Si，
特别是Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si；
或
Co-(27-29)Ni-(23-25)Cr-(9-11)Al-(0.4-0.8)Y，
特别是Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y；
or
Ni-(24-26)Co-(22-24)Cr-(9-11)Al-(0.1-0.4)Y，
特别是Ni-25.2Co-22.8Cr-10.1Al-0.17Y；
或
Ni-(19-21)Co-(23-25)Cr-(6-8)Al-(0.3-0.9)Y，
特别是Ni-20Co-24Cr-7Al-0.6Y；
或
Co-(34-36)Ni-(19-21)Cr-(10.5-12.5)Al-(0.08-0.4)Y-(0.1-0.5)Si，
特别是Co-35Ni-20Cr-11.5Al-0.2Y-0.3Si；
或
Ni-(11-13)Co-(20-22)Cr-(10-12)Al-(0.2-0.6)Y-(1-2)Re，
特别是Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-1.5Re。
7.根据权利要求1、2、3或6的层系统，
其中所述外层(13)的所述合金为(wt％)：
Co-(29-31)Ni-(27-29)Cr-(7-9)Al-(0.4-0.8)Y-(0.5-0.9)Si，
特别是Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si；
或
Co-(27-29)Ni-(23-25)Cr-(9-11)Al-(0.4-0.8)Y，
特别是Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y。
8.根据权利要求1、2、3、4或6的层系统，
其中所述外层(13)为(wt％)：
Co-(29-31)Ni-(27-29)Cr-(4-5)Al-(0.4-0.8)Y-(0.5-0.9)Si，
特别是Co-30Ni-28Cr-4.5Al-0.6Y-0.7Si；
或
Co-(27-29)Ni-(23-25)Cr-(4-5)Al-(0.4-0.8)Y，
特别是Co-28Ni-24Cr-4.5Al-0.6Y。
9.根据权利要求1、2、3、5或6的层系统，
其中所述外层(13)为
Co-(29-31)Ni-(16-18)Cr-(7-9)Al-(0.4-0.8)Y-(0.5-0.9)Si，
特别是Co-30Ni-17Cr-8Al-0.6Y-0.7Si；
或
Co-(27-29)Ni-(16-18)Cr-(9-11)Al-(0.4-0.8)Y，
特别是Co-28Ni-17Cr-10Al-0.6Y。
10.根据权利要求1、2、3、4、5或6的层系统，
其中所述外层(13)为
Co-(29-31)Ni-(16-18)Cr-(4-5)Al-(0.4-0.8)Y-(0.5-0.9)Si，
特别是Co-30Ni-17Cr-4.5Al-0.6Y-0.7Si；
或
Co-(27-29)Ni-(16-18)Cr-(4-5)Al-(0.4-0.8)Y，
特别是Co-28Ni-17Cr-4.5Al-0.6Y。
11.根据权利要求1、2、3、4或6的层系统，
其中所述外金属粘合层(13)的所述MCrAlY合金选自以下成分的组(wt％)：
Ni-(24-26)Co-(16-18)Cr-(9-11)Al-(0.1-0.5)Y-(1-2)Re特别是Ni-25Co-17Cr-10Al-0.3Y-1.5Re；
或
Co-(29-31)Ni-(27-29)Cr-(7-9)Al-(0.4-0.8)Y-(0.5-0.9)Si，
特别是Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si；
或
Co-(27-29)Ni-(23-25)Cr-(9-11)Al-(0.4-0.8)Y，
特别是Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y；
或
Ni-(24-26)Co-(22-24)Cr-(9-11)Al-(0.1-0.4)Y，
特别是Ni-25.2Co-22.8Cr-10.1Al-0.17Y；
或
Ni-(19-21)Co-(23-25)Cr-(6-8)Al-(0.3-0.9)Y，
特别是Ni-20Co-24Cr-7Al-0.6Y；
或
Co-(34-36)Ni-(19-21)Cr-(10.5-12.5)Al-(0.08-0.4)Y-(0.1-0.5)Si，
特别是Co-35Ni-20Cr-11.5Al-0.2Y-0.3Si；
或
Ni-(11-13)Co-(20-22)Cr-(10-12)Al-(0.2-0.6)Y-(1-2)Re，
特别是Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-1.5Re；
但是各自具有根据权利要求4或权利要求5的改变的铝(Al)和/或铬(Cr)的含量，且其中所述基础成分镍(Ni)或钴(Co)平衡所述差异。
12.根据上述任何一个权利要求的层系统，
其中所述外金属层(13)比所述内金属层(10)薄，
特别是薄10％，
非常特别是薄20％。
13.根据上述任何一个权利要求的层系统，
其包含
内陶瓷(19)层和
外陶瓷(22)层。
14.根据权利要求13的层系统，
其中只有所述内陶瓷层(19)是纳米结构的。
15.根据权利要求13或14的层系统，
其中所述内陶瓷层(19)比所述外陶瓷层(22)薄，
特别是薄至少10％，
非常特别是薄至少20％。
16.根据权利要求13、14或15的层系统，
其中所述内陶瓷层(19)具有至多100μm的厚度。
17.根据权利要求13、14、15或16的层系统，
其中所述内陶瓷层(10)具有至少10μm的厚度，
特别是至少20μm。
18.根据权利要求13、14、15、16或17的层系统，
其中内陶瓷层(19)具有3vol％至14vol％、特别是9vol％至14vol％的孔隙率。
19.根据所述权利要求13至18中任一项的层系统，
其中所述上层(13)具有至多30vol％、特别是＞15vol％至30vol％孔隙率。
20.根据所述权利要求13至19中任一项的层系统，
其中所述两个陶瓷层(10、13)的所述材料是相同的，
特别是稳定的氧化锆，
非常特别是氧化钇稳定的氧化锆。
21.根据权利要求13至20中任一项的层系统，
其中所述内陶瓷层(10)的所述材料包含氧化锆，
特别是存在氧化钇稳定氧化锆。
22.根据权利要求13至21中任一项的层系统，
其中所述外陶瓷层(13)的材料与所述内陶瓷层(10)的材料不同，
特别是所述外陶瓷层(13)具有烧绿石结构。
23.根据权利要求13至22中任一项的层系统，
其中所述纳米结构层(10)的至少90％的晶粒的最大晶粒尺寸是500nm，
特别是所有的晶粒尺寸小于500nm，
尤其特别是小于300nm。
24.根据权利要求13至23中任一项的层系统，
其中所述内层(10)的所述晶粒尺寸为至少50nm，
特别是≥100nm，
非常特别是≥200nm。
25.根据权利要求13至24中任一项的层系统，
其中所述陶瓷层(16)由两个层(10、13)组成。
26.根据权利要求13至25中任一项的层系统，
其中所述外陶瓷层(13)具有至少70％晶粒尺寸大于10μm，
特别是至少90％大于10μm。
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