CN102900472A - 用于保护高温机械构件的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于保护高温机械构件的系统和方法。一种系统包括设置成限定气体通道的多个构件。至少一个构件包括在其上方设置涂层的含硅基底，并且涂层包括暴露于气体通道的抗凹入材料。硅源被设置成与气体通道流体连通且被构造成输送到气体通道，以在在涂层上方的气体通道中流动的气体中维持在从约1.8×10-4ppm至约1ppm的范围内的硅质量浓度。一种相关方法包括：在气体通道内引导燃烧气体流，该气体通道由多个构件限定，其中至少一个构件包括在其上方设置涂层的含硅基底，涂层包括暴露于气体通道的抗凹入材料；以及将含硅材料从硅源输送到气体流，硅源被设置成与气体通道流体连通以在涂层上方的气体流内维持在从约1.8×10-4ppm至约1ppm的范围内的硅质量浓度。

Description

用于保护高温机械构件的系统和方法
技术领域
本发明涉及在燃烧气体环境中的含硅材料，并且更特定而言，涉及一种减少或防止在诸如工业陆上涡轮机、飞行器发动机、柴油发动机和热交换器中遇到的高温燃烧气体环境中的二氧化硅和含硅材料的材料损耗的方法。
背景技术
诸如碳化硅或氮化硅的硅基单片陶瓷和包括连续纤维增强的陶瓷复合物的含硅复合物是用于诸如燃气涡轮机、飞行器发动机和热交换器用零构件的高温结构应用的有吸引力的候选材料。然而，这些应用的环境特性常常包含诸如水蒸气的反应性物质，其在高温下已显示为导致含硅材料中显著的表面凹入(recession)和质量损失。水蒸气在高温下与结构材料反应而形成挥发性的含硅物质，这常常导致不可接受的高凹入率。
已经开发出用于减轻含硅物质的高温降解的各种方法。例如，美国专利6,517,341描述了一种用于通过将硅喷入含硅构件在其中使用的燃烧气体环境中而减少这种降解的方法。环境中增加的硅水平抑制了在含硅构件的表面发生的化学反应。该方法可导致废气流中稍微增加的粒子浓度。
用于减轻含硅材料的凹入的其它方法包括涂层的涂布。环境隔离涂层(EBC)被涂布到易于受到诸如高温水蒸气的反应性物质侵蚀的含硅材料和其它材料；EBC通过禁止环境和材料表面之间的接触而提供保护。涂布到例如含硅材料的EBC被设计成在高温含水蒸汽环境中在化学上是相对稳定的。
如美国专利No. 6,410,148中描述的一种说明性的常规EBC系统包括：涂布到含硅基底的硅或二氧化硅粘结层；沉积在粘结层上方的包括莫来石或莫来石-碱土铝硅酸盐混合物的中间层；以及沉积在中间层上方的包括碱土铝硅酸盐的顶层。第二类EBC包括包含稀土硅酸盐化合物的表涂层(参见例如美国专利No. 6,296,941、No. 6,312,763和No. 6,759,151)。这些陶瓷涂层系统在某些情况下可能对于减轻降解有效，但在一些条件下可能易于开裂和剥落。
因此，在本领域中仍然需要在减轻构件降解的同时能在高温下操作的系统和相关方法。
发明内容
提供本发明的实施例以满足这些和其它需要。一个实施例是一种系统。该系统包括设置成限定气体通道的多个构件。至少一个构件包括含硅基底，在该含硅基底上方设置涂层，并且涂层包括暴露于气体通道的抗凹入材料。硅源设置成与气体通道流体连通且构造成被输送至气体通道,以在在涂层上方的气体通道中流动的气体中维持从约1.8×10-4ppm至约1ppm的范围内的硅质量浓度。
另一个实施例是一种方法。该方法包括：在气体通道内引导燃烧气体流，该气体通道由多个构件限定，其中，至少一个构件包括含硅基底，在含硅基底上方设置涂层，该涂层包括暴露于气体通道的抗凹入材料；以及将含硅材料从硅源输送到气体流，该硅源被设置成与气体通道流体连通，以在涂层上方的气体流内维持在从约1.8×10-4ppm至约1ppm的范围内的硅质量浓度。
附图说明
当参考附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些及其它的特征、方面和优点将变得更好理解，在所有图中类似的标记表示类似的部分，在附图中：
图1是示出根据本发明的实施例的系统的示意性框图；
图2是根据本发明的实施例的系统的构件的示意性剖视图；
图3是根据本发明的实施例的系统的构件的示意性剖视图；以及
图4是根据本发明的实施例的系统的构件的示意性框图。
符号标记：
10     系统
20     构件
30     气体通道
40     基底
50     涂层
60     硅源
200   阻挡层
210   中间层
230   粘结层
300   含稀土二硅酸盐层
310   包括铝硅酸盐的层
320   第二层
330   包括稀土单硅酸盐的层
400   燃烧器
410   空气输入
420   燃料输入
430   燃烧室
440   燃烧气体。
具体实施方式
如在整个说明书和权利要求中所用的近似语言可用于修饰任何定量表示，这些定量表示可容许变化而不会导致其相关的基本功能变化。因此，由诸如“约”的一个或多个术语修饰的值并不限于所指定的精确值。在一些情况下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精度。单数形式“一”、“一个”和“该”包括多个指代物，除非上下文清楚地表示不是这样；并且，由“或”结合的替代方案不应理解为限制所列项目或互相排斥的替代方案，除非明确陈述不是这样。因此，“A或B”的描述设想涉及A的实施例、涉及B的实施例、以及涉及A和B两者的实施例。
涡轮机通常具有用于从流过气体通道的热气体抽取能量的不止一排(“级”)构件。当气体经过连续的级时，气体膨胀至更大体积，并且气体温度降低。以上提及的US 6,517,341的喷射方法可导致气体内增加的二氧化硅或其它粒状形成物。这些粒状物可沉积在比燃烧构件或较早级涡轮机械构件更冷的较后级构件上，从而通过结垢潜在地降低这样的构件的空气动力学效率。
铝硅酸盐基EBC的使用寿命受到铝硅酸盐材料的挥发/凹入率的限制。为了确保例如在1300℃的材料表面温度下32,000小时的足够的使用寿命，材料的厚度通常较大，例如500-800微米。当厚度增加时，导致过早的EBC开裂和剥落的加工缺陷的可能性也增加。因此，这类EBC被限制到其中标称材料表面温度小于约1300℃的应用。包括稀土硅酸盐化合物的EBC在较宽使用温度范围内具有足够的抗挥发性/抗凹入性，但可具有在加工和热处理后易于形成缺陷的复杂结构。
本发明的实施例解决了上述缺点，并且利用了抗凹入EBC和抑制涂层材料凹入的环境之间的协同配合。
参见图1，一个实施例为包括设置成限定气体通道30的多个构件20的系统10。在一个实施例中，系统10为燃气涡轮机组件或这样的组件的一部分，并且因此，在这样的实施例中，气体通道30设置在燃气涡轮机组件内。至少一个构件20包括含硅基底40。涂层50设置在基底40上方。涂层50包括暴露于气体通道30的抗凹入材料。在一个实施例中，基底40包括碳化硅、氮化硅或者硅化钼；并且在特定实施例中，包括包含碳化硅的陶瓷基质复合材料。构件20的示例包括燃气涡轮机组件的构件，例如燃烧衬里、护罩、涡轮机叶片、涡轮机静叶或者过渡件。
系统10还包括设置成与气体通道30流体连通的硅源60。硅源60被构造成在适当情况下例如通过足够的体积、位置、组分和计量而在在气体通道30中流动的气体内维持在从约1.8×10-4ppm至约1ppm的范围内的硅质量浓度。该硅质量浓度显著低于US 6,517,341中描述的浓度。
系统10优于常规保护系统的一个优点是其使用比本领域常规涂布的涂层薄得多的涂层的潜力。由于在涂层50上方流动的气体的较高硅活性，凹入率可显著低于在不存在硅喷射的情况下预期的水平。在凹入率较低的情况下，可以涂布较薄的涂层以实现长使用寿命。在一个实施例中，涂层50具有多达约250微米的厚度。在某些实施例中，厚度甚至更小，例如多达约125微米，并且在特定实施例中，涂层厚度多达约50微米。这种薄涂层的使用可以减轻以上针对常规设计的涂层所述的加工缺陷的风险。
系统10的另一个优点是其使用非常低的硅喷射浓度。由于抗凹入涂层50的存在，硅浓度水平可以比US 6,517,341中描述的水平低多达49/50。这种较低硅水平的使用可以降低由喷射的源材料的消耗造成的成本。其也可以降低较后级构件结垢的风险，因为在本系统中粒状形成物的量可以明显更低。
上述优点是协同的，因为薄涂层和低喷射硅水平的组合提供了超出两者中任一者自身可提供的优点。
涂层50包括抗凹入材料，这是指在高温下，例如在涡轮机械和其它高温应用中标称地使用的那些温度下，耐受与水蒸气的反应的材料。在一些实施例中，涂层50包括硅酸盐。硅酸盐的一个示例是铝硅酸盐。在一些实施例中，抗凹入材料包括碱土铝硅酸盐。在特定实施例中，碱土铝硅酸盐包括诸如钡或锶的碱土元素。这样的实施例包括其中抗凹入材料包括铝硅酸钡锶的那些。硅酸盐的另一个示例为稀土二硅酸盐。如本文所用，稀土二硅酸盐可包括镧系元素、钇或钪中的任一种。在特定实施例中，抗凹入材料包括二硅酸钇、二硅酸镱、或掺镱二硅酸钇。
涂层50可以是单层，或者在一些实施例中可包括多层。将会意识到，抗凹入材料未必位于将暴露于气体通道30中的气体的涂层50的最外层中；因此，在一些实施例中，抗凹入材料可设置在外层下方，但仍可经由(多个)外层中的裂缝、孔等暴露于在系统10的操作期间在气体通道30内流动的气体的一部分。还将意识到，在涂层50包括多层的情况下，抗凹入材料可存在于不止一层中。在一些实施例中，如图2所示，涂层50包括多个层，包括阻挡层200和设置在阻挡层200与基底40之间的中间层210。阻挡层200包括抗凹入材料。在一些实施例中，中间层210包括稀土硅酸盐(例如，二硅酸盐)、碱土铝硅酸盐(例如，铝硅酸钡锶)、或莫来石。在存在或不存在中间层210的情况下，可将粘结层230设置在基底40上。粘结层230通常包括硅；粘结层材料的示例包括元素硅、氧化硅和硅化物化合物。
也可使用更复杂的涂层布置。作为一种可能的示例，特定实施例在图3中示出。粘结层230设置在基底40上方。包括稀土二硅酸盐的层300设置在粘结层230上方，并且包括诸如铝硅酸钡锶的铝硅酸盐的层310设置在层300上方。包括稀土二硅酸盐的第二层320设置在层310上方。在一些实施例中，包括稀土单硅酸盐的层330设置在层320上方。然而，在某些条件下，未必涂布稀土单硅酸盐涂层(例如，层330)，因为由喷射的含硅材料赋予下面的层(例如层300、310、320)的保护可能足以消除对于通常由稀土单硅酸盐赋予的高抗凹入性的需要。因此，虽然这些实施例的范围不应被理解为排除对层330的使用，但可以预想，在本文所述技术的许多应用中，在维持足够保护水平的同时，可以取消层330。
涂层50(在适当时包括构件层)可通过多种技术制备。用于制备本文所述类型的涂层的常用且熟知的技术的示例包括等离子喷涂、化学气相沉积、物理气相沉积以及浆料涂布技术。
在系统10的操作期间，硅源60向流动通道30提供某种形式的硅。源60被设置成与气体通道30流体连通，以使得含硅材料能够从源喷入气体通道30中。源60因此可直接连接到气体通道30。在一些实施例中，如图4所示，多个构件20包括燃烧器400，燃烧器400被设置成：接收空气输入410和燃料输入420；在燃烧室430中燃烧来自燃料输入420的燃料；以及将燃烧气体440，即燃烧的气体排放产物，输送到气体通道30。硅源60可与空气输入410流体连通以允许喷入空气进气中；与燃料输入420流体连通；或者与燃烧室430流体连通，以在硅源材料存在的情况下允许燃烧发生。对于其中硅源60作为燃料中的添加剂存在的实施例，并且对于其中源60保持与燃料分离且当燃料行进至燃烧器400时喷入燃料中的实施例，源60可以称为与燃料输入420流体连通。
在一个实施例中，源60包括元素硅或含硅化合物，并且源60可包括固体、液体或气体。通常希望添加来自源60的硅或含硅化合物作为氢氧化硅，其处于导致硅的快速挥发的形式。硅化合物可以作为溶液中的有机化合物或作为可乳化的浆料添加到液体燃料。可用于添加到燃料的有机化合物的示例为硅氧烷，例如但不限于八甲基环四硅氧烷和六甲基二硅氧烷。这两种化合物均为在环境空气中存在水蒸气的情况下具有良好稳定性的低粘度液体。
含硅化合物可以例如通过在压缩机(未示出)下游和刚好在燃烧器400之前喷射来自源60的含硅材料而加入到用于燃烧的空气中，这可以提供快速挥发。也可以将它们直接加入从燃烧器400离开的燃烧气体中。源60的含硅化合物可处于将易于挥发的有机化合物的形式或细粒状含硅化合物的浆料的形式，例如但不限于氧化硅、硅、碳化硅、氮化硅、硼化硅、以及它们的混合物。可用于源60的材料的另外的示例包括硅氧烷、硅烷、二氧化硅、硅酮、碳化硅、氮化硅、氧化硅、硅酸盐和砂。具有26.5℃的沸点的四甲基硅烷可直接添加到天然气燃料。以上所述硅氧烷(八甲基环四硅氧烷和六甲基二硅氧烷)具有比四甲基硅烷更高的沸点；这些硅氧烷可以作为液体喷入空气输入410中。该技术也将包括预混合预蒸发概念，其中，燃料和含硅材料预蒸发，然后在燃烧发生之前经受蒸发的燃料/含硅材料与压缩空气的预混合。此外，分散在水中的胶态二氧化硅或其它含硅颗粒可以直接喷射到空气输入410中。
喷射或混合到燃烧气体中所需的硅的水平为形成足够浓度的诸如Si(OH)4的氢氧化硅产物的量，以便显著减小或消除用于挥发在涂层50的抗凹入材料中存在的二氧化硅的热力学驱动力。缓解或防止材料损耗所需的在涂层50上流动的气体中的硅浓度随着压力、温度、水蒸气浓度以及与按化学计量燃烧的接近度而增加。这类计算的细节和示例在US 6,517,341中示出，该专利通过引用并入本文中。由于二氧化硅的活性在涂层50的抗凹入材料中比在无涂层部分中低得多，如US 6,517,341中所描述的，减轻凹入所需的硅的结果水平明显更低。
本发明的一个实施例是一种方法。该方法包括将诸如燃烧气体流的气体流沿着诸如以上所述和图1中描绘的气体通道30的气体通道引导。如前所述，气体通道30由多个构件20限定，并且这些构件20中的至少一个包括含硅基底40。涂层50设置在基底40上方。涂层50包括暴露于气体通道30的抗凹入材料。该方法还包括将含硅材料输送到气体流30。含硅材料来自硅源60，该硅源60被设置成与气体通道30流体连通，以将硅质量浓度维持在从约1.8×10-4ppm至约1ppm的范围内。以上对系统10的描述适用于本文所述方法的各种实施例，因为在一些实施例中，系统10可应用于实施该方法的实施例。在一些实施例中，基底40的温度为至少约500℃，并且可以为至少约1000℃；在特定实施例中，温度为至少约1200℃。
在某些实施例中，通过在燃烧器400中接受空气输入410(图4)和燃料输入420并在燃烧器400的燃烧室430中燃烧燃料而产生燃烧气体流440从而部分地引导气体流。如上所述，通过在诸如空气输入410、燃料输入420、燃烧室430或燃烧气体流440本身的任何方便的点喷射材料，可以将来自硅源60的含硅材料输送到气体流。  
将会意识到，在气体流中维持期望硅浓度的各种方法是可能的，并且部分地取决于将硅喷入气体流中的方式。例如，在要把含硅材料添加到燃料的情况下，燃料中的浓度可部分取决于预期燃料流量；在要把硅材料喷入空气输入410中的情况下，喷射速率可部分取决于源60中硅的浓度和空气喷入燃烧器400中的速率。用于确定和控制适当流量和浓度的计算和设备是本领域的技术人员容易获得的。
示例
提供以下示例，以进一步说明本发明的实施例，而不应理解为限制如本文所述的范围。
燃气涡轮发动机的热气体通道构件包括陶瓷基质复合材料(CMC)，其包括处于1315℃(2400℉)的典型操作温度的碳化硅。在特定的一组操作条件下，在不存在包括抗凹入材料的保护涂层的情况下，根据US 6,517,431，可通过以燃料中按重量计大约20 ppm(wppm) Si的浓度或空气中大约0.6 wppm Si的浓度喷射合适的含Si有机物质来保护CMC。当含Si气体通过经过发动机而冷却时，其变得Si过饱和，并且发动机的较冷部分可能经历SiO2沉积，并有伴随的结垢。另一方面，根据US 6,410,148，CMC可由环境隔离涂层保护，该涂层具有包括铝硅酸盐的阻挡层。为了防止该层在预期使用寿命内通过与含水蒸气的燃烧气体反应而损失，阻挡层可能不得不为500-800微米厚。这样的厚涂层存在开裂或剥落的风险，并且在部件的使用寿命期间损失保护功能。可通过燃料中大约0.5 wppm或空气中0.017 wppm的Si喷射水平来保护铝硅酸盐阻挡层。在这种低的Si喷射水平下，燃烧气体在经过发动机时的随后冷却将不会导致SiO2沉积在翼型件或这种沉积可能有害的其它区域上。此外，由于通过喷射的Si完全或很大程度地保护铝硅酸盐阻挡层不与水蒸气反应，该阻挡层可以更薄，例如，125微米或者甚至50微米厚，并且显著减轻了由于加工或使用中缺陷而开裂和剥落的风险。
虽然本文仅仅示出和描述了本发明的某些特征，但本领域的技术人员会想到许多修改和变化。因此，将会理解，所附权利要求意图涵盖落在本发明的真正精神内的所有这样的修改和变化。

Claims (18)

1.一种系统(10)，包括：
      多个构件(20)，所述多个构件(20)被设置成限定气体通道(30)，其中，至少一个构件(20)包括含硅基底(40)，在所述含硅基底(40)上方设置涂层(50)，所述涂层(50)包括暴露于所述气体通道(30)的抗凹入材料；和
      硅源(60)，所述硅源(60)被设置成与所述气体通道(30)流体连通且被构造成被输送到所述气体通道(30)，以在在所述涂层(50)上方的所述气体通道(30)中流动的气体中维持在从约1.8×10-4ppm至约1ppm的范围内的硅质量浓度。
2.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述涂层(50)具有多达约50微米的厚度。
3.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述抗凹入材料包括硅酸盐。
4.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述抗凹入材料包括稀土二硅酸盐。
5.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述抗凹入材料包括碱土铝硅酸盐。
6.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述涂层(50)包括多个层。
7.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述硅源(60)包括元素硅或含硅化合物。
8.根据权利要求7所述的系统(10)，其特征在于，所述硅源(60)包括硅氧烷、硅烷、二氧化硅、硅酮、碳化硅、氮化硅、氧化硅、硅酸盐或砂。
9.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述多个构件(20)包括燃烧器(400)，所述燃烧器(400)被设置成接收空气输入(410)和燃料输入(420)、在燃烧室(430)中燃烧所述燃料以及将燃烧气体(440)输送到所述气体通道(30)，其中，所述硅源(60)与所述空气输入(410)、所述燃料输入(420)、所述燃烧室(430)或者所述燃烧气体(440)流体连通。
10.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述基底(40)包括碳化硅、氮化硅或硅化钼。
11.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，包括所述涂层(50)的所述构件(20)为燃烧衬里、护罩、涡轮机叶片、涡轮机静叶或者过渡件。
12.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述气体通道(30)被设置在燃气涡轮机组件内。
13.一种方法，包括：
      在气体通道(30)内引导燃烧气体(440)流，所述气体通道(30)由多个构件(20)限定，其中，至少一个构件(20)包括含硅基底(40)，在所述含硅基底(40)上方设置涂层(50)，所述涂层(50)包括暴露于所述气体通道(30)的抗凹入材料；以及
      将含硅材料从硅源(60)输送到所述气体流，所述硅源(60)被设置成与所述气体通道(30)流体连通，以在所述涂层(50)上方的所述气体流内维持在从约1.8×10-4ppm至约1ppm的范围内的硅质量浓度。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，引导包括在燃烧器(400)中接受空气输入(410)和燃料输入(420)并在所述燃烧器(400)的燃烧室(430)中燃烧所述燃料而产生所述燃烧气体(440)流；并且其中，输送包括将来自所述硅源(60)的所述含硅材料喷入所述空气输入(410)、所述燃料输入(420)、所述燃烧室(430)或者所述燃烧气体(440)流中。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述涂层(50)具有多达约50微米的厚度。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述抗凹入材料包括硅酸盐。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述硅源(60)包括硅氧烷、硅烷、二氧化硅、硅酮、碳化硅、氮化硅、氧化硅、硅酸盐或砂。
18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述基底(40)包括陶瓷基质复合材料，所述陶瓷基质复合材料包括碳化硅。
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