CN103874784A - 基于氧化锆的陶瓷双层 - Google Patents

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Abstract

通过使用基于氧化锆的双层的陶瓷层实现了简单的、但是非常有效的热屏蔽层系统，所述陶瓷层不仅是部分稳定的而且是完全稳定的。

Description

基于氧化锆的陶瓷双层
技术领域
本发明涉及一种基于氧化锆的双层的陶瓷层系统。
背景技术
使用氧化锆作为涡轮叶片上的单层是已知的。同样已知的是使用具有内部的氧化锆层和外部的基于烧绿石的氧化层的多个陶瓷层。
发明内容
本发明的目的是，进一步改进并且简化现有的陶瓷覆层。
所述目的通过根据权利要求1所述的陶瓷层系统来实现。
在从属权利要求中列举其它有利的措施，所述措施能够任意地彼此组合，以便实现其它的优点。
附图说明
附图示出：
图1示出层系统，
图2示出超合金的列表，
图3示出涡轮叶片，
图4示出燃烧室，以及
图5示出燃气轮机。
附图和说明书仅代表本发明的实施例。
具体实施方式
在图1中示出根据本发明的层系统1的示例。这种层系统能够用于在高温中使用的构件120、130、155（图3、4）。这尤其是用于飞机、燃气轮机100（图5）和/或蒸汽轮机的涡轮叶片120、130，燃烧室块（Brennkammernsteine）155。
层系统1具有基底4。这优选是金属的并且具有镍基或钴基超合金。特别地，使用根据图2的超合金。
在基底4上可选地存在金属的增附和抗腐蚀保护层7。这在不同的变型方案中能够是铝层或者优选是MCrAlX层（X可选地=Y、Re、Si、Ta、Fe，…）。
在运行时（TGO）或者优选提前在MCrAlX层7上或者在基底4上形成氧化铝层，所述氧化铝层有助于防止氧化（未示出）。
在金属的增附层7或者基底4上存在优选分别基于氧化锆的两层的陶瓷层15，也就是说，氧化锆的重量份额为至少50%、特别是至少60%。
陶瓷层10，13具有不同的特性。下部的基于氧化锆的陶瓷层10优选是部分稳定的。部分稳定优选能够通过具有已知份额的氧化钇来实现，所述氧化钇的份额优选在4重量%和12重量%之间。相应于用于部分稳定的已知的添加物的、其它的——单独的或者附加的——已知的稳定剂同样是可行的，例如氧化镁和/或其它的氧化物。
外部的陶瓷层13优选是完全稳定的氧化锆层。完全稳定同样优选通过具有相应的更高份额的氧化钇来实现，所述份额优选位于20重量%和50重量%之间，特别是在30重量%和40重量%之间。相应于用于部分稳定的已知的添加物的、其它的——单独的或者附加的——已知的稳定剂同样是可行的，例如氧化镁和/或其它的氧化物。
这种陶瓷双层系统具有如下优点，即通过外部的层13的完全稳定的系统能够实现非常高的使用温度，因为对于整个温度范围而言C相在这个系统中是稳定的。因此在上部的层13中不出现相阶跃。
由于在内部的陶瓷层10上的较低的温度和层10、13的类似的化学的体系，存在陶瓷层10、13相互间的良好结合。同样，由于稳定剂、特别是钇的高的份额而可行的是，吸收稳定剂的损耗并且稳定地将体系保持在C-相范围中。
这两个层10、13优选具有>16%的孔隙度，优选从16%至24%的孔隙度。
外部的层13比下部的层10厚至少20%、特别是至少30%。优选地，层厚度比（10/13）为1/3到2/3.
下部的陶瓷层10优选具有直至500微米的厚度。第二陶瓷层13优选具有直至1000微米的厚度。
图3在立体图中示出流体机械的沿着纵轴线121延伸的转子叶片120或导向叶片130。
所述流体机械能够是飞机的或用于发电的发电厂的燃气轮机、蒸汽轮机或压缩机。
叶片120、130沿着纵轴线121相继具有：固定区域400、邻接于固定区域的叶片平台403以及叶身406和叶片梢部415。
作为导向叶片130，叶片130能够在其叶片梢部415处具有另一平台（没有示出）。
在固定区域400中形成有用于将转子叶片120、130固定在轴或盘（没有示出）上的叶片根部183。叶片根部183例如构成为锤头形。作为枞树形根部或燕尾形根部的其他设计方案是可行的。
叶片120、130对于流过叶身406的介质具有迎流棱边409和出流棱边412。
在传统的叶片120、130中，在叶片120、130的所有区域400、403、406中使用例如实心的金属材料、尤其是超合金。
例如从EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、WO99/67435或WO00/44949中已知这样的超合金。
在这种情况下，叶片120、130能够通过铸造法，也能够借助定向凝固、通过锻造法、通过铣削法或其组合来制造。
将带有一个或多个单晶结构的工件用作机器的在运行时承受高的机械的、热的和/或化学的负荷的构件。
这种单晶工件的制造例如通过由熔融物的定向凝固来进行。在此，这涉及一种浇注法，其中液态金属合金凝固为单晶结构、即单晶工件，或者定向凝固。在这种情况下，枝状晶体沿热流定向，并且形成柱状晶体的晶粒结构（柱状地，也就是说在工件的整个长度上分布的晶粒，并且在此根据一般的语言习惯称为定向凝固），或者形成单晶结构，也就是说整个工件由唯一的晶体构成。在这些方法中，必须避免过渡成球形（多晶的）凝固，因为通过非定向的生长不可避免地构成横向和纵向晶界，所述横向和纵向晶界使定向凝固的或单晶的构件的良好特性不起作用。
如果一般性地提到定向凝固组织，则是指不具有晶界或最多具有小角度晶界的单晶和确实具有沿纵向方向分布的晶界但不具有横向晶界的柱状晶体结构。第二种所提到的晶体结构也称为定向凝固组织（directionallysolidified structures）。由US-PS6,024,792和EP0 892 090A1已知这样的方法。
叶片120、130同样可以具有抗腐蚀或抗氧化的覆层，例如（MCrAlX：M是下述组的至少一种元素，所述组即：铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）；X是活性元素并且代表钇（Y）和/或硅和/或稀土的至少一种元素或者铪（Hf））。这些合金从EP0 486 489B1、EP0 786 017B1、EP0 412 397B1或者EP1 306 454A1中已知。密度优选地是理论密度的95%。在（作为中间层或最外层的）MCrAlX层上形成保护性氧化铝层（TGO=thermalgrown oxide layer（热生长氧化层））。
优选地，层组成成分具有Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si或者Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y。除了这些钴基的保护覆层，优选也使用镍基的保护层，如Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re或者Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-2Re或者Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1.5Re。
在MCrAlX上还能够存在隔热层，隔热层优选是最外层并例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2组成，即隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。隔热层覆盖整个MCrAlX层。通过例如电子束气相淀积（EB-PVD）的适当的覆层方法在隔热层中产生柱状晶粒。
其他覆层方法也是可以考虑的，例如大气等离子喷涂（APS）、LPPS（低压等离子喷涂）、VPS（真空等离子喷涂）或CVD（化学气相沉积）。隔热层能够具有多孔的、有微观裂缝或宏观裂缝的晶粒，以达到更好的耐热冲击性。因此，隔热层优选地比MCrAlX层更为多孔。
再处理（Refurbishment）意味着在使用构件120、130之后，必要时必须将保护层从构件120，130上去除（例如通过喷砂）。接着，去除腐蚀层和/或氧化层及腐蚀产物和/或氧化产物。必要时，也还修复在构件120、130中的裂缝。然后，进行构件120、130的再覆层以及构件120、130的重新使用。
叶片120、130能够实施成空心的或实心的。如果要冷却叶片120、130，则叶片为空心的并且必要时还具有薄膜冷却孔418（由虚线表示）。
图4示出燃气轮机的燃烧室110。燃烧室110例如构成为所谓环形燃烧室，其中多个在周向上围绕旋转轴线102设置的燃烧器107通到共同的燃烧室腔154中，所述燃烧器产生火焰156。为此，燃烧室110的整体构成为环形的结构，所述环形的结构围绕旋转轴线102定位。
为了实现相对高的效率，针对为大约1000℃至1600℃的工作介质M的相对高的温度来设计燃烧室110。为了即使在这些对材料不利的工作参数的情况下也能够实现相对长的工作持续时间，燃烧室壁153在其朝向工作介质M的一侧上设有由热屏蔽元件155形成的内衬。
每个由合金构成的热屏蔽元件155在工作介质侧配备有尤其耐热的保护层（MCrAlX层和/或陶瓷覆层）或者由耐高温的材料（实心陶瓷石）制成。
所述保护层能够类似涡轮叶片，即例如MCrAlX表示：M是下述组的至少一种元素，所述组即：铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）；X是活性元素并且代表钇（Y）和/或硅和/或稀土的至少一种元素或者铪（Hf）。这些合金从EP0 486 489B1、EP0 786 017B1、EP0 412 397B1或者EP1306 454A1中已知。
在MCrAlX上还能够存在例如陶瓷的隔热层，并且隔热层例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2构成，即隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。通过例如电子束气相淀积（EB-PVD）的适当的覆层工艺在隔热层中产生柱状晶粒。其他覆层工艺，例如气相等离子喷涂（APS）、LPPS、VPS或CVD也是可行的。隔热层能够具有多孔的、有微观裂缝或宏观裂缝的晶粒，以达到更好的耐热冲击性。
再处理（Refurbishment）意味着，在使用热屏蔽元件155之后，必要时必须将保护层从热屏蔽元件155上去除（例如通过喷砂）。接着，去除腐蚀层和/或氧化层或腐蚀产物和/或氧化产物。必要时，还修复在热屏蔽元件155中的裂缝。然后，进行热屏蔽元件155的再覆层以及热屏蔽元件155的重新使用。
由于在燃烧室110内部中的高温，此外可为热屏蔽元件155或者为其保持元件设有冷却系统。那么，热屏蔽元件155例如是空心的或者必要时还具有通到燃烧室腔154中的冷却孔（没有示出）。
图5示例性地示出燃气轮机100的纵向剖面图。燃气轮机100在内部中具有带有轴101的、可围绕旋转轴线102转动地安装的转子103，该转子也称为涡轮机转子。沿着转子103依次为：进气壳体104；压缩机105；例如环状的燃烧室110，尤其为环形燃烧室，带有多个同轴设置的燃烧器107；涡轮机108；和排气壳体109。环形燃烧室110与例如环形的热气体通道111连通。在那里例如四个相继设置的涡轮级112形成涡轮机108。
每个涡轮级112例如由两个叶片环形成。沿工作介质113的流动方向观察，在热气体通道111中，由转子叶片120形成的排125跟随导向叶片排115。
在此，导向叶片130固定在定子143的内壳体138上，而该排125的转子叶片120例如借助涡轮盘133安装在转子103上。发电机或者做功机械（没有示出）耦联在转子103上。
在燃气轮机100工作期间，压缩机105通过进气壳体104将空气135吸入并且压缩。在压缩机105的涡轮侧端部处提供的压缩空气被引至燃烧器107并且在那里与燃料混合。接着混合物在燃烧室110中燃烧，从而形成工作介质113。工作介质113从那里起沿着热气体通道111流过导向叶片130和转子叶片120。工作介质113在转子叶片120处以传递动量的方式膨胀，使得转子叶片120驱动转子103，并且该转子驱动耦联在其上的做功机械。
暴露于热工作介质113的构件在燃气轮机100工作期间承受热负荷。除了加衬于环形燃烧室110的热屏蔽元件之外，沿工作介质113的流动方向观察的第一涡轮机级112的导向叶片130和转子叶片120承受最高的热负荷。为了经受住那里存在的温度，能够借助于冷却剂来冷却所述第一涡轮机级的导向叶片和转子叶片。同样，构件的基底能够具有定向结构，也就是说它们是单晶的（SX结构）或仅具有纵向定向的晶粒（DS结构）。例如，铁基超合金、镍基超合金或钴基超合金用作构件的材料，尤其是用作涡轮叶片120、130的和燃烧室110的构件的材料。例如从EP1 204 776B1、EP1 306 454、EP1 319 729A1、WO99/67435或WO00/44949中已知这样的超合金。
同样地叶片120、130能够具有防腐蚀的覆层（MCrAlX：M是下述组的至少一种元素，所述组即：铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）；X是活性元素并且代表钇（Y）和/或硅和/或钪（Sc）和/或至少一种稀土元素或者铪（Hf））。这些合金从EP0 486 489B1、EP0 786 017B1、EP0 412397B1或者EP1 306 454A1中已知。
在MCrAlX上还可以有隔热层，并且隔热层例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2构成，即，隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。通过例如电子束气相淀积（EB-PVD）的适当的覆层方法在隔热层中产生柱状晶粒。
导向叶片130具有朝向涡轮机108的内壳体138的导向叶片根部（这里没有示出），以及与导向叶片根部相对置的导向叶片顶部。导向叶片顶部朝向转子103并固定在定子143的固定环140处。

Claims (11)

1.一种层系统（1），
所述层系统至少具有：
基底（4），
分别基于氧化锆的至少双层的陶瓷层（10，13，15），所述陶瓷层具有层（10，13）的不同的特性，
特别是仅双层的陶瓷层（10，13），
可选地具有在基底（4）和陶瓷层（10，13，15）之间的金属的增附层（7）。
2.根据权利要求1所述的层系统，
其中外部的、特别是最外部的所述陶瓷层（13）具有完全稳定的氧化锆。
3.根据权利要求1或2所述的层系统，
其中下部的、特别是最下部的陶瓷层（10）具有部分稳定的氧化锆。
4.根据权利要求1至3中一项或多项所述的层系统，
所述层系统至少使用氧化钇作为氧化锆的稳定剂，
特别是仅使用氧化钇。
5.根据权利要求1至4中一项或多项所述的层系统，
其中所述金属的增附层（7）具有MCrAlX合金，
X是可选择的，
特别是元素钇（Y）或者铼（Re）中的至少一种。
6.根据权利要求1至5中一项或多项所述的层系统，
对于所述陶瓷层（10，13，15）而言其孔隙度为至少16%，
特别是在16%和24%之间。
7.根据权利要求1至6中一项或多项所述的层系统，
其中所述陶瓷层（10，13）的所述孔隙度是相同的。
8.根据权利要求1至7中一项或多项所述的层系统，
其中上部的所述陶瓷层（13）比下部的所述陶瓷层（10）厚至少20%，特别是30%。
9.根据权利要求1至8中一项或多项所述的层系统，
其中下部的所述氧化锆层（10）的氧化钇份额在4重量%和12重量%之间。
10.根据权利要求1至9中一项或多项所述的层系统，
其中上部的所述氧化锆层（13）的氧化钇份额在20重量%和50重量%之间，
特别是在30重量%和40重量%之间。
11.根据权利要求1至10中一项或多项所述的层系统，
其中陶瓷仅具有氧化锆和一种或多种稳定剂。
CN201280050468.0A 2011-10-13 2012-08-07 基于氧化锆的陶瓷双层 Pending CN103874784A (zh)

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