CN104514583A - 陶瓷基体复合材料部件、涡轮机系统和制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷基体复合材料部件、涡轮机系统和制造方法。所述陶瓷基体复合材料(CMC)部件包括CMC材料，在所述CMC材料上的环境阻挡涂层(EBC)，和施用于所述EBC上的硬磨损涂层。所述涡轮机系统包括具有硬磨损涂层的可旋转CMC部件和静态涡轮机部件，所述静态涡轮机部件具有可磨损涂层，所述可磨损涂层排列和设置为由碳化硅材料切削。所述制造方法包括距离所述静态涡轮机部件预定距离设置所述可旋转CMC，以及旋转所述可旋转CMC部件。所述可旋转CMC部件上的硬磨损涂层切削所述静态涡轮机部件上的可磨损涂层。

Description

陶瓷基体复合材料部件、涡轮机系统和制造方法
技术领域
本发明涉及制造部件和使用制造部件的方法。更特别地，本发明涉及一种施用至陶瓷基体复合材料(CMC)部件的磨损涂层。
背景技术
燃气轮机被持续改变，以提供增加的效率和性能。这些改变包括在更高温度和更严苛条件下操作的能力，这通常需要材料改性和/或涂层，以保护部件免于这种温度和条件。随着引入更多的改变，也认识到了另外的挑战。
用以增加性能和效率的一种改变涉及使涡轮机叶片尖端与涡轮机护罩之间的间隙达到最小。经最小化的间隙在某些功率瞬变过程中产生叶片尖端与护罩之间的摩擦。在CMC燃气轮机叶片尖端上使用的环境阻挡涂层(EBC)可被这些摩擦损坏。
对涡轮机叶片上的EBC的损坏可使下方的CMC暴露于高温燃烧气体，从而导致增加的挥发。增加叶片上的EBC厚度会增加叶片的重量，并降低涡轮机的效率和性能。此外，打开间隙以使摩擦达到最小也降低效率和性能。
本领域需要不遭受如上缺点的制造部件和使用制造部件的方法。
发明内容
在本发明的一个示例性实施例中，一种陶瓷基体复合材料(CMC)部件包括CMC材料，施用于所述CMC材料上的环境阻挡涂层(environmental barrier coating)，和施用于所述环境阻挡涂层上的硬磨损涂层。
在本发明的另一示例性实施例中，一种涡轮机系统包括可旋转CMC部件，所述可旋转CMC部件具有CMC材料，施用于所述CMC材料上的环境阻挡涂层(EBC)，和施用于所述EBC上的硬磨损涂层。所述涡轮机系统还包括静止涡轮机部件，所述静止涡轮机部件具有与所述可旋转CMC部件相邻排列和设置的可磨损涂层，所述可磨损涂层由所述可旋转涡轮机部件的硬磨损涂层切削。
在本发明的另一示例性实施例中，一种制造方法包括距离静止涡轮机部件预定距离而设置可旋转CMC部件，所述静止涡轮机部件包括可磨损材料。所述制造过程还包括旋转所述可旋转CMC部件，其中所述可旋转CMC部件上的硬磨损涂层切削所述静止涡轮机部件的可磨损材料。
根据与以举例的方式说明本发明的原理的附图结合的如下优选实施例的更详细的描述，本发明的其他特征和优点将显而易见。
附图说明
图1为涡轮机叶片的立体图。
图2为涡轮机系统的示意图。
图3为旋转部分相对于静止部分的干扰方式(interference pattern)的示意图。
只要有可能，将在整个附图中使用相同的附图标记以表示相同的部分。
具体实施方式
本发明提供了一个示例性陶瓷基体复合材料部件、涡轮机系统和制造方法。相比于未使用本说明书公开的一个或多个特征的方法和产品，本说明书公开的实施例使用减少的环境阻挡涂层(EBC)材料、减少了对EBC的损坏、减少了修理、减少了陶瓷基体复合材料(CMC)挥发、减少了尖端间隙、增加了涡轮机效率，或它们的组合。
参照图1，在一个实施例中，可旋转CMC部件101包括CMC材料102、施用于CMC材料102上的EBC 104，和施用于EBC 104上的硬磨损涂层106。可旋转CMC部件101为可能经历挥发(volatilization)和/或摩擦磨损的任何合适的部件，例如，但不限于浆叶(blade)或叶片。叶片可为无护罩叶片或护罩叶片。硬磨损涂层106为，例如，但不限于如下的材料：碳化硅(SiC)、SiO2、立方氮化硼(CBN)，或它们的组合。CMC材料102的例子包括，但不限于，碳纤维增强的碳(C/C)、碳纤维增强的碳化硅(C/SiC)、碳化硅纤维增强的碳化硅(SiC/SiC)，和氧化铝纤维增强的氧化铝(Al2O3/Al2O3)。相比于整体陶瓷结构，CMC具有增加的伸长率、断裂韧性、热冲击、动态载荷能力和各向异性性质。然而，在无环境涂层的情况下，CMC可在燃气轮机操作过程中挥发。
例如，在1500°F以上的温度下，水蒸气与CMC材料102化学反应。水蒸气与CMC材料102中的硅和碳反应，以分别产生氢氧化硅(SiOH)和二氧化碳(CO2)。通过水蒸气与CMC材料102之间的反应而形成的SiOH和CO2缓慢气化或挥发。在1500°F以上操作超过许多小时，则CMC材料102由外至内得以去除。
EBC 104保护CMC材料102免于可导致CMC材料102的挥发或劣化的水蒸气、热量和其他燃烧气体。在一个实施例中，EBC 104降低或排除水蒸气与CMC材料102之间的化学反应的发生。EBC 104可为保护CMC材料102免于热的燃烧气体的任何合适的材料。合适的EBC材料包括但不限于硅酸铝锶钡(BSAS)、多铝红柱石(mullite)、氧化钇稳定的氧化锆(yttria-stabilized zirconia)，和它们的组合。
参照图1，在一个实施例中，硬磨损涂层106形成可旋转CMC部件101的最外层，其施用于一个或多个EBC 104上。硬磨损涂层106施用于在摩擦情况过程中经历磨损的可旋转CMC部件101的任何合适的部分。可旋转CMC部件101的合适的部分包括，但不限于，尖端部分103、平台界面、机翼与护罩之间的接触点、机翼与护罩轨道之间的接触点，或它们的组合。另外，硬磨损涂层106以任何合适的厚度施用，以降低或消除在深度摩擦过程中EBC 104的损失。合适的厚度包括，但不限于，约0.1密耳至约4密耳之间、约0.5至约3密耳之间、约1密耳至约2.5密耳之间、或它们的任意组合、子组合、范围或子范围。例如，在一个实施例中，硬磨损涂层106在尖端部分103的整个宽度和长度上延伸。在另一实例中，围绕尖端部分103的边缘、并向下至可旋转CMC部件101的径向延伸表面施用硬磨损涂层106，以提供增加的免于严苛条件的保护。
通过任何合适的沉积方法在EBC 104上施用硬磨损涂层106。例如，一个合适的沉积方法为物理气相沉积(PVD)。PVD在可旋转CMC部件101的EBC 104上冷凝汽化形式的硬磨损涂层106，以形成硬的薄的硬磨损涂层106。其他合适的沉积方法包括，但不限于，化学气相沉积(CVD)、空气等离子体喷涂(APS)、使用粉末或棒的燃烧喷涂、浆料涂布、溶胶凝胶、电泳沉积、流延成型，或它们的组合。在一个实施例中，SiC用作硬磨损涂层106。SiC粘附良好，因为SiC的热膨胀系数(CTE)良好匹配CMC材料102和EBC 104两者的CTE。EBC 104可施用至CMC材料102，并与CMC材料102接触。硬磨损涂层106可施用至EBC 104，并接触EBC 104。
参照图2，在一个实施例中，涡轮机系统100包括可旋转CMC部件101，如附接至可旋转构件107(如涡轮圆盘)的涡轮机叶片。CMC部件101和可旋转构件107远离中点131(如可旋转轴)延伸。在另一实施例中，多个可旋转CMC部件101围绕可旋转构件107设置，并远离中点131延伸。在一个实施例中，静态涡轮机部件120形成围绕可旋转构件107的周边，CMC部件101在可旋转构件107与静态涡轮机部件120之间。静态涡轮机部件120围绕中心部分131居中，并与可旋转构件107共享共同的中心点。可旋转CMC部件101的尖端部分103理想地与静态涡轮机部件120形成密封。
静态涡轮机部件120上的可磨损涂层122排列和设置为由可旋转CMC部件101切削。可磨损涂层122为基于静态涡轮机部件120材料和操作温度的任何合适涂层。在较低温度(至多大约2200°F)下用于金属静态涡轮机部件120的合适的可磨损涂层122包括，但不限于，具有通用形式MCrAlY的金属磨料，如NiCrAlY、CoCrAlY、FeCrAlY，或它们的组合。在一个实施例中，通过空气等离子体喷涂、丝电弧(wirearc)和燃烧喷涂、高速火焰熔射(high velocity oxy-fuel，HVOF)或它们的组合来施用金属磨料。
在较高温度(至少大约2200°F)下用于金属静态涡轮机部件120的合适的可磨损涂层122包括但不限于陶瓷磨料，如施用氧化钇(7或8YSZ)作为稳定剂的经部分稳定的氧化锆。在一个实施例中，用于较低温度应用的金属磨料和/或用于较高温度应用的陶瓷磨料在施用过程中最初含有聚酯组分(polyester component)。通过在空气中加热而烧尽聚酯组分，从而留下孔隙。孔隙使得可磨损涂层122在摩擦过程中与旋转的CMC部件101适形/相适配。在一个实施例中，金属可磨损涂层和陶瓷可磨损涂层中的至少一者还包括氮化硼作为固体润滑剂。
用于陶瓷静态涡轮机部件120的合适的可磨损涂层122包括但不限于硅酸盐。例如，在一个实施例中，在较低温度(至多大约2200°F)下操作的用于陶瓷静态涡轮机部件120的合适的可磨损涂层122为硅酸铝锶钡(BSAS)。作为另一例子，在一个实施例中，在较高温度(至少大约2201°F)下操作的用于陶瓷静态涡轮机部件120的合适的可磨损涂层122包括高稀土含量的硅酸盐，如Yb2O3Si2O7。
在一个实施例中，硅酸盐可磨损涂层122在施用过程中包含聚酯组分。通过在空气中加热而烧尽聚酯组分，从而留下有助于适形性的孔隙。在一个实施例中，通过空气等离子体喷涂、浆料涂布、溶胶凝胶、电泳沉积、流延成型或它们的组合而施用硅酸盐可磨损涂层122。
参照图3，在一个实施例中，制造方法200包括距离静态涡轮机部件120预定距离105设置可旋转构件107。可旋转构件107围绕中心点131旋转，从而旋转CMC部件101。在功率瞬变(power transients)过程中，预定距离105波动，从而产生尖端部分103与静态涡轮机部件120的可磨损涂层122之间的接触。硬磨损涂层106切削入可磨损涂层122中，从而形成通道201以在进一步的功率瞬变过程中减少接触。在一个实施例中，旋转方向203为顺时针。在另一实施例中，旋转方向203为逆时针(未显示)。
参照图1，在一个实施例中，硬磨损涂层106的硬度值高于EBC104的硬度值。硬度值表示材料承受接触而不被损坏的能力。例如，相比于EBC 104，具有比EBC 104更高的硬度值的硬磨损涂层106能够承受更深的摩擦。
在一个实施例中，当能量瞬变产生旋转CMC部件101与静态涡轮机部件120之间的接触时，在EBC 104上施用具有更高硬度值的硬磨损涂层106，以保护EBC 104免于被损坏。在一个实施例中，硬磨损涂层106为SiC，SiC具有2480的努普值(knoop value)(硬度)，且EBC 104具有小于2480的努普值。在一个实施例中，取决于EBC104的结构，EBC 104具有大约500至1800之间的努普值。结构要素包括层数、每一层的厚度、层组成/成分(composition)、施用方法/制程和所用的热处理。
例如，在一个实施例中，EBC 104仅能够承受至多约10密耳的尖端部分103与可磨损涂层122之间的接触。燃气轮机旋转部件承受远远超过10密耳的与静态部件的接触。超过10密耳的接触会劣化EBC104的结构和功能，同时有可能使基本材料(the base material)经受环境攻击。为了保护EBC 104，在EBC 104上施用硬磨损涂层106，从而在深度摩擦时减少或消除对EBC 104的损坏。
典型的涡轮机叶片运转条件包括水蒸气、在大约2,000°F至大约3,000°F范围内的温度下的燃烧的热气体。硬磨损涂层106在这些条件下逐渐挥发，从而暴露EBC 104。施用最小厚度的硬磨损涂层106使可旋转CMC部件101上的EBC 104与静态涡轮机部件120的可磨损涂层122之间的间隙达到最小。减少间隙可通过防止可旋转CMC部件101与静态涡轮机部件120之间的增加的空气流而增加系统的效率。
牺牲硬磨损涂层106在操作条件下挥发所消耗的时间为试运转期(break-in period)。在一个实施例中，试运转期为至多约100小时。在一个实施例中，试运转期为至少约100小时。试运转期(在试运转期过程中，硬磨损涂层106保持在尖端部分103中的EBC 104上)为足够的，使得硬磨损涂层106在功率瞬变过程中进行研磨，以产生深度摩擦。
在一个实施例中，对于预定时间，试运转期包括恒定的预定旋转速度。在一个实施例中，试运转期包括旋转速度的一个预定波动和/或一系列波动。预定旋转速度或旋转速度中的波动设定为在试运转期过程中引起功率瞬变。在试运转期过程中，制造过程200的功率瞬变使硬磨损涂层106接触并切削可磨损材料122。由硬磨损涂层106切削会在可磨损材料122中形成通道201。
硬磨损涂层106在整个试运转期内逐渐挥发，从而在静态可磨损材料与尖端部分103之间产生通道201。试运转期使静态部件与尖端部分103之间的通道201达到最小，而不损坏EBC 104，气体可围绕所述通道201渗漏。气体渗漏由于硬磨损涂层106的切削特性及其最小厚度而达到最小。在通道201与尖端部分103之间形成最小化的空间增加了涡轮机系统100的效率。另外，由于在硬磨损涂层106挥发之后的摩擦，通过由硬磨损涂层106切削而在静态可磨损材料中形成的通道201减少了对EBC 104的损坏。未受损的EBC 104提供给CMC材料102增加的挥发保护。
尽管参照优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员应了解，在不偏离本发明的范围下，可进行各种改变，且等同物可替代本发明的元件。另外，在不偏离本发明的基本范围下，可进行许多修改以使特定的情况或材料适合本发明的教导。因此，本发明不旨在局限于作为进行本发明的预期最佳模式而公开的特定实施例，而本发明将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种陶瓷基体复合材料部件，其包括：
陶瓷基体复合材料；
施用于所述陶瓷基体复合材料上的环境阻挡涂层；和
施用于所述环境阻挡涂层上的硬磨损涂层。
2.根据权利要求1所述的陶瓷基体复合材料部件，其特征在于，所述硬磨损涂层还包含碳化硅。
3.根据权利要求1所述的陶瓷基体复合材料部件，其特征在于，所述硬磨损涂层为最外层。
4.根据权利要求1所述的陶瓷基体复合材料部件，其特征在于，所述硬磨损涂层涂布所述部件的外表面。
5.根据权利要求1所述的陶瓷基体复合材料部件，其特征在于，所述硬磨损涂层通过物理气相沉积而施用。
6.根据权利要求1所述的陶瓷基体复合材料部件，其特征在于，所述硬磨损涂层通过化学气相沉积而施用。
7.一种涡轮机系统，其包括：
附接至圆盘的可旋转陶瓷基体复合材料叶片，所述可旋转陶瓷基体复合材料叶片具有陶瓷基体复合材料、施用于所述陶瓷基体复合材料上的环境阻挡涂层，和施用于所述环境阻挡涂层上的硬磨损涂层；和
静态涡轮机护罩，所述静态涡轮机护罩具有可磨损涂层，所述可磨损涂层排列和设置为由所述可旋转陶瓷基体复合材料叶片的硬磨损涂层切削。
8.根据权利要求7所述的涡轮机系统，其特征在于，所述静态涡轮机护罩围绕所述可旋转叶片形成周边。
9.根据权利要求7所述的涡轮机系统，其特征在于，多个可旋转陶瓷基体复合材料叶片周向附接至涡轮圆盘。
10.一种制造方法，其包括：
距离静态涡轮机部件预定距离设置可旋转陶瓷基体复合材料部件，所述静态涡轮机部件具有可磨损涂层，且所述可旋转部件具有施用于环境层上的硬磨损层；以及
旋转所述可旋转陶瓷基体复合材料部件；
其中，所述可旋转陶瓷基体复合材料部件上的硬磨损层切削所述静态涡轮机部件上的可磨损涂层。
11.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，功率瞬变使所述可旋转陶瓷基体复合材料部件接触所述可磨损涂层。
12.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，由所述可旋转陶瓷基体复合材料部件进行的切削在所述可磨损涂层中形成通道。
13.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述方法还包括试运转期。
14.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述试运转期为至多约100小时。
15.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述试运转期为至少100小时。
16.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述硬磨损层在预定的暴露于高温之后挥发。
17.根据权利要求16所述的制造方法，其特征在于，所述高温包括至少1,500°F。
18.根据权利要求16所述的制造方法，其特征在于，所述高温为至少2,900°F。
19.根据权利要求16所述的制造方法，其特征在于，所述硬磨损涂层挥发暴露所述环境阻挡涂层。
20.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述环境阻挡涂层具有比所述硬磨损涂层的硬度值更小的硬度值。
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