CN105443165A - 可磨耗密封件及用于形成可磨耗密封件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有金属基底和金属基底上的多层陶瓷涂层的可磨耗密封件。多层陶瓷涂层包括沉积在金属基底上的基础层、上覆第一层的可磨耗层，以及上覆第二层的磨损层。磨损层由磨损材料形成。还公开了一种涡轮系统及用于形成可磨耗密封件的方法。
Description
技术领域
本发明针对制造可磨耗密封件的方法。更具体而言，本发明针对形成具有可磨耗和磨损性质的可磨耗密封件的方法。
背景技术
许多系统(诸如燃气轮机中的那些)经历热、机械和化学上恶劣的环境。例如，在燃气轮机的压缩机部分中，环境空气压缩至10到25倍的大气压力，且在该过程中绝热地加热至大约800℉到大约1250℉。该加热和压缩的空气引导至燃烧器，在该处，其与燃料混合。燃料点燃，且燃烧过程将气体加热至很高的温度，超过大约3000℉。这些热气体经过涡轮，在该处，固定到旋转的涡轮盘上的翼型件获得能量来驱动涡轮的风扇和压缩机，且穿过排气系统，在该处，气体提供足够能量来使发电机转子旋转以产生电力。热气体的紧密密封和精确引导的流提供操作效率。为了在涡轮中实现此紧密密封，密封件和精确引导的流可能难以制造且是昂贵的。
在运转期间，涡轮外壳(护罩)关于旋转叶片保持固定。通常，最高效率可通过维持护罩与叶片末梢之间的最小阈值空隙来实现，以由此防止轮叶的末梢之上的热气体的不必要的"泄漏"。增大的空隙导致泄漏问题，且引起燃气涡轮发动机的总体效率的显著下降。
已经做出了尝试以使隙距最小化来改善效率，同时避免涡轮叶片末梢上的过度磨损。例如，一些常规的涡轮发动机包括环形密封节段上的热障涂层(TBC)。陶瓷材料由于其耐高温能力和低导热性而通常用作TBC材料。已知的可磨耗涂层系统使用TBC，其设计成使得涂层的一部分将在由涡轮叶片接触时磨掉，以防止对涡轮叶片的破坏。TBC还将下覆的涡轮构件与运转期间存在的热气体(其可高于2000华氏温度)隔离。TBC将下覆的涡轮构件的温度维持在显著较低的温度下。
由于叶片末梢与护罩之间的空隙可在护罩的整个圆周上不均，故使得维持足够的空隙而没有显著效率损失的需要更困难。不均匀是由一定数目的因素引起，包括加工期间的加工公差、堆叠公差，以及起因于变化的热质量和热反应的不均匀膨胀。这样的不均匀导致了涡轮叶片的长度的变化和其对可磨耗涂层上的冲击，导致了可磨耗涂层的非均匀磨损。已知的系统针对叶片末梢的不均匀性而极小化间隙和设计，同时避免了对涡轮叶片末梢的破坏。
带有可磨耗涂层的另一个常见问题在于在持续的暴露于涡轮发动机运转温度之后涂层经由烧结而降级。可磨耗涂层的烧结显著地降低了可磨耗涂层在由涡轮叶片的末梢接触时剪切的能力。对于高温运转，氧化钇稳定的二氧化锆(YSZ)失去稳定，且涂层的侵蚀和可磨耗性质降低。
因此，存在对一种可磨耗涂层的需要，其解决不均匀的叶片长度，向下覆的基底提供足够的绝热，允许可磨耗涂层在运转条件下的磨损，保持粘合到基底上，以及提供更加长期的可靠性和改善的运转效率。不遭受上述缺陷中的一个或更多个的可磨耗密封件和用于形成可磨耗密封件的方法将是本领域中期望的。
发明内容
在一个实施例中，一种可磨耗密封件具有金属基底和金属基底上的多层陶瓷涂层。多层陶瓷涂层包括沉积在金属基底上的基础层、上覆第一层的可磨耗层，以及上覆第二层的磨损层。磨损层由磨损材料形成。
在另一个实施例中，一种涡轮系统具有多个旋转构件和可磨耗密封件。可磨耗密封件包括金属基底和金属基底上的多层陶瓷涂层。多层陶瓷涂层包括沉积在连结涂层上的基础层、上覆第一层的可磨耗层，以及上覆第二层的磨损层。磨损层由磨损材料形成。旋转构件和可磨耗密封件布置和设置成将可磨耗密封件与旋转构件接触。
在另一个实施例中，一种用于形成可磨耗密封件的方法。该方法将多层陶瓷涂层沉积在金属基底上。多层陶瓷涂层包括沉积在连结涂层上的基础层、上覆第一层的可磨耗层，以及上覆第二层的磨损层。磨损层由磨损材料形成。
本发明的第一技术方案提供了一种可磨耗密封件，包括：金属基底；以及金属基底上的多层陶瓷涂层，多层陶瓷涂层包括：基础层，其沉积在金属基底上，可磨耗层，其上覆第一层，以及磨损层，其上覆第二层，其中所述磨损层由磨损材料形成。
本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，还包括在基底与多层陶瓷涂层之间的连结涂层。
本发明的第三技术方案是在第二技术方案中，连结涂层为MCrAlX上覆涂层。
本发明的第四技术方案是在第一技术方案中，基础层包括陶瓷材料层，其材料选自以下构成的集合：以二氧化铈稳定的氧化锆、以氧化镁稳定的氧化锆、以氧化钙稳定的氧化锆、以氧化钇稳定的氧化锆，以及它们的混合。
本发明的第五技术方案是在第一技术方案中，基础层包括氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，其包括大约7wt%到大约8wt%的氧化钇。
本发明的第六技术方案是在第五技术方案中，基础层包括具有密集竖直微裂缝的微观结构。
本发明的第七技术方案是在第一技术方案中，可磨耗层包括大约18wt%到大约20wt%的氧化钇的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。
本发明的第八技术方案是在第七技术方案中，可磨耗层包括具有密集竖直微裂缝的微观结构。
本发明的第九技术方案是在第一技术方案中，可磨耗层包括Yb4Zr3O12。
本发明的第十技术方案是在第九技术方案中，可磨耗层包括具有密集竖直微裂缝的微观结构。
本发明的第十一技术方案是在第一技术方案中，可磨耗层布置成几何图案。
本发明的第十二技术方案是在第九技术方案中，几何图案为菱形图案。
本发明的第十三技术方案是在第九技术方案中，几何图案为凸脊图案。
本发明的第十四技术方案是在第一技术方案中，磨损材料是包括大约7wt%到大约8wt%的氧化钇的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。
本发明的第十五技术方案是在第一技术方案中，基础层和磨损层由相同材料形成。
本发明的第十六技术方案提供了一种涡轮系统，包括：多个旋转构件；可磨耗密封件，其包括：金属基底；以及金属基底上的多层陶瓷涂层，多层陶瓷涂层包括：基础层，其沉积在连结涂层上，可磨耗层，其上覆第一层，以及磨损层，其上覆第二层，其中磨损层由磨损材料形成；其中旋转构件和可磨耗密封件布置和设置成使可磨耗密封件与旋转构件接触。
本发明的第十七技术方案提供了一种用于形成可磨耗密封件的方法，包括：将多层陶瓷涂层沉积在金属基底上，多层陶瓷涂层包括：基础层，其沉积在连结涂层上，可磨耗层，其上覆第一层，以及磨损层，其上覆第二层，其中磨损层由磨损材料形成。
本发明的第十八技术方案是在第十七技术方案中，还包括使多层陶瓷涂层与旋转构件接触。
本发明的第十九技术方案是在第十七技术方案中，构件为涡轮叶片。
本发明的第二十技术方案是在第十七技术方案中，沉积包括在可磨耗层中形成几何图案。
本发明的其它特征和优点将从连同的附图的优选实施例的以下更详细描述中清楚，附图通过示例示出了本发明的原理。
附图说明
图1显示了根据本公开内容的实施例的具有可磨耗密封件的示例性涡轮布置。
图2显示了根据本公开内容的实施例的具有定位在基底上的多层的示例性密封件布置。
图3示出了根据本公开内容的实施例的由可磨耗密封件提供的旋转构件的磨损。
图4显示了侵蚀数据，其显示对于各种YSZ稳定层的比较侵蚀速率。
图5显示了侵蚀数据，其显示对于各种YSZ稳定层的比较侵蚀速率。
只要可能，相同的参考标号将遍及附图用于表示相同的部分。
具体实施方式
提供了一种可磨耗密封件和用于制造具有可磨耗和磨损性质的可磨耗密封件的工艺。相比于未能包括本文公开的特征中的一个或更多个的类似构想，本公开内容的实施例提供了带有包括具有不均匀叶片长度的系统的涡轮系统的紧密密封。此外，根据本公开内容的可磨耗密封件维持绝热性质，允许了可磨耗涂层的磨损，且在涡轮系统的运转条件期间保持粘合到基底上，提供了燃气轮机的更加长期的可靠性和改善的运转效率。
图1显示了沿旋转的中心轴线的方向看的燃气轮机系统100的涡轮区段的示意性截面视图。燃气轮机系统100包括围绕转子103的诸如涡轮护罩的静止构件101。静止构件101为相对于旋转构件保持在固定位置的任何适合的构件。
可磨耗密封件105设置在静止构件101上。旋转构件107附接到转子103上。旋转构件107为适合的涡轮轮叶或涡轮叶片。用语“叶片”和“轮叶”在本文中互换使用。旋转构件107在转子103旋转期间接触或接近接触可磨耗密封件105。
图2显示了根据实施例的可磨耗密封件105的截面示意图。可磨耗密封件105由金属基底203上的多层陶瓷涂层201构成。如本文所使用的，用语“金属的”旨在包含金属、合金、复合金属、金属间化合材料，或它们的任何组合。在一个实施例中，基底203包括不锈钢或为不锈钢。在另一个实施例中，基底203包括镍基合金或为镍基合金。其它适合的合金包括但不限于钴基合金、铬基合金、碳钢和它们的组合。适合的金属包括但不限于钛、铝和它们的组合。在一个实施例中，金属基底203设置在静止构件101的内表面处，内表面为面对转子103的表面。然而，金属基底203不限于此，且包括其它适合的表面。在图2中所示的实施例中，可磨耗密封件105包括在多层陶瓷涂层201与金属基底之间的连结涂层205。连结涂层205包括例如MCrAlY，其中M为镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)或它们的一些组合，或Beta-NiAl的金属间化合物。连结涂层205可由诸如但不限于诸如CoCrAlY、NiCrAlY、CoNiCrAlY的粉末和含铼的版本的材料及其它适合的材料形成。
上覆连结涂层205的多层陶瓷涂层201包括基础层207。基础层207包括热障涂层材料。热障涂层材料包括例如硅铝钡锶或用氧化钇部分稳定的氧化锆。在一个实施例中，基础层207包含少于大约10wt%的氧化钇，或大约6wt%到大约8wt%的氧化钇，或大约7wt%到大约8wt%的氧化钇。尽管氧化钇公开为适合的稳定剂，但其它稳定剂同样可使用，诸如氧化铒、氧化钆、氧化钕、氧化镱、氧化镧和/或氧化镝。用6wt%到8wt%的氧化钇部分稳定YSZ(例如，小于大约10wt%的YSZ)在经历高温热循环时与包含更高量的氧化钇的YSZTBC相比导致了更大粘合和抗分裂层。此外，部分稳定的YSZ(例如，小于大约10wt%YSZ)比完全稳定的YSZ(例如，大约20wt%的YSZ)有更大抗侵蚀性。基础层207提供粘合涂层，其抗烧结和分离。在一个实施例中，基础层207包括本文中称为密集竖直微裂缝(DVC)的微观结构。例如在美国专利号5,073,433；5,520,516；5,830,586；5,897,921；5,989,343和6,047,539中公开了热喷涂DVCTBC，这些专利各自通过引用以其整体并入本文中。基础层的适合厚度包括小于大约75mil、从大约1mil到大约75mil，或从大约5mil到大约50mil。
图2中还显示了，多层陶瓷涂层201包括上覆基础层207的可磨耗层209。可磨耗层209包括陶瓷热障涂层材料，且具有低到足以在与旋转构件107接触时允许可磨耗层209的侵蚀和/或磨损的硬度。类似于基础层207，可磨耗层209的热障涂层材料包括例如用氧化钇、氧化镁、氧化钙或其它稳定剂部分地或完全地稳定的铝硅钡锶或氧化锆。在一个实施例中，可磨耗层209包括作为稳定剂的氧化钇，且包含至少15wt%的氧化钇和达到大约22wt%的氧化钇，或大约18%到大约20%的氧化钇。在一个实施例中，可磨耗层209包括Yb4Zr3O12。其它氧化剂同样可使用，诸如氧化铒、氧化钆、氧化钕、氧化镱、氧化镧和/或氧化镝。在一个实施例中，可磨耗层209包括具有密集竖直裂缝的氧化钇稳定的二氧化锆(YSZ)或Yb4Zr3O12。用于磨损层211的适合厚度包括从大约25mil到大约75mil、从大约40mil到大约60mil，或大约50mil。此外，可磨耗层209为抗热的，且在燃气轮机运转条件下保持可磨耗性和导热性的性质。完全稳定的YSZ(例如，包括大约20wt%的氧化钇的氧化锆)提供了低导热性材料，例如，相对于部分稳定的YSZ(例如，带有大约8wt%氧化钇的YSZ)提供20%到30%或25%到30%或大约30%的较低导热性，且在与旋转构件107接触时提供较大可磨耗性。在一个实施例中，可磨耗层209包括DVC微观结构。如本文使用的，“可磨耗”和“可磨耗性”意思是材料具有磨损或侵蚀的性质来在与旋转构件107接触时形成摩擦路径，而有很少或没有对旋转构件的破坏。
在一个实施例中，可磨耗层209沉积成几何图案。几何图案布置成提供密封和磨损性质。“几何图案”意思是可磨耗层209以升高或突出部分从下覆层沉积，形成了重复且从上方可见的图案。几何图案可包括诸如但不限于菱形、凸脊、六边形、椭圆形、圆形、三角形、矩形或其它适合的几何图案的图案。在一个实施例中，几何图案的升高或突出部分在下覆层上方延伸达等于或小于大约0.065英寸，或者等于或小于大约0.035英寸，或者等于或小于大约0.015英寸的距离。
多层陶瓷涂层包括上覆可磨耗层209的磨损层211。磨损层211包括热障涂层材料。在一个实施例中，磨损层211具有足够的硬度以磨损与磨损层211接触的旋转构件。如本文使用的，“磨损”意思是材料具有在与旋转构件107接触时侵蚀或磨损旋转构件107的性质。类似于基础层107，磨损层211的热障涂层材料包括例如铝硅钡锶或用氧化钇部分稳定的氧化锆。在一个实施例中，磨损层211包含小于大约10wt%的氧化钇，或大约7wt%到大约8wt%的氧化钇。尽管氧化钇公开为适合的稳定剂，但其它稳定剂同样可使用，诸如氧化铒、氧化钆、氧化钕、氧化镱、氧化镧和/或氧化镝。磨损层211构造成使旋转构件107与静止构件101之间的间隙极小化，且有选择地磨损由于长度的不均匀性而冲击在层上的旋转构件，特别是在涡轮构件处于不同膨胀状态时，诸如在热再启动期间。磨损的量或速率将取决于旋转构件107的不均匀性的量。磨损涂层的厚度为提供磨损性质的足够厚度，且允许侵蚀掉来露出可磨耗层209。磨损层211的适合厚度包括小于10mil、从大约1mil到大约10mil，或从大约1mil到大约5mil。在一个实施例中，磨损层211包括DVC微观结构。在一个实施例中，磨损层211包括多孔结构。在一个实施例中，磨损层211包括与基础层207相同的材料。在另一个实施例中，磨损层211包括不同于基础层207的材料。
图3显示了诸如在燃气轮机启动时利用可磨耗密封件105的方法。如图3中所示，旋转构件107包括在磨损层211处接触可磨耗密封件105的末梢区域301。在旋转构件107接触磨损层211时，旋转构件107的末梢区域301被磨损。此外，磨损层211被侵蚀离开可磨耗密封件105。在进一步旋转后，旋转构件107进一步接触可磨耗层209，且在可磨耗层209内磨损密封路径。末梢区域301的磨损改变叶片的长度，使得叶片长度变为更均匀。叶片长度的更大均匀性导致了旋转构件107与可磨耗密封件105之间的小间隙或没有间隙。
基础层207，可磨耗层209和磨损层211的沉积可由已知用于沉积TBC材料的任何适合的沉积工艺来提供。适合的工艺包括通过热喷涂(例如，空气等离子喷涂(APS)和高速氧火焰(HVOF)喷涂和诸如电子束物理汽相沉积(EBPVD))的物理汽相沉积(PVD)技术的沉积。用于沉积基础层207、可磨耗层209和磨损层211的一个特别适合的工艺在美国专利号5,073,433中公开。由于该过程，基础层207、可磨耗层209和磨损层211中的每一个都包含垂直微裂缝，优选每表面的线性英寸上至少二十五个裂缝，其中至少一些微裂缝完全延伸穿过外层至其与下覆层的界面。
图4和5显示了侵蚀数据，其显示了各种YSZ稳定层的比较侵蚀速率。如图4中所示，具有密集竖直微裂缝(DVC)的8wt%的YSZ(8YSZ)的侵蚀基本低于20wt%氧化钇稳定的氧化锆和Yb4Zr3O12(YbZirc)。图5显示了等效温度下的侵蚀速率，其中8YSZ相比于20YSZ和Yb4Zr3O12在暴露至较高温度时开始较大侵蚀。如图所示，在根据本公开内容的布置中8YSZ和20YSZ(或Yb4Zr3O12)的组合在可磨耗层209中提供可磨耗性(即，侵蚀)，以及带有高温稳定性的磨损层211的期望磨损性质。
尽管参照了一个或更多个实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将理解的是，可作出各种改变且等同物可替代其元件，而不脱离本发明的范围。此外，可制作出许多修改来将特定情形或材料适于本发明的教导内容，而不脱离其实际范围。因此，意图的是本发明不限于公开为执行本发明构想出的最佳模式的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。此外，详细描述中标识的许多数值将解释为精确和近似值两者都明确地标识。
Claims (10)
1.一种可磨耗密封件，包括：
金属基底；以及
所述金属基底上的多层陶瓷涂层，所述多层陶瓷涂层包括：
基础层，其沉积在所述金属基底上，
可磨耗层，其上覆第一层，以及
磨损层，其上覆第二层，
其中所述磨损层由磨损材料形成。
2.根据权利要求1所述的磨损密封件，其特征在于，还包括在所述基底与所述多层陶瓷涂层之间的连结涂层。
3.根据权利要求2所述的可磨耗密封件，其特征在于，所述连结涂层为MCrAlX上覆涂层。
4.根据权利要求1所述的可磨耗密封件，其特征在于，所述基础层包括陶瓷材料层，其材料选自以下构成的集合：以二氧化铈稳定的氧化锆、以氧化镁稳定的氧化锆、以氧化钙稳定的氧化锆、以氧化钇稳定的氧化锆，以及它们的混合。
5.根据权利要求1所述的可磨耗密封件，其特征在于，所述基础层包括氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，其包括大约7wt%到大约8wt%的氧化钇。
6.根据权利要求5所述的可磨耗密封件，其特征在于，所述基础层包括具有密集竖直微裂缝的微观结构。
7.根据权利要求1所述的可磨耗密封件，其特征在于，所述可磨耗层包括大约18wt%到大约20wt%的氧化钇的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。
8.根据权利要求7所述的可磨耗密封件，其特征在于，所述可磨耗层包括具有密集竖直微裂缝的微观结构。
9.根据权利要求1所述的可磨耗密封件，其特征在于，所述可磨耗层包括Yb4Zr3O12。
10.根据权利要求9所述的可磨耗密封件，其特征在于，所述可磨耗层包括具有密集竖直微裂缝的微观结构。
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