CN105593472A - 用于涡轮机的部件以及制造该部件的方法 - Google Patents

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Abstract

用于涡轮机的部件(1)及其制造方法，其中该部件包括内核(6)和布置在内核(6)上的第一热粘合涂层(11)，以及布置在第一热粘合涂层(11)上的第二热粘合涂层(12)。第一热粘合涂层(11)夹在内核(6)与第二热粘合涂层(12)之间。第二热粘合涂层(12)的第二工作温度(T2max)高于第一热粘合涂层(11)的第一工作温度(T1max)。

Description

用于涡轮机的部件以及制造该部件的方法
本发明涉及涡轮机领域，例如燃气轮机和蒸汽轮机，并且具体地涉及用于涡轮机的部件例如翼片，以及制造该部件的方法。
诸如燃气轮机或蒸汽轮机的涡轮机广泛地用于发电领域。在发电过程中，在涡轮机中的燃料经历燃烧，在燃烧过程中包含在燃料中的化学能被转换成机械能，此后机械能被转换成电能。在涡轮机内的燃料的燃烧是高度放热反应，由此生成大量的热(大于1173K)。因而，要求涡轮机及其各种部件在高温下工作以实现高的效率。
涡轮机的某些部件暴露在约1173K或更高的工作温度下。随着工作温度的升高，前述的涡轮机的部件面临较高的热载荷，以静态温度的形式或者以温度梯度的形式。为了克服高热载荷的严峻的影响，必须相应地提高涡轮机部件的温度耐久性。例如，与涡轮机的其他部件相比，涡轮机的诸如叶片或轮叶的部件面临较高的热载荷。
目前，使用热粘合涂层以向这些涡轮机部件提供对非常高的工作温度及由其引起的热载荷的隔离。通常，前述热粘合涂层包括金属粘合涂层、热生长氧化物以及陶瓷顶涂层。诸如涡轮叶片和涡轮轮叶的部件需要金属涂层作为粘合涂层或作为覆盖涂层。金属粘合涂层根据其厚度以及在涡轮机工作期间该金属粘合涂层所暴露的温度和持续时间而具有一定的寿命。
然而，可以获得不同品质并且具有不同特性的金属粘合涂层。涂覆有低品质粘合涂层的涡轮机的部件不应该在高热载荷条件下工作，这是因为低品质粘合涂层不能耐受这样高的热载荷，并且低品质粘合涂层会剥离或开裂。因此，低品质金属粘合涂层将不能够对暴露在高的工作温度下的部件提供必要的保护。然而，低品质粘合涂层仍足以保护暴露在较低温度(例如低于900℃的工作温度)下的部件。为了克服前述障碍，前述高温条件下使用高品质粘合涂层。然而，高品质粘合涂层比低品质粘合涂层更昂贵。因此，涂覆有高品质粘合涂层的部件及其涡轮机的制造成本显著增加。
因此，不仅需要优化制造成本，还需要实现粘合涂层的性能与制造成本之间的平衡，由此该粘合涂层可以应用于在涡轮机工作期间需要耐受高的热载荷的涡轮机部件。
本发明的一个目的是提供一种关于对提供最优性能的涡轮机部件进行粘合涂覆，并且还充分地保护涡轮机部件而不需要增加粘合涂覆的涡轮机部件的制造成本的解决方案。
通过根据权利要求1所述的用于涡轮机的部件以及根据权利要求13所述的用于制造该部件的方法实现了前述目的。
本发明的根本目的是减少制造成本并且优化用于涡轮机的部件的性能，特别是如果该部件暴露在非常高的工作温度下例如高于1173K的温度时的性能。为了实现前述目的，本文公开了包括双层热粘合涂层的部件，所述双层热粘合涂层包括两个不同的热粘合涂层。双层热粘合涂层结合了单个热粘合涂层的优点以提供部件的增强的耐久性和优异的性能。
前述用于涡轮机的部件包括具有外表面的内核。第一热粘合涂层被布置在内核的至少一部分上。此后第二热粘合涂层被布置在第一热粘合涂层上。第一热粘合涂层和第二热粘合涂层的布置为使得第一热粘合涂层夹在内核与第二热粘合涂层之间。此处，第二热粘合涂层的最大工作温度T2max高于第一热粘合涂层的最大工作温度T1max。第一热粘合涂层的化学组成与第二热粘合涂层的化学组成不同以提供不同的最大工作温度。
本文中最大工作温度指的是直至实现最大工作温度时涂层仍然完好的在内核上的温度，即涂层不被破坏或开裂或破裂。
然而，第一热粘合涂层可以布置在内核的整个范围上，并且此后第二热粘合涂层可以被布置在第一热粘合涂层上。于是，整个部件是以双层的方式热粘合涂覆的。另外，该部件可以是翼片，翼片安装于其上的平台部分等。
根据本发明的实施方案，第一热粘合涂层的厚度(t1)大于第二热粘合涂层的厚度(t2)。于是，如果第一热粘合涂层包括不昂贵的低品质粘合涂层材料并且第二热粘合涂层包括昂贵的高品质粘合涂层材料，则对降低部件的制造成本是有利的。
根据本发明的又一实施方案，第二热粘合涂层的厚度(t2)在10μm至100μm的范围内，第一热粘合涂层的厚度(t1)在100μm至300μm的范围内。前述第一热粘合涂层和第二热粘合涂层的厚度(t1和t2)对实现部件的最优的热性能和最优的成本降低是有利的。
根据本发明的另一实施方案，第一热粘合涂层能够吸收硫。于是，可以保护内核免受硫的侵蚀，这是因为硫被第一热粘合涂层吸收。因而，增加了部件的工作寿命。
根据本发明的又一实施方案，第一热粘合涂层的硫吸收系数大于第二热粘合涂层的硫吸收系数。这个特征有益于在即使由于硫侵蚀第二热粘合涂层而第二热粘合涂层耗尽的情况下也可提供对内核的增强的保护。
根据本发明的又一实施方案，存在于第一热粘合涂层中的铬的百分比大于存在于第二热粘合涂层中的铬的百分比。本文利用了铬吸收硫的能力。与第二热粘合涂层相比，第一热粘合涂层中较高的铬的百分比有益于在第二热粘合涂层耗尽的情况下提供对内核的增强的保护。
根据本发明的又一实施方案，第二热粘合涂层包括铼。铼增强部件的耐久性和耐磨性。另外地，由于铼的存在，部件能够暴露在较高的工作温度下。另外，由于铼的存在减少了部件的氧化。于是，增强了部件的工作寿命和部件的热性能。
根据本发明的又一实施方案，第一最大温度T1max小于或等于1173K，以及第二最大温度T2max大于1173K。
根据本发明的又一实施方案，在部件中包括外陶瓷涂层。外陶瓷涂层被布置在第二热粘合涂层上。外陶瓷涂层的布置为使得第二热粘合涂层夹在外陶瓷涂层与内核的一部分之间。由存在的外陶瓷核保护内核、第一热粘合涂层以及第二热粘合涂层。
根据用于制造根据任意前述实施方案的部件的方法，在内核上设置第一热粘合涂层，以及在第一热粘合涂层上设置第二热粘合涂层。
根据本发明的又一实施方案，通过在内核上覆盖第一热粘合涂层来在内核上设置第一热粘合涂层。通过在第一热粘合涂层上覆盖第二热粘合涂层来在第一热粘合涂层上设置第二热粘合涂层。
根据本发明的另一实施方案，可以通过以下任意工艺来设置粘合涂层的覆盖，即：电子束物理气相沉积、空气等离子体喷涂、高速火焰喷涂(HighVelocityOxygenFuel)、静电喷涂辅助气相沉积以及直接气相沉积。
现在将参照本发明的附图对本发明的涉及用于涡轮机的部件以及用于制造该部件方法的前述和其他实施方案进行描述。所示出的实施方案旨在是示例性的，并且不限制本发明。所附附图包含下面的图，其中贯穿说明书和附图，相同的附图标记指代相同的部分。
附图以示例的方式示出了本发明的实施方案的另一些实施例，其中：
图1示出了用于涡轮机的示例性部件的透视图；
图2示出了在图1中沿着部分II-II截取的所指出的部件的截面图；
图3示出了根据本发明的一个或更多个实施方案的在图2中所指出的部件的部分III；以及
图4示出了用于制造在图1中所指出的部件的方法的流程图。
在图1中示出了根据本发明的一个或更多个实施方案的用于涡轮机(未示出)的示例性部件1的透视图。
为了阐释本发明的目的，图1的部件1被认为是用于涡轮机的示例性翼片。本文中，翼片1可以是包括在涡轮机的转子部分(未示出)中的可旋转叶片或者翼片1可以是包括在涡轮机的定子部分(未示出)中的固定轮叶。
根据图1的翼片1被布置在平台部分2上并且平台部分2进一步附接于根部3。翼片1从平台部分2沿着径向向外的方向4延伸，并且径向向外的方向4通过参考箭头‘4’的方式示出。本文中，径向方向4垂直于涡轮机的转子的旋转轴。平台部分2和根部3帮助连续布置多个这样的翼片1，于是帮助制造用于涡轮机的定子部分和/或转子部分。
此处应该注意的是，前述涡轮机可以被制造成燃气轮机、蒸汽轮机、涡轮风扇等。所述涡轮机被用于发电领域，其中工作流体的化学能和/或机械能被转换成机械能和/或电能。
翼片1在前述涡轮机工作期间经受极高的温度(例如，大于1273K)。另外，翼片1能够经受极高的温度梯度，即变化的温度。因而，翼片1在其工作期间经受极高的热疲劳。除了前述热疲劳之外，翼片1由于翼片1的运动和/或经过翼片1的热气5的运动而经受机械疲劳。另外，翼片1经受与存在于燃料和/或工作流体中的各种化学物质和污染物的接触，其可以引起机械磨损、腐蚀等，从而导致翼片1的表面损坏、磨损和撕裂等。于是，经历了翼片1的工作寿命的减少。在下面的段落中，将对根据本发明的教导的能够增强翼片1的工作寿命的方式进行阐释。
在图2中示出了沿着部分II-II观看的翼片1的截面图。
翼片1包括内核6、热粘合涂层7以及外陶瓷涂层8。内核6可以是实心核或空心核，以及内核6可以由金属、合金、复合材料等制造。内核6包括外表面9，在外表面9上布置有热粘合涂层7。此后，在热粘合涂层7上布置外陶瓷涂层8。此处应该注意的是，热粘合涂层7夹在内核6与外陶瓷涂层8之间。
本文中，可以通过在内核6上覆盖热粘合涂层7来实现在内核6上布置热粘合涂层7的方式。可以通过利用以下任意公知的工艺来实现在内核6上覆盖热粘合涂层7，所述工艺例如：电子束物理气相沉积、空气等离子体喷涂、高速火焰喷涂、静电喷涂辅助气相沉积以及直接气相沉积等。前述的用于在内核6上覆盖热粘合涂层7的技术是本领域公知的，并且为了简便起见本文不再对其进行阐释。
此处应该注意的是，在图2中所示出的翼片1中，整个内核6用热粘合涂层7覆盖。然而，在不失一般性的情况下，还可以仅在内核6的某个区域上覆盖热粘合涂层7。此后，在覆盖在内核6的某个区域上的热粘合涂层7上覆盖外陶瓷涂层。前述区域可以根据对在翼片1工作期间可能经受的热应力、机械应力以及剥离的分析进行选择。例如，前述区域可以是容易经历非常高的热应力、机械应力和剥离的热点。
在图3中示出了包括内核6、热粘合涂层7以及外陶瓷涂层8的翼片1的放大部分10。
此处为了阐释图3的目的参照了前述附图。根据本发明，热粘合涂层7包括第一热粘合涂层11和第二热粘合涂层12。第一热粘合涂层11和第二热粘合涂层12为不同的粘合涂层。例如，热粘合涂层11和热粘合涂层12可以是金属粘合涂层。然而，第一热粘合涂层11和第二热粘合涂层12一起形成热粘合涂层7。
第一热粘合涂层11优选地布置在内核6的外表面9上，这可以例如通过借助任意前述工艺在内核6的外表面9上覆盖第一热粘合涂层11来实现。类似地，第二热粘合涂层12优选地布置在第一热热粘合涂层11上，其可以例如通过再次借助任意前述工艺在第一热粘合涂层11的外表面13上覆盖第二热粘合涂层12来再次实现。
此后，在第二热粘合涂层12的外表面14上覆盖外陶瓷涂层8。此处应该注意的是，第二热粘合涂层12夹在内核6与外陶瓷涂层8之间。
本文中，与包含在第一热粘合涂层11中的材料相比，第二热粘合涂层12包括优异品质的材料。相应地，包含在第二热粘合涂层12中的材料比包含在第一热粘合涂层11中的材料更贵。例如，第二热粘合涂层12可以包括：钴，24％至26％；铬，16％至18％；铝，9.5％至11％；钇，0.2％至0.4％；铼，1.2％至1.8％；余量包括镍。第一粘合涂层可以包括：镍，29％至31％；铬，27％至29％；铝，7％至8％；钇，0.5％至0.7％；硅，0.3％至0.7％Si；余量包括钴。
本文中应该注意的是，第一热粘合涂层11能够吸收硫，这是因为第一热粘合涂层11包括铬。在涡轮机工作期间，翼片1暴露于由在涡轮机中的燃料的燃烧生成的二氧化硫。翼片1暴露于硫可以导致材料的损坏，其可以阻碍翼片的工作。在这样的情况下，翼片的内核6由此可以免受由此产生的硫的侵蚀，这是因为第一热粘合涂层11被布置在内核6的外表面9上，并且第一热粘合涂层11能够吸收硫。
此处，应该注意的是，在第一热粘合材料11中的铬的百分含量优选地大于在第二热粘合材料12中的铬的百分含量。因此，第一热粘合涂层11的硫吸收系数大于第二热粘合涂层12的硫吸收系数，这是因为与第二热粘合涂层12相比，在第一热粘合涂层11中的铬的有效性增强。于是，能够增强对翼片1的内核6的保护，即使第二热粘合材料12由于前述的硫侵蚀而经受耗尽亦是如此。
本文中，“硫吸收系数”应该被理解为每单位质量的热粘合涂层材料所吸收的硫的质量比。
由于在翼片1的工作期间第二热粘合涂层12外表面14的氧化，在第二热粘合涂层12与外陶瓷涂层8之间可以形成热生长氧化物。该热生长氧化物会阻碍在第二热粘合涂层12与外陶瓷涂层8之间的粘合。根据本发明的示例性方面，由于与第一热粘合涂层11相比第二热粘合涂层12中的铝的百分含量较高，热生长氧化物的生长率会减小。在第二热粘合涂层12中的较高的铝百分含量有助于形成热力学稳定的α-氧化铝，并且减小热生长氧化物的生长率。
根据本发明的一个或更多个实施方案，第一热粘合涂层11和第二热粘合涂层12分别被优化为以在最高达第一最大温度T1max和第二最大温度T2max下工作。因为第二热粘合涂层12被布置在外陶瓷涂层8之下，并且因为第一热粘合涂层11被布置在第二热粘合涂层12之下，在翼片1工作期间与第一热粘合涂层11相比第二热粘合涂层12经受较高的热应力，这是因为第二热粘合涂层12靠近热气5。另外，与从第二热粘合涂层12向第一热粘合涂层11的传热延迟相比，从外陶瓷涂层8向第二热粘合涂层11的传热延迟较小。考虑到前述因素，第二最大温度T2max优选地高于第一最大温度T1max。因而，与第一热粘合涂层11相比，第二热粘合涂层12能够耐受较高的温度。
此处应该注意的是，第二热粘合涂层12能够在远大于1173K的温度下工作，并且包括SC2231的第一热粘合涂层11能够在小于1173K的温度下工作。
为了最优化热粘合涂层7的成本，根据本发明的一个或更多个实施方案，第一热粘合涂层11的厚度t1大于第二热粘合涂层12的厚度t2。第一热粘合涂层11的厚度t1在100μm至300μm的范围内，而第二热粘合涂层12的厚度t2在10μm至100μm的范围内。优选地，200μm厚的第一热粘合涂层11和10μm至100μm厚的第二热粘合涂层12是针对翼片1的热粘合涂层7的最优配置。除了前述优点之外，如果第一热粘合涂层11的厚度t1大于第二热粘合涂层12的厚度t2，则翼片1的内核6在较大程度上可受保护，这是因为与第二热粘合涂层12相比，第一热粘合涂层11将能够吸收更多的硫，于是减少了第一热粘合涂层12的耗尽。于是延长了翼片1的工作寿命。
另外，此处应该注意的是，第二热粘合涂层12被布置为在第一热粘合涂层11上的粗糙层。第二热粘合涂层12的粗糙性有助于实现与外陶瓷涂层8的增强的粘合，从而增强翼片1的刚性。
在翼片工作期间可能经历的在外陶瓷涂层8中发生裂纹的情况下，第二热粘合涂层12暴露于工作流体，以及在涡轮机中所使用的燃料。燃料、工作流体、及其污染物会引起第二热粘合涂层12的氧化和剥离，从而导致第二热粘合涂层12的耗尽。这种现象会随后露出第一热粘合涂层11以及之后内核6，从而导致翼片1的逐步劣化。为了防止第二热粘合涂层12的耗尽和所产生的劣化，根据本发明的另一实施方案，第二热粘合涂层12包括铼。铼有助于第二热粘合涂层12在非常高的工作温度下工作，例如最高达2500℃。即，可以增强第二最大温度T2max。另外，铼还阻止水蒸气，这对防止第二热粘合涂层12的氧化和腐蚀是有利的。另外，铼的优异的耐磨性为第二热粘合涂层12提供了强度和耐久性。
在图4中示出了根据本发明的一个或更多个实施方案的用于制造翼片1的方法的流程图100。
在步骤110中，设置翼片1的内核。在步骤120中，在内核6的一部分10上设置第一热粘合涂层11。可以通过借助任意前述工艺在内核6的外表面9上覆盖第一热粘合涂层11来设置第一热粘合涂层11。在步骤130中，在第一热粘合涂层11上设置第二热粘合涂层12。可以通过借助任意前述工艺在第一热粘合涂层11的外表面13上覆盖第二热粘合涂层12来设置第二热粘合涂层12。此后，在步骤140中，在第二热粘合涂层12上设置外陶瓷涂层8。可以通过根据任意前述公知工艺在第二热粘合涂层12的外表面14上覆盖外陶瓷涂层8来设置外陶瓷涂层8。
此处，参照先前的附图以及在前述段落中对其的阐释，应该注意的是，本发明的教导还可以用于制造成本有效的并且高耐久的平台部分2。此处，平台部分2将包括具有外表面15的内核(未示出)，第一热粘合涂层可以覆盖在内核上。优选地，外表面15是在图1中所示出的平台部分2的径向外表面。随后，在第一热粘合涂层上覆盖第二热粘合涂层。可以在第二热粘合涂层上覆盖外陶瓷涂层，从而帮助获得平台部分。
尽管已经参照具体实施方案在本文中描述了本发明，但是这个描述不意味着构成限制的意思。所公开的实施方案的各个实施例以及本发明的可替选实施方案，将根据参照本发明的描述对本领域技术人员变得明显。因此考虑，在不脱离如所限定的本发明的实施方案的情况下，可以做出这样的更改方案。

Claims (15)

1.一种用于涡轮机的部件(1)，其中所述部件包括具有外表面(9)的内核(6)，所述部件(1)还包括：
-第一热粘合涂层(11)，所述第一热粘合涂层(11)布置在所述内核(6)的至少一部分(10)上的所述外表面(9)上，其中所述第一热粘合涂层(11)被优化成在最高达第一最大温度(T1max)下工作；以及
-第二热粘合涂层(12)，其中所述第二热粘合涂层(12)布置在所述第一热粘合涂层(11)上，使得所述第一热粘合涂层(11)位于所述第二热粘合涂层(12)与所述内核(6)的所述外表面(10)之间，其中所述第二热粘合涂层(12)被优化成在最高达第二最大温度(T2max)下工作，
其中所述第二最大温度(T2max)高于所述第一最大温度(T1max)，
其中所述第一热粘合涂层(11)的厚度(t1)大于所述第二热粘合涂层(12)的厚度(t2)。
2.根据权利要求1所述的部件(1)，其中所述第二热粘合涂层(12)的所述厚度(t2)在10μm至100μm的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的部件(1)，其中所述第一热粘合涂层(11)的所述厚度(t1)在100μm至300μm的范围内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的部件(1)，其中所述第一热粘合涂层(11)能够吸收硫。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的部件(1)，其中所述第一热粘合涂层(11)的硫吸收系数大于所述第二热粘合涂层(12)的硫吸收系数。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的部件(1)，其中所述第二热粘合涂层(12)包含铼。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的部件(1)，其中所述第一最大温度(T1max)小于或等于900℃。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的部件(1)，其中所述第二最大温度(T2max)大于900℃。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的部件(1)，其中包含在所述第一热粘合涂层(11)中的铬的百分比大于包含在所述第二热粘合涂层(12)中的铬的百分比。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的部件(1)，还包括外陶瓷涂层(8)，其中所述外陶瓷涂层(8)布置在所述第二热粘合涂层(12)上，使得所述第一热粘合涂层(11)和所述第二热粘合涂层(12)夹在所述内核(6)的外表面(9)与所述外陶瓷涂层(8)之间。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的部件，其中所述第二热粘合涂层(12)可包括：钴，24％至26％；铬，16％至18％；铝，9.5％至11％；钇，0.2％至0.4％；铼，1.2％至1.8％；余量包含镍，和/或其中所述第一粘合涂层可包括：镍，29％至31％；铬，27％至29％；铝，7％至8％；钇，0.5％至0.7％；硅，0.3％至0.7％Si；余量包含钴。
12.一种用于制造根据权利要求1至11中任一项所述的用于涡轮机的部件(1)的方法，所述方法包括：
-在所述内核(6)的所述一部分(10)上的所述外表面(9)上设置所述第一热粘合涂层(11)的步骤(120)；以及
-在所述第一金属热粘合涂层(11)上设置所述第二热粘合涂层(12)的步骤(130)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中设置所述第一热粘合涂层(11)的所述步骤(120)包括在所述内核(6)的所述一部分(10)上的所述外表面(9)上覆盖所述第一热粘合涂层(11)。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中设置所述第二热粘合涂层(12)的所述步骤(130)包括在所述第一热粘合涂层(11)上施加所述第二热粘合涂层(12)。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中所述第一热粘合涂层(11)和所述第二热粘合涂层(12)中至少之一借助于选自包括以下的工艺来设置：电子束物理气相沉积、空气等离子体喷涂、高速火焰喷涂、静电喷涂辅助气相沉积以及直接气相沉积。
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