CN106906471A - 具有改进的隔热涂层系统的燃气涡轮构件 - Google Patents

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Abstract

提供涡轮发动机构件和其形成方法。涡轮发动机构件可包括：限定表面的衬底；在衬底的表面上的内粘结涂层；在内粘结涂层上的外粘结涂层；以及在外粘结涂层上的陶瓷涂层。内粘结涂层可包括含钴材料，而外粘结涂层则可基本没有钴。另外或备选地，内粘结涂层具有大约5%或更小的孔隙率，而外粘结涂层则具有大于大约5%的孔隙率。另外或备选地，内粘结涂层具有的硫扩散速率为外粘结涂层的硫扩散速率的最多1/10。

Description

具有改进的隔热涂层系统的燃气涡轮构件
技术领域
本发明涉及能够在暴露于高温(诸如燃气涡轮发动机的恶劣热环境)的构件上使用的涂层。更特别地，本发明涉及可抵抗例如可存在于燃气涡轮发动机的运行环境中的类型的热循环和污染物渗透的隔热涂层(TBC)。
背景技术
在诸如燃烧器、高压涡轮(HPT)叶片、导叶和护罩的构件上使用隔热涂层(TBC)来帮助这样的构件承受较高的运行温度，提高构件耐用性，以及改进发动机可靠性。TBC典型地由陶瓷材料形成，并且淀积在环境保护粘结涂层上而形成所谓的TBC系统。在TBC系统中广泛使用的粘结涂层材料包括抗氧化覆盖涂层，诸如MCrAlX(其中，M是铁、钴和/或镍，并且X是钇或另一种稀土元素)，以及扩散涂层，诸如包含铝金属间化合物的扩散铝化物。典型地选择粘结涂层材料是为了能够在它们的表面上形成连续且粘附性氧化皮，以促进陶瓷涂层粘附到粘结涂层上。可通过使粘结涂层经受氧化环境来形成氧化皮，使得氧化皮有时被称为热生长氧化物(TGO)。
在工作条件下，受到TBC系统保护的热区段发动机构件可能易遭受各种模式的损伤，包括暴露于燃烧的气态产物而引起的腐蚀、氧化和腐蚀、外来物体损伤(FOD)和来自环境污染物的攻击。环境污染物源是周围空气，发动机吸入周围空气来进行冷却和燃烧。周围空气中的环境污染物的类型将由于位置的不同而改变，但对于飞机来说可能是有意义的，因为它们的目的是从一个位置移动到另一个位置。在空气中可能存在的环境污染物包括沙、泥、火山灰、呈二氧化硫的形式的硫、飞灰、混凝土颗粒、跑道灰尘，以及其它可排到大气中的污染物，诸如金属微粒，例如，镁、钙、铝、硅、铬、镍、铁、钡、钛、碱性金属和它们的化合物，包括，氧化物、碳酸盐、磷酸盐、盐和它们的混合物。这些环境污染物是由于燃料燃烧引起的腐蚀性和氧化性的污染物之外的。但是，所有这些污染物都可粘附到热区段构件的表面上，包括受TBC系统保护的那些。
这些污染物中的一些可在构件的寿命中导致TBC损失。例如，通常在包含细沙和/或灰尘的环境中存在氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化铝(铝氧化物；Al2O3)和硅石(二氧化硅；SiO2)的微粒。当在升高的温度下共同存在时，氧化钙、氧化镁、氧化铝和硅石可形成易熔化合物，在本文称为CMAS。CMAS具有较低的熔化温度，使得在涡轮运行期间，淀积在构件表面上的CMAS可熔化，特别是如果表面温度超过大约2240℉(1227℃)的话。熔化的CMAS能够渗透TBC内的孔隙。例如，CMAS能够渗透到具有柱状结构的TBC、密实竖向裂开的TBC和通过热喷涂和等离子喷涂而淀积的TBC的水平纵向边界中。熔化的CMAS在TBC的较冷的子表面区域内再次凝固，在该较冷的子表面区域中，熔化的CMAS妨碍TBC的顺从性，而且特别是在热循环期间可导致TBC分裂和退化，这是因为它妨碍了TBC膨胀和收缩的能力。除了失去顺从性之外，可与TBC内的氧化钇和氧化锆发生有害化学反应，以及在粘结涂层/TBC接口处可出现热生长氧化物，而且使TBC系统退化。一旦失去TBC提供的被动隔热保护，发动机持续运行可导致TBC系统下面的基部金属氧化。
考虑到以上，可理解的是，如果可获得能够促进构件对抗污染物(诸如CMAS)的能力的系统和方法，而且特别是在高于污染物的熔化温度的温度下运行的燃气涡轮发动机构件，将是合乎需要的。
发明内容
将在以下描述中部分地阐述本发明的方面和优点，或者根据该描述，本发明的方面和优点可为明显的，或者可通过实践本发明来学习本发明的方面和优点。
提供大体涡轮发动机构件，以及它们的形成和修理方法。例如，涡轮发动机构件包括：限定表面的衬底；在衬底的表面上的内粘结涂层；在内粘结涂层上的外粘结涂层；以及在外粘结涂层上的陶瓷涂层。用于形成涡轮发动机构件的方法可包括在衬底的表面上形成内粘结涂层；在内粘结涂层的上面形成外粘结涂层；以及在外粘结涂层上形成陶瓷涂层。
在一个实施例中，内粘结涂层大体包括含钴材料，而外粘结涂层则基本没有钴。另外或备选地，内粘结涂层具有大约5%或更小的孔隙率，而外粘结涂层则具有大于大约5%的孔隙率。另外或备选地，内粘结涂层具有的硫扩散速率为外粘结涂层的硫扩散速率的1/10。
技术方案1. 一种涡轮发动机构件，包括：
限定表面的衬底；
在所述衬底的表面上的内粘结涂层，其中，所述内粘结涂层包括含钴材料；
在所述内粘结涂层上的外粘结涂层，其中，所述外粘结涂层基本没有钴；以及
在所述外粘结涂层上的陶瓷涂层。
技术方案2. 根据技术方案1所述的涡轮发动机构件，其特征在于，所述内粘结涂层具有大约5%或更小的孔隙率，以及其中，所述外粘结涂层具有大于大约5%的孔隙率。
技术方案3. 根据技术方案1所述的涡轮发动机构件，其特征在于，所述内粘结涂层具有的硫扩散速率为所述外粘结涂层的硫扩散速率的最多1/10。
技术方案4. 根据技术方案1所述的涡轮发动机构件，其特征在于，所述内粘结涂层具有大约1.5µm Ra至大约7.5µm Ra的表面粗糙度，以及其中，所述外粘结涂层具有大约8.5µm Ra至大约20µm Ra的表面粗糙度。
技术方案5. 根据技术方案1所述的涡轮发动机构件，其特征在于，所述内粘结涂层包括CoNiCrAlY，以及其中，所述外粘结涂层包括NiCrAlY。
技术方案6. 根据技术方案1所述的涡轮发动机构件，其特征在于，所述内层涂层直接在所述衬底的表面上，以及其中，所述外层涂层直接在所述内粘结涂层上，以及进一步其中，所述陶瓷涂层直接在所述外粘结涂层上。
技术方案7. 根据技术方案1所述的涡轮发动机构件，其特征在于，所述内层涂层具有大约200µm至大约350µm的平均厚度，以及其中，所述外层涂层具有大约100µm至大约400µm的平均厚度。
技术方案8. 根据技术方案1所述的涡轮发动机构件，其特征在于，所述涡轮发动机构件进一步包括：
定位在所述外粘结涂层和所述陶瓷涂层之间的中间粘结涂层，以及其中，所述中间粘结涂层具有的孔隙率大于所述内粘结涂层的孔隙率，以及其中，所述中间粘结涂层具有的孔隙率小于所述外粘结涂层的孔隙率。
技术方案9. 根据技术方案8所述的涡轮发动机构件，其特征在于，所述中间粘结涂层包括NiCrAlY。
技术方案10. 根据技术方案9所述的涡轮发动机构件，其特征在于，所述内粘结涂层包括CoNiCrAlY，以及其中，所述外粘结涂层包括NiCrAl。
技术方案11. 一种燃气涡轮发动机，包括技术方案1所述的涡轮发动机构件。
技术方案12. 根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮发动机构件是燃烧穹顶。
技术方案13. 一种涡轮发动机构件，包括：
限定表面的衬底；
在所述衬底的表面上的内粘结涂层，其中，所述内粘结涂层具有大约5%或更小的孔隙率；
在所述内粘结涂层上的外粘结涂层，其中，所述外粘结涂层具有大于大约5%的孔隙率，其中，所述内粘结涂层具有的硫扩散速率为所述外粘结涂层的硫扩散速率的最多1/10；以及
在所述外粘结涂层上的陶瓷涂层。
技术方案14. 根据技术方案13所述的涡轮发动机构件，其特征在于，所述内粘结涂层具有大约1.5µm Ra至大约7.5µm Ra的表面粗糙度，以及其中，所述外粘结涂层具有大约8.5µm Ra至大约20µm Ra的表面粗糙度，以及其中，所述陶瓷涂层具有大约5%至大约25%的孔隙率。
技术方案15. 根据技术方案13所述的涡轮发动机构件，其特征在于，所述内粘结涂层包括含钴材料，以及其中，所述外粘结涂层基本没有钴。
技术方案16. 根据技术方案13所述的涡轮发动机构件，其特征在于，所述内粘结涂层包括CoNiCrAlY，以及其中，所述外粘结涂层包括NiCrAlY。
技术方案17. 一种形成涡轮发动机构件的方法，所述方法包括：
在衬底的表面上形成内粘结涂层，其中，所述内粘结涂层包括钴；
在所述内粘结涂层的上面形成外粘结涂层，其中，所述外粘结涂层基本没有钴；以及
在所述外粘结涂层上形成陶瓷涂层。
技术方案18. 根据技术方案17所述的方法，其特征在于，形成所述内粘结涂层包括：
通过高速氧-燃料涂层喷涂来将多个第一颗粒喷涂到所述衬底的表面上，以形成所述内粘结涂层，所述多个第一颗粒具有小于大约45µm的平均粒度，其中，所述多个第一颗粒包括含钴材料
技术方案19. 根据技术方案18所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
在通过高速氧-燃料涂层喷涂来喷涂多个第一颗粒之前，过滤所述多个第一颗粒，使得喷涂的第一颗粒中超过90%具有小于大约45µm的平均直径，其中，所述多个第一颗粒包括CoNiCrAlY。
技术方案20. 根据技术方案17所述的方法，其特征在于，通过高速氧-燃料涂层喷涂方式喷涂多个第二颗粒来形成所述外粘结涂层，所述多个第二颗粒具有大约50µm至大约150µm的平均直径。
参照以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。附图结合在此说明书中且构成其一部分，附图示出本发明的实施例，并且与描述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
针对对本领域普通技术人员，在说明书中阐述本发明的完整和能够实施的公开，包括其最佳模式，说明书参照了附图，其中：
图1是根据本主题的各种实施例的示例性燃气涡轮发动机的示意性横截面图；
图2是根据本公开的示例性实施例的燃烧器组件的透视横截面图；
图3是衬底上的示例性双层粘结涂层TBC的特写横截面图；以及
图4是衬底上的示例性三层粘结涂层TBC的特写横截面图。
在本说明书和附图中重复使用参考符号是意于表示本发明的相同或相似的特征或元件。
部件列表
10涡轮风扇发动机
12纵向中心线
14风扇区段
16核心涡轮发动机
18外壳
20环形入口
22低压压缩机
24高压压缩机
26燃烧区段
28高压涡轮
30低压涡轮
32射流排气喷嘴区段
34高压轴或轴杆
36低压轴或轴杆
38可变桨距风扇
40风扇叶片
42盘
44促动部件
46功率齿轮箱
48可旋转前机舱
50外机舱
52导叶
54下游区段
56旁通空气流道
58空气
60入口
62第一空气部分
64第二空气部分
66燃烧气体
68高压涡轮定子导叶
70高压涡轮转子叶片
72低压涡轮定子导叶
74低压涡轮转子导叶
76风扇喷嘴排气区段
78热气路径
100燃烧器组件
102内衬套
104后端
106前端
108外衬套
110后端
112前端
114燃烧室
116内环形穹顶
118外环形穹顶
122槽口
124空气混合器
126外整流罩
128前端
130内整流罩
132前端
134附连延伸部
138附连延伸部
142隔热件
300构件
301第二表面
302衬底
303第一表面
304内粘结涂层
305表面
306外粘结涂层
307纹理表面
308陶瓷涂层
309外表面
310TBC系统
312中间粘结涂层
313表面。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，在图中示出实施例的一个或多个示例。以解释本发明而非限制本发明的方式提供各个示例。实际上，对本领域技术人员显而易见的将是，可对本发明作出各种修改和变型，而不偏离本发明的范围或精神。例如，被示为或描述成一个实施例的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因而，意于的是本发明覆盖落在所附权利要求和它们等效物的范围内的这样的修改和变型。
在本公开中，当将层描述成在另一个层或衬底“上”或“上面”时，要理解的是，层可直接接触彼此，或者在层之间具有另一个层或结构，除非明确地陈述相反的情况。因而，这些用语只是描述层与彼此的相对位置，并且未必表示“在顶部”，因为在上或在下的相对位置取决于装置相对于观察者的定向。
如本文所用，用语“第一”、“第二”和“第三”可互换地用来区分一个构件与另一个构件，而且不意表示单独的构件的位置或重要性。
用语“上游”和“下游”指的是相对于流体路径中的流体流的相对方向。例如，“上游”指的是流体流出的方向，而“下游”指的是流体流往的方向。
大体提供涡轮发动机构件，其包括双层(或更多层)粘结涂层系统，以在衬底上形成隔热涂层(TBC)。因而，本公开大体适用于用隔热涂层(TBC)系统来保护以免受热环境的影响的金属构件。这样的构件的显著示例包括高压和低压涡轮喷嘴(导叶)、护罩、燃烧器衬套、燃烧器穹顶和隔热件、过渡件、涡轮框架和燃气涡轮发动机的增强器硬件。虽然本公开特别适用于涡轮发动机构件，但本公开的教导大体适用于可对其使用隔热件来热隔离构件与其环境的任何构件。
特别地，大体对双层粘结涂层系统提供内粘结涂层，内粘结涂层具有特别适合对抗腐蚀、裂化和氧化的化学性质，而外粘结涂层则具有用于将TBC粘附到其上的化学性质和结构。也就是说，内粘结涂层提供用于对抗氧化、腐蚀和裂化的密实微结构和化学性质，外粘结涂层则提供对于TBC粘附来说必要的表面粗糙度。因而，与由单个层形成的基线粘结涂层相比，目前提供的粘结涂层系统提供更高的温度能力。
现在参照附图，图1是根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性横截面图。更特别地，对于图1的实施例，燃气涡轮发动机是高旁通涡轮风扇射流发动机10，在本文称为“涡轮风扇发动机10”。如图1中显示的那样，涡轮风扇发动机10限定轴向方向A(平行于为了参考而提供的纵向中心线12而延伸)和径向方向R。大体上，涡轮风扇10包括风扇区段14和设置在风扇区段14下游的核心涡轮发动机16。
所描绘的示例性核心涡轮发动机16大体包括基本管状外壳18，外壳18限定环形入口20。外壳18封闭成连续流关系的：压缩机区段，其包括增压器或低压(LP)压缩机22和高压(HP)压缩机24；燃烧区段26；涡轮区段，其包括高压(HP)涡轮28和低压(LP)涡轮30；以及射流排气喷嘴区段32。高压(HP)轴或轴杆34将HP涡轮28传动地连接到HP压缩机24上。低压(LP)轴或轴杆36将LP涡轮30传动地连接到LP压缩机22上。
对于所描绘的实施例，风扇区段14包括可变桨距风扇38，其具有多个风扇叶片40，它们以间隔开的方式联接到盘42上。如所描绘的那样，风扇叶片40大体沿着径向方向R从盘42向外延伸。各个风扇叶片40可相对于盘42围绕变桨轴线P旋转，因为风扇叶片40操作性地联接到适当的促动部件44上，促动部件44构造成共同一致地改变风扇叶片40的桨距。风扇叶片40、盘42和促动部件44可通过穿过可选的功率齿轮箱46的LP轴36围绕纵向轴线12共同旋转。功率齿轮箱46包括多个齿轮，以使LP轴36的旋转速度逐渐降低到较高效的旋转风扇速度。
仍然参照图1的示例性实施例，盘42由可旋转前机舱48覆盖，可旋转前机舱48在外形上设置成促进空气流通过多个风扇叶片40。另外，示例性风扇区段14包括环形风扇壳或外机舱50，其沿周向包围风扇38和/或核心涡轮发动机16的至少一部分。应当理解，机舱50可构造成相对于核心涡轮发动机16由多个沿周向间隔开的出口导叶52支承。此外，机舱50的下游区段54可在核心涡轮发动机16的外部部分上面延伸，以便在它们之间限定旁通空气流道56。
在涡轮风扇发动机10的运行期间，一定量的空气58通过机舱50和/或风扇区段14的相关联入口60进入涡轮风扇10。随着该定量的空气58经过风扇叶片40，空气58的第一部分像箭头62指示的那样被引导到或发送到旁通空气流道56中，并且空气58的第二部分像箭头64指示的那样被引导到或发送到LP压缩机22中。第一空气部分62和第一空气部分64之间的比率通常被称为旁通比率。然后第一空气部分64的压力随着它发送通过高压(HP)压缩机24且进入到燃烧区段26中而提高，在燃烧区段26中，第一空气部分64与燃料混合且燃烧，以提供燃烧气体66。
燃烧气体66被发送通过HP涡轮28，其中，燃烧气体66中的热能和/或动能的一部分通过成连续级的联接到外壳18上的HP涡轮定子导叶68和联接到HP轴或轴杆34上的涡轮转子叶片70抽出，从而使HP轴或轴杆34旋转，从而支持HP压缩机24的运行。然后燃烧气体66被发送通过LP涡轮30，其中热能和动能的第二部分通过成连续级的联接到外壳18上的LP涡轮定子导叶72和联接到LP轴或轴杆36上的涡轮转子叶片74从燃烧气体66中抽出，从而使LP轴或轴杆36旋转，从而支持LP压缩机22的运行和/或风扇38的旋转。
燃烧气体66随后发送通过核心涡轮发动机16的射流排气喷嘴区段32，以提供推力。同时，第一空气部分62的压力基本随着第一空气部分62发送通过旁通空气流道56而提高，之后其从涡轮风扇10的风扇喷嘴排气区段76排出，这也提供推力。HP涡轮28、LP涡轮30和射流排气喷嘴区段32至少部分地限定热气路径78，以发送燃烧气体66通过核心涡轮发动机16。
现在参照图2，提供图1的示例性涡轮风扇发动机10的燃烧区段26的特写横截面图。更特别地，图2提供根据本公开的示例性实施例的燃烧器组件100的透视横截面图，燃烧器组件100可定位在图1的示例性涡轮风扇发动机10的燃烧区段26中。值得注意的是，图2提供燃烧器组件100的透视横截面图，为了清楚，移除了外燃烧器壳。
如显示的那样，燃烧器组件100大体包括内衬套102和外衬套108，内衬套102大体沿着轴向方向A在后端104和前端106之间延伸，外衬套108也大体沿着轴向方向A在后端110和前端112之间延伸。内衬套102和外衬套108共同在它们之间至少部分地限定燃烧室114。内衬套102和外衬套108各自附连到环形穹顶上。更特别地，燃烧器组件100包括附连到内衬套102的前端106上的内环形穹顶116和附连到外衬套108的前端112上的外环形穹顶118。虽然显示了内环形穹顶116和外环形穹顶118各自包括封闭表面，其限定槽口122，以接收相应的内衬套102和外衬套108的前端106、112，但可利用任何适当的附连方案将衬套附连到相应的穹顶上。而且，虽然显示了示例性燃烧器组件100包括内环形穹顶和外环形穹顶，但要理解的是，目前公开的涂层和涂层系统也适用于单穹顶结构和多穹顶结构(例如，3个穹顶等等)。
燃烧器组件100进一步包括在外穹顶118内沿着周向方向间隔开的多个燃料空气混合器124。更特别地，多个燃料空气混合器124沿着径向方向R设置在外穹顶118和内穹顶116之间。来自涡轮风扇发动机10的压缩机区段的压缩空气流到燃料空气混合器124中或者流过其中，在燃料空气混合器124中，压缩空气与燃料混合且点燃，以在燃烧室114内产生燃烧气体66。内穹顶116和外穹顶118构造成协助来自压缩机区段的这种压缩空气流进入到燃料空气混合器126中或通过其中。例如，外穹顶118包括在前端128处的外整流罩126，并且内穹顶116类似地包括在前端132处的内整流罩130。外整流罩126和内整流罩130可协助将来自压缩机区段26的压缩空气流引导到一个或多个燃料空气混合器中，或者引导压缩空气流通过一个或多个燃料空气混合器。
此外，内和外穹顶116、118各自包括附连部分，附连部分构造成协助将燃烧器组件100安装在涡轮风扇发动机10内。例如，外穹顶118包括附连延伸部134，附连延伸部134构造成安装到外燃烧器壳(未显示)上，并且内穹顶116包括类似的附连延伸部138，其构造成附连到涡轮风扇发动机10内的环形支承部件(未显示)上。在某些示例性实施例中，内穹顶116可一体地形成为单个环形构件，而且类似地，外穹顶118也可一体地形成为单个环形构件。但应当理解的是，在其它示例性实施例中，内穹顶116和/或外穹顶118可备选地由以任何适当的方式连结的一个或多个构件形成。例如，参照外穹顶118，在某些示例性实施例中，外整流罩126可与外穹顶118单独地形成，并且使用例如焊接工艺附连到外穹顶118的前端128上。类似地，附连延伸部134可还与外穹顶118单独地形成，并且使用例如焊接工艺附连到前端128外穹顶118上。另外或备选地，内穹顶116可具有类似构造。
仍然参照图2，示例性燃烧器组件100进一步包括多个隔热件142，它们定位成围绕各个燃料空气混合器124，沿周向布置。对于所描绘的实施例，隔热件142附连到外穹顶118和内穹顶116上且在它们之间延伸。隔热件142构造成保护涡轮风扇发动机10的某些构件免受燃烧室114的较极端的温度的影响。
在某些实施例中，内衬套102和外衬套108各自包括金属，诸如镍基超合金或钴基超合金。在备选实施例中，内衬套102和外衬套108各自包括陶瓷基质复合物(CMC)材料，它是具有耐高温能力的非金属材料。对这样的衬套102、108使用的示例性CMC材料可包括碳化硅、硅、二氧化硅或氧化铝基质材料和它们的组合。陶瓷纤维可嵌在基质内，诸如氧化稳定加强纤维，其包括单丝状蓝宝石和碳化硅(例如，Textron公司的SCS-6)，以及粗纱和纱线，其包括碳化硅(例如，Nippon Carbon公司的NICALON®、Ube工业公司的TYRANNO®，以及DowCorning公司的SYLRAMIC®)、水合硅酸铝(例如，Nextel公司的440和480)，以及切断的刚毛和纤维(例如，Nextel公司的440和SAFFIL®)，以及可选地陶瓷颗粒(例如，Si、Al、Zr、Y的氧化物和它们的组合)和无机填料(例如，叶蜡石、钙硅石、云母、滑石、蓝晶石和蒙脱石)。
内穹顶116、外穹顶118(分别包括内整流罩130和外整流罩126)和隔热件142可由金属形成，诸如镍基超合金或钴基超合金。
如上面陈述的那样，这些构件中的各个暴露于较高温度和/或压力的恶劣条件。因而，至少在任何金属构件的暴露表面上存在隔热涂层。
图3显示示例性涡轮发动机构件300的横截面图，示例性涡轮发动机构件300在衬底302上具有TBC涂层系统310。大体上，衬底302限定带涂层表面303(即，其上具有涂层的第一表面303)，带涂层表面303 称为“热”侧，因为它是暴露于发动机内的燃烧气体的构件300的表面。构件还具有第二表面301，其在构件300的“冷”侧上定位成与带涂层表面303相反。在一个实施例中，衬底302由任何可操作的材料形成。例如，衬底302可由各种各样的金属或金属合金中的任一种形成，包括基于镍、钴和/或铁合金或超合金的那些。在一个实施例中，衬底302由镍基合金制成，并且在另一个实施例中，衬底302由镍基超合金制成。可用γ'沉淀或有关阶段来加强镍基超合金。在一个示例中，按重量百分比计，镍基超合金具有以下成分：大约4至大约20%的钴、大约1至大约10%的铬、大约5至大约7%的铝、大约0至大约2%的钼、大约3至大约8%的钨、大约4至大约12%的钽、大约0至大约2%的钛、大约0至大约8%的铼、大约0至大约6%的钌、大约0至大约1%的铌、大约0至大约0.1%的碳、大约0至大约0.01%的硼、大约0至大约0.1%的钇、大约0至大约1.5%的铪，其余为镍和附带杂质。例如，适当的镍基超合金可从商品名称为Rene N5获得，按重量计，它具有以下标称成分： 7.5%的钴、7%的铬、1.5%的钼、6.5%的钽、6.2%的铝、5%的钨、3%的铼、0.15%的铪、0.004%的硼和0.05%的碳，并且其余为镍和少量杂质。
在显示的实施例中，TBC涂层系统310包括在衬底302的第一表面303上的内粘结涂层304、在内粘结涂层304的表面305上的外粘结涂层306，以及在外粘结涂层307的纹理表面307上的陶瓷涂层308。因而，陶瓷涂层308限定暴露的外表面309。
如所陈述的那样，内粘结涂层304具有特别适合抵抗氧化、腐蚀和裂化的密实微结构和化学性质。另一方面，外粘结涂层306具有用于使TBC粘附到其上以及对粘附到其上的TBC提供表面粗糙度的化学性质和结构。因而，与外粘结涂层206相比，内粘结涂层304大体是密实层。也就是说，内粘结涂层304具有的孔隙率大于外粘结涂层206的孔隙率。例如，内粘结涂层304可具有大约5%或更小(例如，大约0.5%至大约5%)的孔隙率，而外粘结涂层306则具有大于大约5%(例如，大约5%至大约25%)的孔隙率。
内粘结涂层304在一个特定实施例中包括含钴材料(例如，CoNiCrAlY)。不想受任何特定理论的约束，特别是在与较密实的结构(例如，孔隙率小于5%)结合时，相信在内粘结涂层304中存在钴可允许通过内粘结涂层304更好地抵抗硫扩散。在一个实施例中，内粘结涂层304包括CoNiCrAlY，诸如CoNiCrAlY合金，其具有以下成分(按重量计)：大约31.0%至大约33.5%的镍、大约21.0%至大约23.0%的铬、大约9.5%至大约10.5%的铝、0.05%至大约0.50%的钇、0%至大约0.01%的磷、0%至大约0.01%的氮、0%至大约0.040%的氧且其余为钴。
在一个实施例中，通过以下方式形成内粘结涂层304：通过高速氧-燃料涂层喷涂来将多个颗粒喷涂到衬底302的表面303，以形成内粘结涂层304。颗粒具有较细的平均粒度，以便产生较密实的层(即，孔隙率较低)。例如，可首先通过具有大约325至大约400的筛目额定值的筛子来过滤多个颗粒，使得超过90%的颗粒(例如，大于大约99%)具有小于大约45µm的平均直径。例如，超过90%的颗粒(例如，大于大约99%)可具有小于大约44µm (对于325目径)或小于大约37µm (对于400目径)的平均直径。
在显示的实施例中，内粘结涂层304限定表面305，表面305基本是平滑的，因为内粘结涂层304和外粘结涂层(或者中间粘结涂层，如果存在的话)之间的结合是化学结合(例如，扩散结合)。例如，表面305可具有大约1.5µm Ra至大约7.5µm Ra的表面粗糙度(例如，大约1.75µm Ra至大约5.25µm Ra)，其中，Ra是位移值的算术平均，计算它是为了量化所实现粗糙度的程度。
内粘结涂层304的厚度可取决于构件和运行环境而改变。内粘结涂层304在一个实施例中具有大约200µm至大约350µm的平均厚度(TIBC)，这通过对在内粘结涂层304上的多个点处从内粘结涂层304的基部(在图3的实施例中显示为衬底302的表面303)到内粘结涂层304的表面305的最短距离取平均值而测量。
外粘结涂层306在一个特定实施例中基本没有钴。如本文所用，用语“基本没有”表示不超过可忽略的微量百分比且完全不包含(例如，0重量%直到0.5重量%)。
在一个实施例中，外粘结涂层306可为金属、金属性、金属间化合物、金属合金、复合物和它们的组合。在一个实施例中，外粘结涂层306可为NiAl。在一个实施例中，外粘结涂层306是NiAl，诸如主要βNiAl相，其具有有限的合金添加物。NiAl涂层可具有大约9至大约12重量%的铝含量，其余基本为镍，而在另一个实施例中，具有大约18至大约21重量%铝的铝含量，其余基本为镍。但是，外粘结涂层306的成分不限于NiAl粘结涂层，而是可为具有合适的结合和温度能力的任何金属涂层。例如，外粘结涂层306可为NiCrAlY涂层，诸如NiCrAlY涂层具有以下成分(按重量计)：大约21.0%至大约23.0%的铬、大约9%至大约11%的铝、0.05%至大约1.20%的钇、0%至大约0.01%的磷、0%至大约0.01%的氮、0%至大约0.040%的氧，并且其余为镍。在特定实施例中，作为钇的补充或者替代，可包括其它反应元素。例如，外粘结涂层306可包括与NiCrAlY化合物结合的包含以下材料的化合物：NiCrAlZr、NiCrAlHfSi、NiCrAlYZr、NiCrAlReY或者它们的组合。包括这种材料可帮助将氧化皮粘附到粘结涂层上，因此改进TBC寿命。
在一个实施例中，外粘结涂层306限定氧化物表面层(氧化皮)307，陶瓷涂层308将外粘结涂层306纹理表面307机械地结合到氧化物表面层307上，纹理表面307包括多个顶点和凹处，以协助将扩散涂层308结合到其上。例如，表面307可具有大约8.5µm Ra至大约20µmRa的表面粗糙度(例如，大约9µm Ra至大约15µm Ra)。
外粘结涂层306的厚度可取决于构件和运行环境而改变。外粘结涂层306在一个实施例中具有大约100µm至大约400µm的平均厚度(TOBC)，这通过对在外粘结涂层306上的多个点处从外粘结涂层306的基部(在图3的实施例中显示为内粘结涂层304的表面305)到外粘结涂层306的表面307的最短距离取平均值而测量。
可通过任何适当的淀积工艺来形成外粘结涂层306，包括空气等离子喷涂(APS)、高速氧-燃料涂层喷涂(HVOF)、高速空气燃料工艺(HVAF)、电弧喷涂、低压等离子喷涂(LPPS)工艺等。在一个实施例中，通过以下方式形成外粘结涂层306：通过高速氧-燃料涂层喷涂来将多个颗粒喷涂到内粘结涂层304的表面305上，以形成外粘结涂层306。颗粒具有较粗的平均粒度，以便产生具有较高孔隙率的层。例如，可首先通过具有大约100至大约270的筛目额定值的筛子来过滤多个颗粒，使得超过90%的颗粒(例如，大于大约99%)具有大约50µm至大约150µm的平均直径。例如，超过90%的颗粒(例如，大于大约99%)可具有大约53µm (对于270目径)大约149µm (对于100目径)的平均直径。
内粘结涂层304和外粘结涂层306在它们相应的硫扩散速率方面也是不同的。内粘结涂层304具有比外粘结涂层306的硫扩散速率更慢的硫扩散速率。在一个实施例中，内粘结涂层304具有的硫扩散速率为外粘结涂层306的硫扩散速率的最多1/10(例如，大约1/50或更少，诸如大约1/100或更少)。
陶瓷涂层308在一个实施例中可包括导热率低的陶瓷。例如，导热率低的陶瓷可具有大约0.1至1.0 BTU/ft hr ℉的导热率。优选地在0.3至0.6 BTU/ft hr ℉的范围中。在一个实施例中，陶瓷涂层308可包括氧化锆、氧化钇、氧化镱和氧化钕的混合物。在另一个实施例中，陶瓷涂层308可包括氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。在一个实施例中，陶瓷涂层308可为具有大约3至大约10重量%的氧化钇的成分的YSZ。在另一个实施例中，陶瓷涂层308可为另一种陶瓷材料，诸如，氧化钇、非稳定性氧化锆，或者由其它氧化物稳定的氧化锆，诸如氧化镁(MgO)、二氧化铈(CeO2)、氧化钪(Sc2O3)或氧化铝(Al2O3)。而在其它实施例中，陶瓷涂层308可包括一种或多种稀土氧化物，诸如(但不限于)氧化镱、氧化钪、氧化镧、氧化钕、氧化铒和它们的组合。而在这些其它实施例中，稀土氧化物可代替稳定的氧化锆系统中的氧化钇的一部分或全部。陶瓷涂层308淀积为足以对下面的衬底302提供所需热保护的厚度，大体相当于大约75µm至大约350µm。
可使用任何用于形成陶瓷涂层308的适当的淀积方法，包括(但不限于)物理气相淀积(PVD)技术、化学气相淀积技术、低压等离子喷涂(LPPS)技术、空气等离子喷涂(APS)等。
虽然显示了直接在相邻层上(即，它们之间不存在中间层)，但在特定实施例中，在TBC系统310内可存在另一个层或多个层。例如，TBC系统310中可存在额外的粘结涂层。
图4显示另一个TBC系统310，其包括定位在内粘结涂层304和外粘结涂层306之间的中间粘结涂层312。中间粘结涂层312具有大于内粘结涂层304的孔隙率的孔隙率(即，内粘结涂层304比中间粘结涂层312更密实)。而且，中间粘结涂层312具有小于外粘结涂层306的孔隙率的孔隙率(即，中间粘结涂层312比外粘结涂层306更密实)。
在这种实施例中，内粘结涂层304可包含Co(例如CoNiCrAlY)，而中间粘结涂层312和外粘结涂层306则基本没有钴。中间粘结涂层312和外粘结涂层306可由相同的成分或不同的成分制成。例如，中间粘结涂层312可为金属、金属性、金属间化合物、金属合金、复合物和它们的组合。在一个实施例中，中间粘结涂层312可为NiAl，诸如主要βNiAl相，其具有有限的合金添加物，如上面参照外粘结涂层306所描述的那样。但是，中间粘结涂层312的成分不限于NiAl粘结涂层，而是可为任何具有合适的结合和温度能力的金属涂层。例如，中间粘结涂层312可为NiCrAlY涂层。在一个实施例中，中间粘结涂层312可包括NiCrAlY，并且外粘结涂层306可包括NiCrAl。
在一个实施例中，内粘结涂层304、中间粘结涂层312和外粘结涂层306的孔隙率是不同的，越接近衬底302，涂层就越密实。因而，与中间粘结涂层312和外粘结涂层306相比，内粘结涂层304大体是密实层。也就是说，内粘结涂层304具有小于中间粘结涂层312的孔隙率和外粘结涂层306的孔隙率的孔隙率。相比之下，与中间粘结涂层312和内粘结涂层304相比，外粘结涂层306大体是多孔层。也就是说，外粘结涂层306具有大于中间粘结涂层312的孔隙率和内粘结涂层304的孔隙率的孔隙率。因而，在一个实施例中，中间粘结涂层312具有大于内粘结涂层304的孔隙率的孔隙率，并且中间粘结涂层312具有小于外粘结涂层306的孔隙率的孔隙率。例如，内粘结涂层304可具有大约5%或更小的孔隙率(例如，大约0.5%至大约5%)；中间粘结涂层312可具有大约4%至大约6%的孔隙率；并且外粘结涂层306可具有大于大约5%的孔隙率(例如，大约5%至大约15%)。
中间粘结涂层312在一个实施例中具有大约100µm至大约400µm的平均厚度(TINT)，这通过对在中间粘结涂层312上的多个点处从中间粘结涂层312的基部(在图4的实施例中显示为内粘结涂层304的表面305)到中间粘结涂层313的表面313的最短距离取平均值来测量。
在图4的实施例中，中间粘结涂层312限定表面313，表面313基本是平滑的，因为中间粘结涂层312和外粘结涂层之间的结合是化学结合(例如，扩散结合)。例如，表面313可具有大约1.5µm Ra至大约7.5µm Ra的表面粗糙度(例如，大约1.75µm Ra至大约5.25µm Ra)。
可通过任何适当的淀积工艺来形成中间粘结涂层312，包括空气等离子喷涂(APS)、高速氧-燃料涂层喷涂(HVOF)、电弧喷涂、低压等离子喷涂(LPPS)工艺等。在一个实施例中，通过以下方式形成中间粘结涂层312：通过高速氧-燃料涂层喷涂来将多个颗粒喷涂到内粘结涂层304的表面305上来形成中间粘结涂层312。颗粒具有大于用来形成内粘结涂层304的颗粒但小于用来形成外粘结涂层306的颗粒的平均粒度。因而，中间粘结涂层312具有在较密实内粘结涂层304和较多孔外粘结涂层306之间的相对孔隙率。
上面描述的TBC系统310特别适合在图2的燃烧器组件100内的金属发动机构件上使用，诸如分别包括内整流罩130和外整流罩126的内穹顶116和外穹顶118、隔热件142等。但是，TBC系统310可在燃气涡轮发动机10内的任何适当的构件上使用。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种涡轮发动机构件，包括：
限定表面的衬底；
在所述衬底的表面上的内粘结涂层，其中，所述内粘结涂层包括含钴材料；
在所述内粘结涂层上的外粘结涂层，其中，所述外粘结涂层基本没有钴；以及
在所述外粘结涂层上的陶瓷涂层。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机构件，其特征在于，所述内粘结涂层具有大约5%或更小的孔隙率，以及其中，所述外粘结涂层具有大于大约5%的孔隙率。
3.根据权利要求1所述的涡轮发动机构件，其特征在于，所述内粘结涂层具有的硫扩散速率为所述外粘结涂层的硫扩散速率的最多1/10。
4. 根据权利要求1所述的涡轮发动机构件，其特征在于，所述内粘结涂层具有大约1.5µm Ra至大约7.5µm Ra的表面粗糙度，以及其中，所述外粘结涂层具有大约8.5µm Ra至大约20µm Ra的表面粗糙度。
5.根据权利要求1所述的涡轮发动机构件，其特征在于，所述内粘结涂层包括CoNiCrAlY，以及其中，所述外粘结涂层包括NiCrAlY。
6.根据权利要求1所述的涡轮发动机构件，其特征在于，所述内层涂层直接在所述衬底的表面上，以及其中，所述外层涂层直接在所述内粘结涂层上，以及进一步其中，所述陶瓷涂层直接在所述外粘结涂层上。
7.根据权利要求1所述的涡轮发动机构件，其特征在于，所述内层涂层具有大约200µm至大约350µm的平均厚度，以及其中，所述外层涂层具有大约100µm至大约400µm的平均厚度。
8.根据权利要求1所述的涡轮发动机构件，其特征在于，所述涡轮发动机构件进一步包括：
定位在所述外粘结涂层和所述陶瓷涂层之间的中间粘结涂层，以及其中，所述中间粘结涂层具有的孔隙率大于所述内粘结涂层的孔隙率，以及其中，所述中间粘结涂层具有的孔隙率小于所述外粘结涂层的孔隙率。
9.根据权利要求8所述的涡轮发动机构件，其特征在于，所述中间粘结涂层包括NiCrAlY。
10.根据权利要求9所述的涡轮发动机构件，其特征在于，所述内粘结涂层包括CoNiCrAlY，以及其中，所述外粘结涂层包括NiCrAl。
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