RU2518850C2 - Нано- и микроструктурное керамическое термобарьерное покрытие - Google Patents

Нано- и микроструктурное керамическое термобарьерное покрытие Download PDF

Info

Publication number
RU2518850C2
RU2518850C2 RU2012132324/02A RU2012132324A RU2518850C2 RU 2518850 C2 RU2518850 C2 RU 2518850C2 RU 2012132324/02 A RU2012132324/02 A RU 2012132324/02A RU 2012132324 A RU2012132324 A RU 2012132324A RU 2518850 C2 RU2518850 C2 RU 2518850C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
ceramic
vol
coating according
coating
Prior art date
Application number
RU2012132324/02A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2012132324A (ru
Inventor
Фридхельм ШМИТЦ
Вернер ШТАММ
Original Assignee
Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сименс Акциенгезелльшафт filed Critical Сименс Акциенгезелльшафт
Publication of RU2012132324A publication Critical patent/RU2012132324A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2518850C2 publication Critical patent/RU2518850C2/ru

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/32—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer
    • C23C28/321—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with at least one metal alloy layer
    • C23C28/3215—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with at least one metal alloy layer at least one MCrAlX layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • C23C28/345—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • C23C28/345—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer
    • C23C28/3455—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer with a refractory ceramic layer, e.g. refractory metal oxide, ZrO2, rare earth oxides or a thermal barrier system comprising at least one refractory oxide layer
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals
    • Y10T428/12479—Porous [e.g., foamed, spongy, cracked, etc.]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24942—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including components having same physical characteristic in differing degree
    • Y10T428/2495—Thickness [relative or absolute]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/249921—Web or sheet containing structurally defined element or component
    • Y10T428/249953—Composite having voids in a component [e.g., porous, cellular, etc.]
    • Y10T428/249981—Plural void-containing components

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

Изобретение относится к керамическому термобарьерному покрытию, которое имеет наноструктурный и микроструктурный слой. Керамическое термобарьерное покрытие на подложке из жаропрочного сплава на основе никеля или кобальта, или железа содержит необязательно металлическое связующее покрытие (7) и два наслоенных керамических слоя (16) с внутренним керамическим (10) и внешним керамическим (13) слоем. Внутренний керамический слой (10) является наноструктурным и имеет пористость между 3 об.% и 14 об.%, в частности между 9 об.% и 14 об.%, а внешний слой (13) имеет пористость более высокую, чем пористость внутреннего слоя (10), в частности по меньшей мере на 10% более высокую, наиболее предпочтительно по меньшей мере на 20% более высокую. Материал двух керамических слоев (10, 13) является одинаковым, в частности стабилизированным диоксидом циркония, наиболее предпочтительно диоксидом циркония, стабилизированным оксидом иттрия. Улучшается вязкость керамического термобарьерного покрытия. 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к керамическому термобарьерному покрытию, которое имеет наноструктурный и микроструктурный слой.
Термобарьерные покрытия должны проявлять низкую теплопроводность, но также хорошее сцепление с подложкой или с металлическим связующим слоем.
В особенности должна быть улучшена вязкость термобарьерного покрытия.
Поэтому задача изобретения состоит в улучшении вязкости керамического термобарьерного покрытия.
Задача разрешена с помощью термобарьерного покрытия согласно пункту 1 патентной формулы.
Как показано,
фиг.1 представляет схематический вид изобретения,
фиг.2 представляет газовую турбину,
фиг.3 представляет турбинную лопатку,
фиг.4 представляет камеру сгорания,
фиг.5 представляет список жаропрочных сплавов.
Нижеследующие примеры и фигуры представляют собой только варианты осуществления изобретения.
В фиг.1 показан компонент 1, 120, 130, 155. Она показывает металлическую подложку 4, которая, особенно в случае такой детали, как лопатки или лопасти 120, 130 (фиг.3) для газовых турбин 100 (фиг.2), изготовлена из жаропрочного сплава на основе никеля, как приведенных в фиг.5.
На подложку 4 предпочтительно нанесен металлический связующий слой 7, главным образом типа MCrAlY.
В некоторых случаях керамическое термобарьерное покрытие (TBC) 16 может быть нанесено непосредственно на подложку 4.
На подложке 4 или на связующем покрытии 7 во время нанесения керамического ТВС или по меньшей мере во время работы покровной системы формируют слой 8 из оксида алюминия (термически выращенного оксидного слоя (TGO)).
Связующее покрытие 7 предпочтительно представляет собой двухслойный металлический слой с уменьшенным количеством алюминия и/или хрома в верхней области. Этот верхний металлический слой предпочтительно имеет около 16%-18% хрома (Cr) и от 4% до 5% алюминия (Al).
Это улучшает вязкость металлического слоя, который обращен непосредственно к керамическим слоям.
Керамическое термобарьерное покрытие 16 представляет собой двухслойное керамическое слоистое покрытие 10, 13.
Керамическое ТВС 16 главным образом состоит только из двух слоев 10, 13.
Внутреннее керамическое покрытие 10 на металлическом связующем покрытии 7 поверх подложки 4 или на ней является наноструктурным, и главным образом гораздо более тонким, чем вышележащий керамический слой 13. Это улучшает вязкость и сцепление керамического покрытия.
Термин «наноструктурный» означает, что около 70%, главным образом по меньшей мере 90% зерен керамического слоя 10 имеют размер менее, чем 500 нм, главным образом ≤300 нм.
Во избежание спекания, минимальные размеры зерен составляют более, чем (≥)100 нм, и наиболее предпочтительно ≥200 нм.
Наноструктурным является только внутренний керамический слой 10. Наружный слой 13 является микроструктурным.
Термин «микроструктурный» означает, что около 70%, главным образом по меньшей мере 90% зерен керамического слоя 10 имеют размер более 1 мкм, главным образом более 20 мкм.
Нижний слой 10 главным образом является гораздо более тонким, чем верхнее керамическое термобарьерное покрытие 10.
Это значит, что толщина верхнего слоя 13 составляет по меньшей мере 60%, главным образом 70% общей толщины керамического слоя 13.
Нижний керамический слой 10 главным образом имеет толщину вплоть до 100 мкм с минимальным значением 10 мкм, главным образом 20 мкм.
Внутренний керамический слой 10 главным образом имеет пористость вплоть до 14 объемных процентов, главным образом между 9 объемными процентами до 14 объемных процентов.
Верхний керамический слой 13 главным образом имеет гораздо более высокую пористость, чем внутренний керамический слой 10 (различие составляет по меньшей мере 10%, главным образом ≥20%), главным образом пористость выше, чем 15% об., и пористость вплоть до 30% об.
Верхний слой 13 может быть нанесен любым способом нанесения покрытий, таким как плазменное напыление, высокоскоростное газопламенное напыление (HVOF) или холодное газовое напыление.
Наноструктурный керамический слой 10 предпочтительно наносят в виде суспензии, плазменным напылением или плазменным напылением из раствора прекурсора, или любым способом золь-гель-технологии.
Материал двух керамических слоев 10, 13 может быть одинаковым, главным образом он представляет собой стабилизированный иттрием диоксид циркония. Кроме того, внутренний керамический слой 10 может быть наноструктурным частично стабилизированным диоксидом циркония, и верхний слой 13 имеет иной состав, и главным образом представляет собой керамический слой со структурой пирохлора, которая главным образом представляет собой цирконат гадолиния (типа Gd2Zr2O7) или гафнат гадолиния (Gd2Hf2O7).
Фиг.3 показывает перспективный вид рабочей лопатки 120 ротора или направляющей лопасти 130 турбомашины, которая является протяженной вдоль продольной оси 121.
Турбомашина может представлять собой газовую турбину авиационного двигателя или электростанции для выработки электроэнергии, паровую турбину или компрессор.
Лопатка или лопасть 120, 130 имеет крепежный участок 400 (хвостовик), примыкающую полку 403 лопатки или лопасти, и основную лопатку (перо), или основную часть 406, последовательно протяженные вдоль продольной оси 121. В качестве направляющей лопасти 130, лопасть 130 может иметь дополнительную полку (не показана) на ее конце 415 лопасти.
Корень 183 лопатки или лопасти, который используется для крепления роторных лопаток 120, 130 к валу или диску (не показан), формируют в крепежном участке 400. Корень 183 лопатки или лопасти выполнен, например, в форме головки молотка. Возможны также другие конструкции, такие как елочный хвостовик или «ласточкин хвост». Лопатка или лопасть 120, 130 имеет входную кромку 409 и выходную кромку 412 для среды, которая обтекает основную часть 406 лопатки или лопасти.
В случае традиционных лопаток или лопастей 120, 130, в качестве примера, во всех участках 400, 403, 406 лопатки или лопасти 120, 130 используют сплошные металлические материалы, в частности, жаропрочные сплавы. Жаропрочные сплавы этого типа известны, например, из патентных документов EP 1204776 В1, EP 1306454, EP 1319729 А1, WO 99/67435 или WO 00/44949; эти документы составляют часть настоящего изобретения в отношении химического состава сплава. В этом случае лопатка или лопасть 120, 130 может быть получена способом литья, также с помощью направленного затвердевания, способом ковки, способом фрезерования или их комбинациями.
Заготовки с монокристаллической структурой или структурами используются в качестве компонентов для машин, которые во время работы подвергаются воздействию высоких механических, термических и/или химических нагрузок. Монокристаллические заготовки этого типа получают, например, направленным затвердеванием из расплава. Сюда входят процессы литья, в которых жидкий металлический сплав затвердевает с образованием монокристаллической структуры, то есть, монокристаллической заготовки, то есть, направленно. В этом процессе образуются дендритные кристаллы в направлении теплового потока, и формируют либо структуру с зернами в виде столбчатых кристаллов (то есть, с зернами, которые проходят по всей длине заготовки и в этом контексте называются, в соответствии со стандартной терминологией, направленно затвердевшими), либо монокристаллическую структуру, то есть, вся заготовка состоит из монокристалла. В этом процессе должен быть исключен переход к глобулярному (поликристаллическому) затвердеванию, поскольку ненаправленный рост неизбежно ведет к образованию поперечных и продольных границ между зернами, которые сводят на нет хорошие свойства направленно затвердевшей или монокристаллической детали. Там, где в общем рассматриваются направленно затвердевшие микроструктуры, это следует понимать как включающее как монокристаллы, которые не имеют никаких границ между зернами или, в крайнем случае, имеют малоугловые межзеренные границы, так и структуры из столбчатых кристаллов, которые имеют границы между зернами, проходящие в продольном направлении, но не имеют никаких поперечных межзеренных границ. В случае этих указанных последними кристаллических структур речь также может идти о направленно затвердевших микроструктурах (направленно затвердевших структурах). Способы этого типа известны из патентных документов US 6024792 и EP 0892090 А1.
Лопатки или лопасти 120, 130 также могут иметь покрытия, защищающие от коррозии или окисления, например, (MCrAlX; М представляет по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из железа (Fe), кобальта (Co), никеля (Ni); Х обозначает активный элемент и представляет собой иттрий (Y), и/или кремний, и/или по меньшей мере один редкоземельный элемент, или гафний (Hf)). Сплавы этого типа известны из патентных документов ЕР 0486489 В1, ЕР 0786017 В1, ЕР 0412397 В1 или ЕР 1306454 А1.
На MCrAlX также может присутствовать термобарьерное покрытие, состоящее, например, из ZrO2, Y2O4-ZrO2, то есть, которое является не стабилизированным, является частично или полностью стабилизированным оксидом иттрия, и/или оксидом кальция, и/или оксидом магния. Столбчатые зерна получаются в термобарьерном покрытии с помощью подходящих способов нанесения покрытий, например, таких как физическое осаждение из паровой фазы с испарением электронным пучком (EB-PVD).
Термин «обновление» означает, что защитные слои могут быть удалены с деталей 120, 130 после того, как они были использованы (например, пескоструйной обработкой). Затем удаляют корродированные и/или окисленные слои или продукты. При необходимости также ремонтируют трещины в детали 120, 130 с использованием припоя согласно изобретению. Затем следует повторное нанесение покрытия на деталь 120, 130, после которого деталь 120, 130 может быть опять использована.
Лопатка или лопасть 120, 130 может иметь сплошную или полую конструкцию. Если лопатка или лопасть 120, 130 должна охлаждаться, то она является полой и также может включать отверстия 418 для пленочного охлаждения (обозначены пунктирными линиями).
Фиг.4 показывает камеру 110 сгорания газовой турбины 100 (Фиг.2).
Как известно, камеру 110 сгорания компонуют, например, как кольцевую камеру сгорания, в которой многочисленные форсунки 107, которые размещены вокруг оси 102 вращения в окружном направлении, открыты в общий объем 154 камеры сгорания, причем форсунки 107 образуют факелы 156 пламени. Для этой цели вся камера 110 сгорания в целом имеет кольцеобразную конфигурацию, позиционированную вокруг оси 102 вращения.
Для достижения относительно высокого коэффициента полезного действия камеру 110 сгорания рассчитывают на относительно высокую температуру рабочей среды М на уровне приблизительно от 1000°С до 1600°С. Чтобы обеспечить относительно длительную продолжительность работы даже при этих эксплуатационных параметрах, которые являются неблагоприятными для материалов, стенку 153 камеры сгорания оснащают внутренней облицовкой, сформированной из теплозащитных элементов 155 на ее стороне, обращенной к рабочей среде М. Каждый теплозащитный элемент 155, изготовленный из сплава, на стороне рабочей среды оснащают особенно термостойким защитным слоем (слой MCrAlX и/или керамическое покрытие), или сделанным из материала, который способен выдерживать высокие температуры (сплошные керамические кирпичи). Эти защитные слои могут быть подобными лопаткам или лопастям турбины, то есть, представлять собой, например, MCrAlX: М обозначает по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из железа (Fe), кобальта (Co), никеля (Ni), Х обозначает активный элемент и представляет собой иттрий (Y), и/или кремний, и/или по меньшей мере один редкоземельный элемент, или гафний (Hf). Сплавы этого типа известны из патентных документов ЕР 0486489 В1, ЕР 0786017 В1, ЕР 0412397 В1 или ЕР 1306454 А1, которые предполагаются составляющими часть настоящего изобретения в отношении химического состава сплава.
На MCrAlX также может присутствовать керамическое термобарьерное покрытие, состоящее, например, из ZrO2, Y2O4-ZrO2, то есть, которое является не стабилизированным, является частично или полностью стабилизированным оксидом иттрия, и/или оксидом кальция, и/или оксидом магния.
Столбчатые зерна получаются в термобарьерном покрытии с помощью подходящих способов нанесения покрытий, например, таких как физическое осаждение из паровой фазы с испарением электронным пучком (EB-PVD).
Термин «обновление» означает, что защитные слои могут быть удалены с теплозащитных элементов 155 после того, как они были использованы (например, пескоструйной обработкой). Затем удаляют корродированные и/или окисленные слои или продукты. При необходимости также ремонтируют трещины в теплозащитном элементе 155 с использованием припоя согласно изобретению. Затем следует повторное нанесение покрытия на теплозащитные элементы 155, после которого теплозащитные элементы 155 могут быть использованы вновь.
Более того, с учетом высоких температур внутри камеры 110 сгорания, может быть предусмотрена система охлаждения теплозащитных элементов 155 и/или деталей их крепления. В этом случае теплозащитные элементы 155 являются, например, полыми, и также могут включать отверстия 418 для пленочного охлаждения (не показаны), которые открыты в объем 154 камеры сгорания.
Фиг.2 показывает, в качестве примера, газовую турбину 100 в виде частичного продольного разреза. Внутри нее газовая турбина 100 имеет ротор 103, который смонтирован так, что он может вращаться вокруг оси 102 вращения и имеет вал, также известный как ротор турбины. Вдоль ротора 103 один за другим следуют впускной корпус 104, компрессор 105, например, тороидальная камера 110 сгорания, в частности, кольцевая камера сгорания, с многочисленными коаксиально размещенными форсунками 107, турбина 108 и выпускной корпус 109. Кольцевая камера 110 сгорания находится в сообщении, например, с кольцеобразным каналом 111 для горячего газа, где, например, четыре последовательных ступени 112 турбины образуют турбину 108.
Каждая ступень 112 турбины сформирована, например, из двух лопаточных или лопастных венцов. Если смотреть по направлению течения рабочей среды 113, ряд 125, сформированный из турбинных лопаток 120, следует за рядом 115 направляющих лопастей в канале 111 для горячего газа.
Направляющие лопасти 130 закреплены на внутреннем корпусе 138 статора 143, тогда как турбинные лопатки 120 ряда 125 вставлены в ротор 103, например, с помощью турбинного диска 133. С ротором 103 соединен генератор или машина (не показаны).
Когда газовая турбина 100 работает, компрессор 105 засасывает воздух 135 через впускной корпус 104 и сжимает его. Сжатый воздух, который поступает на конец компрессора 105, обращенный к турбине, проходит мимо форсунок 107, где он смешивается с топливом. Затем смесь сгорает в камере 110 сгорания с образованием рабочей среды 133. Оттуда рабочая среда 133 протекает вдоль канала 111 для горячего газа, проходит через направляющие лопасти 130 и лопатки 120 ротора. Рабочая среда 113 расширяется на лопатках 120 ротора, передает им импульс силы, так что лопатки 120 ротора приводят во вращение ротор 103, и ротор приводит в движение соединенную с ним машину.
Когда газовая турбина 100 работает, детали, которые подвергаются воздействию горячей рабочей среды 113, испытывают термические нагрузки. Направляющие лопасти 130 и лопатки 120 ротора в первой ступени 112 турбины, если смотреть по направлению течения рабочей среды 113, вместе с теплозащитными элементами, которые составляют облицовку кольцеобразной камеры 110 сгорания, подвергаются самым высоким термическим нагрузкам. Чтобы выдерживать господствующие там температуры, эти детали могут охлаждаться посредством охлаждающей среды.
Подобным образом, подложки деталей могут иметь направленную структуру, то есть, они находятся в монокристаллической форме (SX-структура), или включают только продольно направленные зерна (DS-структура). Например, в качестве материала для деталей, в частности, для лопаток и лопастей 120, 130 турбины и деталей камеры 110 сгорания, используют жаропрочные сплавы на основе железа, на основе никеля или на основе кобальта. Жаропрочные сплавы этого типа известны, например, из патентных документов EP 1204776 В1, EP 1306454, EP 1319729 А1, WO 99/67435 или WO 00/44949.
Подобным образом, лопатки и лопасти 120, 130 имеют покрытия для защиты от коррозии (MCrAlX; М представляет по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из железа (Fe), кобальта (Co), никеля (Ni), Х обозначает активный элемент и представляет собой иттрий (Y), и/или кремний, и/или по меньшей мере один редкоземельный элемент, или гафний). Сплавы этого типа известны из патентных документов ЕР 0486489 В1, ЕР 0786017 В1, ЕР 0412397 В1 или ЕР 1306454 А1.
На MCrAlX также может присутствовать термобарьерное покрытие, состоящее, например, из ZrO2, Y2O4-ZrO2, то есть, которое является не стабилизированным, является частично или полностью стабилизированным оксидом иттрия, и/или оксидом кальция, и/или оксидом магния. Столбчатые зерна получаются в термобарьерном покрытии с помощью подходящих способов нанесения покрытий, например, таких как физическое осаждение из паровой фазы с испарением электронным пучком (EB-PVD).
Направляющая лопасть 130 имеет корень направляющей лопасти (здесь не показан), обращенный к внутреннему корпусу 138 турбины 108, и головку направляющей лопасти на противоположной стороне относительно корня направляющей лопасти. Головка направляющей лопасти обращена к ротору 103 и закреплена на крепежном кольце 140 статора 143.

Claims (12)

1. Керамическое термобарьерное покрытие на подложке из жаропрочного сплава на основе никеля или кобальта, или железа, которое содержит необязательно металлическое связующее покрытие (7) и два наслоенных керамических слоя (16) с внутренним керамическим (10) и внешним керамическим (13) слоем, при этом внутренний керамический слой (10) является наноструктурным и имеет пористость между 3 об.% и 14 об.%, в частности между 9 об.% и 14 об.%, а внешний слой (13) имеет пористость более высокую, чем пористость внутреннего слоя (10), в частности по меньшей мере на 10% более высокую, наиболее предпочтительно по меньшей мере на 20% более высокую, при этом материал двух керамических слоев (10, 13) является одинаковым, в частности стабилизированным диоксидом циркония, наиболее предпочтительно диоксидом циркония, стабилизированным оксидом иттрия.
2. Покрытие по п.1, в котором внутренний керамический слой (10) является более тонким, чем внешний керамический слой (13), в частности по меньшей мере на 10% более тонким, наиболее предпочтительно по меньшей мере на 20% более тонким.
3. Покрытие по п.1, в котором внутренний керамический слой (10) имеет толщину до 100 мкм.
4. Покрытие по п.1, в котором внутренний керамический слой (10) имеет толщину по меньшей мере 10 мкм, в частности по меньшей мере 20 мкм.
5. Покрытие по п.1, в котором внешний слой (13) имеет пористость вплоть до 30 об.%, в частности от >15 об.% до 30 об.%.
6. Покрытие по п.1, в котором материал внутреннего керамического слоя (10) содержит диоксид циркония, в частности состоит из диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.
7. Покрытие по п.1, в котором максимальный размер зерен по меньшей мере 90% зерен наноструктурного слоя (10) составляет 500 нм, в частности все размеры зерен являются меньшими чем 500 нм, наиболее предпочтительно меньшими чем 300 нм.
8. Покрытие по п.1, в котором размер зерен внутреннего слоя (10) составляет по меньшей мере 50 нм, в частности ≥100 нм, наиболее предпочтительно ≥200 нм.
9. Покрытие по п.1, в котором керамический слой (16) состоит из двух слоев (10, 13).
10. Покрытие по п.1, в котором внешний керамический слой (13) имеет по меньшей мере 70% зерен с размером более 10 мкм, в частности по меньшей мере 90% более 10 мкм.
11. Покрытие по п.1, в котором связующее покрытие (7) представляет собой двухслойный металлический слой, в частности с пониженным количеством алюминия (Al) и/или хрома (Cr) в верхней области.
12. Покрытие по п.11, в котором содержится от 16 вес.% до 18 вес.% хрома (Cr) и/или от 4 вес.% до 5 вес.% алюминия (Al).
RU2012132324/02A 2009-12-29 2010-12-21 Нано- и микроструктурное керамическое термобарьерное покрытие RU2518850C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP09016100.1 2009-12-29
EP20090016100 EP2341166A1 (en) 2009-12-29 2009-12-29 Nano and micro structured ceramic thermal barrier coating
PCT/EP2010/070347 WO2011080158A1 (en) 2009-12-29 2010-12-21 Nano and micro structured ceramic thermal barrier coating

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012132324A RU2012132324A (ru) 2014-02-10
RU2518850C2 true RU2518850C2 (ru) 2014-06-10

Family

ID=41624974

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012132324/02A RU2518850C2 (ru) 2009-12-29 2010-12-21 Нано- и микроструктурное керамическое термобарьерное покрытие

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20120321905A1 (ru)
EP (2) EP2341166A1 (ru)
JP (1) JP5632017B2 (ru)
KR (1) KR101492313B1 (ru)
CN (1) CN102695818B (ru)
RU (1) RU2518850C2 (ru)
WO (1) WO2011080158A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2746196C1 (ru) * 2020-06-01 2021-04-08 Общество С Ограниченной Ответственностью "Технологические Системы Защитных Покрытий" (Ооо "Тсзп") Деталь и сборочная единица соплового аппарата турбины высокого давления

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2407579A1 (de) * 2010-07-14 2012-01-18 Siemens Aktiengesellschaft Poröses keramisches Schichtsystem
US20130186304A1 (en) * 2012-01-20 2013-07-25 General Electric Company Process of fabricating a thermal barrier coating and an article having a cold sprayed thermal barrier coating
US20130260132A1 (en) * 2012-04-02 2013-10-03 United Technologies Corporation Hybrid thermal barrier coating
US20140220324A1 (en) * 2012-08-15 2014-08-07 Christopher W. Strock Thermal barrier coating having outer layer
US11047033B2 (en) 2012-09-05 2021-06-29 Raytheon Technologies Corporation Thermal barrier coating for gas turbine engine components
WO2014126633A2 (en) * 2012-12-26 2014-08-21 United Technologies Corporation Spallation-resistant thermal barrier coating
US20150233256A1 (en) * 2013-01-15 2015-08-20 General Electric Company Novel architectures for ultra low thermal conductivity thermal barrier coatings with improved erosion and impact properties
EP2971240B1 (en) * 2013-03-14 2018-11-21 United Technologies Corporation Hybrid thermal barrier coating and process of making the same
US9511436B2 (en) 2013-11-08 2016-12-06 General Electric Company Composite composition for turbine blade tips, related articles, and methods
US20150147524A1 (en) * 2013-11-26 2015-05-28 Christopher A. Petorak Modified thermal barrier composite coatings
JP6365969B2 (ja) * 2014-03-17 2018-08-01 三菱日立パワーシステムズ株式会社 遮熱コーティング材、これを有するタービン部材及び遮熱コーティング方法
DE102014208216A1 (de) * 2014-04-30 2015-11-05 Siemens Aktiengesellschaft CMAS resistente keramische Schicht durch Nanoporosität
RU2732011C2 (ru) 2014-08-27 2020-09-10 ДжиСи КОРПОРЕЙШН Способ производства зубного протеза, способ производства заготовки из дисиликата лития для зубного протеза и заготовка из двукремнекислого лития для зубного протеза
DE102014220359A1 (de) * 2014-10-08 2016-04-14 Siemens Aktiengesellschaft Doppellagige Zirkonoxidschicht mit hochreinem Anteil
CN105782591A (zh) * 2014-12-26 2016-07-20 天津恒实通工程技术发展有限公司 一种高隔热效率纳米陶瓷涂层包裹的供热管道
KR101839656B1 (ko) * 2015-08-13 2018-04-26 두산중공업 주식회사 가스터빈 블레이드
US10801111B2 (en) 2017-05-30 2020-10-13 Honeywell International Inc. Sintered-bonded high temperature coatings for ceramic turbomachine components

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2213797C2 (ru) * 1998-01-13 2003-10-10 Роллс-Ройс плс Металлическое изделие, имеющее покрытие, образующее термический барьер, и способ нанесения покрытия
RU2228389C2 (ru) * 1998-10-01 2004-05-10 Юнайтед Текнолоджиз Корпорейшн Способ обеспечения тепловой защиты и металлическое изделие с керамическим покрытием (варианты)
EP1707651A1 (de) * 2005-03-31 2006-10-04 Siemens Aktiengesellschaft Schichtsystem und Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems
WO2007112783A1 (en) * 2006-04-06 2007-10-11 Siemens Aktiengesellschaft Layered thermal barrier coating with a high porosity, and a component
RU2375499C2 (ru) * 2007-12-20 2009-12-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют" Способ получения многослойного теплозащитного покрытия на деталях из жаропрочных сплавов

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3649225A (en) * 1969-11-17 1972-03-14 United Aircraft Corp Composite coating for the superalloys
FR2615871B1 (fr) * 1987-05-26 1989-06-30 Snecma Pieces de turbomachine en superalliage comportant un revetement protecteur metalloceramique
DE58908611D1 (de) 1989-08-10 1994-12-08 Siemens Ag Hochtemperaturfeste korrosionsschutzbeschichtung, insbesondere für gasturbinenbauteile.
DE3926479A1 (de) 1989-08-10 1991-02-14 Siemens Ag Rheniumhaltige schutzbeschichtung, mit grosser korrosions- und/oder oxidationsbestaendigkeit
RU2147624C1 (ru) 1994-10-14 2000-04-20 Сименс АГ Защитный слой для защиты детали от коррозии, окисления и термической перегрузки, а также способ его изготовления
EP0861927A1 (de) 1997-02-24 1998-09-02 Sulzer Innotec Ag Verfahren zum Herstellen von einkristallinen Strukturen
EP0892090B1 (de) 1997-02-24 2008-04-23 Sulzer Innotec Ag Verfahren zum Herstellen von einkristallinen Strukturen
EP1306454B1 (de) 2001-10-24 2004-10-06 Siemens Aktiengesellschaft Rhenium enthaltende Schutzschicht zum Schutz eines Bauteils gegen Korrosion und Oxidation bei hohen Temperaturen
WO1999067435A1 (en) 1998-06-23 1999-12-29 Siemens Aktiengesellschaft Directionally solidified casting with improved transverse stress rupture strength
US6231692B1 (en) 1999-01-28 2001-05-15 Howmet Research Corporation Nickel base superalloy with improved machinability and method of making thereof
EP1204776B1 (de) 1999-07-29 2004-06-02 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturbeständiges bauteil und verfahren zur herstellung des hochtemperaturbeständigen bauteils
US20030180571A1 (en) * 1999-12-14 2003-09-25 The Penn State Research Foundation Microstructured coatings and materials
EP1319729B1 (de) 2001-12-13 2007-04-11 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturbeständiges Bauteil aus einkristalliner oder polykristalliner Nickel-Basis-Superlegierung
EP1380672A1 (en) * 2002-07-09 2004-01-14 Siemens Aktiengesellschaft Highly oxidation resistant component
US6817051B2 (en) * 2002-08-27 2004-11-16 Sulzer Metco Ag Guide apparatus for a workpiece having a porous surface coating and a method for the polishing of such a workpiece
EP1464723B1 (en) * 2003-04-04 2018-02-21 Siemens Energy, Inc. Thermal barrier coating having nano scale features
EP1783248A1 (de) * 2005-11-04 2007-05-09 Siemens Aktiengesellschaft Zweilagiges thermisches Schutzschichtsystem mit Pyrochlor-Phase
EP1806432A1 (de) * 2006-01-09 2007-07-11 Siemens Aktiengesellschaft Schichtsystem mit zwei Pyrochlorphasen
EP1845171B1 (de) * 2006-04-10 2016-12-14 Siemens Aktiengesellschaft Verwendung metallischer Pulver mit unterschiedlichen Korngrössen zum Herstellen eines Schichtsystems
EP2128306B1 (en) * 2008-05-26 2015-04-29 Siemens Aktiengesellschaft Ceramic thermal barrier coating system with two ceramic layers
EP2206805A1 (de) * 2009-01-08 2010-07-14 Siemens Aktiengesellschaft MCrAIX-Schicht mit unterschiedlichen Chrom- und Aluminiumgehalten
EP2230329A1 (de) * 2009-03-18 2010-09-22 Siemens Aktiengesellschaft Zweilagiges poröses Schichtsystem mit Pyrochlor-Phase

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2213797C2 (ru) * 1998-01-13 2003-10-10 Роллс-Ройс плс Металлическое изделие, имеющее покрытие, образующее термический барьер, и способ нанесения покрытия
RU2228389C2 (ru) * 1998-10-01 2004-05-10 Юнайтед Текнолоджиз Корпорейшн Способ обеспечения тепловой защиты и металлическое изделие с керамическим покрытием (варианты)
EP1707651A1 (de) * 2005-03-31 2006-10-04 Siemens Aktiengesellschaft Schichtsystem und Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems
WO2007112783A1 (en) * 2006-04-06 2007-10-11 Siemens Aktiengesellschaft Layered thermal barrier coating with a high porosity, and a component
RU2375499C2 (ru) * 2007-12-20 2009-12-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют" Способ получения многослойного теплозащитного покрытия на деталях из жаропрочных сплавов

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2746196C1 (ru) * 2020-06-01 2021-04-08 Общество С Ограниченной Ответственностью "Технологические Системы Защитных Покрытий" (Ооо "Тсзп") Деталь и сборочная единица соплового аппарата турбины высокого давления

Also Published As

Publication number Publication date
EP2519659B1 (en) 2014-06-25
KR101492313B1 (ko) 2015-02-23
WO2011080158A1 (en) 2011-07-07
RU2012132324A (ru) 2014-02-10
CN102695818A (zh) 2012-09-26
EP2519659A1 (en) 2012-11-07
CN102695818B (zh) 2015-07-29
EP2341166A1 (en) 2011-07-06
KR20120088874A (ko) 2012-08-08
JP5632017B2 (ja) 2014-11-26
US20120321905A1 (en) 2012-12-20
JP2013515859A (ja) 2013-05-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2518850C2 (ru) Нано- и микроструктурное керамическое термобарьерное покрытие
EP2128306B1 (en) Ceramic thermal barrier coating system with two ceramic layers
RU2423544C2 (ru) Многослойное термобарьерное покрытие для детали из сплава на основе кобальта или никеля и деталь
US7592071B2 (en) Layer system
JP5173823B2 (ja) パイロクロア相を有する二層構造耐熱保護組織
RU2454477C2 (ru) Пирохлорные материалы и создающее тепловой барьер покрытие с этими пирохлорными материалами
RU2597459C2 (ru) СИСТЕМА СЛОЕВ С ДВОЙНЫМ МЕТАЛЛИЧЕСКИМ MCrAlY-ПОКРЫТИЕМ
JP2009517241A (ja) ガドリニウム混晶パイロクロア相を有する層組織
KR20110119800A (ko) 파이로클로르 상을 갖는 2층의 다공성 층 시스템
KR20120125551A (ko) ２층의 금속 결합코트
JP2010241611A6 (ja) パイロクロア相と酸化物とを有するセラミック粉末、セラミック層及び層組織
KR20120139832A (ko) 높은 감마/감마프라임 전이 온도를 갖는 금속 본드코트 및 구성요소
KR20140049548A (ko) 합금, 보호층 및 부품
KR101597924B1 (ko) 2겹 금속층을 포함하는 층 시스템
KR20140046061A (ko) 합금, 보호층 및 부품
GB2439312A (en) Protective coating for turbine components

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20151222