TWI424117B - 具有防腐蝕及侵蝕塗層之渦輪機葉片及其製造方法 - Google Patents

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Description

具有防腐蝕及侵蝕塗層之渦輪機葉片及其製造方法
本發明係關於一種渦輪機葉片，特別是在氣渦輪發動機中使用的壓縮機葉片。本發明亦關於一種製造渦輪機葉片之方法，該方法包括在渦輪機葉片體上沉積防腐蝕及侵蝕塗層的步驟。
從目前技術程度可知由金屬材料，例如不銹鋼製成之渦輪機葉片，特別是壓縮機葉片係對腐蝕敏感，特別是對穿孔腐蝕敏感。
穿孔腐蝕係局部腐蝕之一種形式，其使金屬材料因電流腐蝕而產生小孔。如已知般，穿孔腐蝕可從小的表面瑕疵，例如刮痕、孔或材料組合物局部變化開始，並且其可能因操作期間之鹽類沉積和濕度，或渦輪發動機的擱置不動而加劇。由於水滴和顆粒物質撞擊氣渦輪機中壓縮機葉片的前緣區域，穿孔腐蝕係一種經常發生在壓縮機葉片組上的退化機理。
此外，穿孔腐蝕係極端地隱蔽，因為它僅造成材料微小損失以及對金屬表面的微弱影響。然而，其導致金屬深層結構嚴重損壞。當腐蝕凹點達到一定深度，特別是在葉片前緣區域時，其可導致裂縫之形成，裂縫最終使葉片因高度循環疲勞(HCF)而故障。
為避免穿孔腐蝕，吾人已知在葉片體材料上沉積防腐蝕塗料。近年來，使用犧牲性漿液塗層作為防腐蝕塗層變得 較流行，特別是用於壓縮機葉片組之前段。該等塗層係犧牲性的，因為他們代替葉片材料被攻擊。然而，顯而易見，即使是犧牲性漿液塗層在高度侵蝕性環境下也易老化，其一般可在壓縮機葉片前緣發現，這是由於水滴和粒子極猛烈打擊葉片之故。因為塗層局部損失抗侵蝕性質，前緣區域可能發生腐蝕。
如上所述，該發明之目標係抑制渦輪機葉片的穿孔腐蝕並且提供具有改良之防腐蝕及侵蝕塗層之渦輪機葉片，使葉片能夠有更長的工作期限。該發明之另一個目標係提供一種該等渦輪機葉片的製造方法。
之前提到的目標分別藉由獨立請求項1中描述之渦輪機葉片以及根據請求項26之製造該等渦輪機葉片的方法達成。較佳實施例係附屬請求項之標的。
根據本發明之一態樣，渦輪機葉片可係壓縮機葉片，該渦輪機葉片包括葉片體及結合至葉片體之防腐蝕及侵蝕之多層塗層。多層塗層包括抗侵蝕第一層和犧牲性第二層，其中所提供之後者與第一層呈覆蓋關係。
較佳地，選擇抗侵蝕第一層以便提供防侵蝕性以對抗水滴或粒子衝擊之。如果葉片體係由不銹鋼構成，第一層可經選擇以便同樣提供不銹鋼抗腐蝕性。
按照本發明之另一態樣，該抗侵蝕第一層沉積以便使其至少覆蓋葉片體之腐蝕(和侵蝕)關鍵區域，例如葉片之前緣區域。然而，可能較佳地，第一層係專用於覆蓋葉片體 的侵蝕關鍵區域而並非覆蓋葉片體之不屬於侵蝕關鍵區域之區域。
取決於侵蝕破壞之嚴重性，該第一層較佳係覆蓋最多30%始自前緣朝向葉片之吸入側和壓力側，可謂朝向葉片後緣之弦長區域。該第一層可覆蓋5%到30%始自前緣朝向後緣之弦長。但其亦可覆蓋最多60%或更多始自前緣朝向後緣之弦長區域以防顆粒物質和水滴之更強烈衝擊。
沉積該犧牲性第二層，使其至少完全覆蓋第一層。然而，犧牲性第二層較佳係完全覆蓋葉片體。
在本發明的渦輪機葉片中，較佳地係將第一層夾在葉片體和第二層之間。據此，以相對於葉片體和第二層之相鄰關係安裝第一層以便作為葉片體和第二層之間的中間層。
在本發明中，第一層可具有範圍在50至100微米(μm)之間之層厚，而第二層可具有範圍從50到100微米(μm)之層厚而使總保護塗層厚度在100到200微米(μm)之範圍內，其中最大總厚度為200微米(μm)。
較佳地，第一層係經選擇使得其係黃銅帶材或包含黃銅合金與抗侵蝕填料材料之基質的箔，其中抗侵蝕填料材料實質上係由研磨劑粒子組成。該黃銅合金可為基於銀(Ag)的合金或基於鋁(A1)的合金或任何其他適合的合金。該抗侵蝕填料可經選擇以便由一種或多種填料材料組成，其中填料材料係選自由Al2 O3 、WC、CrC、或任何其他適當的抗侵蝕材料組成之群。該填料含量範圍可從第一層之60至90Vol.%，填料粒子的尺寸範圍可從10至30微米(μm)。
在本發明中，依據第一層沉積技術而定，可使第一層的粗糙度小於2.3微米(μm)。
較佳地，第一層材料係利用一種或多種沉積技術沉積，其中該等沉積技術係選自HVOF(高速氧燃料)-噴塗技術、帶材/箔材銅焊技術、CVD(化學氣相沉積)技術和雷射包層技術中。若第一層材料係由一種或多種材料組成，其中該等材料係選自不銹鋼和基於鎳(Ni)之合金之群，因此第一層材料可利用HVOF(高速氧燃料)-噴塗技術沉積。
在本發明中，第二層較佳係犧牲性漿液塗層。該犧牲性漿液塗層可(例如)係由緊密堆積之經鋁填充的鉻酸鹽/磷酸鹽底層組成，該底層係經化學惰性鉻酸鹽/磷酸鹽頂塗層密封於其頂部上。較佳地，依據第一層沉積技術而定，使犧牲性漿液塗層之粗糙度小於1.6微米(μm)。
根據本發明之另一態樣，一種製造以上描述之渦輪機葉片的方法，其包括以下步驟：-提供葉片體，接著-進行沉積防腐蝕及侵蝕塗層於該葉片體上之兩步驟處理法，即-沉積防腐蝕和侵蝕第一層以至少覆蓋腐蝕關鍵區域，特別是葉片體之前緣區域之第一沉積步驟，以及接下來-沉積犧牲性第二層於第一層之上以至少覆蓋第一層並且較佳地覆蓋整個葉片體之第二沉積步驟。
第二層的沉積可利用一種或多種標準噴霧技術進行。第一層可藉由以下兩種較佳技術中之一種沉積在基層材料 上，其中該等技術係選自帶材/箔材銅焊技術或HVOF(高速氧燃料)-噴塗技術。然而，其他沉積技術，例如CVD(化學氣相沉積)技術或雷射包層技術亦可使用。如果第一層材料係由一種或多種材料組成，其中該材料係選自不銹鋼和基於鎳(Ni)的合金組成之群，該第一層材料可利用HVOF(高速氧燃料)-噴塗技術沉積。
在具有由不銹鋼製成的葉片體之渦輪機葉片中，第一層材料可利用帶材/箔材銅焊技術沉積。如此進行時，所用之銅焊溫度可不超過不銹鋼葉片體材料的回火溫度。
上述及其他本發明之目標、特色和優勢將在考慮下列其具體實施例的詳細說明後而變得明顯。
參考附圖，本發明的具體實施例將詳細闡述於下。
現參閱圖1，其顯示一用於氣渦輪機之壓縮機葉片之具體實施例的橫向截面圖，其中壓縮機葉片具有根據本發明之防腐蝕塗層。
壓縮機葉片1包括葉片體(底材)2，舉例來說，其係由不銹鋼所製成。由於其典型的葉片體形狀，該葉片體具有主要凸出之壓力側7(在圖1上端)和次要凸出吸入側6(在圖1下端)，其二者係形成匯合於葉片體2之鈍前緣8和尖銳的後緣9。該葉片體2的外表面10係經與其結合之防腐蝕及侵蝕之雙層塗層11覆蓋。
該雙層塗層11包括較低抗侵蝕第一層3，其被提供於葉片體表面上並安裝在葉片體2之吸入側6和壓力側7上圍繞 前緣8之前緣區域5中。第一層3覆蓋最多60%始自葉片體2之前緣8朝向後緣9之翼弦長之覆蓋區域。在圖1中，翼弦長可藉由葉片體2之外表面10識別。
該抗侵蝕第一層3材料係經選擇以便提供抗侵蝕性來對抗衝擊在前緣8區域5之水滴或粒子。其係經選擇以便亦為葉片體2提供不銹鋼抗腐蝕性。
為此，第一層3係黃銅帶材或包含黃銅合金基質之箔，例如基於銀(Ag)之合金或基於鋁(Al)之合金，和抗侵蝕填料材料，例如Al2 O3 、WC和CrC。該填料含量範圍可從第一層3之60 Vol.%至90 Vol.%，填料粒子之尺寸較佳係在10至30微米(μm)之範圍內。該第一層3之層厚較佳係在從50至100μm之範圍內。
雙層塗層11更進一步包括上犧牲性第二層4，其覆蓋第一層3(沉積於其上)以及葉片體2表面10之剩餘未覆蓋部分。第一層3係夾在葉片體2和第二層4之間。第二層4是犧牲性漿液塗層，其係由緊密堆積經鋁填充之鉻酸鹽/磷酸鹽底層組成，該底層係經化學惰性鉻酸鹽/磷酸鹽頂塗層密封於其頂部上(底層和頂塗層未進一步詳述於圖1中)。第二層4具有範圍從50至100 μm之層厚，而使總雙層塗層11的厚度在從100至200 μm之範圍內。
現參閱圖2，其概略上描繪一種製造圖1中展示之壓縮機葉片1的方法，該方法包括兩個用於沉積防腐蝕雙層塗層11之沉積步驟。
在提供未經覆蓋之葉片體2(步驟I)之後，該抗侵蝕第一 層3係沉積在葉片體2之表面(外層)10上前緣8區域5中(步驟II)。在另一步驟中，從經部分覆蓋之葉片體2(步驟II)開始，犧牲性漿液第二層4係沉積在第一層3和葉片體2表面10之剩餘未經覆蓋部分上，以便塗於整個葉片體2上(步驟III)。
為將第一層3沉積在基層材料上，可使用帶材/箔材銅焊技術或HVOF(高速氧燃料)-噴塗技術。然而，亦可使用其他沉積技術例如CVD(化學氣相沉積)技術或雷射包層技術。第二層之沉積可利用一種或多種標準噴塗技術進行，該沉積技術可經選擇以便達到小於2.3 μm之抗侵蝕第一層3和犧牲性漿液第二層4之粗糙度。
從上可知，藉由結合防腐蝕雙層塗層11於葉片體2之外表面10上可因提供增強之防局部侵蝕和腐蝕性而顯著增加葉片1之工作期限並降低由於穿孔腐蝕攻擊而過早失效的風險。該雙層塗層和用於塗布之步驟可以低成本實現。藉由限制抗侵蝕第一層3在特別受到過早侵蝕危險之葉片體2前緣區域5，可另外降低生產成本和時間。本發明具有雙層結構之壓縮機葉片係可檢修的。
1‧‧‧渦輪機葉片
2‧‧‧葉片體
3‧‧‧抗腐蝕及侵蝕第一層
4‧‧‧犧牲性第二層
5‧‧‧前緣區域
6‧‧‧吸入側
7‧‧‧壓力側
8‧‧‧前緣
9‧‧‧後緣
10‧‧‧葉片體表面
11‧‧‧防腐蝕雙層塗層
圖1概略性描繪一壓縮機葉片之具體實施例的橫向截面圖，其具有一根據本發明之防腐蝕塗層；圖2概略性描繪一種製造圖1所示之壓縮機葉片的方法。
1‧‧‧渦輪機葉片
2‧‧‧葉片體
3‧‧‧抗腐蝕及侵蝕第一層
4‧‧‧犧牲性第二層
5‧‧‧前緣區域
6‧‧‧吸入側
7‧‧‧壓力側
8‧‧‧前緣
9‧‧‧後緣
10‧‧‧葉片體表面
11‧‧‧防腐蝕雙層塗層

Claims (29)

  1. 一種渦輪機葉片(1)，其包括：一葉片體；及一與該葉片體結合之防腐蝕多層塗層，該多層塗層包括一抗腐蝕及侵蝕第一層，其至少覆蓋該葉片體之一腐蝕和侵蝕關鍵區域，以及一覆蓋該第一層之犧牲性第二層；其中該犧牲性第二層包含一犧牲性漿液塗層；及其中該犧牲性漿液塗層係由緊密堆積之經鋁填充之鉻酸鹽/磷酸鹽底塗層所形成，其中該底塗層係經化學惰性之鉻酸鹽/磷酸鹽頂塗層密封。
  2. 如請求項1之渦輪機葉片，其中該第一層專用於覆蓋該葉片體之該腐蝕及侵蝕關鍵區域。
  3. 如請求項1之渦輪機葉片，其中該第二層完全地覆蓋該葉片體。
  4. 如請求項1之渦輪機葉片，其中該第一層係夾在該葉片體和該第二層之間。
  5. 如請求項1之渦輪機葉片，其中該腐蝕關鍵區域係葉片體之一前緣區域。
  6. 如請求項5之渦輪機葉片，其中該第一層覆蓋最多30%始自該葉片體之前緣朝向後緣之弦長區域。
  7. 如請求項5之渦輪機葉片，其中該第一層覆蓋5%到30%始自該葉片體之前緣朝向後緣之弦長區域。
  8. 如請求項5之渦輪機葉片，其中該第一層覆蓋最多60%始 自該葉片體之前緣朝向後緣之弦長區域。
  9. 如請求項1之渦輪機葉片，其中該第一層具有範圍從50至100微米之層厚。
  10. 如請求項1之渦輪機葉片，其中該第二層具有範圍從50至100微米之層厚。
  11. 如請求項1之渦輪機葉片，其中該第一層係由經選擇以提供抗侵蝕性以對抗水滴或粒子之衝擊的一材料形成。
  12. 如請求項1之渦輪機葉片，其中該葉片體材料係不銹鋼。
  13. 如請求項12之渦輪機葉片，其中該第一層係由經選擇以提供不銹鋼抗腐蝕性的一材料形成。
  14. 如請求項1之渦輪機葉片，其中該第一層之粗糙度係小於2.3微米。
  15. 如請求項1之渦輪機葉片，其中該第一層係黃銅帶材或箔，其中該箔含有黃銅合金與磨料顆粒之抗侵蝕填料的基質。
  16. 如請求項15之渦輪機葉片，其中該黃銅合金是基於銀之合金或基於鋁之合金。
  17. 如請求項15之渦輪機葉片，其中該抗侵蝕填料係為一種填料材料，其中該填料材料係選自由Al2 O3 、WC、和CrC、及其組合組成之群。
  18. 如請求項15之渦輪機葉片，其中填料含量係在第一層之60Vol.%至90Vol.%之範圍內。
  19. 如請求項15之渦輪機葉片，其中該填料粒子之尺寸係在 從10至30微米之範圍內。
  20. 如請求項1之渦輪機葉片，其中該第一層材料係藉由一種技術沉積，其中該技術係選自HVOF(高速氧燃料)-噴塗技術、帶材/箔材銅焊技術、CVD(化學氣相沉積)技術、雷射包層技術及其組合所組成之群組。
  21. 如請求項1之渦輪機葉片，其中該第一層材料係藉由HVOF(高速氧燃料)-噴塗技術沉積，且該第一層材料係由一種材料形成，其中該材料係選自不銹鋼、基於鎳(Ni)之合金、及其組合所組成之群組。
  22. 如請求項1之渦輪機葉片，其中該犧牲性漿液塗層之粗糙度係小於1.6微米。
  23. 如請求項1渦輪機葉片，其中該葉片係一壓縮機葉片。
  24. 一種製造渦輪機葉片之方法，其包括以下步驟：-提供一葉片體；-沉積一抗腐蝕和侵蝕第一層於該葉片體上以至少覆蓋該葉片體之一腐蝕關鍵區域；-在沉積該第一層後，在該第一層上沉積一犧牲性漿液塗層以覆蓋至少該第一層，其中該犧牲性漿液塗層係由緊密堆積之經鋁填充之鉻酸鹽/磷酸鹽底塗層所形成，其中該底塗層係經化學惰性之鉻酸鹽/磷酸鹽頂塗層密封。
  25. 如請求項24之方法，其中沉積該第一層包括沉積以專用於覆蓋該葉片體之該腐蝕關鍵區域。
  26. 如請求項24之方法，其中沉積該第二層包括沉積以完全 覆蓋該葉片體。
  27. 如請求項24之方法，其中沉積該第一層包括係利用一種技術沉積，其中該技術係選自HVOF(高速氧燃料)-噴塗技術、帶材/箔材銅焊技術、CVD(化學氣相沉積)技術、雷射包層技術及其組合所組成之群組。
  28. 如請求項24之方法，其中沉積該第一層包括利用HVOF(高速氧燃料)-噴塗技術技術沉積，且其中該第一層係由一種材料形成，該材料係選自不銹鋼、基於鎳(Ni)之合金及其組合所組成之群組。
  29. 如請求項24之方法，其中沉積該第一層包括沉積該第一層以覆蓋該葉片體之至少一前緣區域。
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