專利名稱：分層系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分層系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
這種分層系統(tǒng)有一個(gè)以鎳、鈷或鐵為基的金屬合金的基質(zhì)層。此類產(chǎn)品主要用作燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)件，尤其用作燃?xì)廨啓C(jī)葉片或熱屏裝置。這些構(gòu)件遭遇由腐蝕性燃燒氣體組成的熱燃?xì)饬?。因此它們必須能承受高的熱?fù)荷。此外，要求這些構(gòu)件耐氧化和耐腐蝕。尤其對于運(yùn)動構(gòu)件，例如燃?xì)廨啓C(jī)葉片，但也對靜止的構(gòu)件，還提出一些機(jī)械方面的要求。其中使用能承受熱燃?xì)庳?fù)荷的構(gòu)件的燃?xì)廨啓C(jī)的功率和效率，隨工作溫度的提高而增大。為了達(dá)到高效率和大功率，由于高的溫度，所以燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷特別大的構(gòu)件用陶瓷材料涂層。這種陶瓷材料在熱燃?xì)饬髋c金屬基質(zhì)層之間起隔熱層的作用。
面對腐蝕性熱燃?xì)饬?，金屬基體通過涂層保護(hù)。當(dāng)代的構(gòu)件大多有多個(gè)涂層，它們分別滿足特殊的要求。因此存在一種多層系統(tǒng)。
因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)的功率和效率隨工作溫度提高而增大，所以人們一再設(shè)法通過改善涂層系統(tǒng)達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)更高的工作能力。
EP0944746B1公開了使用燒綠石(Pyrochloren)作隔熱層。
然而，將一種材料用作隔熱層不僅需要它有良好的隔熱性質(zhì)，而且還要求與基質(zhì)層良好地連接。
EP0992603A1公開了一種由氧化釓和氧化鋯組成的隔熱層系統(tǒng)，它應(yīng)沒有燒綠石結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出一種分層系統(tǒng)，它有良好的隔熱性質(zhì)并且能與基質(zhì)層良好地連接，并因而整個(gè)分層系統(tǒng)有長的使用壽命。
上述技術(shù)問題通過這樣一種分層系統(tǒng)來解決，包括一個(gè)基質(zhì)層和一個(gè)金屬的連接層，該連接層由重量百分比為24-26％的鈷、16-18％的鉻、9.5-11％的鋁、0.3-0.5％的釔和0.5-2％的錸以及其余為鎳組成，其中，有一個(gè)穩(wěn)定的氧化鋯層尤其是一種釔穩(wěn)定的氧化鋯層作為在所述金屬連接層上的內(nèi)部陶瓷層，在該內(nèi)部陶瓷層上還有一外部陶瓷層，該外部陶瓷層由重量百分比至少為80％尤其為100％的燒綠石Gd2Zr2O7組成。
本發(fā)明基于下列認(rèn)識，即整個(gè)系統(tǒng)必須看作整體而不應(yīng)看作相互彼此隔離的各單層，由此可以優(yōu)化，以達(dá)到長的使用壽命。
按照本發(fā)明的一擴(kuò)展設(shè)計(jì)，所述Gd2Zr2O7可由Gd2Hf2O7代替。
按照本發(fā)明的另一擴(kuò)展設(shè)計(jì)，所述金屬連接層也可用一個(gè)重量百分比成分為11-13％的鈷、20-22％的鉻、10.5-11.5％的鋁、0.3-0.5％的釔、1.5-2.5％的錸和其余為鎳的金屬連接層來代替。


下面借助附圖所示實(shí)施方式對本發(fā)明予以詳細(xì)說明，附圖中圖1表示按本發(fā)明的分層系統(tǒng)；圖2表示一個(gè)渦輪葉片；以及圖3表示一臺燃?xì)廨啓C(jī)。
具體實(shí)施例方式
圖1表示按本發(fā)明的分層系統(tǒng)1。該分層系統(tǒng)1包括一個(gè)金屬的基質(zhì)層4，尤其對于高溫構(gòu)件它由鎳基或鈷基的超級高溫合金組成。
直接在基質(zhì)層4上存在一個(gè)金屬的連接層7，它或者由重量百分比為11-13％的鈷、20-22％的鉻、10.5-11.5％的鋁、0.3-0.5％的釔、1.5-2.5％的錸和其余為鎳組成，或者由24-26％的鈷、16-18％的鉻、9.5-11％的鋁、0.3-0.5％的釔、0.5-2％的錸和其余鎳組成。
在此金屬連接層7上，在涂覆另一些陶瓷層前已經(jīng)形成一個(gè)氧化鋁層，或在工作期間已經(jīng)形成一個(gè)這種氧化鋁層。
在金屬連接層7上或在氧化鋁層(未表示)上存在一個(gè)完全或部分穩(wěn)定化的氧化鋯層，作為內(nèi)部的陶瓷層10。優(yōu)選地采用釔穩(wěn)定的氧化鋯。同樣可以使用氧化鈣、氧化鈰、氧化鉿使氧化鋯穩(wěn)定化。
氧化鋯優(yōu)選地作為等離子噴鍍層施加，但也可以作為柱狀結(jié)構(gòu)借助電子束蒸鍍涂覆。
在穩(wěn)定化的氧化鋯層10上施加一個(gè)外部陶瓷層13，它大部分由燒綠石相組成，也就是說有重量百分比至少為80％的燒綠石相，以及或由Gd2Hf2O7或由Gd2Zr2O7組成。優(yōu)選地，該外層13由兩種燒綠石相之一100％地組成。
無定形的相或純Gd2或純ZrO2或純HfO2在這里不予考慮。由沒有燒綠石相的GdO2和ZrO2或HfO2組成的混合相是不希望的和應(yīng)極小化。
本發(fā)明的要點(diǎn)是認(rèn)識到不僅要優(yōu)化外部陶瓷層13與內(nèi)部陶瓷層10的相互作用，而且金屬連接層7對這種雙層陶瓷結(jié)構(gòu)的外部陶瓷層13的壽命和功能有重要的影響。
圖2用透視圖表示流體機(jī)械的工作葉片120或?qū)蛉~片130，它沿縱軸線121延伸。
此流體機(jī)械可以是飛機(jī)或發(fā)電廠的燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)或壓縮機(jī)。
葉片120、130沿縱軸線121彼此相繼地有固定區(qū)400、與之鄰接的葉片平臺403以及葉身406。
作為導(dǎo)向葉片130，葉片130在其葉片頂端415有另一個(gè)平臺(未表示)。
在固定區(qū)400構(gòu)成一個(gè)葉根183，它用于將工作葉片120、130固定在一軸或一輪盤上(未表示)。葉根183例如設(shè)計(jì)為錘頭。也可以不同地設(shè)計(jì)為縱樹形或燕尾形葉根。
葉片120、130對于流過葉身406的介質(zhì)有進(jìn)口邊409和流出邊412。
在傳統(tǒng)的葉片120、130中，在葉片120、130的所有區(qū)域400、403、406采用例如實(shí)心金屬材料，尤其超級高溫合金。
例如由EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、WO99//67435或WO00/44949已知這種超級高溫合金；這些文件所涉及的合金的化學(xué)成分是本申請公開內(nèi)容的一部分。
在這里，葉片120、130可以通過借助定向凝固的鑄造法、鍛造法、銑削法或這些方法的組合制造。
具有單晶結(jié)構(gòu)的工件用作這些機(jī)器的構(gòu)件，即它們在工作時(shí)遭受高的機(jī)械、熱和/或化學(xué)負(fù)荷。
生產(chǎn)這種單晶體工件例如通過熔體的定向凝固進(jìn)行。在這里涉及鑄造方法，其中，液態(tài)的金屬合金定向凝固為單晶結(jié)構(gòu)，亦即單晶工體。在這里樹枝狀晶體沿?zé)崃鞫ㄏ颍约盎驑?gòu)成條狀晶體結(jié)構(gòu)(柱狀，亦即晶粒沿工件的全長延伸，以及在這里按通常的習(xí)慣用語稱為定向凝固)，或構(gòu)成單晶結(jié)構(gòu)，亦即整個(gè)工件由單個(gè)晶體組成。在此方法中人們必須避免向球狀(多晶體)凝固過渡，因?yàn)橥ㄟ^不定向生長必然構(gòu)成橫向和縱向晶界，它們會使定向凝固的或單晶的構(gòu)件良好的性質(zhì)消失。
若一般地談?wù)摱ㄏ蚰探M織，則既指單晶體，它們沒有晶界或至多小角度晶界，也指條狀晶體結(jié)構(gòu)，它們一定有沿縱向延伸的晶界，但沒有橫向的晶界。對于第二種提到的晶體結(jié)構(gòu)，人們也稱定向凝固結(jié)構(gòu)(directionallysolidified structures)。
由US-PS 6024792和EP 0892090A1已知這些方法；這些文件是本申請公開內(nèi)容的一部分。
同樣，葉片120、130可以有防腐蝕或氧化的涂層，例如MCrAlX；M是鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)組中的至少一種元素，X是一種活性元素以及代表釔(Y)和/或硅和/或至少一種稀土元素或鉿(Hf)。由EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1或EP1306454A1已知這些合金，它們所涉及的合金化學(xué)成分應(yīng)是本申請公開內(nèi)容的一部分。
在MCrAlX上還可以存在一個(gè)隔熱層以及例如由ZrO2、Y2O4-ZrO3組成，也就是說它沒有、部分或完全通過氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂穩(wěn)定化。通過適用的涂層方法，例如電子束蒸鍍(EB-PVD)，在隔熱層內(nèi)產(chǎn)生條狀晶粒。
再加工(整修)的意思是，構(gòu)件120、130在其使用后必要時(shí)必須除去保護(hù)層(例如通過噴砂)。之后進(jìn)行去除腐蝕和/或氧化層或產(chǎn)物。必要時(shí)還要修理在構(gòu)件120、130中的裂紋。然后進(jìn)行構(gòu)件120、130的再涂層和重新使用構(gòu)件120、130。
葉片120、130可設(shè)計(jì)為空心或?qū)嵭?。?dāng)葉片120、130應(yīng)冷卻時(shí)，它是空心的以及必要時(shí)還有氣膜冷卻孔418(虛線所示)。
圖3用局部縱剖面舉例表示燃?xì)廨啓C(jī)100。
燃?xì)廨啓C(jī)100在內(nèi)部有一個(gè)可繞旋轉(zhuǎn)軸線102旋轉(zhuǎn)地支承的有一軸101的轉(zhuǎn)子103，它也稱渦輪轉(zhuǎn)子。渦轉(zhuǎn)子103彼此相繼地有進(jìn)氣機(jī)匣104、壓氣機(jī)105、例如花托狀燃燒室110，尤其環(huán)形燃燒室，包括多個(gè)同軸布置的燃燒器107、渦輪108和排氣機(jī)匣109。
環(huán)形燃燒室110與例如環(huán)形的熱燃?xì)馔ǖ?11連通。在那里例如四個(gè)前后串聯(lián)的渦輪級112構(gòu)成所述的渦輪108。
每個(gè)渦輪級112例如由兩個(gè)葉片環(huán)構(gòu)成。沿工質(zhì)113的流動方向看，在熱燃?xì)馔ǖ?11內(nèi)導(dǎo)向葉片排115的后面有一個(gè)由工作葉片120構(gòu)成的葉排125。
導(dǎo)向葉片130固定在定子143的內(nèi)機(jī)匣138上，反之，一個(gè)葉排125的工作葉片120例如借助渦輪盤133裝在轉(zhuǎn)子103上。在轉(zhuǎn)子103上連接有一發(fā)電機(jī)或加工機(jī)械(未表示)。
在燃?xì)廨啓C(jī)100運(yùn)行時(shí)，空氣135被壓氣機(jī)105通過進(jìn)氣機(jī)匣104吸入并壓縮。在壓氣機(jī)105在渦輪一側(cè)的端部制備的壓縮空氣供給燃燒器107，以及在那里與燃料混合。此混合物然后在燃燒室110內(nèi)燃燒形成工質(zhì)113。從那里出發(fā)，工質(zhì)113沿?zé)崛細(xì)馔ǖ?11在導(dǎo)向葉片130和工作葉片120上流過。工質(zhì)113在工作葉片120上膨脹作功和傳遞沖量，所以工作葉片120驅(qū)動轉(zhuǎn)子103以及轉(zhuǎn)子驅(qū)動與之連接的加工機(jī)械。
在燃?xì)廨啓C(jī)100運(yùn)行期間，遭遇熱工質(zhì)113的構(gòu)件受熱負(fù)荷。除了砌襯在環(huán)形燃燒室110內(nèi)的熱屏元件外，沿工質(zhì)113流動方向看的第一渦輪級112的導(dǎo)向葉片130和工作葉片120熱負(fù)荷最大。
為了能承受住在那里存在的溫度，它們可以借助冷卻劑冷卻。
這些構(gòu)件的基質(zhì)層同樣可以有定向結(jié)構(gòu)，亦即是單晶體(SX結(jié)構(gòu))，或只有縱向晶粒(DS結(jié)構(gòu))。
作為構(gòu)件，尤其渦輪葉片120、130，以及燃燒室110構(gòu)件用的材料，例如采用鐵基、鎳基或鈷基超級高溫合金。例如由EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、WO99/67435或WO00/44949已知這種超級高溫合金；這些文件所涉及的合金的化學(xué)成分是本申請公開內(nèi)容的一部分。
葉片120、130同樣可以有防腐蝕的涂層(MCrAlX；M是鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)組中至少一種元素，X是一種活性元素以及代表釔(Y)和/或硅和/或至少一種稀土元素或鉿)。由EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1或EP1306454A1已知這種合金，它們所涉及的化學(xué)成分應(yīng)是本申請公開內(nèi)容的一部分。
在MCrAlX上還可以存在一個(gè)隔熱層以及例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2組成，也就是說它沒有、部分或完全通過氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂穩(wěn)定化。通過適用的涂層方法，例如電子束蒸鍍(EB-PVD)，在隔熱層內(nèi)產(chǎn)生條狀晶粒。
導(dǎo)向葉片130有一個(gè)面朝渦輪108內(nèi)機(jī)匣138的導(dǎo)向葉片葉根(這里沒有表示)和一個(gè)與導(dǎo)向葉片葉根對置的導(dǎo)向葉片端部。導(dǎo)向葉片端部面朝轉(zhuǎn)子103以及固定在定子143的一固定環(huán)140上。
權(quán)利要求
1.一種分層系統(tǒng)，包括一個(gè)基質(zhì)層(4)和一個(gè)金屬的連接層(7)，該連接層(7)由重量百分比為24-26％的鈷、16-18％的鉻、9.5-11％的鋁、0.3-0.5％的釔和0.5-2％的錸以及其余為鎳組成，其中，有一個(gè)穩(wěn)定的氧化鋯層尤其是一種釔穩(wěn)定的氧化鋯層作為在所述金屬連接層(7)上的內(nèi)部陶瓷層(10)，在該內(nèi)部陶瓷層(10)上還有一外部陶瓷層(13)，該外部陶瓷層(13)由重量百分比至少為80％尤其為100％的燒綠石Gd2Zr2O7組成。
2.按照權(quán)利要求1所述的分層系統(tǒng)，其特征為Gd2Zr2O7由Gd2Hf2O7代替。
3.按照權(quán)利要求1所述的分層系統(tǒng)，其特征為所述金屬連接層(7)用一個(gè)重量百分比成分為11-13％的鈷、20-22％的鉻、10.5-11.5％的鋁、0.3-0.5％的釔、1.5-2.5％的錸和其余為鎳的金屬連接層(7)代替。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分層系統(tǒng)。隔熱的分層系統(tǒng)除了良好的隔熱性質(zhì)外其隔熱層還必須有長的使用壽命。按本發(fā)明的分層系統(tǒng)(1)由金屬連接層(7)、內(nèi)部陶瓷層(10)和外部陶瓷層(13)按專門規(guī)定的相互協(xié)調(diào)的層序組成。
文檔編號B32B7/10GK1840329SQ2006100591
公開日2006年10月4日 申請日期2006年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月1日
發(fā)明者阿克塞爾·凱澤, ?？ㄌ亍な媛? 拉梅什·蘇布拉馬尼恩 申請人:西門子公司