專利名稱：多孔的陶瓷層系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有兩個不同的、多孔的陶瓷層的層系統(tǒng)。
背景技術：
陶瓷保護層通常應用于在高溫中使用的構件中，以便保護金屬基底免于更高的溫度。在此，陶瓷層具有一定的孔隙率，以便一方面降低導熱能力并且以便規(guī)定一定的延展性
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是，優(yōu)化熱特性和機械特性。所述目的通過根據權利要求1所述的層系統(tǒng)來實現(xiàn)。在從屬權利要求中列出其他有利的措施，所述措施能夠任意地相互組合。


附圖示出圖1示出層系統(tǒng)，圖2示出燃氣輪機，圖3示出渦輪葉片，圖4示出燃燒室，圖5不出超合金列表。附圖和描述僅代表本發(fā)明的實施例。
具體實施例方式在圖1中示意地示出層系統(tǒng)。層系統(tǒng)I優(yōu)選是用于靜態(tài)運行的或者用于飛行器的渦輪機、蒸汽輪機、燃氣輪機100 (圖2)的渦輪葉片120、130。優(yōu)選地，基底4具有選自圖5的合金的、基于鎳的或者基于鈷的超合金。優(yōu)選地,基底是基于鎮(zhèn)的超合金。在基底4上優(yōu)選存在尤其是MCrAl或者MCrAlX類型的金屬的應用層(M=N1、Co、Fe，優(yōu)選是N1、Co)。同樣，在基底4內能夠存在擴散層，在所述擴散層上能夠施加陶瓷層16。將陶瓷層16施加到金屬層7上或者施加到基底4上，其中在界面處或者有意產生氧化層(TGO)或者施加氧化層，在進行陶瓷覆層期間或者在具有金屬層7的層系統(tǒng)工作期間形成該氧化層。陶瓷層16具有至少兩個、尤其僅兩個不同的陶瓷層10、13。下部的陶瓷層10與外部的陶瓷層13相比具有更低的孔隙率。下部的陶瓷層10的孔隙率為8%至14%，尤其為11%至12% (優(yōu)選為體積百分比)。優(yōu)選地，內部的陶瓷層10的層厚度與外部的陶瓷層13的層厚度相比薄至少10%，尤其20%，更尤其50%地構成。下部的層具有100 ±25 μ m的厚度，而外部的層具有>100 μ m
的厚度。外部的陶瓷層13具有14%至18%的孔隙率并且優(yōu)選為直接地暴露于熱氣中的最外部的層。下部的陶瓷層10的材料是部分穩(wěn)定的、尤其釔穩(wěn)定的氧化鋯。優(yōu)選地，所述材料也用于外部的陶瓷層13，但是其中也能夠應用燒綠石材料。令人驚訝的是，陶瓷層的孔隙率選擇引起相對于相同厚度的高度多孔的層的更長的壽命。圖2以局部縱剖面圖舉例地示出燃氣輪機100。燃氣輪機100在內部具有帶有軸的、可圍繞旋轉軸線102轉動地安裝的轉子103，該轉子也稱為渦輪機轉子。沿著轉子103依次為進氣殼體104、壓縮機105、帶有多個同軸設置的燃燒器107的尤其為環(huán)形燃燒室的 例如環(huán)面狀的燃燒室110、渦輪機108和排氣殼體109。環(huán)形燃燒室110與例如環(huán)形的熱氣體通道111連通。在那里例如四個相繼連接的渦輪級112形成渦輪機108。每個渦輪級112例如由兩個葉片環(huán)形成。沿工質113的流動方向觀察，在熱氣體通道111中，由轉子葉片120形成的排125跟隨導向葉片排115。在此，導向葉片130固定在定子143的內殼體138上，相對地，該排125的轉子葉片120例如借助渦輪盤133安裝在轉子103上。發(fā)電機或者做功機械(未示出)耦接于轉子103。在燃氣輪機100工作期間，壓縮機105通過進氣殼體104將空氣135吸入并且壓縮。在壓縮機105的渦輪側端部處提供的壓縮空氣被引至燃燒器107并且在那里與燃料混合。接著混合物在燃燒室110中燃燒，從而形成工質113。工質113從那里起沿著熱氣體通道111流過導向葉片130和轉子葉片120。工質113在轉子葉片120處以傳遞動量的方式膨脹，使得轉子葉片120驅動轉子103，并且該轉子驅動耦接在其上的做功機械。暴露于熱工質113的構件在燃氣輪機100工作期間承受熱負荷。除了加襯于環(huán)形燃燒室Iio的熱屏蔽元件之外，沿工質113的流動方向觀察的第一渦輪機級112的導向葉片130和轉子葉片120承受最高的熱負荷。為了經受住那里存在的溫度，可借助冷卻劑來冷卻第一渦輪機級的導向葉片和轉子葉片。同樣，構件的基質可以具有定向結構，這就是說它們是單晶的(SX結構)或僅具有縱向定向的晶粒(DS結構)。例如，鐵基、鎮(zhèn)基或鉆基超合金用作構件的材料，特別是用作渦輪葉片120、130和燃燒室110的構件的材料。例如由EPI 204 776 BUEP I 306 454,EP I 319 729 AUffO 99/67435 或 WO 00/44949 已知這樣的超合金。導向葉片130具有朝向渦輪機108的內殼體138的導向葉片根部(這里未示出)，以及與導向葉片根部相對置的導向葉片頂部。導向葉片頂部朝向轉子103并固定在定子143的固定環(huán)140處。圖3在立體圖中示出流體機械的沿著縱軸線121延伸的轉子葉片120或導向葉片130。所述流體機械可以是飛機的或用于發(fā)電的發(fā)電廠的燃氣輪機，也可以是蒸汽輪機或壓縮機。葉片120、130沿著縱軸線121相繼具有固定區(qū)域400、鄰接于固定區(qū)域的葉片平臺403以及葉身406和葉片梢部415。作為導向葉片130，葉片130可以在其葉片梢部415
處具有另一平臺(未示出)。在固定區(qū)域400中形成有用于將轉子葉片120、130固定在軸或盤上的葉片根部183 (未示出)。葉片根部183例如構成為錘頭形。作為揪樹形根部或燕尾形根部的其他構形是可行的。葉片120、130對于流過葉身406的介質具有迎流棱邊409和出流棱邊412。在傳統(tǒng)葉片120、130中，在葉片120、130的所有區(qū)域400、403、406中使用例如實心的金屬材料、尤其是超合金。例如由EP I 204 776 BUEP I 306 454,EP I 319 729 Al、WO 99/67435或WO 00/44949已知這樣的超合金。在這種情況下，葉片120、130可以通過鑄造法，也可以借助定向凝固、通過鍛造法、通過銑削法或其組合來制造。
將帶有一個或多個單晶結構的工件用作機器的在運行中承受高的機械的、熱的和/或化學的負荷的構件。這種單晶工件的制造例如通過由熔融物的定向凝固來進行。在此，這涉及一種澆注法，其中液態(tài)金屬合金凝固為單晶結構、即單晶工件，或者定向凝固。在這種情況下，枝狀晶體沿熱流定向，并且形成柱狀晶體的晶粒結構(柱狀地，這就是說在工件的整個長度上分布的晶粒，并且在此根據一般的語言習慣稱為定向凝固)，或者形成單晶結構，這就是說整個工件由唯一的晶體構成。在這些方法中，必須避免過渡成球形(多晶的)凝固，因為通過非定向的生長不可避免地構成橫向和縱向晶界，所述橫向和縱向晶界使定向凝固的或單晶的構件的良好特性不起作用。如果一般性地提到定向凝固組織，則是指不具有晶界或最多具有小角度晶界的單晶和確實具有沿縱向方向分布的晶界但不具有橫向晶界的柱狀晶體結構。第二種所提到的晶體結構也稱為定向凝固組織(directional Iysolidified structures)。由 US-PS6, 024，792 和 EP O 892 090 Al 已知這樣的方法。葉片120、130同樣可以具有抗腐蝕或抗氧化的覆層，例如(MCrAlX ;M是鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)中的至少一種元素，X是活性元素并代表釔(Y)和/或硅和/或至少一種稀土元素，或鉿(Hf))。由 EP O 486 489 BK EP O 786 017 BK EP O 412 397 BI 或 EP I306 454 Al已知這樣的合金。密度優(yōu)選地是理論密度的95%。在MCrAlX層上形成保護性氧化招層(TG0=thermal grown oxide layer (熱生長氧化層))(作為中間層或最外層)。優(yōu)選地，層成分具有Co-30N1-28Cr-8Al-0.6Y_0.7Si 或Co-28N1-24Cr-10Al-0. 6Y。除這些鈷基保護覆層外，也優(yōu)選地使用鎳基保護層，例如 N1-10Cr-12Al-0. 6Y-3Re 或 N1-12Co_2ICr-11A1-0. 4Y_2Re 或N1-25Co-17Cr-10Al-0. 4Y-1. 5Re。在MCrAlX上還可以有隔熱層，隔熱層優(yōu)選是最外層并例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2組成，即，隔熱層通過氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂非穩(wěn)定、部分穩(wěn)定或完全穩(wěn)定。隔熱層覆蓋整個MCrAlX層。通過例如電子束氣相淀積(EB-PVD)的適當?shù)母矊臃椒ㄔ诟魺釋又挟a生柱狀晶粒。其他覆層方法也是可以考慮的，例如氣相等離子噴涂(APS)、LPPS (低壓等離子噴涂)、VPS或CVD。隔熱層可以具有多孔的、有微觀裂縫或宏觀裂縫的晶粒，用于更好地耐熱沖擊。因此，隔熱層優(yōu)選地比MCrAlX層更為多孔。葉片120、130可以構造成空心的或實心的。如果要冷卻葉片120、130，則葉片為空
心的并且必要時還具有薄膜冷卻孔418 (由虛線表示)。圖4示出燃氣輪機100的燃燒室110。燃燒室110例如構成為所謂環(huán)形燃燒室，其中多個在周向上圍繞旋轉軸線102設置的燃燒器107通到共同的燃燒室腔154中，所述燃燒器產生火焰156。為此，燃燒室110以其整體構成為環(huán)形的結構，所述環(huán)形的結構圍繞旋轉軸線102定位。為了實現(xiàn)相對高的效率，針對為大約1000° C至1600° C的工作介質M的相對高的溫度來設計燃燒室110。為了還在這些對材料不利的工作參數(shù)的情況下實現(xiàn)相對長的工作持續(xù)時間，燃燒室壁153在其朝向工作介質M的側上設有由熱屏蔽元件155形成的內襯。由于在燃燒室110的內部中的高溫，此外可為熱屏蔽元件155或者為所述熱屏蔽元件的保持元件設置冷卻系統(tǒng)。那么，熱屏蔽元件155例如是空心的或者必要時還具有通到燃燒室腔154中的冷卻孔(未示出)。每個由合金構成的熱屏蔽元件155在工作介質側配備有尤其耐熱的保護層(MCrAlX層和/或陶瓷覆層)或者由耐高溫的材料(實心陶瓷石)制成。保護層能夠類似渦輪葉片，于是MCrAlX例如表示M是鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)中的至少一種元素，X是活性 元素并代表釔(Y)和/或硅和/或至少一種稀土元素，或鉿(Hf)。從EP O 486 489 BUEPO 786 017 BUEP O 412 397 BI 或 EP I 306 454 Al 中已知這種合金。在MCrAlX上還可以有例如陶瓷的隔熱層，并且隔熱層例如由ZrO2J2O3-ZrO2構成，即，隔熱層通過氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂非穩(wěn)定、部分穩(wěn)定或完全穩(wěn)定。通過例如電子束氣相淀積(EB-PVD)的適當?shù)母矊庸に囋诟魺釋又挟a生柱狀晶粒。其他覆層工藝，例如氣相等離子噴涂(APS)、LPPS、VPS或CVD也是可行的。隔熱層可以具有多孔的、有微觀裂縫或宏觀裂縫的晶粒，用于更好的耐熱沖擊性。再處理(Refurbishment)意味著在使用潤輪葉片120、130和熱屏蔽元件155之后，必要時必須將保護層從渦輪葉片120、130和熱屏蔽元件155上去除(例如通過噴砂)。接著，去除腐蝕層和/或氧化層或者腐蝕產物和/或氧化產物。必要時，還修復在渦輪葉片120、130或熱屏蔽元件155中的裂縫。然后，進行渦輪葉片120、130和熱屏蔽元件155的再覆層以及渦輪葉片120、130或熱屏蔽元件155的重新使用。
權利要求
1.層系統(tǒng)，具有 基底⑷， 可選地，在所述基底(4 )上的金屬的結合層(7 )， 可選地，在所述結合層(7 )上的或者在所述基底(4 )上的氧化層， 在所述基底(4)上的內部的陶瓷層(10)，所述內部的陶瓷層具有8%至14%的孔隙率，尤其為9%至14%的孔隙率，更特別為11%至12%的孔隙率， 和在所述內部的陶瓷層(10)上的外部的陶瓷層(13)，尤其是最外部的陶瓷層(13)，所述最外部的陶瓷層具有14%至18%的孔隙率，尤其為16%至18%的孔隙率。
2.根據權利要求1所述的層系統(tǒng)，其中所述金屬的結合層(7)具有MCrAl合金或者MCrAlX合金，尤其是由MCrAl合金或者MCrAlX合金組成。
3.根據權利要求1或2所述的層系統(tǒng)，其中下部的陶瓷層(10)的材料具有氧化鋯、尤其部分穩(wěn)定的氧化鋯、更特別是釔部分穩(wěn)定的氧化鋯，尤其是由氧化鋯、尤其部分穩(wěn)定的氧化鋯、更特別是釔部分穩(wěn)定的氧化鋯組成。
4.根據權利要求1、2或3所述的層系統(tǒng)，其中外部的層(13)具有氧化鋯、尤其部分穩(wěn)定的氧化鋯、更特別是釔部分穩(wěn)定的氧化鋯，尤其是由氧化鋯、尤其部分穩(wěn)定的氧化鋯、更特別是釔部分穩(wěn)定的氧化鋯組成。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的層系統(tǒng)，其中所述基底(4)具有基于鎳的超合金或者基于鈷的超合金，尤其是由基于鎳的超合金或者基于鈷的超合金組成。
6.根據權利要求1、2、3、4或5所述的層系統(tǒng)，其中所述陶瓷層(10、13)的材料是不同的并且尤其所述外部的陶瓷層(13)具有燒綠石結構。
7.根據權利要求1、2、3、4、5或6所述的層系統(tǒng)，其中所述內部的陶瓷層(10)與所述最外部的陶瓷層相比至少薄10%地構成。
8.根據權利要求1、2、3、4、5、6或7所述的層系統(tǒng)，其中所述層系統(tǒng)由下列組成 基底⑷， 可選地，金屬的結合層(7), 可選地，在所述結合層(7 )上的氧化層， 內部的陶瓷層(10)， 最外部的陶瓷層(13)。
全文摘要
具有兩層多孔層的所提出的層系統(tǒng)具有在狹窄范圍內調節(jié)的并且相互匹配的孔隙率。
文檔編號C23C28/04GK103003472SQ201180034730
公開日2013年3月27日 申請日期2011年7月5日 優(yōu)先權日2010年7月14日
發(fā)明者沃納·斯塔姆 申請人:西門子公司