基于氧化鋯的陶瓷雙層的制作方法
【專(zhuān)利摘要】通過(guò)使用基于氧化鋯的雙層的陶瓷層實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的、但是非常有效的熱屏蔽層系統(tǒng)，所述陶瓷層不僅是部分穩(wěn)定的而且是完全穩(wěn)定的。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于氧化鋯的陶瓷雙層
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于氧化鋯的雙層的陶瓷層系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]使用氧化鋯作為渦輪葉片上的單層是已知的。同樣已知的是使用具有內(nèi)部的氧化鋯層和外部的基于燒綠石的氧化層的多個(gè)陶瓷層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是，進(jìn)一步改進(jìn)并且簡(jiǎn)化現(xiàn)有的陶瓷覆層。
[0004]所述目的通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷層系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0005]在從屬權(quán)利要求中列舉其它有利的措施，所述措施能夠任意地彼此組合，以便實(shí)現(xiàn)其它的優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0006]附圖示出:
[0007]圖1示出層系統(tǒng)，
[0008]圖2示出超合金的列表，
[0009]圖3示出渦輪葉片·，
[0010]圖4示出燃燒室，以及
[0011]圖5示出燃?xì)廨啓C(jī)。
[0012]附圖和說(shuō)明書(shū)僅代表本發(fā)明的實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0013]在圖1中示出根據(jù)本發(fā)明的層系統(tǒng)I的示例。這種層系統(tǒng)能夠用于在高溫中使用的構(gòu)件120、130、155 (圖3、4)。這尤其是用于飛機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)100 (圖5)和/或蒸汽輪機(jī)的潤(rùn)輪葉片 120、130,燃燒室塊(Brennkammernsteine) 155。
[0014]層系統(tǒng)I具有基底4。這優(yōu)選是金屬的并且具有鎳基或鈷基超合金。特別地，使用根據(jù)圖2的超合金。
[0015]在基底4上可選地存在金屬的增附和抗腐蝕保護(hù)層7。這在不同的變型方案中能夠是鋁層或者優(yōu)選是MCrAlX層(X可選地=Y、Re、S1、Ta、Fe，…)。
[0016]在運(yùn)行時(shí)(TGO)或者優(yōu)選提前在MCrAlX層7上或者在基底4上形成氧化鋁層，所述氧化鋁層有助于防止氧化(未示出)。
[0017]在金屬的增附層7或者基底4上存在優(yōu)選分別基于氧化鋯的兩層的陶瓷層15，也就是說(shuō)，氧化鋯的重量份額為至少50%、特別是至少60%。
[0018]陶瓷層10，13具有不同的特性。下部的基于氧化鋯的陶瓷層10優(yōu)選是部分穩(wěn)定的。部分穩(wěn)定優(yōu)選能夠通過(guò)具有已知份額的氧化釔來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述氧化釔的份額優(yōu)選在4重量％和12重量％之間。相應(yīng)于用于部分穩(wěn)定的已知的添加物的、其它的——單獨(dú)的或者附加的——已知的穩(wěn)定劑同樣是可行的，例如氧化鎂和/或其它的氧化物。
[0019]外部的陶瓷層13優(yōu)選是完全穩(wěn)定的氧化鋯層。完全穩(wěn)定同樣優(yōu)選通過(guò)具有相應(yīng)的更高份額的氧化釔來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述份額優(yōu)選位于20重量％和50重量％之間，特別是在30重量％和40重量％之間。相應(yīng)于用于部分穩(wěn)定的已知的添加物的、其它的——單獨(dú)的或者附加的——已知的穩(wěn)定劑同樣是可行的，例如氧化鎂和/或其它的氧化物。
[0020]這種陶瓷雙層系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)，即通過(guò)外部的層13的完全穩(wěn)定的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的使用溫度，因?yàn)閷?duì)于整個(gè)溫度范圍而言C相在這個(gè)系統(tǒng)中是穩(wěn)定的。因此在上部的層13中不出現(xiàn)相階躍。
[0021]由于在內(nèi)部的陶瓷層10上的較低的溫度和層10、13的類(lèi)似的化學(xué)的體系，存在陶瓷層10、13相互間的良好結(jié)合。同樣，由于穩(wěn)定劑、特別是釔的高的份額而可行的是，吸收穩(wěn)定劑的損耗并且穩(wěn)定地將體系保持在C-相范圍中。
[0022]這兩個(gè)層IO、13優(yōu)選具有> 16%的孔隙度，優(yōu)選從16%至24%的孔隙度。
[0023]外部的層13比下部的層10厚至少20%、特別是至少30%。優(yōu)選地，層厚度比(10/13)為 1/3 到 2/3.[0024]下部的陶瓷層10優(yōu)選具有直至500微米的厚度。第二陶瓷層13優(yōu)選具有直至1000微米的厚度。
[0025]圖3在立體圖中示出 流體機(jī)械的沿著縱軸線121延伸的轉(zhuǎn)子葉片120或?qū)蛉~片130。
[0026]所述流體機(jī)械能夠是飛機(jī)的或用于發(fā)電的發(fā)電廠的燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)或壓縮機(jī)。
[0027]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(tái)403以及葉身406和葉片梢部415。
[0028]作為導(dǎo)向葉片130，葉片130能夠在其葉片梢部415處具有另一平臺(tái)(沒(méi)有示出)。
[0029]在固定區(qū)域400中形成有用于將轉(zhuǎn)子葉片120、130固定在軸或盤(pán)(沒(méi)有示出)上的葉片根部183。葉片根部183例如構(gòu)成為錘頭形。作為揪樹(shù)形根部或燕尾形根部的其他設(shè)計(jì)方案是可行的。
[0030]葉片120、130對(duì)于流過(guò)葉身406的介質(zhì)具有迎流棱邊409和出流棱邊412。
[0031]在傳統(tǒng)的葉片120、130中，在葉片120、130的所有區(qū)域400、403、406中使用例如
實(shí)心的金屬材料、尤其是超合金。
[0032]例如從EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、W099/67435 或 W000/44949 中已知這樣的超合金。
[0033]在這種情況下，葉片120、130能夠通過(guò)鑄造法，也能夠借助定向凝固、通過(guò)鍛造法、通過(guò)銑削法或其組合來(lái)制造。
[0034]將帶有一個(gè)或多個(gè)單晶結(jié)構(gòu)的工件用作機(jī)器的在運(yùn)行時(shí)承受高的機(jī)械的、熱的和/或化學(xué)的負(fù)荷的構(gòu)件。
[0035]這種單晶工件的制造例如通過(guò)由熔融物的定向凝固來(lái)進(jìn)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(jié)構(gòu)、即單晶工件，或者定向凝固。在這種情況下，枝狀晶體沿?zé)崃鞫ㄏ颍⑶倚纬芍鶢罹w的晶粒結(jié)構(gòu)(柱狀地，也就是說(shuō)在工件的整個(gè)長(zhǎng)度上分布的晶粒，并且在此根據(jù)一般的語(yǔ)言習(xí)慣稱(chēng)為定向凝固)，或者形成單晶結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)整個(gè)工件由唯一的晶體構(gòu)成。在這些方法中，必須避免過(guò)渡成球形(多晶的)凝固，因?yàn)橥ㄟ^(guò)非定向的生長(zhǎng)不可避免地構(gòu)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(gòu)件的良好特性不起作用。
[0036]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(shí)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(jié)構(gòu)。第二種所提到的晶體結(jié)構(gòu)也稱(chēng)為定向凝固組織(directionally solidified structures)。由US-PS6, 024，792 和 EPO 892 090A1 已知這樣的方法。
[0037]葉片120、130同樣可以具有抗腐蝕或抗氧化的覆層，例如(MCrAlX:M是下述組的至少一種元素，所述組即:鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni) ;X是活性元素并且代表釔(Y)和/或硅和/或稀土的至少一種元素或者鉿(Hf))。這些合金從EPO 486 489BUEP0 786 017BUEP0412 397B1或者EPl 306 454A1中已知。密度優(yōu)選地是理論密度的95%。在(作為中間層或最外層的)MCrAlX層上形成保護(hù)性氧化招層(TG0=thermal grown oxide layer (熱生長(zhǎng)氧化層))。
[0038]優(yōu)選地，層組成成分具有Co-30N1-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si或者Co-28N1-24Cr-10Al-0.6Y。除了這些鈷基的保護(hù)覆層，優(yōu)選也使用鎳基的保護(hù)層，如 N1-10Cr-12Al-0.6Y-3Re 或者 N1-12Co-21Cr_l1A1-0.4Y_2Re 或者N1-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1.5Re。
[0039]在MCrAlX上還能夠存在隔熱層，隔熱層優(yōu)選是最外層并例如由ZrO2J2O3-ZrO2組成，即隔熱層通過(guò)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(gè)MCrAlX層。通過(guò)例如電子束氣相淀積(EB-PVD)的適當(dāng)?shù)母矊臃椒ㄔ诟魺釋又挟a(chǎn)生柱狀晶粒。
[0040]其他覆層方法也是可以考慮的，例如大氣等離子噴涂(APS)、LPPS (低壓等離子噴涂)、VPS (真空等離子噴涂)或CVD (化學(xué)氣相沉積)。隔熱層能夠具有多孔的、有微觀裂縫或宏觀裂縫的晶粒，以達(dá)到更好 的耐熱沖擊性。因此，隔熱層優(yōu)選地比MCrAlX層更為多孔。
[0041]再處理(Refurbishment)意味著在使用構(gòu)件120、130之后，必要時(shí)必須將保護(hù)層從構(gòu)件120，130上去除(例如通過(guò)噴砂)。接著，去除腐蝕層和/或氧化層及腐蝕產(chǎn)物和/或氧化產(chǎn)物。必要時(shí)，也還修復(fù)在構(gòu)件120、130中的裂縫。然后，進(jìn)行構(gòu)件120、130的再覆層以及構(gòu)件120、130的重新使用。
[0042]葉片120、130能夠?qū)嵤┏煽招牡幕驅(qū)嵭牡?。如果要冷卻葉片120、130，則葉片為空心的并且必要時(shí)還具有薄膜冷卻孔418 (由虛線表示)。
[0043]圖4示出燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室110。燃燒室110例如構(gòu)成為所謂環(huán)形燃燒室，其中多個(gè)在周向上圍繞旋轉(zhuǎn)軸線102設(shè)置的燃燒器107通到共同的燃燒室腔154中，所述燃燒器產(chǎn)生火焰156。為此，燃燒室110的整體構(gòu)成為環(huán)形的結(jié)構(gòu)，所述環(huán)形的結(jié)構(gòu)圍繞旋轉(zhuǎn)軸線102定位。
[0044]為了實(shí)現(xiàn)相對(duì)高的效率，針對(duì)為大約1000°C至1600°C的工作介質(zhì)M的相對(duì)高的溫度來(lái)設(shè)計(jì)燃燒室110。為了即使在這些對(duì)材料不利的工作參數(shù)的情況下也能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)長(zhǎng)的工作持續(xù)時(shí)間，燃燒室壁153在其朝向工作介質(zhì)M的一側(cè)上設(shè)有由熱屏蔽元件155形成的內(nèi)襯。[0045]每個(gè)由合金構(gòu)成的熱屏蔽元件155在工作介質(zhì)側(cè)配備有尤其耐熱的保護(hù)層(MCrAlX層和/或陶瓷覆層)或者由耐高溫的材料(實(shí)心陶瓷石)制成。
[0046]所述保護(hù)層能夠類(lèi)似渦輪葉片，即例如MCrAlX表示:M是下述組的至少一種元素，所述組即:鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni);X是活性元素并且代表釔(Y)和/或硅和/或稀土的至少一種元素或者鉿(Hf)。這些合金從EPO 486 489BU EPO 786 017BU EPO 412 397B1或者EP1306 454A1中已知。
[0047]在MCrAlX上還能夠存在例如陶瓷的隔熱層，并且隔熱層例如由Zr02、Y203_Zr02構(gòu)成，即隔熱層通過(guò)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(guò)例如電子束氣相淀積(EB-PVD)的適當(dāng)?shù)母矊庸に囋诟魺釋又挟a(chǎn)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。隔熱層能夠具有多孔的、有微觀裂縫或宏觀裂縫的晶粒，以達(dá)到更好的耐熱沖擊性。
[0048]再處理(Refurbishment)意味著，在使用熱屏蔽元件155之后，必要時(shí)必須將保護(hù)層從熱屏蔽元件155上去除(例如通過(guò)噴砂)。接著，去除腐蝕層和/或氧化層或腐蝕產(chǎn)物和/或氧化產(chǎn)物。必要時(shí)，還修復(fù)在熱屏蔽元件155中的裂縫。然后，進(jìn)行熱屏蔽元件155的再覆層以及熱屏蔽元件155的重新使用。
[0049]由于在燃燒室110內(nèi)部中的高溫，此外可為熱屏蔽元件155或者為其保持元件設(shè)有冷卻系統(tǒng)。那么，熱屏蔽元件155例如是空心的或者必要時(shí)還具有通到燃燒室腔154中的冷卻孔(沒(méi)有示出)。
[0050]圖5示例性地示出燃?xì)廨啓C(jī)100的縱向剖面圖。燃?xì)廨啓C(jī)100在內(nèi)部中具有帶有軸101的、可圍繞旋轉(zhuǎn)軸線102轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝的轉(zhuǎn)子103，該轉(zhuǎn)子也稱(chēng)為渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子。沿著轉(zhuǎn)子103依次為:進(jìn)氣殼體104 ;壓縮機(jī)105 ;例如環(huán)狀的燃燒室110，尤其為環(huán)形燃燒室，帶有多個(gè)同軸設(shè)置的燃燒器107 ;渦輪機(jī)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(gè)相繼設(shè)置的渦輪級(jí)112形成渦輪機(jī)108。
[0051]每個(gè)渦輪級(jí)112例如由兩個(gè)葉片環(huán)形成。沿工作介質(zhì)113的流動(dòng)方向觀察，在熱氣體通道111中，由轉(zhuǎn)子葉片120形成的排125跟隨導(dǎo)向葉片排115。
[0052]在此，導(dǎo)向葉片130固定在定子143的內(nèi)殼體138上，而該排125的轉(zhuǎn)子葉片120例如借助渦輪盤(pán)133安裝在轉(zhuǎn)子103上。發(fā)電機(jī)或者做功機(jī)械(沒(méi)有示出)耦聯(lián)在轉(zhuǎn)子103上。
[0053]在燃?xì)廨啓C(jī)100工作期間，壓縮機(jī)105通過(guò)進(jìn)氣殼體104將空氣135吸入并且壓縮。在壓縮機(jī)105的渦輪側(cè)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，從而形成工作介質(zhì)113。工作介質(zhì)113從那里起沿著熱氣體通道111流過(guò)導(dǎo)向葉片130和轉(zhuǎn)子葉片120。工作介質(zhì)113在轉(zhuǎn)子葉片120處以傳遞動(dòng)量的方式膨脹，使得轉(zhuǎn)子葉片120驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子103，并且該轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)耦聯(lián)在其上的做功機(jī)械。
[0054] 暴露于熱工作介質(zhì)113的構(gòu)件在燃?xì)廨啓C(jī)100工作期間承受熱負(fù)荷。除了加襯于環(huán)形燃燒室110的熱屏蔽元件之外，沿工作介質(zhì)113的流動(dòng)方向觀察的第一渦輪機(jī)級(jí)112的導(dǎo)向葉片130和轉(zhuǎn)子葉片120承受最高的熱負(fù)荷。為了經(jīng)受住那里存在的溫度，能夠借助于冷卻劑來(lái)冷卻所述第一渦輪機(jī)級(jí)的導(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)子葉片。同樣，構(gòu)件的基底能夠具有定向結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)它們是單晶的(SX結(jié)構(gòu))或僅具有縱向定向的晶粒(DS結(jié)構(gòu))。例如，鐵基超合金、鎳基超合金或鈷基超合金用作構(gòu)件的材料，尤其是用作渦輪葉片120、130的和燃燒室 110 的構(gòu)件的材料。例如從 EPl 204 776BUEP1 306 454,EPl 319 729AUW099/67435或W000/44949中已知這樣的超合金。
[0055]同樣地葉片120、130能夠具有防腐蝕的覆層(MCrAlX:M是下述組的至少一種元素，所述組即:鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni) ;X是活性元素并且代表釔(Y)和/或硅和/或鈧(Sc)和/或至少一種稀土元素或者鉿(Hf))。這些合金從EPO 486 489BUEP0 786 017B1、EPO 412397B1 或者 EPl 306 454A1 中已知。
[0056]在MCrAlX上還可以有隔熱層，并且隔熱層例如由ZrO2J2O3-ZrO2構(gòu)成，即，隔熱層通過(guò)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(guò)例如電子束氣相淀積(EB-PVD)的適當(dāng)?shù)母矊臃椒ㄔ诟魺釋又挟a(chǎn)生柱狀晶粒。
[0057]導(dǎo)向葉片130具有朝向渦輪機(jī)108的內(nèi)殼體138的導(dǎo)向葉片根部(這里沒(méi)有示出)，以及與導(dǎo)向葉片根部相對(duì)置的導(dǎo)向葉片頂部。導(dǎo)向葉片頂部朝向轉(zhuǎn)子103并固定在定子143的固定環(huán)140處。·
【權(quán)利要求】
1.一種層系統(tǒng)(I)， 所述層系統(tǒng)至少具有: 基底⑷， 分別基于氧化鋯的至少雙層的陶瓷層(10，13，15)，所述陶瓷層具有層(10，13)的不同的特性， 特別是僅雙層的陶瓷層(10，13)， 可選地具有在基底(4)和陶瓷層(10，13，15)之間的金屬的增附層(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的層系統(tǒng)， 其中外部的、特別是最外部的所述陶瓷層(13)具有完全穩(wěn)定的氧化鋯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的層系統(tǒng)， 其中下部的、特別是最下部的陶瓷層(10)具有部分穩(wěn)定的氧化鋯。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)， 所述層系統(tǒng)至少使用氧化釔作為氧化鋯的穩(wěn)定劑， 特別是僅使用氧化釔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)， 其中所述金屬的增附層(7)具有MCrAlX合金， X是可選擇的， 特別是元素釔(Y)或者錸(Re)中的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)， 對(duì)于所述陶瓷層(10，13，15)而言其孔隙度為至少16%， 特別是在16%和24%之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)， 其中所述陶瓷層(10，13)的所述孔隙度是相同的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)， 其中上部的所述陶瓷層(13)比下部的所述陶瓷層(10)厚至少20%，特別是30%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)， 其中下部的所述氧化鋯層(10)的氧化釔份額在4重量％和12重量％之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)， 其中上部的所述氧化鋯層(13)的氧化釔份額在20重量％和50重量％之間， 特別是在30重量％和40重量％之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的層系統(tǒng)， 其中陶瓷僅具有氧化鋯和一種或多種穩(wěn)定劑。
【文檔編號(hào)】C23C28/04GK103874784SQ201280050468
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2012年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月13日
【發(fā)明者】維爾納·施塔姆 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司