[發明專利]抗釩涂層系統

有效

• 申請號: 201110393311.5
• 申請日: 2011-11-22
• 公開（公告）號: CN102477524A
• 公開（公告）日: 2012-05-30
• 發明（設計）人: S·S·帕布拉;V·K·帕里克;S·桑亞爾;P·巴塔查亞;K·阿南德
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: C23C4/10
• 分類號: C23C4/10
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李進;林森

技術領域

本發明涉及當暴露于重質燃油的燃燒副產物時具有改善的耐腐蝕性的涂層系統，并且更具體地講，涉及涂布于超合金的涂層系統，該超合金在暴露于來自重質燃油燃燒的釩種類侵蝕的高溫應用中使用。

發明背景

氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)為用于改善高溫金屬中所用金屬的性能的熟知材料。YSZ通常通過高溫熱噴涂工藝涂布為熱障涂層(TBC)。TBC增大高溫基底金屬的操作溫度。另外，粘合層(bond?coat)被涂布在TBC與高溫金屬之間，以減少TBC與高溫金屬之間的熱失配，這改善了TBC的抗破裂性。該熱障涂層系統包括粘合層和TBC。粘合層通常為MCrAlY，其中M為選自Ni、Co、Fe及其組合的金屬。

熱障涂層系統通常用于燃氣渦輪發動機的熱區以改善高溫基底金屬的溫度性能。這些高溫基底金屬用于組件比如燃燒室和渦輪葉片。高溫金屬通常為超合金金屬，并且可為鎳基超合金、鈷基超合金、鐵基超合金及其組合。TBC系統顯著增大這些超合金金屬的高溫性能范圍。

燃氣渦輪發動機可使用多種不同的燃料操作。這些燃料在發動機的燃燒室區于2000°F(1093℃)或超過該溫度的溫度下燃燒，并且燃燒的氣體用于旋轉位于發動機的燃燒室區后部的發動機渦輪區。隨著能量從燃燒的熱氣體提取，動力由旋轉的渦輪區產生。通常在經濟上有益的是使用可得到的最廉價燃料操作燃氣渦輪發動機。更加豐富和廉價的石油燃料之一為重質燃油(HFO)。HFO為經濟的燃料的原因之一是其不被重度精煉。未被重度精煉，其含有多種雜質。這些雜質之一為釩，其在高溫燃燒下形成氧化釩(V₂O₅)。即使將MgO作為燃料添加劑加入，并且，MgO因在熱障涂層的外表面上或其附近形成惰性釩酸鎂化合物而起釩種類反應抑制劑作用，但MgO不完全防止YSZ熱障涂層的侵蝕，因為氧化釩可滲入熱障涂層中的微細裂紋和孔隙，提供的通道不僅到YSZ熱障涂層，而且到下面的粘合層。V₂O₅為酸性氧化物，其可自存在于這樣熱障涂層中的裂縫和孔隙中的YSZ浸析氧化釔。侵蝕機制通過以下反應提供：

ZrO₂(Y₂O₃)+V₂O₅→ZrO₂(單斜)+2YVO₄

因此，V₂O₅保持快速侵蝕YSZ的能力，引起其劣化并由熱氣流除去。TBC的喪失使基底金屬和任何剩余的粘合層暴露于升高溫度下的燃燒熱氣體。在這些升高的溫度下，基底金屬和粘合層受到燃燒熱氣體的腐蝕，這縮短它們的壽命。結果，組件比如燃燒室和渦輪葉片必須以更短的間隔替換，這也意味著用于渦輪的額外維護時間，期間渦輪不產生動力。

不受到燃燒熱氣體侵蝕的可涂布于燃氣渦輪發動機的熱氣路組件的熱障涂層系統在本領域是合乎需要的。具體地講，涂層系統應耐受可由HFO產生的V₂O₅侵蝕，而同時提供對基底金屬的熱保護，使其預期壽命可得到改善。

發明內容

本文闡述了耐高溫釩侵蝕的抗釩涂層系統。系統包含高溫超合金基底。粘合層覆在超合金基底上面。粘合層可以多層涂布。陶瓷涂層覆在粘合層上面，其包含用具有比Y³⁺更小原子半徑的稀土元素種類陽離子穩定的氧化鋯。具有比Y³⁺更小原子半徑的稀土元素種類構成陶瓷涂層的約5-10重量％。

在另一個實施方案中，抗釩涂層系統包含高溫超合金基底。粘合層覆在超合金基底上面。粘合層可以高達約0.002-0.015″厚度的多層涂布。第一陶瓷涂層覆在粘合層上面，其包含用氧化釔穩定的氧化鋯。氧化釔構成該陶瓷涂層的約2-20重量％并且涂布至0.010-0.040″的厚度。該涂層(也稱為YSZ)固有地包括孔隙和裂縫。這些裂縫和孔隙滲入以溶液形式存在的具有比Y³⁺更大原子半徑的稀土元素種類陽離子。陽離子溶液形成該種類的氧化物。