[發明專利]修理燃氣渦輪構件的熱屏蔽涂層的方法和所得的構件

在審

• 申請號: 201610962768.6
• 申請日: 2016-10-28
• 公開（公告）號: CN107043935A
• 公開（公告）日: 2017-08-15
• 發明（設計）人: B.A.納加拉
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: C23C28/00
• 分類號: C23C28/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 嚴志軍,譚祐祥

技術領域

本發明涉及能夠在暴露于高溫(諸如燃氣渦輪發動機的不利熱環境)的構件上使用的涂層。更具體而言，本發明涉及熱屏蔽涂層(TBC)，該熱屏蔽涂層呈現對熱循環和污染物侵入的抵抗力，污染物例如為可在燃氣渦輪發動機的操作環境中存在的類型。

背景技術

熱屏蔽涂層(TBC)在構件(諸如燃燒器、高壓渦輪(HPT)葉片、靜葉和護罩)上的使用有助于此種構件耐受住較高的操作溫度、提高構件耐久性、和改善發動機可靠性。TBC通常由陶瓷材料形成，且沉積在環境保護性接合涂層上，以形成所謂的TBC系統。廣泛地用在TBC系統中的接合涂層材料包括耐氧化覆蓋涂層，諸如MCrAlX(其中M是鐵、鈷和/或鎳，且X是釔或另一稀土元素)、和擴散涂層諸如包含鋁金屬間化合物的擴散鋁化物。接合涂層材料通常選擇為能夠在它們的表面上形成連續和粘著的氧化物皮(oxide scale)，以促進陶瓷涂層對接合涂層的粘著。氧化物皮可通過使接合涂層經歷氧化環境來形成，使得氧化皮有時稱為熱生長氧化物(TGO)。

在維護狀態下，由TBC系統保護的熱區段發動機構件可容易受到各種方式的損傷，包括侵蝕、因暴露于氣態燃燒產物引起的氧化和腐蝕、外來物體損傷(FOD)、和來自環境污染物的侵襲。環境污染物的來源是周圍空氣，周圍空氣由發動機吸入以用于冷卻和燃燒。周圍空氣中的環境污染物的類型將從一個地點到另一個地點而變化，但對飛行器而言可能是擔憂，因為它們從一個地點移動到另一個地點。可存在于空氣中的環境污染物包括砂、灰塵、火山灰、處于二氧化硫形式的硫、飛灰、水泥顆粒、跑道塵土、和可被排到大氣中的其他污染物質，諸如金屬顆粒，例如，鎂、鈣、鋁、硅、鉻、鎳、鐵、鋇、鈦、堿金屬和它們的化合物，包括氧化物、碳酸鹽、磷酸鹽、鹽類和它們的混合物。這些環境污染物加入由燃料的燃燒導致的腐蝕性和氧化性的污染物中。然而，所有的這些污染物可粘著于熱區段構件(包括利用TBC系統保護的那些)的表面。

這些污染物中的一些可導致在構件壽命期間的TBC損失。例如，氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)、氧化鋁(鋁氧化物；Al₂O₃)、和氧化硅(硅氧化物；SiO₂)的顆粒通常存在于包含細砂和/或塵土的環境中。當一起存在于高溫下時，氧化鈣、氧化鎂、氧化鋁和氧化硅可形成在本文中稱為CMAS的共晶化合物。CMAS具有相對低的熔化溫度，使得在渦輪操作期間，沉積在構件表面上的CMAS可熔化，尤其是如果表面溫度超過大約2240℉(1227℃)。熔化的CMAS能夠侵入TBC內的孔隙。例如，CMAS能夠侵入到具有柱狀結構的TBC、致密的豎直地破裂的TBC、和通過熱和等離子噴涂而沉積的TBC的水平潑濺邊界(splat boundary)。熔化的CMAS在TBC的較冷的表面下區內重新凝固，在此，其干擾TBC的順應性，且特別是在熱循環期間，作為妨礙TBC的膨脹和收縮能力的結果，可導致TBC的散裂和退化。除了順應性的損失之外，與TBC內的氧化釔和氧化鋯、以及與接合涂層/TBC界面處的熱生長氧化物的有害化學反應可發生且導致TBC系統的退化。一旦由TBC提供的被動熱屏蔽保護已損失，則發動機的繼續操作可導致TBC系統下方的基礎金屬的氧化。

鑒于以上，可理解的是，如果能夠促進構件且尤其是在高于污染物的熔化溫度的溫度下操作的燃氣渦輪發動機構件對污染物(諸如CMAS)的抵抗力的系統和方法是可用的，則是合乎需要的。此外，存在在某些情況下修理此種涂層的必然需要，尤其是燃氣渦輪發動機的經歷劇烈熱循環的高溫構件。

發明內容

本發明的方面和優點將在下列描述中部分地闡述，或可根據描述而是明顯的，或可通過本發明的實踐而習得。

大體上，提供具有修理后的熱屏蔽涂層的渦輪發動機構件，以及它們的形成和修理方法。

在一個實施例中，渦輪發動機構件包括限定表面的基底；在基底的表面的第一部分上的熱屏蔽涂層；在基底的表面的第二部分上的修理后的熱屏蔽涂層；和在外接合涂層上的陶瓷涂層。熱屏蔽涂層包括內接合層和第一陶瓷層，其中內接合層定位在基底與第一陶瓷層之間。修理后的熱屏蔽涂層大體上包括在基底的表面上的內接合涂層和在內接合涂層上的外接合涂層。內接合涂層由含鈷材料形成，而外接合涂層基本上沒有鈷。

在一個實施例中，渦輪發動機構件具有修理后的熱屏蔽涂層且包括限定表面的基底；在基底的表面上的內接合層；在內接合層上的內接合涂層；在內接合涂層上的外接合涂層；和在外接合涂層上的陶瓷涂層。內接合涂層由含鈷材料形成，而外接合涂層基本上沒有鈷。