[发明专利]用于隔热涂层上的钒的氧化镍缓和层

说明书

本发明涉及一种在隔热涂层(“TBC”)上形成用于保护燃气涡轮发动机的工作组件的原位保护材料层的新方法，具体地讲，涉及将有效防止五氧化二钒与TBC中的氧化钇稳定化化合物反应的牺牲材料层涂覆到TBC的新方法。

发明背景

大多数燃气涡轮发动机利用压缩空气操作，压缩空气用烃燃料燃烧，以产生跨涡轮机膨胀产生动力的热废气。涡轮机组件，特别是涡轮叶片，通常包含基于镍的超合金，这些超合金提供对蠕变、金属疲劳和腐蚀的极佳耐性，即，对在燃气涡轮发动机的热区段中的主要老化机制，特别是燃烧室和涡轮。利用不同的基于镍和基于钴的超合金形成燃气涡轮发动机的关键组件，特别是发动机的燃烧器和增压器区段，近年来已在高温应用中取得显著进步，包括General Electric。

然而，即使是最新一代超合金也容易被氧化和热腐蚀损伤，氧化和热腐蚀倾向于加速下面金属基质的腐蚀。因此，很多发动机组件包括一些形式的隔热涂层。由于在过去十年里TBC应用的数量和苛刻性增加，在工作期间TBC的过早散裂破坏仍是个问题，因为破坏往往可以使裸露的金属暴露于危险的热气体，并留下严重的操作问题。

使TBC破坏的机制也不同且复杂，最重要的是热膨胀应力、金属氧化和TBC组成和性质的物理变化。陶瓷材料，特别是氧化钇稳定化的氧化锆(YSZ)，现在已广泛在燃气涡轮发动机所用的TBS系统中用作隔热涂层。一般在发动机的最高温区域中使用的TBC通过电子束物理气相沉积(EBPVD)技术来沉积，这种技术产生能够膨胀和收缩的晶粒结构，而不产生导致散裂的破坏性应力。

另外，为了促进粘合和延长TBC系统的工作寿命，通常利用抗氧化粘合涂层，通常以MCrAlX(其中M为铁、钴和/或镍，且X为钇或另一种稀土元素)或扩散铝化物涂层的形式。在暴露于高温期间，例如，在发动机工作期间，粘合涂层氧化成紧密粘着的氧化铝层(例如氧化铝或Al₂O₃)，这种层保护下面的结构不灾难性氧化并使TBC粘着到粘合涂层。TBC系统的工作寿命通常受限于在或接近粘合涂层与TBC的界面的散裂。

已知五氧化二钒通过与氧化钇反应使氧化钇稳定化的氧化锆去稳定化。根据以下反应，反应导致生成钒酸钇和单斜氧化锆：

。

如上所示的氧化锆单斜相(m-ZrO₂)不是期望的，因为在热循环时经历体积变化，例如，在燃气涡轮发动机一般操作期间。该重复循环可导致涂层散裂，并最终导致关键发动机组件的潜在灾难性破坏。已发现，用于驱动燃气涡轮发动机的燃料中的污染物可加速散裂问题。即，烃燃料和空气混合物中存在的污染物促进热腐蚀，特别是含有甚至少量钒的中东燃料。钒通常见于残余燃料油以及一些原油，一般以卟啉或其它有机金属络合物的形式。在较低级燃料中也已发现含有钒的无机化合物。

在燃料燃烧期间，钒与氧反应生成各种氧化物，包括VO、V₂O₃、V₂O₄(VO₂)和V₂O₅。VO、V₂O₃和V₂O₄(VO₂)被认为是具有高于1500℃的熔点的耐火材料，因此，一般作为废气流的一部分通过燃气涡轮机。然而，五氧化二钒V₂O₅具有低得多的熔点(在约650℃至670℃的范围内)。因此，V₂O₅一般在典型燃气涡轮机操作温度为液体，并且倾向于沉积在热组件的表面上，最终导致热腐蚀，并促进散裂。