[发明专利]具有改进的隔热涂层系统的燃气涡轮构件

说明书

技术领域

本发明涉及能够在暴露于高温(诸如燃气涡轮发动机的恶劣热环境)的构件上使用的涂层。更特别地，本发明涉及可抵抗例如可存在于燃气涡轮发动机的运行环境中的类型的热循环和污染物渗透的隔热涂层(TBC)。

背景技术

在诸如燃烧器、高压涡轮(HPT)叶片、导叶和护罩的构件上使用隔热涂层(TBC)来帮助这样的构件承受较高的运行温度，提高构件耐用性，以及改进发动机可靠性。TBC典型地由陶瓷材料形成，并且淀积在环境保护粘结涂层上而形成所谓的TBC系统。在TBC系统中广泛使用的粘结涂层材料包括抗氧化覆盖涂层，诸如MCrAlX(其中，M是铁、钴和/或镍，并且X是钇或另一种稀土元素)，以及扩散涂层，诸如包含铝金属间化合物的扩散铝化物。典型地选择粘结涂层材料是为了能够在它们的表面上形成连续且粘附性氧化皮，以促进陶瓷涂层粘附到粘结涂层上。可通过使粘结涂层经受氧化环境来形成氧化皮，使得氧化皮有时被称为热生长氧化物(TGO)。

在工作条件下，受到TBC系统保护的热区段发动机构件可能易遭受各种模式的损伤，包括暴露于燃烧的气态产物而引起的腐蚀、氧化和腐蚀、外来物体损伤(FOD)和来自环境污染物的攻击。环境污染物源是周围空气，发动机吸入周围空气来进行冷却和燃烧。周围空气中的环境污染物的类型将由于位置的不同而改变，但对于飞机来说可能是有意义的，因为它们的目的是从一个位置移动到另一个位置。在空气中可能存在的环境污染物包括沙、泥、火山灰、呈二氧化硫的形式的硫、飞灰、混凝土颗粒、跑道灰尘，以及其它可排到大气中的污染物，诸如金属微粒，例如，镁、钙、铝、硅、铬、镍、铁、钡、钛、碱性金属和它们的化合物，包括，氧化物、碳酸盐、磷酸盐、盐和它们的混合物。这些环境污染物是由于燃料燃烧引起的腐蚀性和氧化性的污染物之外的。但是，所有这些污染物都可粘附到热区段构件的表面上，包括受TBC系统保护的那些。

这些污染物中的一些可在构件的寿命中导致TBC损失。例如，通常在包含细沙和/或灰尘的环境中存在氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化铝(铝氧化物；Al₂O₃)和硅石(二氧化硅；SiO₂)的微粒。当在升高的温度下共同存在时，氧化钙、氧化镁、氧化铝和硅石可形成易熔化合物，在本文称为CMAS。CMAS具有较低的熔化温度，使得在涡轮运行期间，淀积在构件表面上的CMAS可熔化，特别是如果表面温度超过大约2240℉(1227℃)的话。熔化的CMAS能够渗透TBC内的孔隙。例如，CMAS能够渗透到具有柱状结构的TBC、密实竖向裂开的TBC和通过热喷涂和等离子喷涂而淀积的TBC的水平纵向边界中。熔化的CMAS在TBC的较冷的子表面区域内再次凝固，在该较冷的子表面区域中，熔化的CMAS妨碍TBC的顺从性，而且特别是在热循环期间可导致TBC分裂和退化，这是因为它妨碍了TBC膨胀和收缩的能力。除了失去顺从性之外，可与TBC内的氧化钇和氧化锆发生有害化学反应，以及在粘结涂层/TBC接口处可出现热生长氧化物，而且使TBC系统退化。一旦失去TBC提供的被动隔热保护，发动机持续运行可导致TBC系统下面的基部金属氧化。

考虑到以上，可理解的是，如果可获得能够促进构件对抗污染物(诸如CMAS)的能力的系统和方法，而且特别是在高于污染物的熔化温度的温度下运行的燃气涡轮发动机构件，将是合乎需要的。

发明内容

将在以下描述中部分地阐述本发明的方面和优点，或者根据该描述，本发明的方面和优点可为明显的，或者可通过实践本发明来学习本发明的方面和优点。

提供大体涡轮发动机构件，以及它们的形成和修理方法。例如，涡轮发动机构件包括：限定表面的衬底；在衬底的表面上的内粘结涂层；在内粘结涂层上的外粘结涂层；以及在外粘结涂层上的陶瓷涂层。用于形成涡轮发动机构件的方法可包括在衬底的表面上形成内粘结涂层；在内粘结涂层的上面形成外粘结涂层；以及在外粘结涂层上形成陶瓷涂层。

在一个实施例中，内粘结涂层大体包括含钴材料，而外粘结涂层则基本没有钴。另外或备选地，内粘结涂层具有大约5%或更小的孔隙率，而外粘结涂层则具有大于大约5%的孔隙率。另外或备选地，内粘结涂层具有的硫扩散速率为外粘结涂层的硫扩散速率的1/10。

技术方案1. 一种涡轮发动机构件，包括：

限定表面的衬底；

在所述衬底的表面上的内粘结涂层，其中，所述内粘结涂层包括含钴材料；

在所述内粘结涂层上的外粘结涂层，其中，所述外粘结涂层基本没有钴；以及

在所述外粘结涂层上的陶瓷涂层。