[发明专利]热障涂层修复组合物及其使用方法

说明书

本发明涉及用于热障涂层的修复组合物、及其使用方法。所述修复组合物包含陶瓷组合物、胶体溶液、水性粘结剂、水性分散剂、以及氨水溶液。所述陶瓷组合物包含具有从约250nm至约1000nm的平均直径的第一组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、具有从约2μm至约10μm的平均直径的第二组氧化钇稳定的氧化锆颗粒、以及具有从约20μm至约250μm的平均直径的第三组氧化钇稳定的氧化锆颗粒。一种方法包括将修复层沉积到受损区域上、以及热处理所述修复层，所述修复层包含所述修复组合物。

技术领域

本发明涉及用于修复热障涂层的受损区域的修复组合物、及其使用方法。

背景技术

为了提高燃气涡轮发动机的效率，不断寻求发动机的更高操作温度。然而，随着操作温度的升高，发动机部件的高温耐久性必须相应地提高。通过配制镍、钴和铁基的超级合金，已经实现了高温性能的显著进步。这些超级合金可以设计成承受约1000℃至约1100℃范围内或更高的温度。尽管如此，当用于形成涡轮机的部件，例如燃烧器衬里、增强器硬件、护罩以及高压和低压喷嘴和叶片时，单独的超级合金可能易受氧化和热腐蚀侵蚀的损害。相应地，这些部件通常用环境屏障涂层和/或热障涂层(TBC)保护。总体上，TBC可以与这些超级合金一起使用，以减少与给定涡轮机相关联的冷却空气需求。陶瓷材料，例如钇稳定的氧化锆(YSZ)，被广泛用作TBC或TBC体系的顶涂层。采用这些材料是因为，例如它们可以通过等离子喷涂和物理气相沉积(PVD)技术容易地沉积，并且它们通常还表现出所希望的热特性。总体上，这些TBC可以与这些超级合金一起使用，以减少与给定涡轮机相关联的冷却空气需求。

为了有效，TBC需要具有低导热性、强力粘附到部件上、并且经过许多加热和冷却循环后还保持粘附。由于陶瓷材料与它们所保护的超级合金基底之间的不同热膨胀系数，后一项要求特别苛刻。为了促进TBC的粘附并延长其使用寿命，抗氧化的结合涂层通常采用扩散铝化物涂层或覆盖涂层的形式，例如MCrAlX，其中M是铁、钴和/或镍，并且X是钇或另一种稀土元素。在沉积陶瓷TBC和随后暴露于高温的过程中，例如在发动机操作期间，这些结合涂层形成将TBC粘附到结合涂层上的紧密粘附的氧化铝(Al₂O₃)层或鳞片。

TBC的使用寿命通常受到例如热疲劳引起的散裂事件的限制。相应地，重要的挑战是获得更粘附的陶瓷层，所述陶瓷层在经受热循环时不易散裂。尽管已经取得了显著的进步，但是不可避免地需要对其热障涂层已经散裂的部件进行修复。尽管散裂通常发生在局部区域或补片(patch)中，但是传统的修复方法是在从涡轮机或其他区域移除受影响的部件之后完全去除TBC、必要时恢复或修复所述结合涂层、并重新涂覆所述发动机部件。用于去除TBC的技术包括在高温和高压下用碱性溶液进行喷砂处理或化学剥离。然而，喷砂是一种缓慢、劳动密集的过程并且会侵蚀涂层下方的表面。使用碱性溶液去除TBC也不太理想，因为这个方法通常需要使用在高温和高压下操作的高压釜。因此，一些传统的修复方法是劳动密集且昂贵的，并且可能难以在具有复杂几何形状的部件(例如翼型和护罩)上进行。作为替代方案，Nagaraj等人的美国专利号5,723,078教导了通过对结合涂层的暴露表面进行纹理化、并且然后通过等离子喷涂在纹理化表面上沉积陶瓷材料，来选择性地修复TBC的散裂区域。虽然避免了从部件上剥离整个TBC的必要性，但Nagaraj等人教导的修复方法需要移除部件以沉积陶瓷材料。

在大型发电涡轮机的情况下，为了移除其TBC仅遭受局部散裂的部件而长时间地完全停止发电在经济上是不希望的。

Ruud等人的美国专利号7,476,703公开了一种用于修复热障涂层的原位方法和组合物，所述组合物是基于硅酮树脂体系。虽然这种原位方法减轻了与一些传统TBC修复方法相关联的拆卸、掩蔽和过度喷涂问题，但它对于大面积缺陷(即，尺寸大于1平方英寸的缺陷)不是理想修复。Stowell等人的美国专利号6,413,578公开了一种用陶瓷糊剂来修复热障涂层的原位方法。然而，这种方法使用含有乙醇的修复组合物。结果，当使用所述修复组合物时释放易燃的乙醇烟雾，这产生环境健康风险和安全风险。