抗侵蝕及腐蝕的覆層系統及其工藝的製作方法
2023-07-20 22:07:31 2
專利名稱：抗侵蝕及腐蝕的覆層系統及其工藝的製作方法
技術領域：
本發明大體涉及用於渦輪機部件的保護性覆層和覆層工藝。更具 體地講，本發明涉及一種覆層系統，該系統適用於燃氣輪機的鋼質壓 縮機葉片以提高該葉片的抗水滴侵蝕與腐蝕性。
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背景技術：
在線水洗、霧化以及蒸發冷卻器系統已被用來改進大型工業燃氣 輪機(例如用以發電的設施所使用的那些)的壓縮機性能。這些系統通 常必然會在壓縮機入口處引入水滴，導致該壓縮機第一級的葉片受到 高速下水滴的沖擊。由鐵基合金(包括400系列不鏽鋼)製成的壓縮機
15 葉片易於在其前緣處(包括其根部，葉片翼型件(airfoil)在該根部處附連 到葉片平臺上)受到水滴侵蝕。該葉片還容易受到沿著該葉片前緣表面 的腐蝕麻點的影響，其是由引起電流侵襲(galvanic attack)的汙塞顆粒 的積聚所產生的。如果該渦4侖^L在腐蝕性環境中或腐蝕性環境附近運 行，例如在化學或石油工廠附近或者在鹽性水體附近運行，腐蝕將加
20 劇。
因為壓縮機葉片承受著由離心力和振動產生的巨大應力，位於葉 片根部的麻點和裂縫可導致高周疲勞(HCF)破裂，如果該葉片沒有被 移除，將導致該葉片的最終喪失。因此，減少因水滴沖擊引起的葉片 侵蝕所導致的在壓縮機葉片中形成裂縫的可能性，具有重大的意義。 25 儘管由鎳和鈦合金製成的葉片能夠呈現出改進的抗腐蝕性，但它們未 必呈現出改進的抗水滴侵蝕性。減輕前緣應力的嘗試已包括葉片根部 處的設計特徵，例如在共同轉讓的美國專利No.6,902,376和 No.7,165，944中所公開的措施。備選地或作為補充，為了改進渦輪機部件的抗腐蝕性，已經^提出了多種覆層系統。實例包括授予Allen的 美國專利No.3,248,251和授予Mosser的美國專利No.4,537,632和 No4,606,967中所記載的、在無機粘合劑(優選是磷酸鹽和鉻酸鹽的混 合物)中包含顆粒(例如鋁粉)的覆層系統。該覆層系統可通過噴塗來塗 5敷，隨後進行固化。
另一種防護性覆層系統在授予Haskell的共同轉讓的美國專利 No.5,098,797中描述為使用金屬犧牲底覆層和陶資上覆層。用於該犧 牲底覆層的適當材料據說為電動勢序高於鐵的任何金屬或金屬合金， 其實例包括鋁，鋅，鎘，鎂以及它們的合金，且所產生的犧牲底覆層 10 據說是與該葉片表面處於導電性接觸的粘結體。Haskell陶資外覆層被 描述為優選與Allen的陶瓷上覆層具有相同的成分並且以同樣的方式 沉積，即磷酸鹽/鉻酸鹽粘合劑中包含鋁顆粒。
儘管有上述優點，仍希望對壓縮機葉片抗水滴侵蝕和腐蝕的能力 有進一步的改進。
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發明內容
本發明提供了 一種能夠為部件，特別是工業燃氣輪機的鋼質壓縮 機葉片提供抗侵蝕和腐蝕性的覆層系統及工藝。
該覆層系統包括位於該部件表面上的金屬犧牲底覆層，以及通過 20熱噴塗而沉積在該底覆層上的陶瓷外覆層。該底覆層包含在電勢序方 面比鐵更活潑的金屬或金屬合金，並且可導電地接觸該部件的表面。 該陶瓷外覆層主要包括陶瓷材料，該陶瓷材料選自包括以下混合物的 組氧化鋁和二氧化鈦的混合物；氧化鉻和二氧化矽的混合物；氧化 鉻和二氧化鈦的混合物；氧化鉻、二氧化矽和二氧化鈥的混合物；以 25及二氧化鋯、二氧化鈦和氧化釔的混合物。該覆層系統可選地包括聚 合體封閉件以封閉其表面，從而提供保護以防止腐蝕介質的進入，並 且還通過其彈性特性而改進了該覆層的固體顆粒和水滴侵蝕特性。 形成該覆層系統的工藝需要沉積金屬犧牲底覆層，優選使得該底覆層的成分固結(consolidated)以確保與該部件表面的可導電接觸。然 後將陶瓷材料熱噴塗在該底覆層上以產生陶瓷外覆層，該陶瓷外覆層 比該底覆層以及該部件表面更堅硬且有更強的抗侵蝕性。
本發明的重要優點是該覆層系統提供抗腐蝕性和抗水滴侵蝕性 5 的能力，從而增強了該被保護表面的抗腐蝕麻點和抗裂縫腐蝕性，在 壓縮機葉片的情況下，這具有極大地延長該葉片壽命的潛力。該覆層 系統利用了如下事實結合到壓縮機葉片表面並且可導電地接觸該表 面的犧牲底覆層將提供極好的抗腐蝕性，而堅硬的外覆層將提供抵抗 由水衝擊所產生的侵蝕的屏蔽，且從而減少麻點腐蝕和裂縫腐蝕的發 10 生。該覆層系統可以有策略地布置在壓縮機葉片上，將該覆層的厚度 調整為以便提供期望的優點，同時減小可由該覆層系統所引起的翼型 件空氣動力性能的任何損失。人們認為，該覆層系統另外的優點包括 提高該葉片防汙性能和旋轉葉片損傷容限的能力。
通過下文的詳細說明，本發明的其它目標和優點將更容易理解。
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圖1表示了根據本發明的一個實施例的、工業燃氣輪機壓縮機葉 片翼型件表面區域的局部剖視圖。
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具體實施例方式
本發明提供了抗侵蝕和腐蝕覆層系統，該系統特別適合於保護由 鐵基合金所形成的部件，特別是由馬氏體不鏽鋼形成並且承受水滴侵 蝕和腐蝕麻點的工業燃氣輪機壓縮機葉片。顯著的實例包括由400系 列馬氏體不鏽鋼(例如AISI 403)和專有配方(例如GTD-450)沉澱硬化
25 馬氏體不鏽鋼形成的第一級壓縮機葉片。儘管本發明將參考由不鏽鋼 形成的壓縮機葉片進行描述，但應當理解的是，本發明的教導將應用 於由各種鐵基合金形成的其它部件，並受益於對水滴侵蝕和腐蝕麻點 的改進的抗性。圖1示意性地將本發明的覆層系統IO表示為包括犧牲底覆層12 和覆蓋該犧牲底覆層12的堅硬的抗侵蝕的陶瓷外覆層14。底覆層12 包括一種或多種在電勢序(電極電位)方面高於鐵的金屬或金屬合金， 使得該底覆層12可作為對鐵基葉片18的下層基底16的犧牲陽極。 5 這樣，該底覆層12和葉片基底16形成電偶，且底覆層12比該葉片 18的任何未覆層的表面區域腐蝕得快得多。該抗侵蝕陶t;外覆層14 提供水滴和顆粒侵蝕保護，從而保護該犧牲底覆層12以及其提供抗 腐蝕麻點和裂紋腐蝕的能力。該覆層系統10可以有策略地布置在該 壓縮機葉片18上，將該層覆層的單獨的厚度調整為以便為壓縮機翼
10 型件應用提供特定的優勢。
該犧牲底覆層12可以由能夠滿足上述以下要求的各種成分形成 即，包括足量的在電勢序方面高於鐵的一種或多種金屬或金屬合金以 使得該底覆層12能夠用作對下層的鐵基葉片基底16的犧牲陽極。在 堅硬的外覆層14侵蝕或剝落(尤其是處在高度腐蝕的鹽性環境中)的情
15 況下，用於該犧牲底覆層12的材料還優選能夠保護葉片基底16。在 損失了外覆層14的情況下，底覆層12還應當能夠承受至少600。F至 約1150。F(約320。C至約620。C)的溫度。用於底覆層12的特別優選的 成分由General Electric公司在商業上提供，其名為GECC1(公開於授 予Haskell的美國專利No.5,098,797中)，並且在鉻酸鹽/磷酸鹽無機粘
20 合劑之中包括鈷和鋁顆粒。Haskell的涉及該GECC1材料、特別適用 於該材料的成分以及適用於鈷與鋁顆粒的顆粒尺寸的內容通過引用 而結合在本申請中。用於該犧牲底覆層12的其它候選材料包括鍍鎳 和鋅，該二者均已知可用作對於鐵及其合金的犧牲陽極。根據特定的 成分，適用於該犧牲底覆層12的厚度通常介於約五微米到約八微米
25 的範圍中。
圖1示意性地將該覆層系統表示為還包括聚合體封閉件20，該封 閉件20封閉了該外覆層14的表面。封閉件20優選提供保護以防腐 蝕介質進入，並且還通過其彈性特性來改進外覆層14的固體顆粒和水滴侵蝕的特性。用於封閉件20的適當材料包括酚醛塑料，含氟聚
合物，聚酯，橡膠，以及乙烯基物質，且適用於該封閉件20的厚度 介於約1至50微米的範圍內在適當的表面處理(例如噴砂處理)之後， 該GECC1覆層材料優選通過使用標準噴塗器設備進行噴塗來塗覆， 5 以獲得最小約2密耳(約50微米)的總體幹膜厚度。該沉積層優選可選 地利用強制空氣運動和/或高溫(例如約IO(TF(約4(TC))來乾燥至少十 五分鐘。然後使該經乾燥的層在至少約500。F(約260。C)下固化約三十 分鐘或更久。可以重複這些步驟，以沉積另外的層以產生所需厚度的 底覆層12。然後例如通過用玻璃珠或鋁氧化物(氧化鋁)顆粒進行噴丸
10 來拋光該底覆層12，以強化該覆層並確保其導電性。為了評定導電性， 可將電阻表探針在底覆層12表面上間隔開約一英寸(約2.5釐米)放置， 10歐姆或更小的讀數表明導電性處於合適的水平。
堅硬的陶瓷外覆層14必須比底覆層12和葉片基底16更堅硬， 並且更能抵抗處於非常高的速度下的水滴的侵蝕。候選材料的抗侵蝕
15 性可以使用礦物硬度的莫氏硬度表來初步評定。例如，在莫氏硬度表 上金剛砂(天然氧化鋁，Al203)具有約9的硬度，氧化鉻(0203)具有約 8.5的硬度，石英(二氧化矽，Si02)具有約7的硬度，二氧化鋯(ZrO。 具有約6.5的硬度，以及二氧化鈦(Ti02)具有約5.5至6.5的硬度。據 記載，氧化鋁和二氧化鈦的混合物具有約6的硬度，氧化鋁和二氧化
20 鋯的混合物具有約5.7的硬度。基於提高硬度的期望，認為特別優選 的成分是氧化鋁和二氧化鈦的混合物，例如，按重量分別約50/50， 或60/40,或87/13，優選的是約70%至99%重量比的氧化鋁，其餘為 二氧化鈦。其它候選材料也是混合物，且包括氧化鉻和二氧化矽(例 如，按重量分別約為95/5)的混合物；氧化鉻和二氧化鈦(例如，按重
25 量分別為約45/55)的混合物；氧化鉻、二氧化矽和二氧化鈦(例如，按 重量分別為約92/5/3)的混合物；以及二氧化鋯、二氧化鈦和氧化釔 0603)的混合物(例如，按重量分別為約72/18/10)。針對這些成分所提 到的特定比例是基於相信其抗侵蝕性在這些比例時被最大化。但是，
8應當理解的是這些成分是名義上的。抗磨性也受到關注，有文獻報導 氧化^^和二氧化鈦均可改進顆粒侵蝕。
為了提高由上述堅硬陶瓷材料形成的覆層所提供的侵蝕防護，認 為通過熱噴塗，特別是通過等離子體噴塗以及高速等離子體噴塗進行 5 沉積是優選的覆層技術，因為認為熱噴塗工藝過程可增加用於形成該 覆層的粉末顆粒的硬度。如本領域中已知的，通過熱噴塗工藝而沉積 的覆層材料最初通常是粉末形式的，然後在粉末顆粒離開噴槍時被熔
融。該熔融顆並立以"潑濺(splats)"的形式沉積在該目標表面上，從而 形成具有非柱狀的、不規則展平的顆粒以及一定程度的不均勻性和多
10 孔性的覆層。等離子體噴塗包括空氣等離子體噴塗(APS)和低壓等離 子體噴塗(LPPS,也稱作真空等離子體噴塗(VPS))，除了等離子體噴塗 之外，另 一種值得注意的熱噴塗工藝過程是高速氧燃料(HVOF)沉積。 由於壓縮機葉片的空氣動力學要求，外覆層14的表面光潔度也 很重要，並且該外覆層14的表面粗糙度優選是100微英寸(約2.5微
15 米)Ra或更小。熱噴塗工藝過程還使得陶資外覆層14能夠選擇性地沉 積在壓縮機葉片18上，使外覆層14的厚度調整為以便為壓縮機翼型 件應用提供特定的優勢。特別的是，可應用陶瓷外覆層14,以使其厚 度在葉片18的翼型件表面上沿空氣流動方向逐漸減小(漸弱)，以減弱 對空氣動力效率的任何不良影響。不過，可預見的是可通過其它方法
20生成適當堅硬的陶瓷外覆層14,例如通過低溫蒸鍍工藝來生成。
在初步試驗中，空氣等離子體噴塗(APS)的氧化鋁-二氧化鈦外 覆層已經在抗侵蝕性、抗腐蝕性以及與本發明的犧牲底覆層的相容性 等方面呈現出良好的性能。在這些試驗的其中各試驗中，測試試樣是 通過空氣等離子體噴塗而覆有氧化鋁和二氧化鈦混合物的GTD - 450
25 試件，其中氧化鋁二氧化鈦的重量比約為55:45至97:3。所產生的 覆層具有約五密耳(約130微米)的厚度。
水滴侵蝕測試在試驗臺上完成，該試驗臺構造成用於Dv90=700 微米的水滴(水容量的90%包含於700微米或更小的水滴中)，降水速度約為20英寸/小時(約50釐米/小時)。該噴塗由非空氣輔助的霧化噴 嘴產生，該霧化噴嘴產生了均勻地分歉的全錐狀流。試樣以約777米 /秒的速度移動經過該錐體。在該環境中對氧化鋁-二氧化鈦覆層的測 試表明覆層裂口在約1.8小時後產生於棵露的GTD - 450試件基底上。 5期望使用較小的液滴尺寸和封閉件20的測試可獲得改進的結果。
固體顆粒侵蝕測試按照ASTM G76-2000標準使用約70。F(約20°C) 下的試樣來進行。使用筆狀噴丸設備以約250英尺/秒(約76米/秒)的 速度、且以約20和90度的角度在覆層基底上噴射50Tm角的白色氧 化鋁之後，測量重量損失。對氧化鋁-二氧化鈦覆層的侵蝕表明在20
10 度時約有0.58立方釐米/1000小時的重量損失，在90度時約有2.23 立方釐米/1000小時的重量損失。認為可以通過增加封閉件20來進一 步降低這些侵蝕速率，特別是90度重量損失值。
還進行了使用鹽霧的腐蝕測試，且表明結合氧化鋁_ 二氧化鈦外 覆層和GECC1犧牲底覆層的覆層系統是抗腐蝕的。該腐蝕試驗按照
15 ASTM Bl 17進行，該標準是該領域公認的標準化程序。試樣被置於溫 度約95。F(約35。C)的包含約5%NaCl水溶液的霧中。該霧的沉降速度 及其他規則依據ASTM B117標準。該測試通常進行約一千小時，之 後對該測試試樣進行腐蝕侵襲評估。該測試完成之後在該測試試件表 面上未發現腐蝕。
20 從上述試驗可以斷定，氧化鋁外覆層和金屬犧牲底覆層能夠呈現
出足夠的抗侵蝕性和抗腐蝕性，以提高不鏽鋼壓縮機葉片的壽命。基 於它們呈現更高硬度的能力，進一步斷定含二氧化鈦的混合物、且尤 其是氧化鋁-二氧化鈦混合物可以呈現出同等的(如果不是更好的)抗 侵蝕性和抗腐蝕性。前文所提及的另 一外覆層成分也呈現出和氧化鋁
25 相似的或更高的硬度，因此也可作為本發明的堅硬陶瓷外覆層14的 可行的候選成分。外覆層14的適當厚度通常介於約25至約250微米 的範圍中，更優選介於約50至約125微米的範圍中。
儘管已根據具體的實施例描述了本發明，但很明顯其它形式也可
10被本領域的技術人員採用。例如，覆層系統10可通過對陶瓷漿進行 浸漬，噴塗等來包覆，該陶瓷漿被固化以形成能夠提供對侵蝕的額外 保護的外陶瓷覆層。因此,本發明的範疇將僅受到所附的權利要求的限 制。
權利要求
1. 一種位於部件的鋼基底(16)上的覆層系統(10)，所述覆層系統(10)是抗腐蝕且抗水滴侵蝕的，其包括所述基底(16)的表面上的金屬犧牲底覆層(12)，所述底覆層(12)包含在電勢序方面比鐵更活潑的金屬或金屬合金，所述底覆層(12)可導電地接觸所述基底(16)的表面；和通過在所述底覆層(12)上熱噴塗而沉積的陶瓷外覆層(14)，所述陶瓷外覆層(14)主要包括陶瓷材料，所述陶瓷材料選自包括下列混合物的組氧化鋁和二氧化鈦的混合物，氧化鉻和二氧化矽的混合物，氧化鉻和二氧化鈦的混合物，氧化鉻、二氧化矽和二氧化鈦的混合物，以及二氧化鋯、二氧化鈦和氧化釔的混合物。
2. 根據權利要求1所述的覆層系統(IO)，其特徵在於，所述陶瓷 外覆層(14)主要包括氧化鋁和二氧化鈦的混合物。
3.根據權利要求2所述的覆層系統(10),其特徵在於，所述陶瓷外覆層(14)主要包括按重量約50%直至約99%的氧化鋁，其餘為二氧 化鈦。
4.根據權利要求1所述的覆層系統(IO),其特徵在於，所述陶瓷 外覆層(14)主要包括氧化鉻和二氧化矽的混合物。
5.根據權利要求1所述的覆層系統(IO)，其特徵在於，所述陶瓷外覆層(14)主要包括氧化鉻和二氧化鈦的混合物。
6. 根據權利要求1所述的覆層系統(IO)，其特徵在於，所述陶瓷 外覆層(14)主要包括氧化鉻、二氧化矽和二氧化鈦的混合物。
7. 根據權利要求1所述的覆層系統(IO)，其特徵在於，所述陶瓷 25外覆層(14)主要包括二氧化鋯、二氧化鈦和氧化釔的混合物。
8. 根據權利要求1到7中任一項權利要求所述的覆層系統(IO)， 其特徵在於，所述犧牲底覆層(12)的金屬或金屬合金包括固結在所述 底覆層(12)內的鋁和鈷顆粒。
9. 根據權利要求1到8中任一項權利要求所述的覆層系統(IO), 其特徵在於，所述犧牲底覆層(12)還包括包含有磷酸鹽的無機粘合劑。
10. 根據權利要求1到9中任一項權利要求所述的覆層系統(IO)， 其特徵在於，所述部件是工業燃氣輪機的壓縮機葉片(18),且所述基底(l 6)限定了所述葉片(18)的至少翼型件表面。
全文摘要
本發明涉及抗侵蝕及腐蝕的覆層系統及其工藝。一種覆層系統(10)及工藝，其能夠為部件，特別是工業燃氣輪機鋼質壓縮機葉片(18)提供抗侵蝕和腐蝕性。該覆層系統(10)包括該部件基底(16)表面上的金屬犧牲底覆層(12)，以及通過熱噴塗而沉積在該底覆層(12)上的陶瓷外覆層(14)。該底覆層(12)包含在電勢序方面比鐵更活潑的金屬或金屬合金，且可導電地接觸該基底(16)的表面。該陶瓷外覆層(14)主要包括陶瓷材料，該陶瓷材料選自包括下列混合物的組氧化鋁和二氧化鈦的混合物，氧化鉻和二氧化矽的混合物，氧化鉻和二氧化鈦的混合物，氧化鉻、二氧化矽和二氧化鈦的混合物，以及二氧化鋯、二氧化鈦和氧化釔的混合物。
文檔編號C23C28/00GK101481800SQ20091000168
公開日2009年7月15日 申請日期2009年1月8日 優先權日2008年1月8日
發明者D·V·布奇, J·C·謝菲爾, J·M·利普金, S·S·帕布拉, T·穆爾斯, V·K·帕裡克 申請人:通用電氣公司