用於包含熱障層和金屬防蝕層的構件的層體系、製造工藝以及操作蒸汽渦輪的方法

2024-04-01 19:37:05

專利名稱：：用於包含熱障層和金屬防蝕層的構件的層體系、製造工藝以及操作蒸汽渦輪的方法用於包含熱障層和金屬防蝕層的構件的層體系、製造工藝以及操作蒸汽渦輪的方法
技術領域：
：本發明涉及如權利要求書l所述的具有熱障層和金屬防蝕層的構件、如權利要求31所述的製造工藝以及如權利要求32所述的操作蒸汽渦l侖的方法。施加在構件上的熱障層在燃氣渦輪領域是已知的，例如在EP1029115中所述。熱障層可以使構件能被用於比基體材料所容許的更高的溫度，或者延長使用壽命。用於燃氣渦輪的已知的基體材料(基材)能容許最高100(TC-1100。C的使用溫度，而具有熱障層的塗覆層能容許高達1350。C的使用溫度。在蒸汽渦輪中的構件使用溫度要低得多，因此在這種應用中並沒有這些要求。由EP1029104A已知了向燃氣渦輪葉片的陶瓷熱障層上施加陶瓷防蝕層。由DE19535227A1已知了在蒸汽渴輪中提供熱障層以容許將機械性能較差但價格較便宜的材料用於其上施加了熱障層的基材。美國專利US5,350,599公開了一種抗蝕的陶瓷熱障層。US2003/0152814A1公開了一種熱障層體系，其由超級合金基材、位於基材上的氧化鋁層和作為外陶瓷熱障層的陶瓷構成。EP0783043A1公開了一種由位於陶覺熱障層上的氧化鋁或碳化矽構成的防蝕層。美國專利US5,683,226公開了一種具有提高的耐蝕性的蒸汽渦輪部件。US4，405,284公開了一種外金屬層，其與下面的陶瓷熱障層相比多孔性顯著更高。在其對現有技術的討論中，EP0783043A1公開了分兩層形成耐蝕塗層，即由內金屬層和外陶瓷層構成。US5，740,515/^開了一種其上施加了^￡陶瓷石圭化物外塗層的陶瓷熱障層。WO00/70190公開了一種施加了外金屬層的構件，該外金屬層包含鋁以增強構件的抗氧化性。由於介質中的雜質和/或流過帶熱障層構件的流動介質的高流速，熱障層受到強烈腐蝕。因此，本發明的目的在於提供一種構件、製造這種構件的工藝以及能克服此問題的層體系的適合應用。此目的是通過如權利要求l中的構件、如權利要求31中的工藝和如權利要求32中的方法實現的。從屬權利要求列出了本發明構件的其它有利結構。特別是對於為驅動目的而暴露^熱流體中^渦輪構件來說，去氧化皮常常會導致脫落的氧化皮顆粒對脆性陶瓷層的機械沖擊，這可能會導致材料斷裂即導致腐蝕。儘管陶瓷層被設計成能承受熱沖擊，但它卻容易受到局部非常有限出現的機械應力的影響，因為熱沖擊具有對整個層的更廣泛的影響。因此，特別優選金屬防蝕層，因為由於其延展性金屬防蝕層是可以彈性和塑性變形的。熱障層並不一定只是用於將使用溫度範圍往上移的目的，還可以有起的熱膨脹。由此可以消除或至少降低熱機械應力。附圖中列舉了一些實施例，其中圖2，3顯示了根據本發明所形成的構件的熱障層之內的孔隙率梯度，圖4，5顯示了一種蒸汽渦輪，圖6，7，8顯示了根據本發明所形成的構件的其它示實施例。圖1顯示了用於構件的根據本發明所形成的層體系1的第一種實施例。在下文中，當構件包含層體系l時術語層體系l和構件作為同義詞使用。構件H尤選地是燃氣或蒸汽渦輪300，303(圖4)的構件，特別是蒸汽渦輪300的蒸汽流入區333、渦輪葉片342、354、357(圖4)或外殼部件334、335、366(圖4，5)，並且由基材4(支撐結構)和施加在所述基材上的熱障層7以及位於所述熱障層7上的外金屬防蝕層13構成。在基材4與熱障層7之間設有至少一個金屬粘合層10。粘合層10用於保護基材4免受腐蝕和/或氧化和/或用於提高熱障層7到基材4的結合。當熱障層7由陶瓷構成而基材4由金屬構成時更是如此。防蝕層13由金屬或金屬合金構成，保護構件免受侵蝕和/或磨損，特別是對於易起氧化皮的蒸汽渦輪300，303(圖4)就是如此，其中會出現約50m/s的平均流速(即20m/s-100m/s)和350-400bar的壓力。外金屬防蝕層n(即最外層)優選地比熱障層7更密。在此，術語更密是指外金屬防蝕層13的孔隙率按絕對值計算比熱障層7的孔隙率(例如？(7)=90%，即p(13)>91%,特別是>93%)高至少1%、特別是至少3%。熱障層7的密度優選地為理論密度的80%-95%，而金屬防蝕層13的密度p優選地為理論密度的至少96。/。、優選地98%。術語金屬應理解為不僅包括單質金屬，還包括合金、固溶體或金屬間化合物。根據本發明，粘合層10與防蝕層13具有相同或相似的組成。相同的組成是指兩個層IO、13含有相同量的相同元素，優選地由MCrAlX合金或SC21、SC23或SC24構成。通過優選地使防蝕層13釆用相同的組成，簡化了採購還顯著提高了基材4的腐蝕性能。相似的組成是指兩個層IO、13含有相同的元素但比例稍有不同，即每種元素相差最多3%(例如層10的鉻含量為30%,此時層13的鉻含量可以為至少27%(30-3)或最多33%(30+3),而且可以存在最多lwt。/o的至少一種其它元素。SC21由(以wto/o計)29%-31%鎳、27%-29%鉻、7%-8%鋁、0.5%-0.7%釔、0.3%-0.7%矽和餘量的鈷組成。SC23由(以wt。/。計)11%-13%鈷、20%-22%,各、10.5%畫11.5%鋁、0.3%-0.5%釔、1.5%-2.5%錸和餘量的鎳組成。SC24由(以wt。/。計)240/。-26%估、16%-18%4各、9.5%-11%鋁、0.3%-0.5%釔、1.0%-1.8%錸和餘量的鎳組成。耐磨/防蝕層13優選地由鐵基、鉻基、鎳基和/或鈷基合金或例如NiCr80/20或含硼(B)和矽(Si)的摻合物的NiCrSiB或NiAl(例如:Ni95wt%,Al5wt%)組成。特別地，金屬防蝕層13可用於蒸汽渦輪300、303，因為在蒸汽渦輪中蒸汽流入區333處的使用溫度最高為4S0。C、550°C、650°C、75(TC或850°C。優選地採用750。C的溫度。對於這些溫度範圍，有足夠的在構件l的使用壽命內具有足夠高的必要耐蝕性並同時具有良好抗氧化性的金屬層。燃氣渦輪中位於陶瓷熱障層7上的金屬防蝕層13並不適合用在渦輪的第一級或燃燒室之內，因為金屬防蝕層13作為外層並不能承受高達135(TC的使用溫度。用於保護基材4免於在高溫下腐蝕和氧化的粘合層10大致包含例如以下元素(具體含量為重量百分比城％):11.5-20.0%鉻，0.3-1.5%矽，0.0-1.0G/(4呂，0.0-0.7%釔和/或選自鈧和稀土元素的至少一種等價金屬，餘量為鐵、鈷和/或鎳以及由製造過程導致的雜質。特別地金屬粘合層10由下列成分構成12.5-14.0%鉻，0.5-1.0%矽，0.1-0.5%鋁，0.0-0.7%釔和/或選自鈧和稀土元素的至少一種等價金屬，餘量為鐵和/或鈷和/或鎳以及由製造過程導致的雜質。優選地在這兩種粘合層10中餘量全為鐵。基於鐵的粘合層10的組成具有特別出色的性能，從而使粘合層10極其適合應用於施加在鐵素體基材4上。基材4和粘合層10的熱膨脹係數可以彼此十分相配(只相差至多10%)甚至相同，因此在基材4與粘合層10之間不產生熱應力(熱失配)，而熱應力會導致粘合層10剝落。這點尤其重要，因為對於鐵素體材料，通常沒有為擴散結合而進行熱處理，粘合層io(鐵素體)主要或完全通過粘合結合在基材4上。選擇外防蝕層13的組成使其具有高延展性。在此，術語高延展性是指在使用溫度下斷裂伸長率為5%(5%的伸長導致形成裂縫)。障層7上，其中粘合層io的組成將不再重口要:、、工;"、、熱障層7特別地是一種陶瓷層，其例如至少部分地由氧化鋯(由氧化釔和/或氧化鎂部分穩定或完全穩定)和/或至少部分地由二氧化鈦組成，且例如厚度大於0.1mm。例如，可以使用100%由氧化鋯或二氧化鈦構成的熱障層7。陶瓷層7可以通過已知的塗覆工藝如大氣等離子噴塗(APS)、真空等離子噴塗(VPS)、低壓等離子噴塗(LPPS)和通過化學或物理塗覆方法(CVD，PVD)施加。基材4優選地是鋼基或其它鐵基合金(例如1%CrMoV或10-12。/。鉻鋼)或者是鎳基或鈷基超級合金。特別地，基材4是一種鐵素體基礎合金、鋼基或鎳基或鈷基超級合金，特別是l。/oCrMoV鋼或10-12。/o鉻鋼。層體系1的其它有利的鐵素體基材4由下列成分構成用於軸(309，圖4)的o/o-2o/oCr鋼:例如30CrMoNiV5-ll或23CrMoNiWV8-8，或用於外殼(例如335,圖4)的P/o-2。/oCr鋼:G17CrMoV5-0或G7CrMo9-10，或用於軸(309，圖4)的10%0鋼X12CrMoWVNb畫-l-l，用於外殼(例如335,圖4)的10。/oCr鋼GX12CrMoWVNbN10-1-1或CX12CrMoVNbN9-1。為實現熱障層7的儘可能好的功效，熱障層7至少部分地具有一定開氣孔率和/或閉氣孔率。防蝕層13優選地具有比熱障層7更高的密度，由此其13具有更高的耐蝕性。產生良好的抗侵蝕性損害能力。八'、""&、金屬防蝕層的較低孔隙率和粗糙度可以採用不同方法實現1.在熱噴塗防蝕層13時使用具有儘可能小的粒徑的噴霧粉末，2.在噴塗之後通過噴射操作，例如通過用玻璃珠或鋼砂噴射或其它機械緻密化或平整工藝(滾壓，振動修整)，使外金屬防蝕層13緻密化，3.通過滲透劑封閉開孔，4.對整個體系進行熱處理，5.熔融或再熔化頂層或整個金屬防蝕層。的粗糙度並帶咬邊(Hinterschneidungen)的方式實施的，以實現熱障層向粘合層10的牢固粘合。在這種情況下，噴霧操作過程中所用的粉末可以比防蝕層13使用的粗得多。圖2顯示了具有孔隙率梯度的多孔熱障層7。熱障層7中存在氣孔16。熱障層7的密度p在外表面方向上增大。因此，層7在孔隙度較大的區可被用作熱屏障，而適當時在孔隙率較低的區可^^皮用於防蝕。附近存在更大的孔隙率。在圖3中，熱障層7的密度p的梯度與圖2所示的相反。防蝕層13優選地只局部施加，並優選地在腐蝕性顆粒撞擊構件l的角度為60°-120。，優選70°-110°或更優選80°-100°處施加在構件1上。塗覆在腐蝕性顆粒的碰撞角為90°+/-2°的位置尤其有用。在腐蝕性顆粒以這種幾乎垂直的角度撞擊在構件l表面上時，金屬防蝕層13提供了最好的保護。構件1表面的垂直線構成90。軸。圖4舉例顯示了一種具有沿旋轉軸306延伸的渦輪軸309的蒸汽渴輪300，303。蒸汽渦輪具有高壓部分渦輪300和中壓部分渦輪303,它們各自具有內殼312和環繞該內殼的外殼31、高壓部分渦輪300是例如罐狀設計的。中壓部分渦輪303是雙流設計的。中壓部分渦輪303也可以是單流設計的。沿旋轉軸306，在高壓部分渦輪300與中壓部分渦輪303之間設置有軸承318，渦輪軸309在軸承318中具有一個軸承區321。渦輪軸309安裝在緊挨高壓部分渦輪300的另一軸承324上。在此軸承324附近，高壓部分渦輪300具有軸密封裝置345。渦輪軸309相對於中壓部分渦輪303的外殼315由另兩個軸密封裝置345封閉。在高壓蒸汽流入區348與蒸汽出口區351之間，滿輪軸309在高壓部分渦輪300內具有高壓轉子葉片354,357。此高壓轉子葉片354，357與相聯的轉動葉片(未更具體顯示)一起構成第一葉片區360。中壓部分渦輪303具有中央蒸汽流入區333。在屬於蒸汽流入區333內，渦輪軸309具有徑向對稱的軸罩363,即護板，一方面用於將蒸汽流分隔成中壓部分渦輪303的兩個流，另一方面用於防止熱蒸汽與渦輪軸309直接接觸。在中壓部分渦輪303中，渦輪軸309具有第二葉片區366，此區內包含中壓轉子葉片354，342。流過第二葉片區366的熱蒸汽由流出連接件369流出中壓部分渴輪303,進入連接在流下遊的低壓部分渦輪(未顯示)。渦輪軸309由兩個渦輪部分軸309a和309b組成，它們在軸承318區J皮此固定地相連。特別地，蒸汽流入區333具有熱障層7和防蝕層13。圖5顯示了蒸汽渦輪300、303的一個區的放大圖。在流入區333附近，蒸汽渦輪300、303包含外殼334,其暴露於250-35(TC的溫度。在作為內殼335—部分的流入區333內，溫度為450-80(TC。這造成了至少20(TC的溫差。在暴露於所述高溫的內殼335上，帶防蝕層13的熱障層7被施加到內側336(例如不施加於外側337)。熱障層7隻局部地存在於內殼335上(例如不存在於葉片區366)。帶防蝕層13的熱障層7的施加減少了進入內殼335的熱量，從而影響熱膨脹性能。由此，內殼335和蒸汽流入區333的總體變形性能都可以可控地進行設定。這可以通過改變熱障層7的厚度或在內殼335表面的不同部位塗覆不同的材料來實現。也可以使內殼335不同部位的孔隙率不同。熱障層7可以局部地施加，例如施加在內殼335內的流入區333附近。熱障層7也可以只局部地施加在葉片區366(圖6)。特別是在流入區333，需要使用防蝕層13。如果在流入區333存在帶防蝕層13的熱障層7(TBC),則在葉片區366和/或渦輪葉片中可以存在不帶防蝕層的熱障層7。complextableseeoriginaldocumentpage12圖7顯示了本發明的構件1的另一種實施例。在此情形下，熱障層7的厚度在蒸汽渦輪300、303的流入區333比在葉片區366厚。熱障層7的局部不同厚度用於可控地調節熱量的傳入並從而調節熱膨脹和由此調節內殼334(由流入區333和葉片區366構成)的膨脹性能。由於流入區333存在高於葉片區366的溫度，在流入區333內的所述較厚的熱障層7與在溫度較低的葉片區相比能更大程度的降低熱量向基材4的輸入。因此，流入區333和隨後葉片區366內的熱輸入可被保持在大致相同的水平，從而產生大致相等的熱膨脹。也可以在流入區333附近使用不同於葉片區366的材料。本文中，熱障層7被施加在整個熱區，即每一處，且包括防蝕層13。圖8顯示了熱障層7的應用的另一實施例。構件l，特別是外殼部件，在這裡是閥套31,熱蒸汽通過流入口46流入其中。流入口46削弱了閥套的機械性能。閥套31由例如罐狀外殼部件34和蓋37構成。在外殼部件31之內有一個由閥錐40和芯軸43構成的閥門。構件蠕動造成外殼31和蓋37的不均勻軸向形變。閥套31在開口46附近軸向膨脹程度較大，導致蓋子與芯軸43—起側斜，如虛線所示。從而，閥錐不再正確落位，這降低了閥門的密閉性。向閥套31的內側49施加熱障層7可以勻化變形性能，從而使閥套31和蓋子37的兩端52、55能均勻地膨脹。總地來說，熱障層7的施加用來控制變形性能並由此確保閥門的密閉性。上述熱障層7同樣包括防蝕層13。權利要求1.一種用於構件1(1，31，334，335，342，354，357，366)、特別是用於蒸汽渦輪(300，303)的層體系，至少組成如下基材(4)，金屬粘合層(10)，位於金屬粘合層(10)上的熱障層(7)，特別是陶瓷熱障層(7)，以及位於熱障層(7)上的外金屬防蝕層(13)，特徵在於粘合層(10)與防蝕層(13)具有相同或相似的組成。2.如權利要求l所述的層體系，特徵在於所述粘合層(10)與防蝕層(13)的材料為MCrAlX合金。3.如權利要求1或2所述的層體系，特徵在於所述粘合層(10)的材料、特別是所述防蝕層(13)的材料組成如下(以wt。/o計)29%-31%鎳，27%-29%鉻，7%-8%鋁，5%-0.7%釔，3%-0.7%石圭，和餘量的鈷。4.如權利要求1或2所述的層體系，特徵在於所述粘合層(10)的材料、特別是所述防蝕層(13)的材料由(以wt。/o計)11%-13%鈷、20%-22%鉻、10.5%-11.5%鋁、3%-0.5%釔、5%-2.5%錸和餘量的鎳組成。5.如權利要求1或2所述的層體系，特徵在於所述粘合層(10)的材料、特別是所述防蝕層(13)的材料由(以Wt。/o計)24%-26%鈷、16%-18%鉻、9.5%-11%鋁、3%-0.5%釔、0%-1.8%錸和餘量的鎳組成。6.如權利要求1或2所述的層體系，特徵在於所述粘合層(10)的材料，特別是所述防蝕層(13)的材料由(以wt。/o計)11.5%-20%鉻，3%-.5%矽，0%-1%鋁，0%-4%釔和餘量的鐵組成。7.如權利要求6所述的層體系，特徵在於所述粘合層(10)的材料，特別是所述防蝕層(13)的材料由(以wt。/o計)12.5%-14%鉻，5%-1.0%矽，1%-0.5%鋁，0%-4%釔和餘量的鐵組成。8.如權利要求1或2所述的層體系，特徵在於所述防蝕層(13)與粘合層(10)由鐵基、鎳基、鉻基或鈷基合金，特別是NiCr80/20構成。9.如權利要求l所述的層體系，特徵在於所述防蝕層(13)與粘合層(10)由含矽(Si)和/或硼(B)的摻合物的鎳鉻合金(NiCrSiB)構成。10.如權利要求l所述的層體系，特徵在於所述防蝕層(13)與粘合層(10)由鎳鋁合金構成。11.如權利要求1-10之一所述的層體系，特徵在於所述粘合層(10)與防蝕層(13)具有相同的組成。12.如權利要求所述的層體系，特徵在於所述金屬防蝕層(13)具有低於所述熱障層(7)的孔隙率，特徵還在於特別是密度差為至少1%、特別是至少3%。13.如權利要求1或12所述的層體系，特徵在於所述防蝕層(13)的密度為防蝕層(13)的理論密度的至少96%、特別是98%。14.如權利要求l、12或13所述的層體系，特徵在於所述熱障層(7)的密度為熱障層(13)的理論密度的80%-95%。15.如權利要求l、12或14所述的層體系，特徵在於所述熱障層(7)至少部分地是多孔性的。16.如權利要求12、4或15所述的層體系，特徵在於所述熱障層(7)具有孔隙率梯度。17.如權利要求16所述的層體系，特徵在於所述熱障層(7)的孔隙率在熱障層(7)的外區最高。18.如權利要求16所述的層體系，特徵在於所述熱障層(7)的孔隙率在熱障層(7)的外區最低。19.如權利要求l、2、8、9或10所述的層體系，特徵在於所述金屬防蝕層(13)的材料具有高延展性，特別是具有5%的斷裂伸長率。20.如權利要求l所述的層體系，特徵在於所述層體系(1)是燃氣或蒸汽渦輪(300,303)的外殼部件(31，334,335,366)。21.如權利要求20所述的層體系，特徵在於所述層體系(1)是渦輪外殼(366)或閥套(31)。22.如權利要求l所述的層體系，特徵在於所述層體系(1)是渦輪葉片(342,354,357)。23.如權利要求l、9、20、21或22所述的層體系，特徵在於所述防蝕層(13)在、特別是只在腐蝕性顆粒碰撞構件(1)的角度為60°-120°，特別是70。-110。的位置處存在於構件(1)上。24.如權利要求l或20-23之一所述的層體系，特徵在於所述層體系(1)包括基體(4)，在(4)上有所述熱障層(7),特徵還在於所述基體(4)由鎳基、鈷基或特別是鐵基合金製成。25.如權利要求l、12、14或24所述的層體系，特徵在於所述熱障層(7)至少部分地、特別是完全由二氧化鋯(Zr02)構成。26.如權利要求l、12、14、24或25所述的層體系，特徵在於所述熱障層(7)至少部分地、特別是完全由二氧化鈦(Ti02)構成。27.如權利要求l所述的層體系，特徵在於所述層體系(1)施加在蒸汽渦輪(300,303)的流入區(333)和葉片區(366)。28.如權利要求l所述的層體系，特徵在於所述層體系(1)僅施加在蒸汽渦輪(300,303)的流入區(333)。29.如權利要求l所述的層體系，特徵在於所述層體系(1)僅施加在蒸汽渦輪(300,303)的葉片區(％6)。30.如權利要求l所述的層體系，特徵在於所述粘合層(10)、熱障層(7)和防蝕層(13)施加在翻新的構件(1)上。31.—種製造如權利要求l-30之一中所述的構件的工藝，特徵在於在將所述防蝕層(13)施加到所述熱障層(7)上之後將其緻密化。32.—種操作蒸汽渦輪(300，303)的方法，其中含腐蝕性顆粒的蒸汽在蒸汽渦輪(300,303)之內流動，所述腐蝕性顆粒撞擊在蒸汽渦輪(300,303)的內表面上，其中至少在蒸汽渦輪(300，303)的內表面上提供了層體系(1),特別是如權利要求1-31中的一或多項所述的層體系(1),上述顆粒以60。-120°,特別是70°-110°的角度撞擊在所述表面上。33.如權利要求32所述的方法，特徵在於在蒸汽渦輪(300，303)的內表面上提供了層體系(1),特別是如權利要求1-31中的一或多項所述的層體系(1)，所述顆粒以80。-100°,特別是90。左右的角度撞擊在所述表面上。34.如權利要求32或33所述的方法，特徵在於僅在蒸汽渦輪(300,3(B)的內表面上提供了層體系(1)，特別是如權利要求1-31中的一或多項所述的層體系(1)，所述顆粒以80°-100°，特別是90。左右的角度撞擊在所述表面上。全文摘要本發明涉及蒸汽渦輪(300，303)的構件(333，366)，包括熱障層(7)和位於所述熱障層10(7)上的金屬防蝕層(13)，其中防蝕層(13)的材料與金屬粘合層(10)相同。文檔編號C23C4/06GK101198713SQ200680021099公開日2008年6月11日申請日期2006年3月17日優先權日2005年6月13日發明者F·施米茨,J·巴尼克爾申請人:西門子公司