生產用于熱暴露組件表面的具有熱阻的設備的方法

生產用于熱暴露組件表面的具有熱阻的設備的方法
【專利摘要】本發明涉及一種生產用于熱暴露組件表面的具有熱阻的設備的方法，該方法包含以下步驟：提供至少兩種不同的無機粉末材料的至少一種混合物其具有不同的化學組成和熱膨脹系數，其中粉末材料的至少一種由于在給定的溫度下的結晶學相變而經歷體積變化，和/或其中兩種粉末材料(1,2)的至少一種由于化學組成變化而經歷體積變化，將所述至少一種混合物形成坯體形狀，將坯體燒結以獲得陶瓷體和冷卻陶瓷體并在加熱和或/燒結和/或冷卻期間引起微破裂，以獲得具有熱保護層的設備，其中實施所述形成，使得第一混合物形成第一層，在其上涂敷第二混合物形成第二層，第二層與第一層的孔隙率不同以獲得分層的坯體。
【專利說明】生產用于熱暴露組件表面的具有熱阻的設備的方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及熱暴露組件，優選燃燒室組件，如燃燒室襯里，或渦輪機，如燃氣渦輪 裝置的葉輪、葉片或隔熱元件，其具有帶有金屬表面的基體，在金屬表面上直接或間接地涂 敷有熱障涂層（TBC)，提供陶瓷材料的連續表面。
[0002] 制造用于燃氣渦輪裝置的組件的材料的熱穩定性可能不高到足以經受高于 1400°C和以上的范圍的過程溫度。因此在現代或未來的燃氣渦輪裝置中必須進行更大努力 來保護熱暴露組件免受高溫應力。首先，熱暴露組件可通過主動冷卻技術冷卻，例如通過在 熱暴露組件內部提供冷卻通道，將冷卻空氣在壓力下引導通過其中。其次，所述組件，至少 在暴露于特別高的熱負荷下的那些區域中，覆蓋有熱保護層。
[0003] 常規的熱保護層被稱作熱障涂層（TBC)，其為高度先進的材料體系，用于在形式上 將組件與大量和長時間的熱負荷隔離。TBC通常由四層組成：金屬基底、金屬結合涂層、熱 生長氧化物和陶瓷頂層。陶瓷頂層通常由氧化釔穩定的二氧化鋯（YSZ)組成。
[0004] 發明背景 現有的熱障涂層（TBC)在高度先進的燃氣渦輪機中可達到它們的應用極限，因為由工 藝參數控制它們的微結構的有限能力和適于熱等離子噴霧的材料的減少選擇。克服這些限 制的一種方法為不采用TBC涂層，而是用通過不同的固定技術可固定在熱暴露組件表面上 的所謂瓷磚替換他們。
[0005] 在文獻US 4, 563, 128中，瓷磚固定在渦輪機葉片的側面區域中的鴿尾榫型凹部 內。
[0006] 文獻EP 0895028B1公開了用于燃燒空間的包含至少一個壁板的陶瓷襯里，其由 耐熱結構陶瓷制成。所述壁板提供開口，通過該開口布置固定元件，以將所述壁板固定在燃 燒室的內壁。
[0007] 文獻US 7, 198, 860B2公開了瓷磚隔層，其用于具有許多瓷磚的燃氣渦輪機組件， 所述瓷磚結合于燃氣渦輪機組件的熱暴露表面。第一層單獨的瓷磚結合于燃氣渦輪機組件 的陶瓷材料表面。第二層單獨的瓷磚結合在第一層之上。
[0008] EP 1772441A1總的涉及高純度的基于氧化鋯和/或基于氧化鉿的材料及用于高 溫循環應用的涂層。發現由本發明的高純度材料制造的熱障涂層相對于由現有較低純度材 料制造的涂層具有顯著改進的抗燒結性。本發明材料為高純度的氧化鋯和/或氧化鉿，其 通過以下穩定劑之一或任何組合部分或完全地穩定：氧化釔、氧化鐿、氧化鈧、鑭系氧化物 和錒系氧化物。
[0009] 瓷磚的生產允許在粒徑、孔徑、孔隙率、孔形狀和孔分布方面對不同水平的微結構 的嚴格分層控制。然而，固體陶瓷與TBC同樣具有純熱沖擊和熱梯度抗性。因此，現有TBC 除它們的高的"大孔隙率"之外，還有強烈的微破裂，兩者通過加工參數直接關連。在通過 等離子體或電子束物理氣相沉積技術涂敷TBC涂層期間，微破裂發生，同時TBC層得以與組 件的冷表面接觸。
[0010] 對于生產用作燃氣渦輪中熱保護層的瓷磚，恒定和可重現的品質需求必須采用完 全可控的無"缺陷"生產方法，以限制影響陶瓷性能的任何隨機作用。這些可控加工方法通 常導致無微裂紋的陶瓷結構。由這種結構所產生的高彈性模量和高熱-機械形成本身可能 不是關鍵的，但是伴隨的聲沖擊波引起陶瓷的毀滅性分裂。 發明概要
[0011] 本發明的目標為提供具有用于熱暴露組件表面的具有熱阻的增強設備。目標特別 是優化瓷磚的熱阻和機械強度。
[0012] 通過獨立權利要求1、2和3中的特征的總和實現目標。通過在子權利要求中公開 的特征及在后續說明書中特別提及的優選實施方案可有利地修改本發明。
[0013] 為了在優選為板狀形狀的陶瓷體中產生微破裂，發現本發明的方法的三個備選變 體，它們也可彼此任意地組合。發明性概念基于至少兩種不同粉末材料的混合物的使用，所 述粉末材料在它們的熱、化學和/或結晶學特性上不同，且為生產具有微裂紋的多孔陶瓷 體作為具有熱阻的設備的基礎。
[0014] 在用于生產用于熱暴露組件表面的具有熱阻的設備的第一發明性方法中執行以 下方法步驟：在第一個步驟中，將提供具有不同的化學組成和熱膨脹系數的至少兩種不同 的無機粉末材料的至少一種混合物，用于使所述至少一種混合物形成坯體形狀，用于進一 步將坯體燒結以獲得陶瓷體。在燒結坯體之后，在冷卻步驟中冷卻獲得的陶瓷體，同時導致 微破裂，以獲得具有熱阻的設備。由于在冷卻過程期間不同的熱膨脹行為而發生微破裂，但 是還可以在燒結步驟期間發生微破裂。
[0015] 第一，一種生產用于熱暴露組件表面的具有熱阻的設備的方法，其包含以下步 驟： -提供具有不同的化學組成和熱膨脹系數的至少兩種不同的無機粉末材料的至少一種 混合物， -使所述至少一種混合物形成坯體形狀， -將坯體燒結以獲得陶瓷體，和 -冷卻陶瓷體，和 -在加熱和/或燒結和/或冷卻期間引起微破裂，以獲得具有熱阻的設備， -實施所述形成，使得第一混合物形成第一層，在其上涂敷第二混合物形成第二層，所 述第二層與所述第一層的孔隙率不同，以獲得分層的坯體。
[0016] 第二，一種生產用于熱暴露組件表面的具有熱阻的設備的方法，其包含以下步 驟： -提供至少兩種不同的無機粉末材料的至少一種混合物，其中所述粉末材料的至少一 種由于在給定溫度下的結晶學相變而經歷體積變化， -使所述至少一種混合物形成坯體形狀， -將坯體燒結以獲得陶瓷體，和 -冷卻陶瓷體，和 -在加熱和/或燒結和/或冷卻期間引起微破裂，以獲得具有熱阻的設備， -實施所述形成，使得第一混合物形成第一層，在其上涂敷第二混合物形成第二層，所 述第二層與所述第一層的孔隙率不同，以獲得分層的坯體。
[0017] 第三，一種生產用于熱暴露組件表面的具有熱阻的設備的方法，其包含以下步 驟： -提供至少兩種不同的無機粉末材料的至少一種混合物，其中所述兩種粉末材料的至 少一種由于化學組成變化而經歷體積變化， -使所述至少一種混合物形成坯體形狀， -將坯體燒結以獲得陶瓷體，和 -冷卻陶瓷體，和 -在加熱和/或燒結和/或冷卻期間引起微破裂，以獲得具有熱阻的設備， -實施所述形成，使得第一混合物形成第一層，在其上涂敷第二混合物形成第二層，所 述第二層與所述第一層的孔隙率不同，以獲得分層的坯體。
[0018] 在陶瓷體內部在燒結和冷卻期間微裂紋形成的和類型和量可通過特別選擇要相 互混合的粉末材料來控制。
[0019] 用于生產包含特定量的微破裂的熱阻的第二種備選方法需要至少兩種不同的無 機粉末材料的至少一種混合物，其中所述粉末材料的至少一種由于在燒結和/或冷卻過程 期間達到的給定溫度下的結晶學相變而經歷體積變化。在使至少一種混合物形成坯體形狀 之后，將坯體形狀燒結以獲得陶瓷體，之后將其冷卻，同時由于結晶學相變導致微破裂，以 獲得具有熱阻的設備。
[0020] 在第三發明性備選方案中，提供至少兩種不同的無機粉末材料的混合物，其中兩 種粉末材料的至少一種由于化學組成變化伴隨體積變化而經歷體積變化。在相同方式下， 坯體經燒結，同時由于化學組成變化導致兩種粉末材料的至少一種的體積變化，導致微破 裂。
[0021] 通過特別選擇粉末材料和通過共同混合的粉末的特別混合比，可控制微裂紋的形 成。通常，在關于熱膨脹系數、結晶學相變或化學組成變化（全部伴隨體積變化）的性質之 間的差異越大，出現的裂紋越多、越大并且越長。
[0022] 通過在加工和燒結之前將所謂的造孔劑結合到粉末混合物中，也可控制陶瓷體的 "大"孔隙率，使得孔隙率和微裂紋的量可按受控的方式互相作調節。
[0023] 如上所述，所有三個發明性方法可合并成任意的組合，即可將不同或相同化學組 成的粉末材料一起混合，用于提供形成坯體形狀供進一步燒結和冷卻的混合物，所述粉末 材料根據溫度提供關于體積變化的不同特性。
[0024] 在優選實施方案中，將陶瓷體冷卻以獲得具有熱阻的設備之后，實施至少一個熱 處理循環以進一步調節具有熱阻的設備中的微裂紋的長度和密度。熱處理循環可為進一步 的燒結過程，然后是冷卻步驟，其中具有熱阻的設備可暴露于高達1200°C _1600°C的溫度。 這種熱循環可重復若干次。
[0025] 具有熱阻的設備可為任何形狀，但是在優選實施方案中，所述設備提供板狀形狀， 如瓷磚。這種板狀組件優選具有Imm-lOmm，分別地的板厚度。板狀組件通常具有 提供lcm 2-30cm2表面大小的長方形。這些板狀組件使得能實現熱暴露組件區域周圍的熱阻 覆蓋，所述熱暴露組件為燃氣渦輪機裝置的一部分，如燃燒室襯里、葉輪、葉片或渦輪機單 元中的熱屏蔽元件。板狀組件可優選通過釬焊直接與表面(例如燃燒室襯里或燃氣渦輪機 的葉片）連接，使得熱暴露組件上的熱沖擊可顯著減少。
[0026] 由微破裂的陶瓷組成的板狀組件具有1%-40%體積的孔隙率，理想為10%-25%體 積。孔隙率可受造孔技術影響，主要受到在形成坯體形狀之前混合到至少兩種不同的無機 粉末材料的混合物中的短效造孔劑影響。
[0027] 此外，可選擇要混合的粉末材料使得板狀組件在組件的整個體積中提供單一均勻 的微結構。也可生產以下具有熱阻的設備，優選形式為對于板厚度具有分級的分層結構的 相似形狀的組件，其中每個層可具有不同的微裂紋和/或孔隙水平。為此，實施形成過程， 使得第一混合物形成第一層，在其上涂敷第二混合物形成第二層，所述第二層與所述第一 層的孔隙率不同。如下所述，結合說明的優選實施方案，有利的是至少具有分三層的相似形 狀的組件，提供底層、中層和頂層，其中，中層提供的孔隙率水平比底層和頂層的孔隙率水 平更高，使得底層和頂層具有更高水平的耐蝕性。另外，可將一些纖維內含物增加到所述分 級的分層結構的至少一層中。
[0028] "孔隙率"或"空隙分數"為材料中空隙（S卩"空"）空間的度量，且為空隙體積相對 于總體積的分數，在〇和1之間，或作為0-100%的百分數。有許多方法來測量物質或部件 中的孔隙率。術語"孔隙率"用于許多領域，包括陶瓷、冶金、材料等。孔隙率由以下比率限 定：

【權利要求】
1. 生產用于熱暴露組件表面的具有熱阻的設備的方法，該方法包含以下步驟： -提供具有不同化學組成和熱膨脹系數的至少兩種不同無機粉末（1，2, 5, 6)材料的至 少一種混合物， -使所述至少一種混合物（3, 7)形成坯體形狀， -將所述坯體燒結以獲得陶瓷體（4, 8)，和 -冷卻所述陶瓷體（4, 8)，和 -在加熱和/或燒結和/或冷卻期間引起微破裂，以獲得所述具有熱阻的設備， -實施所述形成，使得第一混合物形成第一層，在其上涂敷第二混合物形成第二層，所 述第二層與所述第一層的孔隙率不同，以獲得分層的坯體。
2. 生產用于熱暴露組件表面的具有熱阻的設備的方法，該方法包含以下步驟： -提供至少兩種不同的無機粉末（1，2,5,6)材料的至少一種混合物，其中所述粉末材 料（1，2, 5, 6)的至少一種由于在給定溫度下的結晶學相變而經歷體積變化， -使所述至少一種混合物（3, 7)形成坯體形狀， -將所述坯體燒結以獲得陶瓷體（4, 8)，和 -冷卻所述陶瓷體（4, 8)，和 -在加熱和/或燒結和/或冷卻期間引起微破裂，以獲得所述具有熱阻的設備， -實施所述形成，使得第一混合物形成第一層，在其上涂敷第二混合物形成第二層，所 述第二層與所述第一層的孔隙率不同，以獲得分層的坯體。
3. 生產用于熱暴露組件表面的具有熱阻的設備的方法，該方法包含以下步驟： -提供至少兩種不同的無機粉末（1，2,5,6)材料的至少一種混合物，其中所述兩種粉 末材料（1，2, 5, 6)的至少一種由于化學組成變化而經歷體積變化， -使所述至少一種混合物（3, 7)形成坯體形狀， -將所述坯體燒結以獲得陶瓷體（4, 8)，和 -冷卻所述陶瓷體（4, 8)，和 -在加熱和/或燒結和/或冷卻期間引起微破裂，以獲得所述具有熱阻的設備， -實施所述形成，使得第一混合物形成第一層，在其上涂敷第二混合物形成第二層，所 述第二層與所述第一層的孔隙率不同，以獲得分層的坯體。
4. 權利要求1-3中任一項的方法， 其特征在于實施提供所述至少一種混合物（3, 7)，使得所述至少兩種不同的無機粉末 材料（1，2)的至少一種以下性質不同于彼此：熱膨脹系數、在燒結和/或冷卻期間的結晶學 相變和化學組成變化。
5. 權利要求1-4中任一項的方法， 其特征在于在冷卻后，實施至少一個熱處理循環以調節微裂紋的長度和密度。
6. 權利要求1_5中任一項的方法， 其特征在于所述至少一種粉末材料的體積變化在燒結期間發生，引起微破裂。
7. 權利要求2的方法， 其特征在于在給定的溫度下由結晶學相變引起的體積變化基于所述兩種粉末材料 (1，2, 5, 7)的至少一種由單斜晶體結構變化為四方晶體結構。
8. 權利要求3-6中任一項的方法， 其特征在于所述至少一種無機粉末材料（1，2, 5, 6)由在燒結期間經歷不可逆相變導 致體積減少的顆粒或附聚物組成，且至少另一種無機粉末材料由在燒結期間經歷不可逆相 變導致體積增加的顆粒或附聚物組成。
9. 權利要求1-8中任一項的方法， 其特征在于實施所述至少一種混合物形成為坯體形狀，使得得到的具有熱阻的設備為 具有Imm-lOmm、優選板厚度的板狀形狀。
10. 權利要求1-8中任一項的方法， 其特征在于在冷卻之后使所述燒結的陶瓷體（4, 8)成型，用于涂敷在熱暴露組件的表 面。
11. 權利要求1-10中任一項的方法， 其特征在于所述至少兩種不同的無機粉末材料選自以下材料：A1203、Zr02、BeO、Ti0 2、 Al2Ti05、BaTi03、Si02、HfO、Hf0 2、MgO,和 Al、Zr、Hf、Si、Mg、Ti 的碳化物和氮化物。
12. 權利要求2-9中任一項的方法， 其特征在于所述至少兩種不同的無機粉末材料（1，2, 5, 6)選自以下材料：Zr02單斜 晶、立方晶、四方晶或Al203 a、y、0。
13. 權利要求1-12中任一項的方法， 其特征在于所述具有熱阻的設備通過釬焊連接在所述熱暴露組件的表面上。
14. 權利要求1-13中任一項的方法， 其特征在于所述熱暴露組件為暴露于高溫氣體的燃氣渦輪裝置的組件。
【文檔編號】C04B35/622GK104446505SQ201410480615
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年9月19日 優先權日:2013年9月20日
【發明者】M.斯圖爾, H-P.博斯曼恩 申請人:阿爾斯通技術有限公司