帶有絕熱層和抗侵蝕保護層的部件的制作方法

專利名稱：帶有絕熱層和抗侵蝕保護層的部件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種如權利要求1所述的、帶有一個絕熱層和一個抗侵蝕保護層的部件。
背景技術：
涂覆在部件上的絕熱層在燃氣輪機領域較為常見，例如EP 1 029 115中就有對這類絕熱層的描述。
涂覆絕熱層后，部件可以在比其母材所允許的溫度更高的溫度條件下使用，或其使用壽命可以得到延長。在燃氣輪機上使用已知母材(基材)所能實現的最高工作溫度為1000℃-1100℃，而具有一個絕熱層的涂層所能實現的工作溫度最高可以達到1350℃。
與燃氣輪機相比，汽輪機中的部件的工作溫度明顯低很多，因而在汽輪機領域并不存在這樣的要求。
EP 1 029 104A公開了在一個燃氣輪機葉片的一個陶瓷絕熱層上涂覆一個陶瓷抗侵蝕保護層的方案。
DE 195 35 227 A1公開了一種設置在一個汽輪機中的絕熱層，通過這種絕熱層可以將具有較差機械性能但價格較為便宜的材料用作涂有絕熱層的基材。
US-PS5,350,599公開了一種抗侵蝕的陶瓷絕熱層。
US2003/0152814A1公開了一種絕熱層系統，這種絕熱層系統包括一用一種合金制成的基材、一個存在于該基材上的氧化鋁層和一層實施為外層陶瓷絕熱層的陶瓷。
EP 0 783 043 A1公開了一種布置在一個陶瓷絕熱層上的、包括氧化鋁或碳化硅的抗侵蝕保護層。
US-PS5,740,515公開了一種由一硅化物，特別是二硅化鉬制成的抗侵蝕保護層，所述抗侵蝕保護層涂覆在一個陶瓷絕熱層上。
US2003/0035892A1公開了一種陶瓷絕熱層系統。
US-PS5,683,226公開了一個汽輪機的一個部件，該部件具有改善了的抗侵蝕性。
由于從帶有一個絕熱層的部件上流過的介質中含有雜質，和/或由于該流動介質的流速過高，所述絕熱層會受到很大程度的侵蝕。

發明內容
因此，本發明的目的是提供一種可以解決上述問題的部件。
這個目的通過一種根據權利要求1所述的部件而達成。
從屬權利要求所涉及的是根據本發明部件的其他有利實施方案。從屬權利要求中所列舉的措施可以以有利的方式結合起來。
特別是暴露于用于推進目的的熱流體的渦輪部件，剝落現象通常會導致分離的剝落顆粒對于易碎陶瓷層的機械沖擊，這種現象可能導致材料脫落，即致使侵蝕的產生。盡管所述陶瓷層具有經受住熱沖擊的性能，但它易受到非常有限的局部范圍內出現的機械負荷的影響，這是由于相比而言熱沖擊對于整個涂層具有更廣泛的影響。因此，采用一個金屬的抗侵蝕保護層會特別有利，這是因為其具有延展性，可以進行塑性變形。
所述絕熱層不一定只用于提高工作溫度的范圍，通過它還可以以有利的方式均衡和/或減小由于部件上形成和/或存在的溫差而引起的熱膨脹。這樣就可以避免熱機械應力的產生或至少減小熱機械應力。


下面借助附圖對實施例進行說明，其中圖1、2為根據本發明的一個絕熱層在一個部件上的布置方案；圖3、4、9、11為根據本發明的一個部件的其他實施例；圖5、6為根據本發明的一個部件的絕熱層內部的孔隙梯度；圖7為溫差對一個部件的影響；圖8為一個汽輪機；以及圖10為一個絕熱層對一個經過翻新處理的部件的使用壽命的影響。
具體實施例方式
圖1顯示的是一個根據本發明的部件1的一個第一實施例。部件1是一個燃氣輪機或汽輪機300、303(圖8)的一個部件，尤其是一個進汽區333、一個渦輪葉片342、354、357(圖8)或一個殼體部分334、335、366(圖8、9)，其由一基材4(支承結構)、一涂覆在該基材上的絕熱層7和一作為外層布置在所述絕熱層7上的抗侵蝕保護層13構成。抗侵蝕保護層13同時還可以起到絕熱層的作用，如果這樣，基材4上從物理結構上來看就只存在一個涂層。抗侵蝕保護層13優選由一種金屬或合金制成，用以防止部件受到侵蝕和/或出現磨損，正如特別是在汽輪機300、303(圖8)的情況下出現剝落現象，且平均流速約為50m/s(即20m/s-100m/s)、壓力為350至400巴時。
基材4例如是一種鋼、一種其他的鐵基合金(例如1％CrMoV或10-12％鉻鋼或IN617)或一種鎳基或鈷基超耐熱合金。
絕熱層7特別是一個陶瓷層，其例如至少部分包括氧化鋯(借助氧化釔和/或氧化鎂來部分穩定或完全穩定)和/或至少部分包括氧化鈦，其厚度例如大于0.1mm。這樣就可以使用包括100％氧化鋯或氧化鈦的絕熱層7。
陶瓷層7可以使用已知的涂層工藝，例如大氣等離子噴涂(APS)、真空等離子噴涂(VPS)、低壓等離子噴涂(LPPS)，和化學或物理涂層方法(CVD、PVD)來進行涂覆。
圖2顯示的是根據本發明的部件1的另一個實施方案。基材4和絕熱層7之間布置了至少另一個中間保護層10。中間保護層10用于防止基材4受到腐蝕和/或發生氧化，以及/或者用于使絕熱層更好地與基材4相結合。這種作用特別體現在當絕熱層7由陶瓷制成、而基材4由一金屬制成時。
用于防止基材4在高溫下受到腐蝕和發生氧化的中間保護層10例如主要包含下列元素，按重量百分比(wt％)分別為11.5％至20.0％的鉻，0.3％至1.5％的硅，0.0％至1.0％的鋁，0.0％至0.7％的釔和/或至少一等量的、選自包括鈧和稀土元素的組中的金屬，余量為鐵、鈷和/或鎳以及生產過程中的雜質。
金屬的中間保護層10特別包括下列元素，按重量百分比(wt％)分別為12.5％至14.0％的鉻，0.5％至1.0％的硅，0.1％至0.5％的鋁，0.0％至0.7％的釔和/或至少一等量的、選自包括鈧和稀土元素的組中金屬，余量為鐵和/或鈷和/或鎳以及生產過程中的雜質。
優選方案為，余量僅為鐵。
中間保護層10的鐵基成分組合顯示出特別良好的特性，因而中間保護層10非常適合涂覆在鐵氧體基材4上。基材4和中間保護層10可以具有非常接近的(最高存在10％的差別)、甚至于相同的熱膨脹系數，從而使得基材4和中間保護層10之間不會出現熱應力(熱失配)，這種熱應力的出現會引起中間保護層10的剝落。這一點特別重要，因為使用鐵氧體材料時通常不對其進行用于擴散粘結目的的熱處理，中間保護層10(鐵氧體)主要或完全是在附著力的作用下附著在基材4上。
則特別的，基材4是鐵氧基合金、鋼或者鎳基或鈷基超耐熱合金，特別是1％CrMoV鋼或10％-12％鉻鋼。
其他有利的涂層系統1的鐵氧體基材4包括用于渦輪軸(309，圖8)的1％-2％鉻鋼例如30CrMoNiV5-11或23CrMoNiWV8-8，用于殼體(例如335，圖8)的1％-2％鉻鋼G17CrMoV5-10或G17CrMo9-10，用于渦輪軸(309，圖8)的10％鉻鋼X12CrMoWVNbN10-1-1，用于殼體(例如335，圖8)的10％鉻鋼GX12CrMoWVNbN10-1-1或GX12CrMoVNbN9-1。
為了最優化絕熱層7的效率，絕熱層7至少部分具有一定的開口孔隙度和/或封閉孔隙度。
所述的抗磨損/侵蝕保護層13優選具有一個比絕熱層7更高的密度，包括例如鐵基、鉻基、鎳基和/或鈷基合金、或例如NiCr 80/20、添加硼(B)和硅(Si)而制成的NiCrSiB或NiAl(例如Ni95％，Al5％)。
金屬抗侵蝕保護層13特別可以用在汽輪機300、303上，因為汽輪機300、303中的進汽區333的最高工作溫度為450℃、550℃、650℃或850℃。針對這種溫度范圍存在足夠多的金屬涂層，它們可以在部件1的使用壽命期間有效地提供所需的抗侵蝕保護并同時具有良好的抗氧化性能。
在燃氣輪機的第一級渦輪內部或燃燒室內部的陶瓷絕熱層7上不能涂覆金屬抗侵蝕保護層13，這是因為金屬抗侵蝕保護層13作為外層無法承受最高達1350℃的工作溫度。
陶瓷抗侵蝕保護層13例如部分或100％包括碳化鉻。
用于抗侵蝕保護層13的其他材料例如包括一種由碳化鎢、碳化鉻和鎳構成的混合物(WC，CrC-Ni)，如按重量百分比分別為73％的碳化鎢、20％的碳化鉻和7％的鎳；添加了鎳的碳化鉻(Cr3C2-Ni)，如按重量百分比分別為83％的碳化鉻和17％的鎳；以及一種由碳化鉻和鎳鉻構成的混合物(Cr3C2-NiCr)，如按重量百分比分別為75％的碳化鉻和25％的鎳鉻；以及釔穩定氧化鋯，如按重量百分比分別為80％的氧化鋯和20％的氧化釔。
絕熱層7例如為多孔的。
圖5顯示了一個具有一個孔隙梯度的多孔絕熱層7。絕熱層7中存在復數個孔隙16。絕熱層7的密度ρ在朝一個外表面的方向上逐漸增大。這樣，涂層7上孔隙度較大的區域可以起到絕熱作用，而孔隙度較小的區域可以起到抗侵蝕保護的作用。
因此，與一個外表面區域或絕熱層7與抗侵蝕保護層13之間的接觸面區域相比，在絕熱層7朝向基材4或一個可選的中間保護層10的一側優選的存在一個更大的孔隙度。
在圖6中，絕熱層7的密度ρ的梯度分布與圖5所示的相反。
抗侵蝕保護層13的密度優選比絕熱層7的密度大，因而抗侵蝕保護層13的強度也更大。
圖7a、7b顯示的是絕熱層7對部件1的熱形變特性的影響。
圖7a顯示的是一個不具有絕熱層的部件。基材4相對的兩側上普遍具有兩個不同的溫度，一個較高的溫度Tmax和一個較低的溫度Tmin，由此形成一個溫差dT(4)。溫差dT(4)可以至少為200℃。所述的較高溫度Tmax例如至少為450℃，特別地最高為850℃。因此，如虛線所示，由于熱膨脹的緣故，基材4在具有較高溫度Tmax的區域中膨脹的程度比具有較低溫度Tmin的區域中膨脹的程度明顯大很多。這種不同程度的膨脹現象引起所述部件(殼體)的不希望的變形。
與此不同的是，圖7b所示的基材4上存在一個絕熱層7，基材4和絕熱層7的總厚度與圖7a所示的基材4的厚度例如正好相同。盡管外側溫度Tmax與圖7a所示的相同，但絕熱層7將基材4表面上的最高溫度不成比例的降低到一個溫度T′max。其原因不僅在于基材4的表面與具有較高溫度的區域之間存在一定的距離，還主要在于絕熱層7的低熱導率。絕熱層7內部的溫度梯度遠遠大于金屬基材4中的溫度梯度。這樣，溫差dT(4，7)(＝T′max-Tmin)就比圖7a所示的溫差(dT(4)＝dT(7)+dT(4，7))小。由此，如虛線所示，基材4的熱膨脹程度有所減小，或者基材4發生了程度幾乎相同的熱膨脹，從而使得局部不同的膨脹程度至少得以均衡。圖7b所示的基材4可以與圖7a所示的基材具有同樣大小的厚度。
為簡化起見，圖7a、7b沒有顯示抗侵蝕保護層13。
圖8顯示的是一個汽輪機300、303的實施例，該汽輪機具有一個沿一旋轉軸306延伸的渦輪軸309。
所述汽輪機具有一個高壓渦輪部件300和一個中壓渦輪部件303，每個部件均具有一個內殼體312和一個包圍在該內殼體外面的外殼體315。高壓渦輪部件300例如實施為圓筒形。中壓渦輪部件303實施為雙流式。中壓渦輪部件303同樣也可以實施為單流式。沿旋轉軸306，在高壓渦輪部件300和中壓渦輪部件303之間布置著一個軸承318，渦輪軸309在軸承318上有一個軸承區321。渦輪軸309安裝在高壓渦輪部件300附近的另一個軸承324上。高壓渦輪部件300在該軸承324的區域內具有一個軸封裝置345。渦輪軸309相對于中壓渦輪部件303的外殼體315由另外兩個軸封裝置345密封。在一個高壓進汽區348和一個排汽區351之間，高壓渦輪部件300的渦輪軸309具有高壓動葉柵354、357。所述高壓動葉柵354、357與附屬的動葉片(圖中未作詳細顯示)一起構成一個第一葉片區360。中壓渦輪部件303具有一個中央進汽區333。分配給進汽區333的渦輪軸309具有一個徑向對稱的軸保護裝置363，所述裝置為一個蓋板，這個蓋板既可以將蒸汽流分成中壓渦輪部件303的雙流蒸汽，也可以防止高溫蒸汽與渦輪軸309發生直接接觸。在中壓渦輪部件303中，渦輪軸309具有一個帶有中壓動葉片354、342的第二葉片區366。流過所述第二葉片區366的高溫蒸汽從中壓渦輪部件303的一個排汽連接件369流向一個從流動方向來看處于下游的低壓渦輪部件(圖中未顯示)。
渦輪軸309由兩段渦輪軸部件309a和309b組成，其在軸承318的區域內固定連接在一起。
進汽區333特別具有一個絕熱層7和一個抗侵蝕保護層13。
圖9顯示了汽輪機300、303的一個區域的放大圖。在入流區333的區域內，汽輪機300、303具有一個暴露于250℃至350℃溫度的外殼體334。作為一個內殼體335的一部分的入流區333中的溫度為450℃至800℃。由此出現一個至少為200℃的溫差。在暴露于高溫的內殼體335的內側336涂覆有絕熱層7(例如外側337上沒有涂覆絕熱層7)。絕熱層7局部地只存在于內殼體335上(例如葉片區366上沒有涂覆絕熱層7)。內殼體335上的熱量輸入由于涂覆了絕熱層7而有所減小，從而使得其熱形變特性受到影響。由此可以達到有控制地調節內殼體335和進汽區333的形變特性的目的。這一點可以通過改變絕熱層7的厚度或通過在內殼體335表面的不同位置涂覆不同材料而達成。內殼體335的不同位置還可以具有不同的孔隙度。絕熱層7可以涂覆在局部區域，例如涂覆在內殼體335的入流區333區域上。絕熱層7同樣也可以只局部涂覆在葉片區366的區域上(圖3)。入流區333上特別需要使用一個抗侵蝕保護層13。
圖4顯示的是根據本發明的部件1的另一個實施方案。在這個實施例中，汽輪機300、303的入流區333上的絕熱層7比葉片區366上的絕熱層厚。通過使絕熱層7具有局部不同的厚度，包括入流區333和葉片區366的內殼體335的熱輸入、熱膨脹和形變特性均得到了有控制的調節。由于入流區333上的溫度比葉片區366上的溫度高，通過在入流區333中涂覆更厚的絕熱層7可以相比于溫度較低的葉片區366而言更大程度地減小向基材4的熱輸入。這樣就可以使入流區333和相鄰的葉片區366中的熱輸入大致維持一致，從而使得二者發生大致相同的熱膨脹。
入流區333的區域內也可以使用一種與葉片區366的區域內所不同的材料。在這種情況下，絕熱層7包括抗侵蝕保護層13被涂覆于整個高溫區中，也即每個地方。
圖11顯示的是一個絕熱層7的另一個使用實施例。在這個實施例中，特別為一個殼體部分的部件1是一個閥套31，一高溫蒸汽通過一個進汽通道46流入所述閥套中。進汽通道46減弱了所述閥套的機械性能。閥套31例如包括一個圓筒形殼體部分34和一個閥蓋37。所述殼體部分31內部有一個閥，該閥包括一個閥錐40和一個閥桿43。部件蠕變導致殼體31和閥蓋37發生不均勻的軸向變形。如虛線所示，閥套31會在通道46的區域內發生較大程度的軸向膨脹，從而導致閥蓋連同閥桿43一起發生傾斜。這樣，閥錐40出現偏斜，致使所述閥的緊密性減小。通過在殼體31的一個內側49上涂覆一個絕熱層7可以均衡所述形變特性，從而達到令殼體31和閥蓋37的兩端52、55均衡膨脹的目的。
總而言之，涂覆絕熱層7的作用在于對形變特性進行控制，并以此來保障所述閥的緊密性。這里提到的絕熱層同樣帶有抗侵蝕保護層13。
圖10顯示的是涂覆一個絕熱層7對一個經過翻新處理的部件1的影響。
翻新處理(Refurbishment)指的是對使用過的部件1進行再利用之前對其進行必要的修理，也就是除去其上的腐蝕產物和氧化產物，檢測和修補裂紋情況，例如通過充填焊料或通過焊接處理來對其進行修復。每個部件1在其完全損壞之前均具有一定的使用壽命。當所述部件1，例如一個渦輪葉片342、254、357或一個內殼體335，在一個時間點ts上經檢查并接受了適當的翻新處理時，就達到了一定的損壞率Ss。參考數字22表示的是關于部件1受損情況的時間特性曲線。過了維修時間點ts之后，當所述部件沒有接受翻新處理時，其受損曲線就會如虛線25所示的那樣繼續延伸，并出現大幅上升，這是由于其雖然經過維護，卻不再具有像新制部件那樣的機械性能。這會使該部件的剩余使用壽命縮短。通過在受到損壞或發生過微結構變化的部件1上涂覆一個絕熱層7和/或抗侵蝕保護層13，可以顯著延長該部件的使用壽命。絕熱層7降低了部件上的熱輸入，減小了部件的受損程度，因而，表示其使用壽命的曲線就會如曲線28所示的那樣繼續延伸。
通過涂覆絕熱層7還可以均衡部件1的形變特性，從而減少例如有可能導致部件1損壞的應力。同樣的，部件1的使用壽命也得以延長。因此，通過均衡部件的形變特性和/或通過減少部件1上的熱輸入均可延長部件的使用壽命。
帶有絕熱層7的部件1的特性曲線比曲線25的走向明顯平緩，因此，涂覆了絕熱層后的部件1的使用時間至少可以是其原有使用時間的兩倍。
權利要求
1.一種部件(1，31，334，335，342，354，357，366)，特別是用于一個汽輪機(300，303)的部件(1，31，334，335，342，354，357，366)，所述部件具有一個絕熱層(7)，特別為一個陶瓷絕熱層(7)，以及一個布置在所述絕熱層(7)上的金屬抗侵蝕保護層(13)，所述部件用于最高為850℃的工作溫度，特別是長期用于最高為650℃的工作溫度。
2.根據權利要求1所述的部件，其特征在于，所述部件(1)是一個燃氣輪機或汽輪機(300，303)的一個殼體部分(31，334，335，366)。
3.根據權利要求2所述的部件，其特征在于，所述殼體部分是一個渦輪機殼體(366)。
4.根據權利要求2所述的部件，其特征在于，所述殼體部分是一個閥套(31)。
5.根據權利要求2所述的部件，其特征在于，所述殼體部分是一個進汽區(333)的一個殼體部分(334，335)。
6.根據權利要求1所述的部件，其特征在于，所述部件(1)是一個渦輪葉片(342，354，357)。
7.根據權利要求1至6所述的部件，其特征在于，所述部件(1)包括一種基材(4)，所述絕熱層(7)存在于所述基材(4)之上，所述基材(4)由一種鎳基、鈷基或特別是鐵基合金制成。
8.根據權利要求1或7所述的部件，其特征在于，所述絕熱層(7)至少部分包括氧化鋯(ZrO2)，尤其是完全包括氧化鋯(ZrO2)。
9.根據權利要求1、7或8所述的部件，其特征在于，所述絕熱層(7)至少部分包括氧化鈦(TiO2)，尤其是完全包括氧化鈦(TiO2)。
10.根據權利要求1所述的部件，其特征在于，所述絕熱層(7)下面布置一個特別為一個MCrAlX涂層的中間保護層(10)，其中，M代表選自鎳、鈷和特別是鐵族中的至少一種元素，X代表釔和/或硅和/或稀土元素中的至少一種元素。
11.根據權利要求1至5所述的部件，其特征在于，所述部件(1)工作時處于一種特別是至少為200℃的溫差條件下，所述溫差由于所述部件(1)的其中一側(336)上具有一個較高溫度而所述部件(1，334)的另一側(337)上具有一個較低溫度而產生，所述絕熱層(7)涂覆在所述部件(1，334)具有所述較高溫度的一側(336)，以均衡所述部件(1)由于溫差而引起的形變特性。
12.根據權利要求11所述的部件，其特征在于，所述較高溫度最低為400℃，特別是最高達800℃。
13.根據權利要求10所述的部件，其特征在于，所述中間保護層(10)包括下列元素，按重量百分比(wt％)分別為11.5％-20％的鉻，0.3％-1.5％的硅，0％-1％的鋁，0％-4％的釔，以及余量為鐵。
14.根據權利要求13所述的部件，其特征在于，所述中間保護層(10)由下列元素構成，按重量百分比(wt％)分別為12.5％-14％的鉻，0.5％-1.0％的硅，0.1％-0.5％的鋁，0％-4％的釔，以及余量為鐵。
15.根據權利要求1或15所述的部件，其特征在于，所述抗侵蝕保護層(13)是一種鐵基、鎳基、鉻基或鈷基合金，尤其是NiCr80/20。
16.根據權利要求1所述的部件，其特征在于，所述抗侵蝕保護層(13)至少部分包括碳化鉻。
17.根據權利要求1或15所述的部件，其特征在于，所述抗侵蝕保護層(13)包括添加了硅(Si)和硼(B)的鎳鉻(NiCrSiB)。
18.根據權利要求1或15所述的部件，其特征在于，所述抗侵蝕保護層(13)包括鎳鋁。
19.根據權利要求1所述的部件，其特征在于，所述抗侵蝕保護層(13)選自包括下列組分的組或為包括下列組分的組的混合物碳化鎢、碳化鉻和鎳(WC-CrC-Ni)，和/或添加了鎳的碳化鉻(Cr3C2-Ni)，和/或一種碳化鉻和鎳鉻的混合物(Cr3C2-NiCr)。
20.根據權利要求1所述的部件，其特征在于，所述抗侵蝕保護層(13)的孔隙度比所述絕熱層(7)的孔隙度小。
21.根據權利要求1、8、9或10所述的部件，其特征在于，所述絕熱層(7)至少為部分多孔。
22.根據權利要求1或20所述的部件，其特征在于，所述絕熱層(7)具有一個孔隙梯度。
23.根據權利要求22所述的部件，其特征在于，所述絕熱層(7)在一個外表面上的孔隙度最大。
24.根據權利要求22所述的部件，其特征在于，所述絕熱層(7)在所述外側區域中的孔隙度最小。
25.根據權利要求1或11所述的部件，其特征在于，所述部件(1)上的絕熱層(7)的厚度局部(335，366)不同。
26.根據權利要求1、8、9或11所述的部件，其特征在于，所述部件(1，335，366)在不同位置(335，366)上使用不同的絕熱層(7)材料。
27.根據權利要求1或2所述的部件，其特征在于，所述絕熱層(7)涂覆在一個汽輪機(300，303)的進汽區(333)和葉片區(366)上。
28.根據權利要求1或2所述的部件，其特征在于，所述絕熱層(7)只涂覆在一個汽輪機(300，303)的進汽區(333)上。
29.根據權利要求1或2所述的部件，其特征在于，所述絕熱層(7)只涂覆在一個汽輪機(300，303)的葉片區(366)上。
30.根據權利要求1或27所述的部件，其特征在于，所述進汽區(333)上的絕熱層(7)比所述葉片區(366)上的絕熱層(7)厚。
31.根據權利要求1所述的部件，其特征在于，所述帶有抗侵蝕保護層(13)的絕熱層(7)涂覆在經翻新處理的部件(1)上。
全文摘要
本發明涉及一個汽輪機(300，303)的部件(333，366)，所述部件包括一個絕熱層(7)和一個布置在所述絕熱層(7)上的金屬抗侵蝕保護層(13)。
文檔編號F01D5/28GK1890456SQ200480036878
公開日2007年1月3日 申請日期2004年12月1日 優先權日2003年12月11日
發明者弗里德赫爾姆·施米茨, 卡伊·維格哈特 申請人:西門子公司