CN103782102B - 用于燃烧室衬里特别是燃气轮机的燃烧室衬里的陶瓷砖及其制造方法 - Google Patents

用于燃烧室衬里特别是燃气轮机的燃烧室衬里的陶瓷砖及其制造方法 Download PDF

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Abstract

用于燃烧室衬里特别是燃气轮机的燃烧室衬里的陶瓷砖，包括由例如氧化铝或者氧化铝-莫来石的陶瓷材料制成的基体，以及施用于基体的至少一个面的涂层；所述涂层为多层陶瓷涂层，包括至少一个外层和至少一个中间层，所述至少一个外层由氧化铝或者包括氧化铝的陶瓷材料制成，所述至少一个中间层布置于外层与基体之间并且由包括莫来石的陶瓷材料制成，优选地由莫来石或者由氧化铝-莫来石制成。

Description

用于燃烧室衬里特别是燃气轮机的燃烧室衬里的陶瓷砖及其制造方法
技术领域
本发明涉及用于燃烧室衬里特别是燃气轮机的燃烧室衬里的陶瓷砖，及其制造方法。
背景技术
如已知的，由于用于电力生产的燃气轮机燃烧室的内壁暴露于有时也具有高腐蚀性的高温下的热气体，所以它们需要有效的热保护。
出于所述目的，使用应用于例如燃烧室的结构壁上的陶瓷砖。通常，由于陶瓷材料提供良好的热保护并且具有低的传导性，所以陶瓷材料潜在地适合于该应用。
然而，燃气轮机燃烧室的内部环境极具侵蚀性并且使陶瓷砖经受高水平的应力（不仅是热应力还有腐蚀应力和机械应力），因此不是所有的陶瓷材料都适合于该目的。
为了改善陶瓷砖的耐受性，特别是耐腐蚀性和耐侵蚀性，提供具有额外涂层的砖。
例如，已知涂层由氧化铝的一个单个层组成，所述氧化铝的一个单个层借助淤浆法沉积（即沉积在合适的分散介质中一层氧化铝颗粒悬浮物，随后烧结处理）。
已知涂层的限制表现为其高的孔隙率（典型值为大约30%），所述高的孔隙率特别是在燃烧气体中存在腐蚀性化学物质和水蒸气时，降低其保护其下面的材料的能力。
已知涂层的第二个限制是涂层材料和制成砖的基体材料的热膨胀系数之间的过大差异，这降低涂层对热循环的抵抗性，促使其剥离。
第三个限制在于淤浆法有限的可重复性。
发明内容
本发明的一个目的在于提供用于燃烧室衬里特别是燃气轮机的燃烧室衬里的陶瓷砖以及没有本领域在此处指出的缺点的相关的制造方法。
特别地，本发明的一个目的在于以相对简单廉价的方式生产砖，所述砖完全适合用于燃气轮机燃烧室，并因此特别地对高温、腐蚀性侵袭和机械性应力具有耐受性。
因此，本发明涉及用于燃烧室衬里特别是燃气轮机的燃烧室衬里的陶瓷砖，所述陶瓷砖包括由陶瓷材料制成的基体和施用于基体的至少一个面上的涂层，所述砖的特征在于涂层为多层陶瓷涂层，其包括至少一个外层和至少一个中间层，所述至少一个外层由包括氧化铝的陶瓷材料制成，所述至少一个中间层布置在外层与基体之间并且由包括莫来石和氧化铝的陶瓷材料制成。
根据本发明的优选实施方案，中间层由莫来石或者氧化铝-莫来石制成，外层由氧化铝制成或者包括氧化铝作为主要组分，并且基体由氧化铝-莫来石制成。
本发明还涉及用于燃烧室衬里特别是燃气轮机的燃烧室衬里的陶瓷砖的制造方法，所述方法包括以下步骤：
-提供由陶瓷材料制成的基体；
-将多层陶瓷涂层沉积到基体的面上，所述多层陶瓷涂层由至少一个外层和至少一个中间层形成，所述至少一个外层由包括氧化铝的陶瓷材料制成，所述至少一个中间层布置在外层与基体之间并且由包括莫来石的陶瓷材料制成，所述涂层的层借助连续进行的相应的空气等离子喷涂（APS）工艺沉积。
特别地，所述方法包括将中间层沉积在基体的面（对应于面向燃烧室的表面，在热气体的侧上）上的第一步骤，其中借助于等离子炬将莫来石粉末或者包含莫来石粉末的粉末混合物喷涂于基体的面上以形成中间层；以及将外层沉积在中间层上的第二步骤，其中借助等离子炬将氧化铝粉末或者包含氧化铝粉末的粉末混合物喷涂在中间层的外面上以形成外层。
根据本发明生产的砖完全适合用于电力生产的燃气轮机的燃烧室；涂层具有降低的孔隙率和高的均匀度，并由此确保对砖的涂层下面基体材料的适当的保护。砖的涂层与基体材料之间的粘附很强并且即使在非常苛刻的工作条件下也不发生剥离。
多层涂层的使用与例如由纯氧化铝或者其他材料制成的涂层相比延长了涂层的寿命：由于砖和两种涂层的不同的热膨胀系数，在砖的加热期间莫来石的中间层处于拉伸应力的条件下，而氧化铝层处于压缩状态，因此降低了构成环境隔离物的氧化铝涂层剥离的可能性。
具体的制造技术消除了结果再现性的任何问题，并且确保生产的每一块砖具有期望的特性，特别是降低或者消除了表面不连续性和/或裂纹（通过所述表面不连续性和/或裂纹，水蒸汽和污染物可渗透并且达到砖的基体材料）的存在。
附图说明
由其非限制性的实施例的以下描述，参照作为根据本发明生产的用于燃烧室衬里特别是燃气轮机的燃烧室衬里的陶瓷砖的横截面示意图的附图，本发明的进一步特征和优点将变得明显。
具体实施方式
附图中，附图标记1表示用于燃烧室衬里特别是燃气轮机的燃烧室衬里的陶瓷砖；砖1包括由陶瓷材料制成的基体2，以及施用到基体2的至少一个面4的涂层3，所述基体2的至少一个面4旨在用来面向其中安装有砖1的燃烧室。
基体2由陶瓷材料，例如氧化铝或者优选地氧化铝-莫来石双相体系制成。
基体2通过在模具中将需要的粉末，例如氧化铝粉末（刚玉）或者莫来石与氧化铝粉末（刚玉）的混合物压制而形成。
然后，将基体2的陶瓷材料在炉中烧结以获得规定的物理和机械特性。
涂层3为多层陶瓷涂层，包括至少一个第一层5和至少一个第二层6，所述至少一个第一层5布置为与基体2的面4接触，所述至少一个第二层6布置在第一层5之上并且限定砖1的外层。
位于基体2与第二层6之间并且限定砖1的中间层的第一层5由包括莫来石的陶瓷材料制成；例如，层5由莫来石或者氧化铝-莫来石制成；通常，层5包含莫来石作为主要组分（因此，该层以大于或等于该层的全部材料的约50重量%的量包含莫来石）。
优选地，层5具有约50微米至约100微米之间的厚度。
第二层6（砖1的外层）由包括氧化铝的陶瓷材料制成，并且优选由氧化铝制成或者包括氧化铝作为主要组分（因此，该层以大于该层的全部材料的50重量%的量包含氧化铝）。
优选地，层6具有约200微米至约400微米之间的厚度。
根据本发明，涂层3的层5、6通过连续进行的相应的空气等离子喷涂（APS）工艺沉积。
通常，在空气等离子喷涂工艺中，将待沉积在基体上的材料引入等离子炬的喷嘴中，在该喷嘴中使材料通过等离子体的高温熔融并且喷涂到基体上。当材料颗粒撞击基体时，它们迅速冷却并且固化，沉积在基体上。
特别地，生产砖1的方法包括以下步骤：
-提供陶瓷材料的基体2；
-借助第一APS工艺在基体2的面4上沉积层5（该层5为莫来石或者氧化铝-莫来石，或者在包含莫来石任意情况下），其中借助等离子炬将莫来石粉末（或者包括莫来石粉末的粉末混合物）喷涂在面4上以形成层5；
-借助第二APS工艺在层5上沉积氧化铝（或者包含氧化铝）的层6，其中借助等离子炬在层5的外面7上喷涂氧化铝粉末（或者包括氧化铝粉末的粉末混合物）以形成层6。
获得设置有多层涂层3的砖1：外层6构成对水蒸汽的腐蚀性作用的有效阻挡并且保护基体2的材料免受腐蚀和侵蚀；内层5允许外层6的最佳形成及其最佳锚固，提供前面所述的优点。
最后，应理解，可使得不脱离所附权利要求范围的进一步改进和变化用于在此描述和说明的燃烧室衬里特别是燃气轮机的燃烧室衬里的陶瓷砖以及相关制造方法。

Claims (13)

1.一种用于燃烧室衬里的陶瓷砖(1)，包括由陶瓷材料制成的基体(2)，和施用到所述基体(2)的至少一个面(4)上的涂层(3)；所述涂层(3)为多层陶瓷涂层，包括至少一个外层(6)和至少一个中间层(5)，所述至少一个外层(6)由包括氧化铝的陶瓷材料制成，所述至少一个中间层(5)位于所述外层(6)与所述基体(2)之间并且由包括莫来石的陶瓷材料制成；其中所述基体(2)由氧化铝或者氧化铝-莫来石制成。
2.根据权利要求1所述的陶瓷砖，其中所述中间层(5)由莫来石或者氧化铝-莫来石制成。
3.根据权利要求1所述的陶瓷砖，其中所述中间层(5)具有约50微米至约100微米之间的厚度。
4.根据权利要求1所述的陶瓷砖，其中所述外层(6)由氧化铝制成，或者包括大于所述外层(6)的全部材料的50％重量的量的氧化铝。
5.根据权利要求1所述的陶瓷砖，其中所述外层(6)具有约200微米至约400微米之间的厚度。
6.根据权利要求1所述的陶瓷砖，其中所述陶瓷砖(1)是燃气轮机的燃烧室衬里的砖。
7.一种用于燃烧室衬里的陶瓷砖的制造方法，所述方法包括以下步骤：
-提供砖(1)的由陶瓷材料制成的基体(2)，所述基体(2)由氧化铝或者氧化铝-莫来石制成；
-将多层陶瓷涂层(3)沉积到所述基体(2)的面(4)上，所述多层陶瓷涂层(3)包括至少一个外层(6)和至少一个中间层(5)，所述至少一个外层(6)由包括氧化铝的陶瓷材料制成，所述至少一个中间层(5)位于所述外层(6)与所述基体(2)之间并且由包括莫来石的陶瓷材料制成；所述涂层(3)的所述中间层(5)和所述外层(6)借助连续进行的相应空气等离子喷涂工艺沉积。
8.根据权利要求7所述的方法，包括将所述中间层(5)沉积到所述基体(2)的所述面(4)上的第一步骤，其中借助等离子炬将莫来石粉末或者包含莫来石粉末的粉末混合物喷涂到所述基体(2)的所述面(4)上用于形成所述中间层(5)；以及将所述外层(6)沉积在所述中间层(5)上的第二步骤，其中借助等离子炬将氧化铝粉末或者包含氧化铝粉末的粉末混合物喷涂到所述中间层(5)的外面(7)上用于形成所述外层(6)。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述中间层(5)由莫来石或者氧化铝-莫来石制成。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述中间层(5)具有约50微米至约100微米之间的厚度。
11.根据权利要求7所述的方法，其中所述外层(6)由氧化铝制成，或者包括大于所述外层(6)的全部材料的50％重量的量的氧化铝。
12.根据权利要求7所述的方法，其中所述外层(6)具有约200微米至约400微米之间的厚度。
13.根据权利要求7所述的方法，其中所述方法是用于制造用于燃气轮机的燃烧室衬里的陶瓷砖的方法。
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