CN105452530B - 高孔隙度可磨耗涂层 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃气涡轮发动机的可磨耗涂层包括：粘合涂层、中间层以及多孔层。粘合涂层包括金属涂层以及从0.152毫米至0.229毫米的厚度。中间层包括陶瓷材料以及从0.051毫米至0.381毫米的厚度。多孔层包括多孔陶瓷材料。多孔层还包括大于多孔层体积的35％的孔隙度。多孔层进一步包括从0.127毫米至1.524毫米的厚度。

Description

高孔隙度可磨耗涂层
技术领域
本发明总体涉及燃气涡轮发动机，并且更具体涉及一种高孔隙度可磨耗涂层，其用于燃气涡轮发动机部件，例如与裸露转子叶片相邻的尖端鞋状部。
背景技术
燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器以及涡轮节段。压缩机、燃烧器和涡轮节段的组件经常涂覆有可磨耗涂层和/或隔热涂层。C.Strock的美国专利申请公开号2012/0062888公开了一种可磨耗涂层，其用于与翼面(诸如燃气涡轮发动机的压缩机的轮叶或叶片)的尖端相互作用，其包括金属粘合热涂层、陶瓷层，以及可磨耗层。金属粘合涂层上的陶瓷层提供绝缘并用作保险丝，其适于在高摩擦相互作用时剥落。陶瓷层上的可磨耗涂层在压缩机运转期间接触翼面的尖端。可磨耗涂层足够可磨耗，通过与翼面尖端接触来磨圆涂层。
本发明涉及克服由发明人发现的或现有技术中已知的一个或多个问题。
发明内容
本发明公开了一种用于燃气涡轮发动机的可磨耗涂层。所述可磨耗涂层包括粘合涂层、中间层和多孔层。粘合涂层施加至基板上。粘合涂层包括金属涂层以及从0.152毫米至0.229毫米的厚度。中间层施加至粘合涂层。中间层包括陶瓷材料以及从0.051毫米至0.381毫米的厚度。多孔层施加至中间层。多孔层包括多孔陶瓷材料。多孔层还包括大于多孔层体积的35％的孔隙度。多孔层进一步包括从0.127毫米至1.524毫米的厚度。
附图说明
图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图。
图2是用于图1的燃气涡轮发动机的涡轮的一部分的剖视图。
图3是用于图2的尖端鞋状部的可磨耗涂层的放大很多倍的剖视图。
具体实施方式
本文所公开的***和方法包括用于燃气涡轮发动机组件的可磨耗涂层。在实施例中，可磨耗涂层包括粘合涂层、中间层，以及多孔层。粘合涂层包括金属材料，中间层包括陶瓷材料，并且多孔层包括具有孔隙度(例如，其体积的35％以上)的陶瓷材料。粘合涂层和中间层可为多孔层提供支持和结构。中间层也可以改善可磨耗涂层的耐久性。多孔层可减少涡轮叶片与裸金属尖端或涡轮叶片的磨损，而不磨损陶瓷尖端。
图1是示例性燃气涡轮发动机100的示意图。为了清楚和便于说明，一些表面已省去或放大(本图和其它附图中)。此外，本发明可以提及向前方向和向后方向。总体来说，“向前”和“向后”的所有参考与主要空气(即燃烧过程中使用的空气)的流动方向相关联，除非另有规定。例如，向前是相对于主要气流的“上游”，而向后是相对于主要气流的“下游”。
此外，本发明可总体涉及燃气涡轮发动机的旋转中心轴线95，其可通过其轴120(由多个轴承组件150支持)的纵向轴线大体限定。中心轴线95可以与各种其它发动机同心组件通用或共享。除非另有规定，否则径向、轴向和圆周方向及测量的参考是指中心轴线95，而诸如“内”和“外”的术语一般表示距离中心轴线95更小或更大的径向距离，其中径向线96可以在与中心轴线95垂直的任何方向中并且从中心轴线95向外辐射。
燃气涡轮发动机100包括入口110、轴120、压缩机200、燃烧器300、涡轮400、排气装置500，以及功率输出联接件600。燃气涡轮发动机100可具有单轴或双轴配置。
压缩机200包括压缩机转子组件210、压缩机固定轮叶(定子)250，以及入口导向轮叶255。压缩机转子组件210机械联接至轴120。如图所示，压缩机转子组件210是轴向流转子组件。压缩机转子组件210包括一个或多个压缩机盘组件220。每个压缩机盘组件220包括圆周向填充有压缩机转子叶片的压缩机转子盘。定子250轴向接着每个压缩机盘组件220。每个压缩机盘组件220与相邻的定子250配对，该相邻的定子250紧接视为压缩机级的压缩机盘组件220。压缩机200包括多个压缩机级。入口导向轮叶255轴向地先于压缩机级。
燃烧器300包括一个或多个燃料喷射器310并包括一个或多个燃烧室390。燃料喷射器310可围绕中心轴线95环状设置。
涡轮400包括涡轮转子组件410、涡轮喷嘴450和涡轮壳体460。涡轮转子组件410机械联接至轴120。如图所示，涡轮转子组件410是轴向流的转子组件。涡轮转子组件410包括一个或多个涡轮盘组件420。每个涡轮盘组件420包括涡轮盘425(在图2中示出)，其圆周向填充有涡轮叶片430(在图2中示出)。涡轮喷嘴450轴向地先于每个涡轮盘组件420。与先于涡轮盘组件420的相邻涡轮喷嘴450配对的每个涡轮盘组件420视为涡轮级。涡轮400包括多个涡轮级。涡轮壳体460位于从涡轮转子组件410和涡轮喷嘴450径向向外。涡轮喷嘴450可以由涡轮壳体460支持或联接于涡轮壳体460。涡轮400还可以包括尖端鞋状部465。尖端鞋状部465可以由涡轮壳体460支持或联接于涡轮壳体460，该涡轮壳体460邻近于涡轮喷嘴450，或位于其间。
排气装置500包括排气扩散器520和排气收集器550。
图2是用于图1的燃气涡轮发动机100的涡轮400的一部分的剖视图。如图2所示，每个尖端鞋状部465径向地位于涡轮壳体460与涡轮叶片430之间。在一些实施例中，尖端鞋状部465是环形形状，诸如环形或中空圆柱体。在其它实施例中，尖端鞋状部465是环形形状的一部分或扇区，诸如环形扇区或中空圆柱体的扇区；在这些实施例中，多个尖端鞋状部465形成环。
每个尖端鞋状部465可以包括护罩部469、表面466、前挂架467，以及后挂架468。表面466可以是圆柱形表面、圆柱形表面的一部分，或圆柱形表面的扇区。护罩部469或多个护罩部469可以形成环或中空圆柱体。表面466可以是护罩部469的径向内表面。
前挂架467可以径向向外地并且轴向向前地延伸。前挂架467可以连接至涡轮壳体460或与涡轮壳体460接合。后挂架468可以径向向外地并且轴向向后地延伸。在一些实施例中，后挂架468连接至相邻的涡轮喷嘴450和尖端鞋状部465的后端。在其它实施例中，尖端鞋状部465连接至壳体460。
每个涡轮叶片包括叶片平台431、叶片根部(未示出)，以及翼面432。叶片根部从叶片平台431径向向内地延伸，并且将涡轮叶片430连接至涡轮盘425。翼面432从叶片平台431径向向外地延伸。翼面包括叶片尖端433、翼面432的径向外部分。护罩大体上位于径向向外并且与叶片尖端433相邻。在图示的实施例中，护罩是尖端鞋状部465的护罩部469。在其它实施例中，涡轮壳体460包括护罩。叶片尖端433可以是裸金属尖端。涡轮喷嘴450的径向内部分可以连接至涡轮隔板440或由涡轮隔板440支持。
上面组件(或它们的子组件)中的一个或多个组件可以由不锈钢和/或称为“超合金”的耐用高温材料制成。超合金或高性能合金是表现出在高温下优秀的机械强度和耐蠕变性、良好的表面稳定性以及耐腐蚀和抗氧化性的合金。超合金可以包括这些材料，诸如HASTELLOY、合金x、INCONEL、WASPALOY、RENE合金、HAYNES合金、合金188、合金230、INCOLOY、MP98T、TMS合金，以及CMSX单晶合金。
一个护罩或多个护罩，诸如尖端鞋状部465，可以位于从涡轮叶片430径向向外。每个护罩包括可磨耗涂层470。可磨耗涂层470位于并且施加至表面466、尖端鞋状部465的径向内表面。可磨耗涂层470施加至护罩以与叶片尖端433相邻。
图3是用于图2的尖端鞋状部465的可磨耗涂层470的放大很多倍的剖视图。如图所示，可磨耗涂层470施加至基板480。基板480可以是例如护罩、尖端鞋状部465、涡轮壳体460、压缩机尖端鞋状部，或压缩机壳体。如图3所示，示出了基板480的仅上部分或外部分。在一个实施例中，可磨耗涂层470的总厚度可以是至少1.524毫米(千分之六十英寸)。在另一实施例中，可磨耗涂层470的总厚度高达1.778毫米(千分之七十英寸)。在另一实施例中，可磨耗涂层470的总厚度从1.524毫米(千分之六十英寸)至1.778毫米(千分之七十英寸)。可以按需要或优选使用其它厚度。
可磨耗涂层470包括：粘合涂层471、中间层472，以及多孔层473。粘合涂层471可以直接地施加至基板480。粘合涂层471可以是金属涂层，诸如MCrAlY材料。在本申请的上下文中，MCrAlY指金属涂层，在该金属涂层中M可以包括镍、钴或两者；Cr包括铬；Al包括铝；并且Y包括钇。粘合涂层471可以从0.152毫米(千分之六英寸)至0.229毫米(千分之九英寸)。
中间层472可以施加至粘合涂层471。中间层472包括陶瓷材料。陶瓷材料可以包括氧化钇稳定的氧化锆，诸如6％至8％的氧化钇稳定的氧化锆(8YSZ)。中间层可以是0.051毫米(千分之二英寸)至0.381毫米(千分之十五英寸)。中间层472的孔隙度可以是在不用陶瓷材料注入易消失材料的情况下进行施加工艺的结果。中间层472的孔隙度可以低于多孔层473的孔隙度。
多孔层473可以施加至中间层472。多孔层473还包括陶瓷材料。陶瓷材料可以包括氧化钇稳定的氧化锆，诸如8YSZ。多孔层473和中间层472可以具有相同的陶瓷材料，诸如8YSZ。在一个实施例中，多孔层473是至少0.127毫米(千分之五英寸)。在另一个实施例中，多孔层473从0.127毫米(千分之五英寸)至1.524毫米(千分之六十英寸)。在另一个实施例中，多孔层473是至少1.016毫米(千分之四十英寸)。在另一个实施例中，多孔层473从1.016毫米(千分之四十英寸)至1.524毫米(千分之六十英寸)。在一些实施例中，多孔层473可以比中间层472更厚。
多孔层473可以用易消失材料施加以增加多孔层473的孔隙度。可以对使用的易消失材料的比例进行选择以限定或实现理想的孔隙度。例如，在一个实施例中，在易消失材料燃烧掉之后，孔隙度大于多孔层473的体积的35％。在另一个实施例中，在易消失材料燃烧掉之后，孔隙度介于多孔层473的体积的35％至50％之间。在另一个实施例中，在易消失材料燃烧掉之后，多孔层473的体积介于多孔层473的体积的45％与50％之间。易消失材料可以是聚合物，诸如聚酯。易消失材料可以通过熔炉或通过操作暴露来去除。
工业实用性
燃气涡轮发动机可适用任何数量的工业应用，诸如石油和燃气工业的各个方面(包括石油和燃气的传输、收集、存储、回收和升举)、发电工业、热电联供、航空以及其它运输工业。
参考图1，燃气(通常是空气10)作为“工作流体”进入入口110并且由压缩机200压缩。在压缩机200中，工作流体由一系列压缩机盘组件220在环形流路115中压缩。具体地说，空气10在标记的“级”中压缩，该级与每个压缩机盘组件220相关联。例如，“第四级空气”可在下游或“向后”方向上与第四压缩机盘组件220相关联，从入口110朝向排气装置500行进)。类似地，每个涡轮盘组件420可与标记的级相关联。
一旦压缩的空气10离开压缩机200，它就进入燃烧器300，在此扩散开并且燃料加入。空气10和燃料经由燃料喷射器310喷入到燃烧室320中并点火。在燃烧反应之后，能量然后经由涡轮400通过一系列涡轮盘组件420的每个级从燃烧的燃料/空气混合物中提取。排气90然后可在排气扩散器520中扩散并经由排气收集器550收集、改向并离开***。排气90也可被进一步处理(例如，以减少有害排放和/或回收来自排气90的热量)。
燃气涡轮发动机的操作效率通常随着更高的燃烧温度而增大。因此，在燃气涡轮发动机中存在升高燃烧温度的趋势。离开燃烧室390并进入涡轮400的燃烧气体可以是1000°F或更高。为了在如此高温下操作，涡轮400的各个组件可涂覆有隔热涂层以保护各个组件免于热的燃烧气体。
操作效率也取决于转动组件和静止组件之间的紧密密封。该密封可通过将静止组件诸如尖端鞋状部465涂覆有可磨耗材料并允许转动组件诸如涡轮叶片430以切除或磨除涂层的径向内部来建立。该可磨耗密封可减少从叶片尖端433和尖端鞋状部465之间泄露的空气量或防止从其间泄露空气。
可磨耗涂层470既可作为隔热件又可作为可磨耗密封件。多孔层473的厚度和孔隙度可提供足够的耐隔热性和耐热周期。具有35％以上孔隙度的多孔层473可减小带有裸金属尖端的涡轮叶片430或不具有磨蚀陶瓷尖端的涡轮叶片430的磨损。用于涡轮叶片430的磨损陶瓷尖端可能是昂贵的。使用具有裸金属尖端或不具有磨蚀陶瓷尖端的涡轮叶片430可降低涡轮叶片430的成本，导致制造成本和维修成本的降低。
粘合涂层471和中间层472的厚度为多孔层473提供结构支持。中间层472可改进可磨耗涂层的耐用性，且粘合涂层471、中间层472以及多孔层473的厚度和孔隙度的组合可提供在燃气涡轮发动机100中待用的可磨耗涂层470所需的耐用性。
与基于航空燃气涡轮发动机的设计相比，工业燃气涡轮发动机通常包括更优的过滤。在工业燃气涡轮发动机涂层***中，磨蚀不会像在其它工业中的因素那样重要。工业燃气涡轮发动机可无需基于航空燃气涡轮发动机设计所需要的耐磨蚀组件。
可磨耗涂层470可通过空气等离子喷涂或通过其它已知的施加技术，尤其是低压等离子喷涂、高速含氧燃料热喷涂、电子束物理气相沉积或真空等离子体喷涂来施加。在将可磨耗涂层470施加至基板480之前，基板480可通过清洁、掩模和喷砂来去除任何污染物来制备用于该应用。喷砂处理可通过氧化铝喷砂处理进行。
在制备基板480之后，将粘合涂层471施加至基板。粘合涂层471可在施加中间层472和多孔层473之前或之后被热处理。然后，将中间层472施加至粘合涂层471。然后，将多孔层473施加至中间层473。多孔层473可通过同时将陶瓷材料和易消失材料施加至中间层473来形成。陶瓷材料可通过第一端口喷入到喷涂或施加机构中，同时易消失材料可通过第二端口喷入到喷涂或施加机构中。在施加多孔层473之后，易消失材料可通过热处理或在燃气涡轮发动机100的操作期间去除。
之前的详细描述本质上仅仅是示例性的，并非意图限制本发明或本发明的应用和用途。所述实施例并不局限于结合特定类型的燃气涡轮发动机使用。因此，虽然本发明为了便于解释示出并且描述了特定的可磨耗涂层，但应理解的是，根据本发明的可磨耗涂层可以以各种其它构造实施，可以与各种其它类型的燃气涡轮发动机一起使用并且可用在其它类型的机器中。此外，不期望受到前述背景或详细描述所体现的任何原理的限制。还可以理解的是，这些说明可包括放大的尺寸以更优地说明所示出的参考项目并且并不视为限制性，除非因此说明。

Claims (9)

1.一种用于燃气涡轮发动机(100)的可磨耗涂层(470)，其包括：
粘合涂层(471)，其施加至基板(480)，所述粘合涂层(471)包括金属涂层，以及
从0.152毫米至0.229毫米的厚度；
中间层(472)，其施加至所述粘合涂层(471)，且所述中间层(472)包括
陶瓷材料，以及
从0.051毫米至0.381毫米的厚度；以及
多孔层(473)，其施加至所述中间层(472)，所述多孔层(473)包括
多孔陶瓷材料，
介于所述多孔层(473)的体积的35％至50％之间的孔隙度，以及从0.127毫米至1.524毫米的厚度。
2.根据权利要求1所述的可磨耗涂层(470)，其中，所述多孔层(473)的厚度为从1.016毫米至1.524毫米。
3.根据权利要求2所述的可磨耗涂层(470)，其中，所述可磨耗涂层(470)的厚度为从1.524毫米至1.778毫米。
4.根据权利要求1所述的可磨耗涂层(470)，其中，所述多孔陶瓷材料包括氧化钇稳定的氧化锆。
5.根据权利要求1所述的可磨耗涂层(470)，其中，所述多孔层(473)的孔隙度通过用易消失材料将所述多孔层(473)施加至所述中间层(472)并且燃烧掉所述易消失材料来形成。
6.根据权利要求5所述的可磨耗涂层(470)，其中，所述易消失材料是聚酯。
7.根据权利要求1所述的可磨耗涂层(470)，其中，所述金属涂层包括MCrAlY材料。
8.一种用于燃气涡轮发动机(100)的护罩(465)，其包括根据权利要求1所述的可磨耗涂层(470)。
9.一种燃气涡轮发动机(100)，其包括根据权利要求8所述的护罩，所述燃气涡轮发动机包括：
转子组件(410)，其包括：
转子盘(425)，以及
联接至所述转子盘(425)的多个转子叶片(430)，所述多个转子叶片(430)中的每个转子叶片(430)都包括具有裸金属叶片尖端(433)的翼面(432)；
其中，所述护罩(465)位于从所述转子组件(410)径向向外，并且包括位于所述多个转子叶片(430)的所述叶片尖端(433)附近的表面(466)；并且所述可磨耗涂层(470)施加于所述护罩(465)的所述表面(466)。
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