具有深度变化材料性质的涡轮机部件热障涂层制造技术

一种具有深度变化材料性质的热障涂层（TBC）形成于涡轮机部件上。示例性深度变化材料性质包括从所述TBC层内表面到外表面发生变化的物理延展性、强度、和热阻性。用于修改物理性质的示例性方式包括：涂敷不同材料成分的多个单独上方层、或者通过在涂敷TBC层期间使所涂敷的材料成分发生变化。本文描述的各个实施例还在所述TBC层之上涂敷钙镁铝硅（CMAS）阻滞材料，以便阻止包含燃烧颗粒的CMAS与所述TBC层发生反应或者粘合至所述TBC层。在其它实施例中，CMAS阻滞材料还涂敷在形成于所述TBC表面中的设计槽特征（EGF）内。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】优先权声明和相关申请的交叉引用本申请要求在下列美国专利申请下的优先权，其全部内容通过引用并入本文：于2014年2月25日提交的、分配的序列号为14/188,941的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH PROGRESSIVE WEAR ZONE HAVING A FRANGIBLE OR PIXELATED NIB SURFACE”；以及于2014年2月25日提交的、分配的序列号为14/188,958的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH PROGRESSIVE WEAR ZONE MULTI LEVEL RIDGE ARRAYS”。案卷编号为2013P20413WO、分配的序列号（未知）、专利技术名称为“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH AIRFLOW DIRECTING PIXELATED SURFACE FEATURE PATTERNS”的同时提交的国际专利申请视为是相关申请并且通过引用并入本文。为了审查现在提交的申请，将下列美国专利申请视为是相关申请，其全部内容通过引用并入本文：于2014年2月25日提交的、分配的序列号为14/188,992的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH PROGRESSIVE WEAR ZONE TERRACED RIDGES”；于2014年2月25日提交的、分配的序列号为14/188,813的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH PROGRESSIVE WEAR ZONE MULTI DEPTH GROOVES”；于2014年2月25日提交的、分配的序列号为14/189,035的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH ASYMMETRIC RIDGES OR GROOVES”；于2014年2月25日提交的、分配的序列号为14/189,081的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH ZIG-ZAG GROOVE PATTERN”；以及于2014年2月25日提交的、分配的序列号为14/189,011的“TURBINE ABRADABLE LAYER WITH NESTED LOOP GROOVE PATTERN”。
本专利技术涉及在其暴露于已加热的工作流体（诸如，燃烧气体或者高压蒸汽）的部件表面上具有热障涂层（TBC）层的燃烧或者蒸汽涡轮发动机，其包括包含了这些热障涂层的单独的子部件。本专利技术还涉及用于减少通常由发动机热循环或者异物损伤（FOD）引起的对这些涡轮发动机部件TBC层的裂纹扩展或者散裂损伤（spallation damage）的方法。更具体地，本文中描述的各个实施例涉及：在涡轮机部件上形成具有深度变化材料性质的上方热障涂层（TBC）。示例性深度变化材料性质包括从所述TBC层内表面到外表面发生变化的断裂韧性、弹性模数、多孔性和导热性。用于修改物理性质的示例性方式包括：涂敷不同材料成分的多个单独上层、或者在热喷涂涂敷TBC层期间使所涂敷的材料成分发生变化。本文描述的各个实施例还在所述TBC层之上涂敷钙镁铝硅（CMAS）阻滞材料，以便阻滞包含燃烧颗粒的CMAS与所述TBC层发生反应或者粘合至所述TBC层。
技术介绍
公知的涡轮发动机（包括气体/燃气涡轮发动机和蒸汽涡轮发动机）包含在圆周上由涡轮机外壳或者壳体包围的轴安装型涡轮机叶片。虽然本说明书的剩余部分将重点放在燃烧或者气体涡轮机技术应用和环境内的应用，但是本文中描述的示例性实施例可适用于蒸汽涡轮发动机。在气体/燃气涡轮发动机中，热燃烧气体流入开始于燃烧器内的燃烧路径中，并且通过大体上呈管状的过渡件引导到涡轮段中。靠前的或者第1排轮叶将燃烧气体引导通过多排连续交替的涡轮机叶片和轮叶。撞击涡轮机叶片的热燃烧气体使叶片转动，从而将热气体内的热能转换成机械功，该机械功可用于向旋转机械（诸如，发电机）提供动力。将在热燃烧气体路径内的发动机内部部件暴露于大约900摄氏度（1600华氏度）的燃烧温度下。在燃烧路径内的发动机内部部件，诸如，例如，燃烧段过渡件、轮叶和叶片，通常由耐高温超合金构造而成。叶片和轮叶通常包括终止于部件外表面上的冷却孔中的冷却通道，以便使冷却剂流体通过到燃烧路径中。涡轮发动机内部部件通常包含金属陶瓷材料的热障涂覆或者涂层（TBC），该TBC直接涂敷到部件基板表面的外表面或者在先前涂敷到基板表面的中间金属粘结涂层（BC）之上。TBC在部件基板之上提供绝缘层，这降低了基板温度。TBC涂敷与部件中的冷却通道的结合进一步降低了基板温度。由于（尤其）用于制造上述的示例性涡轮机部件的通常金属陶瓷TBC材料与通常超合金材料之间在热膨胀、断裂韧性和弹性模数上的差异，在异种材料的界面处存在使TBC层产生裂纹和TBC/涡轮机部件附着损失的潜在风险。裂纹和/或者附着力损失/分层会负面地影响TBC层结构整体性，并且潜在地导致散裂，即，使绝缘材料与涡轮机部件分离。例如，在TBC层内形成的垂直裂纹可以扩散至TBC/基板界面，然后水平蔓延。同样，水平定向的裂纹可以起源于TBC层内或者靠近TBC/基板界面。TBC结构整体性的这种破裂损失可能会导致对下方部件基板的进一步的过早损伤。当TBC层脱离下方基板时，基板会失去防护的热层涂层。在涡轮发动机的继续运转期间，随着时间的推移，热燃烧气体可能会腐蚀或者另外地损伤暴露的部件基板表面，从而潜在地降低发动机运行使用寿命。当使发动机响应于电网增加的负载需求而在线发电并且随着电网负载需求的降低而空闲时，随着连续的通电/断电循环会增大潜在的散裂风险。为了管理TBS散裂风险和其它发动机运转维护需要，通常在定义数量的通电/断电热循环之后会停止使用燃气涡轮发动机以便用于检查和维修。除了易于发生热或者振动应力裂纹之外，发动机部件上的TBC层在热燃烧气体内的污染物微粒撞击较易碎的TBC材料时还容易发生异物损伤（FOD）。异物冲击可能会使TBC表面产生裂纹，最终会引起与道路坑洼类似的表面整体性的散裂损失。一旦异物撞击TBC层的一部分的碎片，其余的TBC材料容易发生绝热层的结构裂纹扩展和/或者进一步散裂。除了由异物引起的TBC层的环境损伤之外，燃烧气体中的污染物，诸如钙、镁、铝和硅（通常称为“CMAS”），可以附着到TBC层上或者与TBC层发生反应，从而增加了TBC散裂的可能性并且将下方粘结涂覆暴露出来。过去对提高TBC层结构整体性和与下方涡轮机部件基板的固定的尝试已经包括了对更能够抵抗热破裂或者FOD的更强TBC材料的研发，但是付出的代价是热阻性降低或者材料成本增加。一般而言，用于TBC涂敷的相对较强的、更不易碎的潜在材料具有较低的热阻率。替代地，作为折衷，已经将单独涂敷的具有不同有利性质的多层TBC材料涂敷到涡轮机部件基板，例如，具有更好绝缘性能的更易碎或者更柔软的TBC材料，其又用更牢固的、绝缘值低的TBC材料覆盖以作为更能够抵抗FOD和/或CMAS污染物附着的较硬“盔甲”外涂层。为了提高与下方基板的TBC附着力，已经直接将中间金属粘结涂层（BC）层涂敷于基板之上。也已经从平整的裸露表面修改了到TBC的基板或者BC本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有暴露至燃烧气体的绝缘外表面的燃气涡轮机部件，其包括：金属基板，所述金属基板具有基板表面；锚固层，所述锚固层建立于所述基板表面上；热喷涂的或者气相沉积的或者溶液/悬浮液等离子喷涂的热障涂层（TBC）层，所述热障涂层（TBC）层具有：TBC总厚度、联接至所述锚固层的内表面、和暴露于燃烧气体的TBC外表面，所述TBC层材料断裂韧性、弹性模数、多孔性和导热性性质从所述TBC内表面至所述TBC外表面发生变化；从所述锚固层突出的设计表面特征（ESF）的平面图案，所述平面图案具有在TBC层总厚度的大约2%至75%之间的突出高度；以及形成于所述TBC外表面中并且使先前涂敷的TBC层穿透所述TBC外表面的设计槽特征（EGF）的平面图案，所述EGF具有槽深度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.25 US 14/188941;2014.02.25 US 14/1889581.一种具有暴露至燃烧气体的绝缘外表面的燃气涡轮机部件，其包括：金属基板，所述金属基板具有基板表面；锚固层，所述锚固层建立于所述基板表面上；热喷涂的或者气相沉积的或者溶液/悬浮液等离子喷涂的热障涂层（TBC）层，所述热障涂层（TBC）层具有：TBC总厚度、联接至所述锚固层的内表面、和暴露于燃烧气体的TBC外表面，所述TBC层材料断裂韧性、弹性模数、多孔性和导热性性质从所述TBC内表面至所述TBC外表面发生变化；从所述锚固层突出的设计表面特征（ESF）的平面图案，所述平面图案具有在TBC层总厚度的大约2%至75%之间的突出高度；以及形成于所述TBC外表面中并且使先前涂敷的TBC层穿透所述TBC外表面的设计槽特征（EGF）的平面图案，所述EGF具有槽深度。2. 根据权利要求1所述的部件，所述锚固层进一步包括热喷涂的或者气相沉积的或者溶液/悬浮液等离子喷涂的下热障涂层（LTBC）层部分，所述下热障涂层（LTBC）层部分限定出ESF的平面图案，并且所述热障涂层（TBC）层进一步包括外热障涂层（OTBC）层部分，所述外热障涂层（OTBC）层部分单独地涂敷在所述LTBC之上，具有联接至所述LTBC的OTBC内表面和暴露于燃烧气体的OTBC外表面；所述LTBC层部分具有比所述OTBC层部分大的断裂韧性和弹性模数；以及所述OTBC层部分具有比所述LTBC层部分大的多孔性和更小的导热性。3.根据权利要求2所述的部件，其进一步包括涂敷在所述OTBC外表面之上和到所述EGF中的热喷涂的钙镁铝硅（CMAS）阻滞层。4.根据权利要求1所述的部件，所述锚固层进一步包括粘结涂层（BC）层，所述粘结涂层（BC）层联接至所述基板和形成于所述BC中的ESF。5.根据权利要求1所述的部件，所述TBC层包括热喷涂的或者气相沉积的或者溶液/悬浮液等离子喷涂的分级材料整体层，所述分级材料整体层是通过如下过程形成：在将所述TBC层连续地涂敷在所述锚固层之上时，使所述TBC层材料的成分逐步地发生变化。6.由权利要求5所述的过程形成的部件，所述过程进一步包括：通过在将所述TBC层涂敷在所述锚固层之上时使断裂韧性、弹性模数和导热性逐步地减小并且使多孔性逐步地增加，来在将所述TBC层涂敷在所述锚固层之上时使所述TBC层的成分逐步地发生变化。7.根据权利要求6所述的部件，其进一步包括涂敷在所述OTBC外表面之上和到所述EGF中的热喷涂的钙镁铝硅（CMAS）阻滞层。8.根据权利要求6所述的部件，所述锚固层进一步包括粘结涂层（BC）层，所述粘结涂层（BC）层联接至所述基板和形成于所述BC中的ESF。9.根据权利要求1所述的部件，所述锚固层进一步包括粘结涂层（BC）层，所述粘结涂层（BC）层联接至无特征基板和形成于所述BC中的ESF。10.根据权利要求9所述的部件，所述锚固层进一步包括涂敷在所述BC层之上的粗糙粘结涂层层。11.一种燃...

【专利技术属性】
技术研发人员：N希奇曼，R苏布拉马尼安，C施利希，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE