钨青铜结构材料的应用以及具有热障涂层的涡轮部件制造技术

记述了钨青铜结构陶瓷材料作为热障涂层的应用，所述热障涂层可应用于燃气涡轮部件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】钨青铜结构材料的应用以及具有热障涂层的涡轮部件 本专利技术涉及鵠青铜结构材料的应用以及具有热障涂层的涡轮部件。热障涂层(TBC)体系已被普遍应用在第一和第二排涡轮叶片以及暴 露于燃气涡轮热气通路的燃烧室部件上。通常，氧化钇稳定的氧化锆隔 热涂层被广泛施加于高温段，提供对热机械沖击、高温氧化和热腐蚀破 坏的防护。虽然提供TBC的主要目的最初是延长涂覆部件的寿命，但先进的燃气涡轮却越来越多地利用TBC来提高燃气涡轮的效率和功率输出。提高 效率和功率输出的一种手段是减少热气通路中的部件的冷却空气消耗量，即使那些部件能够在更高温度下工作。对更高燃烧温度和减少的冷 却流的追求产生了对具有更高温度、稳定性和更好隔热性的先进TBC的 不断需求，以实现先进燃气涡轮的长期效率和性能目标。目前的TBC往往包括双层体系外隔离陶瓷层和其下直接沉积在金 属部件表面上的抗氧化金属层(粘合层)。粘合层提供陶资涂层与基材之 间的物理和化学连接，并通过形成生长迟缓的粘合保护性氧化铝皮而起 到耐氧化剂和耐腐蚀剂的作用。顶端的陶瓷层通过a)提高的发动机工作 温度、b)金属部件在经受高温和应力时延长的寿命和c)金属部件减少的 冷却需求而提供了在性能、效率和耐久性方面的好处。根据陶瓷层的厚 度和穿过厚度的热通量，可将基材温度降低几百度。TBC的发展和被人接受与加工技术息息相关在这一点上，陶乾面 层目前是采用空气等离子体喷涂(APS)或电子束物理气相沉积(EB-PVD) 工艺沉积的。尽管两种涂层具有相同的化学组成，但它们的显微结构从 根本上彼此不同，它们的绝热特性和性能也彼此不同。工作温度的期望升高在很大程度上应归功于陶瓷TBC体系的出众 耐温性连同其由于低热导率而产生的出色的绝热特性。TBC的纟色热的改 善可通过增大TBC厚度、改进TBC显微结构(例如孔隙度)或使用具有更 低整体导热率的材料来实现。本专利技术的目的在于提供一种允许更高操作温度的涡轮部件。本专利技术 的另 一个目的在于寻求一类新的潜在的TBC材料组合物。第一个目的通过根据权利要求l所述的涡轮部件得以实现。第二个目的通过如权利要求12中所要求保护的鴒青铜结构材料的应用而得以 实现。从属权利要求限定了本专利技术的进一步改进。本专利技术的涡轮部件包括热障涂层。所述热障涂层包括鴒青铜结构陶 瓷涂层材料。本专利技术提出了通过使用具有更低整体导热率的钨青铜结构陶瓷涂层材料来改善TBC的绝热。 一般这些结构具有出色的热、物理和机械性 能。大的复杂晶胞与强各向异性的原子键的结合再加上高原子量，使它 们成为了更低热导率的理想选择对象。除了热-机械性能之外，该新的 TBC还显示出在工作温度范围内出色的相稳定性和在涡轮段的极端环 境下提高的抗烧结性。此外，它们还与传统的或新的粘合层以及超级合 金材料相容。所述镇青铜结构陶瓷涂层材料具有通式A〇-BvOw-CyOz,其中O代表 氧，A代表2+或l +阳离子，B代表2+或3+阳离子，C代表4+或5+阳离子。 在此通式所描述的材料中，氧化物的特性取决于A、 B和C离子的性质以 及所述离子的价态。随着A、 B或C离子的替换，可以产生或抑制结构中 的氧空位，由此改变材料的整体性质。在所述通式中，A可以选自由Ba(钡)、Mg(镁)、Ca(钙)、Sr(锶)、Li(锂)、 Na(钠)和K(钾)构成的组中的元素，或者可以是所述元素的混合物。B可 以选自由稀土镧系元素、Co(钴)、Mn(锰)、Sc(钪)、Y(钇)、Al(铝)、Ga(镓) 和In(铟)构成的组中的元素，或者可以是所述元素的混合物。C可以选自 由Ti(钛)、Zr(锆)、Hf(铪)、Ce(铈)、Th(钍)、Nb(铌)和Ta(钽)构成的组中 的元素，或者可以是所述元素的混合物。一种特别适合用作鴒青铜结构陶瓷涂层材料的材料由通式 BaO-RE203-xTi02表示，其中RE代表稀土镧系元素阳离子。x的值可在2 到5之间，且包括2和5。特别地，所述稀土镧系元素阳离子可以为钕(Nd), 由此所述鵠青铜结构陶瓷涂层材料可以由化学式BaNd2丁i40i2表示。对于BaO-RE203-xTi02,可以向Ba和/或RE和/或Ti中添加一或多种 掺杂物以通过产生晶格缺陷来改善钨青铜结构陶瓷的整体性质。Ba的适 合掺杂物有例如Mg、 Ca、 Sr、 Li、 Na和K。 RE的适合掺杂物有例如其它 稀土镧系元素、Co、 Mn、 Sc、 Y、 Al、 Ga和In。 Ti的适合掺杂物有例如 Zr、 Hf、 Ce、 Th、 Nb和Ta。本专利技术的涡轮部件可进 一 步包括位于所述鵠青铜结构陶瓷涂层材料之下的抗氧化金属层。适合的抗氧化金属层有例如MCrAlX层，其中 M选自Fe(铁)、Co(钴)、Ni(镍)，Y代表选自Y(钇)、Si(珪)、Hf(铪)和稀土 元素的至少一种元素。根据本专利技术的另一方面，指出了钨青铜结构陶瓷材料的一种新应 用。所述材料被用作热障涂层。本专利技术所基于的想法是利用具有钨青铜 结构的作为极低K材料的低损耗微波陶瓷的有利内在性质和改善这些陶 瓷的整体性质。改善整体性质可通过多价阳离子的离子取代来实现，由此提供热导 率的进一步降低以及抗烧结性的提高。因此，所用鴒青铜结构陶资涂层 材料可以具有通式AO-BvOw-CyOz,其中O代表氧，A代表2+或l +阳离子， B代表2+或3+阳离子，C代表4+或5+阳离子。A可以选自由Ba(钡)、 Mg(镁)、Ca(《丐)、Sr(锶)、Li(锂)、Na(钠)和K(钾)构成的组中的元素，或 者是所述元素的混合物。B可以选自由稀土镧系元素、Co(钴)、Mn(锰)、 Sc(钪)、Y(钇)、Al(铝)、Ga(镓)和In(铟)构成的组中的元素，或者是所述 元素的混合物。C可以选自由Ti(钛)、Zr(锆)、Hf(铪)、Ce(铈)、Th(钍)、 Nb(铌)和Ta(钽)构成的组中的元素，或者是所述元素的混合物。特别有利的钨青铜结构陶瓷涂层材料由通式BaO-RE203-xTi02表 示，其中RE代表稀土镧系元素阳离子。x的值可在2到5之间，且包括2 和5。特别地，所用鴒青铜结构陶资涂层材料可以为BaNd2Ti4Ch2。对于BaO-RE203-xTi02,可以向Ba和/或RE和/或Ti中添加一或多种 掺杂物以通过产生晶格缺陷来改善鴒青铜结构陶瓷的整体性质。Ba的适 合掺杂物有例如Mg、 Ca、 Sr、 U、 Na和K。 RE的适合掺杂物有例如其它 稀土镧系元素、Co、 Mn、 Sc、 Y、 Al、 Ga和In。 Ti的适合掺杂物有例如 Zr、 Hf、 Ce、 Th、 Nb和Ta。TBC的绝热的改善以及更高的温度稳定性将使得可以实现先进燃 气涡轮的长期效率和性能目标，提供一种经济合算、高效和合乎环境要 求的发电技术方案。由对本专利技术实施方案的以下详细说明连同附图，将可清楚看出其它 特征、特性和优点。其中图l显示了BaNd2Ti40u组合物的热传导率和扩散率随温度的变化， 图2显示了燃气涡轮，6图3显示了涡轮叶片，和图4显示了燃烧室。如上所述，本专利技术提出了通过使用具有更低整体导热率的鵠青铜结构陶瓷涂层材料来改善TBC的隔热。那些材料具有通式AO-BvOw-CyOz, 所述氧化物的特性取决于A、 B和C离子的性质以及所述离子的本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有热障涂层的涡轮部件，其中所述热障涂层包括钨青铜结构陶瓷涂层材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：AA库尔卡尼，S拉姆彭舍夫，A内伊尼，R苏布拉马尼恩，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]