[发明专利]抗钒涂层系统

说明书

技术领域

本发明涉及当暴露于重质燃油的燃烧副产物时具有改善的耐腐蚀性的涂层系统，并且更具体地讲，涉及涂布于超合金的涂层系统，该超合金在暴露于来自重质燃油燃烧的钒种类侵蚀的高温应用中使用。

发明背景

氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)为用于改善高温金属中所用金属的性能的熟知材料。YSZ通常通过高温热喷涂工艺涂布为热障涂层(TBC)。TBC增大高温基底金属的操作温度。另外，粘合层(bond coat)被涂布在TBC与高温金属之间，以减少TBC与高温金属之间的热失配，这改善了TBC的抗破裂性。该热障涂层系统包括粘合层和TBC。粘合层通常为MCrAlY，其中M为选自Ni、Co、Fe及其组合的金属。

热障涂层系统通常用于燃气涡轮发动机的热区以改善高温基底金属的温度性能。这些高温基底金属用于组件比如燃烧室和涡轮叶片。高温金属通常为超合金金属，并且可为镍基超合金、钴基超合金、铁基超合金及其组合。TBC系统显著增大这些超合金金属的高温性能范围。

燃气涡轮发动机可使用多种不同的燃料操作。这些燃料在发动机的燃烧室区于2000°F(1093℃)或超过该温度的温度下燃烧，并且燃烧的气体用于旋转位于发动机的燃烧室区后部的发动机涡轮区。随着能量从燃烧的热气体提取，动力由旋转的涡轮区产生。通常在经济上有益的是使用可得到的最廉价燃料操作燃气涡轮发动机。更加丰富和廉价的石油燃料之一为重质燃油(HFO)。HFO为经济的燃料的原因之一是其不被重度精炼。未被重度精炼，其含有多种杂质。这些杂质之一为钒，其在高温燃烧下形成氧化钒(V₂O₅)。即使将MgO作为燃料添加剂加入，并且，MgO因在热障涂层的外表面上或其附近形成惰性钒酸镁化合物而起钒种类反应抑制剂作用，但MgO不完全防止YSZ热障涂层的侵蚀，因为氧化钒可渗入热障涂层中的微细裂纹和孔隙，提供的通道不仅到YSZ热障涂层，而且到下面的粘合层。V₂O₅为酸性氧化物，其可自存在于这样热障涂层中的裂缝和孔隙中的YSZ浸析氧化钇。侵蚀机制通过以下反应提供：

ZrO₂(Y₂O₃)+V₂O₅→ZrO₂(单斜)+2YVO₄

因此，V₂O₅保持快速侵蚀YSZ的能力，引起其劣化并由热气流除去。TBC的丧失使基底金属和任何剩余的粘合层暴露于升高温度下的燃烧热气体。在这些升高的温度下，基底金属和粘合层受到燃烧热气体的腐蚀，这缩短它们的寿命。结果，组件比如燃烧室和涡轮叶片必须以更短的间隔替换，这也意味着用于涡轮的额外维护时间，期间涡轮不产生动力。

不受到燃烧热气体侵蚀的可涂布于燃气涡轮发动机的热气路组件的热障涂层系统在本领域是合乎需要的。具体地讲，涂层系统应耐受可由HFO产生的V₂O₅侵蚀，而同时提供对基底金属的热保护，使其预期寿命可得到改善。

发明内容

本文阐述了耐高温钒侵蚀的抗钒涂层系统。系统包含高温超合金基底。粘合层覆在超合金基底上面。粘合层可以多层涂布。陶瓷涂层覆在粘合层上面，其包含用具有比Y³⁺更小原子半径的稀土元素种类阳离子稳定的氧化锆。具有比Y³⁺更小原子半径的稀土元素种类构成陶瓷涂层的约5-10重量％。

在另一个实施方案中，抗钒涂层系统包含高温超合金基底。粘合层覆在超合金基底上面。粘合层可以高达约0.002-0.015″厚度的多层涂布。第一陶瓷涂层覆在粘合层上面，其包含用氧化钇稳定的氧化锆。氧化钇构成该陶瓷涂层的约2-20重量％并且涂布至0.010-0.040″的厚度。该涂层(也称为YSZ)固有地包括孔隙和裂缝。这些裂缝和孔隙渗入以溶液形式存在的具有比Y³⁺更大原子半径的稀土元素种类阳离子。阳离子溶液形成该种类的氧化物。