[发明专利]用于基于废气再循环的燃气涡轮的耐侵蚀和耐腐蚀涂层

说明书

发明领域

本发明涉及在旋转叶片上使用的涂层，更具体涉及在经受侵蚀、磨损和电化腐蚀的压缩机叶片上使用的改良涂层。

发明背景

在轴流燃气涡轮发动机中，将空气吸入发动机前方，通过轴装式压缩机压缩，并与燃料混合。混合物燃烧，燃烧的热气穿过安装在相同轴上的涡轮。燃烧气体的流动使涡轮转动，而旋转涡轮从燃烧气体的流动提取可转化为电的能量并使驱动压缩机的轴转动。消耗的废气可排至大气。

在涡轮应用中用于陆基涡轮的压缩机叶片通常由400系列不锈钢制成。这些钢通常对该目的足够强，但经受侵蚀和腐蚀机制，因为它们操作的特性涉及压缩大体积空气，所述空气可包括污染物。在空气中发现的污染物包括但不限于不需要的氧化物、二氧化碳、氯化物(盐)、SO₂、SO₃、硫酸盐基盐、硫化物尘土和有机杂质。尘土包括沙、火山灰、飞灰、水泥、尘埃甚至是基底杂质。

为了改善压缩机叶片的侵蚀和磨损性能，可将耐侵蚀或耐磨损涂层涂敷在叶片的翼面部分(暴露于大体积的被压缩空气)。通常，这些涂层可限于翼面前缘和端部。涂层通常是具有一些钨(W)和碳(C)的钴基合金，以促使形成增强涂层的耐侵蚀和耐磨损性的WC/Co颗粒。

这些涂布有耐磨损钴基合金的不锈钢叶片仍可经受仅由它们使用的环境所产生的侵蚀。当在可能为酸性的环境中使用时，叶片可经受电化腐蚀。这可能由于燃气涡轮放置在海洋大气中或者甚至在附近的化学厂邻近，例如化学石油厂或精炼厂。来自这些环境的化学物以及在空气中存在的其它污染物可与空气中的水分组合以产生腐蚀性环境。而且，许多现代燃气涡轮发动机可通过使用在线洗涤系统（提供叶片的操作中清洗）或者提高压缩机效率的雾化和/或蒸发器系统而引入水分。这些系统可与污染物或环境化学物组合以产生腐蚀性环境。此外，绿色倡议者建议使废气捕获系统捕获的至少一部分废气废气再循环以减少CO₂排放。这些废气捕获系统包括化学计量冷却的废气再循环，或SEGR。通过将其引入燃烧空气内，废气再循环将增加化学物的浓度，形成压缩机叶片暴露的腐蚀性环境。目前的涂层和材料组合可能易损，尤其是当SEGR气路含有污染物例如SO₂时。

虽然涂布有钴基耐磨损合金的不锈钢压缩机叶片呈现良好的耐侵蚀和耐磨损性，但是压缩机叶片，例如由马氏体不锈钢例如GTD-450形成并涂布有钴基涂层例如STELLITE^?的压缩机叶片，经受腐蚀性环境中的电化腐蚀，这在SEGR模式下甚至更严重。在该环境中，压缩机叶片可能经受裂缝腐蚀或点蚀。钴基涂层相对于压缩机叶片基材趋向阴极性。结果，在腐蚀性介质的存在下将发生电化腐蚀，因为浓差电池形成于裂缝或凹陷中，其中污染物或腐蚀产物沉积物被俘获并变得停滞。在这些区域可发生裂缝腐蚀。也可发生点蚀腐蚀，因为小凹点或孔在涂层中形成，其中形成污染沉积物。这些凹点可能最初产生自吸入燃气涡轮内的外来物体和污染物的冲击。这些冲击使涂层凹陷，使腐蚀性介质能够聚集。需要的是在不锈钢压缩机叶片上使用的涂层，其中所述涂层维持耐侵蚀和耐磨损的特征，在腐蚀性物类经过侵蚀或其它损伤所致的涂层裂口而进入的情况下保护基底金属免受电化腐蚀或不同金属腐蚀。

发明概述

耐损组分，其包含马氏体不锈钢基材和覆盖在马氏体不锈钢基材上的钴基耐损涂层。钴基耐损涂层包含包括碳化钨沉淀物的钴基合金。钴基耐损涂层进一步包括遍布钴基涂层的牺牲性金属基材料的颗粒。牺牲性材料充当阳极以防止基材在腐蚀性环境中的电化腐蚀。

钴基基质涂层的耐腐蚀性和腐蚀性能在燃气涡轮的压缩机叶片中有特殊用途，这通过添加相对于钴基材料为阳极或牺牲性的金属基化合物和氧化物材料的颗粒得以增强。当压缩机叶片涂布有所述涂层并暴露于腐蚀性环境时，添加的反应性金属微粒充当阳极。

用于燃气涡轮发动机的压缩机区的压缩机叶片包含马氏体不锈钢压缩机叶片。压缩机叶片包括叶片部分、鸽尾榫部分和介于叶片部分与鸽尾榫部分之间的平台部分。叶片部分在鸽尾榫部分相对的端部终止。钴基涂层覆盖至少叶片部分。钴基涂层包含包括碳化钨沉淀物的钴基材料，以及均匀遍布钴基涂层的牺牲性化合物（例如NiO和/或Cr₂O₃）的微粒。在相对于不锈钢基质为阳极的电位上发生氧化还原反应的任何其它均匀分布的颗粒也适合用于本申请。

包括在钴基涂层中的反应性材料充当阳极，以防止当压缩机叶片暴露于腐蚀性气氛时压缩机叶片的电化腐蚀，例如通过裂缝腐蚀或点蚀。