[发明专利]用于燃气涡轮机部件的涂布系统

说明书

技术领域

本申请大体涉及一种用于保护在陶瓷基体组合物基材上的环境阻挡涂层(EBC)的组合物。本申请更具体地涉及一种用于保护在由陶瓷基体复合材料(CMC)形成的基材上的EBC的组合性涂层。

背景技术

发电系统(如燃气涡轮发动机、蒸汽涡轮机和其他涡轮机组件)包括用于供给压缩燃烧空气流的压缩机部分、用于燃烧所述压缩燃烧空气中的燃料的燃烧器部分、以及用于从燃烧空气提取热能并将所述能量转化为旋转轴形式的机械能的涡轮机部分。

现代高效燃烧涡轮机具有超过约1,000℃的点火温度，随着对更有效的发动机的需求持续，预期甚至更高的点火温度。形成“热气通道”燃烧器和涡轮机部分的许多部件直接暴露于侵蚀性的热燃烧气体，例如燃烧器内衬、在燃烧部分和涡轮机部分之间的过渡管道、和涡轮机固定轮叶和旋转桨叶和周围的环形段。除了热应力之外，这些和其他部件也暴露于进一步在部件上磨损的机械应力、载荷和来自热气体中的粒子的腐蚀。

许多钴基和镍基高温合金材料通常用于制造在燃烧涡轮发动机的热气通道部分中使用的大部分燃烧涡轮机部件，其通过用热阻挡涂层(TBC)涂布部件而与热气流隔绝，以在所述侵蚀性高温燃烧环境中经受长期操作。

TBC系统通常由四层组成：金属基材、金属粘结层、热生长氧化物和陶瓷顶涂层。陶瓷顶涂层通常包括氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，所述氧化钇稳定的氧化锆由于具有极低的热导率并同时在通常在应用中可见的正常操作温度下保持稳定而是合意的。TBC通过多种劣化模式而经历劣化，所述多种劣化模式包括在热循环暴露过程中粘结层的机械起皱、加速氧化、热腐蚀和熔融沉积劣化。即使是开发用于热阻挡应用的更新的陶瓷(如氧化钆稳定的氧化锆、氧化钕稳定的氧化锆、氧化镝稳定的氧化锆)也经历类似的劣化模式，包括在热循环暴露过程中粘结层的机械起皱、加速氧化、热腐蚀和熔融沉积劣化。随着TBC的损失，部件经受高得多的温度，部件寿命显著降低。

许多陶瓷基体复合材料(CMC)(如含硅(SiC)或氮化硅(Si₃N₄)基材材料)制造用作燃烧涡轮发动机的热气通道部分中的燃烧涡轮机部件，其通过用环境阻挡涂层(EBC)涂布部件而保护免于对热气流中的化学环境的有害暴露，以在所述侵蚀性高温燃烧环境中经受长期操作。

EBC系统可由稀土(RE)二硅酸盐或稀土单硅酸盐组成，其中RE＝La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Th、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu，并包括稀土类似元素Y和Sc。RE二硅酸盐具有RE₂Si₂O₇的一般组成，RE单硅酸盐具有RE₂SiO₅的一般组成。稀土二硅酸盐EBC的缺点在于它们易受SiO₂的浸出(SiO₂的浸出在EBC中产生微孔微结构)，最初致密的EBC在小于所需设计寿命内转化为多孔层。因此，这种二硅酸盐可能不具有应用所需的耐久性。稀土单硅酸盐通常具有不与CMC基材材料的CTE良好匹配的CTE。作为结果，单硅酸盐顶涂层往往在施用、热处理和/或服务暴露过程中裂化，从而使水蒸气渗透顶涂层，并引起表面下化学反应和/或过早EBC散裂。

用于保护EBC的现有解决方法提出在涡轮机的热气通道的入口中泵送硅(Si)金属，以在EBC系统上沉积二氧化硅(SiO₂)薄膜。之前的解决方法未能考虑Si的定向沉积以获得改进的粘附和更大的氧化保护。在陶瓷基体组合物基材上的Si的策略性沉积需要更少的硅来产生比现有技术所存在的更好的粘附和保护结果。

所公开的系统和/或方法的预期优点满足这些需要中的一个或多个，或者提供其他有利特征。根据本说明书，其他特征和优点将显而易见。所公开的教导扩展至落入权利要求书的范围内的那些实施例，无论它们是否实现前述需要中的一个或多个。

发明内容

范围与原始要求保护的本发明相同的某些实施例总结如下。这些实施例不旨在限制所要求保护的本发明的范围，相反，这些实施例仅旨在提供本发明的可能形式的简要总结。实际上，本发明可涵盖可与如下所述的实施例类似或不同的多种形式。