[发明专利]修理燃气涡轮构件的热屏蔽涂层的方法和所得的构件

说明书

技术领域

本发明涉及能够在暴露于高温(诸如燃气涡轮发动机的不利热环境)的构件上使用的涂层。更具体而言，本发明涉及热屏蔽涂层(TBC)，该热屏蔽涂层呈现对热循环和污染物侵入的抵抗力，污染物例如为可在燃气涡轮发动机的操作环境中存在的类型。

背景技术

热屏蔽涂层(TBC)在构件(诸如燃烧器、高压涡轮(HPT)叶片、静叶和护罩)上的使用有助于此种构件耐受住较高的操作温度、提高构件耐久性、和改善发动机可靠性。TBC通常由陶瓷材料形成，且沉积在环境保护性接合涂层上，以形成所谓的TBC系统。广泛地用在TBC系统中的接合涂层材料包括耐氧化覆盖涂层，诸如MCrAlX(其中M是铁、钴和/或镍，且X是钇或另一稀土元素)、和扩散涂层诸如包含铝金属间化合物的扩散铝化物。接合涂层材料通常选择为能够在它们的表面上形成连续和粘着的氧化物皮(oxide scale)，以促进陶瓷涂层对接合涂层的粘着。氧化物皮可通过使接合涂层经历氧化环境来形成，使得氧化皮有时称为热生长氧化物(TGO)。

在维护状态下，由TBC系统保护的热区段发动机构件可容易受到各种方式的损伤，包括侵蚀、因暴露于气态燃烧产物引起的氧化和腐蚀、外来物体损伤(FOD)、和来自环境污染物的侵袭。环境污染物的来源是周围空气，周围空气由发动机吸入以用于冷却和燃烧。周围空气中的环境污染物的类型将从一个地点到另一个地点而变化，但对飞行器而言可能是担忧，因为它们从一个地点移动到另一个地点。可存在于空气中的环境污染物包括砂、灰尘、火山灰、处于二氧化硫形式的硫、飞灰、水泥颗粒、跑道尘土、和可被排到大气中的其他污染物质，诸如金属颗粒，例如，镁、钙、铝、硅、铬、镍、铁、钡、钛、碱金属和它们的化合物，包括氧化物、碳酸盐、磷酸盐、盐类和它们的混合物。这些环境污染物加入由燃料的燃烧导致的腐蚀性和氧化性的污染物中。然而，所有的这些污染物可粘着于热区段构件(包括利用TBC系统保护的那些)的表面。

这些污染物中的一些可导致在构件寿命期间的TBC损失。例如，氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化铝(铝氧化物；Al₂O₃)、和氧化硅(硅氧化物；SiO₂)的颗粒通常存在于包含细砂和/或尘土的环境中。当一起存在于高温下时，氧化钙、氧化镁、氧化铝和氧化硅可形成在本文中称为CMAS的共晶化合物。CMAS具有相对低的熔化温度，使得在涡轮操作期间，沉积在构件表面上的CMAS可熔化，尤其是如果表面温度超过大约2240℉(1227℃)。熔化的CMAS能够侵入TBC内的孔隙。例如，CMAS能够侵入到具有柱状结构的TBC、致密的竖直地破裂的TBC、和通过热和等离子喷涂而沉积的TBC的水平泼溅边界(splat boundary)。熔化的CMAS在TBC的较冷的表面下区内重新凝固，在此，其干扰TBC的顺应性，且特别是在热循环期间，作为妨碍TBC的膨胀和收缩能力的结果，可导致TBC的散裂和退化。除了顺应性的损失之外，与TBC内的氧化钇和氧化锆、以及与接合涂层/TBC界面处的热生长氧化物的有害化学反应可发生且导致TBC系统的退化。一旦由TBC提供的被动热屏蔽保护已损失，则发动机的继续操作可导致TBC系统下方的基础金属的氧化。

鉴于以上，可理解的是，如果能够促进构件且尤其是在高于污染物的熔化温度的温度下操作的燃气涡轮发动机构件对污染物(诸如CMAS)的抵抗力的系统和方法是可用的，则是合乎需要的。此外，存在在某些情况下修理此种涂层的必然需要，尤其是燃气涡轮发动机的经历剧烈热循环的高温构件。

发明内容

本发明的方面和优点将在下列描述中部分地阐述，或可根据描述而是明显的，或可通过本发明的实践而习得。

大体上，提供具有修理后的热屏蔽涂层的涡轮发动机构件，以及它们的形成和修理方法。

在一个实施例中，涡轮发动机构件包括限定表面的基底；在基底的表面的第一部分上的热屏蔽涂层；在基底的表面的第二部分上的修理后的热屏蔽涂层；和在外接合涂层上的陶瓷涂层。热屏蔽涂层包括内接合层和第一陶瓷层，其中内接合层定位在基底与第一陶瓷层之间。修理后的热屏蔽涂层大体上包括在基底的表面上的内接合涂层和在内接合涂层上的外接合涂层。内接合涂层由含钴材料形成，而外接合涂层基本上没有钴。

在一个实施例中，涡轮发动机构件具有修理后的热屏蔽涂层且包括限定表面的基底；在基底的表面上的内接合层；在内接合层上的内接合涂层；在内接合涂层上的外接合涂层；和在外接合涂层上的陶瓷涂层。内接合涂层由含钴材料形成，而外接合涂层基本上没有钴。