多层热保护系统及其制造方法技术方案

本发明专利技术涉及多层热保护系统及其制造方法。描述了多层热保护系统，其中第一陶瓷层（３）通过粘合涂层（４）结合在金属衬底（５）上，其中在第一陶瓷层（３）上提供至少一个通过陶瓷粘附层（２）结合到第一陶瓷层（３）的第二陶瓷层（１），其中第一陶瓷层（３）是低温陶瓷层而第二陶瓷层（１）是高温陶瓷层。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及隔热涂层(thermal barrier coatings,TBC)领域，所述隔热涂层特别地用于保护暴露于机器例如燃气轮机的热气体通路的组件。
技术介绍
燃气轮机(gas turbines, GT)越来越需要具有更高的效率，而通常地这主要是通 过至少在极短的时间将着火温度(firing temperature)增加到高达1750°C和减小的对GT 组件的冷却作用来实现。除了应对高温以外，这些组件也应该对于延长的时间能够克服苛 刻的GT环境(运行小时> 24000小时)。存在以下主要方式来制造能够应对高温和苛刻环 境的隔热涂层系统1.基底金属/粘合涂层(bondcoat，BC) /隔热涂层(TBC)2.基底金属/BC/TBC/环境阻隔涂层(EBC)3.陶瓷基质复合材料(CMC)a)氧化物CMC+高温绝热b)非氧化物 CMC+raC4.自立杂化陶瓷结构，例如在US 2003/0207155中公开的。对于工业燃气轮机应用，特别地材料的温度能力(temperature capability)Tmax 定义为在燃气轮机燃烧气体环境中24000小时而没有显著功能性损失(例如，由于散裂导 致的降低的隔热效果，由于烧结导致的应变耐受性(strain tolerance)，由于燃烧气体成 分的环境侵蚀而导致的退化，热相稳定性(thermal phase stability))的最大可能表面温 度。具有大约7wt%氧化钇稳定的氧化锆(7YSZ)的现有技术TBC系统的Tmax已经确定 是< 1150°C，这是因为对于热循环(气轮机的启动-停机循环)导致更高的刚性和更低的 应变耐受性的烧结行为。而且对于长期运行YSZ的热相稳定性局限在大约iioo°c。对于由 于燃烧气体的Ca化合物而导致的环境侵蚀，Tfflax确定是在1200°C左右。因为所有这些退化(degradation)过程都是热活化的(反应速率指数增长)，所以 Tmax定义为相对于未使用的材料发生显著材料退化的温度。退化的量化可以通过现有技术的测试和评价工具来完成，例如X射线衍射、努氏 硬度、SEM和膨胀计等。这种现有技术涂层系统的局限可以基本上概括如下1.当前的基于MCrAlY/7wt%氧化钇稳定的氧化锆(7YSZ)的BC/TBC系统在温度 能力和它们抵抗苛刻的GT环境的能力方面都已经达到它们的极限。这些系统的上限温度 正在达到它们的极限并且易于受到燃料中的污染物例如钒以及环境污染物例如钙镁铝硅 酸盐(CMAS)的侵蚀。2. TBC/EBC系统包含功能独立的双/分级陶瓷层，其中TBC提供温度保护而EBC是 用来保护TBC不受GT的苛刻环境的影响。这些系统仍然是基于传统的BC/TBC设计，带有附加的形成EBC层的薄涂层。3a.氧化物基CMC在温度能力方面是有局限的并且需要用高温绝热层保护。氧化 物基CMC使用绝热层具有iioo°c的温度能力，富铝红柱石(铝硅酸盐)基系统是公知的，其 是高度多孔的并且对于长期应用能够应对高达1400°c的温度。由于CMC材料抗环境侵蚀， 所以它们不需要附加的EBC。因为由于纤维和基质的烧结而引起的低应变耐受性，对于这样 的系统，Tmax似乎局限在< 1200°C，对于长期运行导致不足的热循环行为。3b.非氧化物基CMC能够应对最高的温度(1600°C )。然而它们易受到GT环境的 侵蚀(特别是水蒸汽的作用引起的衰退(recession))并且需要用EBC保护。这些系统当 通过EBC层保护时可以经受苛刻的GT环境，然而，由于EBC中的任何破裂都可以导致组件 的完全失败，所以在发展十多年后，侵蚀问题仍然没有被完全解决。文献EP 1806435公开了在金属衬底上的粘合涂层，和在这之上的基于陶瓷材料 的所谓的内层，然后是同样基于陶瓷材料的外层。在该最外层上可选择地另外可以提供氧 化铝层。在制造这种层结构的上下文中没有公开使用预制单片(monolithic)陶瓷元件。US 2006/280954涉及在含硅衬底而不是在金属基衬底上的层结构。存在可以包含 铝酸钙的最外面的密封层，而且在该密封层上可以提供进一步的TBC层。同样，该文献在制 造这种层结构的上下文中没有公开使用预制单片陶瓷元件。
技术实现思路
因此本专利技术的目的是能够应对提供未来燃气轮机所需要的高温和苛刻环境的热 保护系统。这通过典型地在金属衬底(组件，例如镍基高温合金(superalloy))上的四层金 属/陶瓷杂化系统来实现。该系统连同其它方面一起依赖于例如使用当前的现有技术的金 属/BC/TBC系统，和通过把能够经受苛刻的GT环境的具有高温能力的陶瓷材料粘合到所述 金属/BC/TBC系统来增加它们的温度能力。特别地，本专利技术涉及多层热保护系统，其中第一陶瓷层(TBC层)通过粘合涂层结 合在金属衬底上。在所述第一陶瓷层上提供至少一个通过陶瓷粘附层结合到第一陶瓷层的 第二陶瓷层。所述第一陶瓷层通常通过等离子喷涂(plasmaspraying)(或者另外的热喷涂 方法)施加和所述第二陶瓷层包括通过所述陶瓷粘附层粘附地结合到所述第一陶瓷层的 单片陶瓷兀件(monolithic ceramicelements)。单片陶瓷元件将理解为预制元件(pre-fabricated elements)，其可以是砖 (tiles)、柱状结构(columnar structures)、块状结构等形式，重要的是它们是预先制造的 并且在应用到衬底之前已经烧结。这些单片陶瓷元件典型地在大约1600°C的温度烧结，并 因此当安装在机器中时不再经历进一步的烧结过程。典型地，第一等离子喷涂的陶瓷层的厚度范围是0. 1至2mm。典型地，第二陶瓷层，即单片陶瓷元件的厚度(垂直于衬底的表面测量)范围是2 至35mm，优选地是5_10mm。根据一个优选的实施方案，所述第一陶瓷层是低温陶瓷层而所述第二陶瓷层是高温陶瓷层ο这意味着所述第一陶瓷层通常具有高达并包括1150°C的温度的温度能力Tmax，优选地高达并包括1100°c的温度，如例如上面描述的常规TBC层的情况。所述第二陶瓷层，即所述单片陶瓷元件，优选地具有比第一陶瓷层更高的温度能 力Tmax。这意味着优选地第二陶瓷层的温度能力Tmax比第一陶瓷层的温度能力Tmax至少高 100°c，优选地至少高200°C或甚至300°C。通常地，所述第二陶瓷层具有至少1200°C的温度能力Tmax，更加优选地至少 1500°C，甚至更加优选地范围是1200至1750°C。所述第二层的Tmax由烧结、相稳定性和环 境稳定性限定。 如上面描述的那样，对于工业燃气轮机应用，材料的温度能力Tmax特别地定义为在 燃气轮机燃烧气体环境中24000小时而没有显著功能性损失(例如由于散裂导致的降低的 隔热效果，由于烧结导致的应变耐受性，由于燃烧气体成分的环境侵蚀而导致的退化，热相 稳定性)的最大可能表面温度。用于测定温度能力的退化量化可以通过现有技术的测试和评价工具来完成，例如 X射线衍射、努氏硬度、SEM、膨胀计等。有关这些量的测量，参考以下文献ASTM C1326-08el Standard Test Method for Knoop IndentationHa本文档来自技高网...

【技术保护点】
多层热保护系统，其中第一陶瓷层（３）通过粘合涂层（４）结合在金属衬底（５）上，其中在第一陶瓷层（３）上提供至少一个通过陶瓷粘附层（２）结合到第一陶瓷层（３）的第二陶瓷层（１），其中第一陶瓷层（３）通过等离子喷涂施加和第二陶瓷层（１）包括粘附地结合到第一陶瓷层（３）的单片陶瓷元件。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：HP博斯曼，S巴彻戈达，M埃斯奎尔，R伊滕，
申请(专利权)人：阿尔斯托姆科技有限公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]