МАТЕРИАЛ И СИСТЕМА СЛОЕВ Российский патент 2010 года по МПК C23C28/00 

Изобретение касается материала по пункту 1 и системы слоев по пункту 30 формулы изобретения.

Элементы для применения в высокотемпературных установках, например лопатках турбин и стенок камер сгорания газовых турбин, имеют защитные слои против окисления и коррозии. Такие слои состоят, например, из сплава типа MCrAlX, причем на этом MCrAlX-слое образуется защитный слой оксида алюминия. При этом алюминий диффундирует из MCrAlX-сплава на поверхность MCrAlX-слоя, так что сплав обедняется элементом алюминием.

Превентивно высокое содержание алюминия в MCrAlX-сплаве с самого начала ведет к ухудшенным механическим свойствам MCrAlX-слоя.

Кроме того, известны лопатки компрессора, которые снабжены защитными слоями против коррозии и эрозии. При изготовлении они имеют неорганическое связующее веществ с металлом, причем металл служит в качестве гальванического расходуемого элемента и поэтому электрически-проводяще соединен с подложкой элемента. Подходящая композиция такого защитного слоя известна из ЕР 0142418 B1.

Также здесь проблема состоит в том, что со временем металл расходуется, так что защитная функция больше не выполняется.

Покрытые оболочкой абразивные керамические частицы порошка, которые состоят из SiC (неокисляемая керамика), известны из US 4,741,973.

ЕР показывает частицы оксида в слое, состоящем из алюминида.

Поэтому задачей изобретения является показать материал и систему слоев, которые имеют более продолжительное защитное действие.

Задача решается посредством материала с признаками пункта 1 и системы слоев с признаками пункта 30 формулы изобретения.

В зависимых пунктах формулы изобретения приведены другие предпочтительные меры, которые могут произвольно сочетаться друг с другом предпочтительным образом.

Показаны:

Фиг.1. Частица порошка.

Фиг.2-6. Примеры осуществления по изобретению.

Фиг.7. Камера сгорания.

Фиг.8. Лопатка турбины и

Фиг.9. Газовая турбина.

Фиг.1 показывает частицу 1 в поперечном разрезе для материала по изобретению.

Частица 1 состоит из ядра 7 и оболочки 4. Ядро 7 имеет первый элемент (химический элемент) или первое соединение. Соединение состоит из нескольких химических элементов.

Ядро 7 может состоять из металла, органического соединения (например, керамики), оксида неметалла, оксида металла, также оксида или стекла.

Ядро 7 не состоит из карбида кремния (SiC) или неокисляемой керамики (например, Si₃N₄).

Таким же образом ядро 7 может состоять из спекшихся частиц порошка или порошковых гранул.

Ядро 7 окружено оболочкой 4, которая обволакивает ядро 7, по меньшей мере, частично, в частности полностью.

Оболочка 4 может также быть выполнена пористой.

Диаметр ядра 7 может лежать в микро-, субмикро- (<1µm) или в нанодиапазоне (≤500 nm). Под диаметром может также пониматься наибольшая поперечная длина одного полиэдра (ядро 7).

Первый элемент является, в частности, металлическим и может быть, например, алюминием (Al).

Таким же образом первый элемент может быть хромом (Cr), алюминиевохромовым сплавом или алюминидом. Таким же образом ядро 7 может быть смесью из двух металлов (например, хрома и алюминия), которые при необходимости могут образовывать сплав, но которые не являются легированными.

Под понятием «металлический» также должны пониматься сплавы.

Другими примерами для первого элемента являются: железо (Fe), титан (Ti), платина (Pt), иттрий (Y), цинк (Zn), олово (Sn) и/или медь (Cu).

Оболочка 4 имеет второй химический элемент или второе соединение, которое отличается от первого элемента или первого соединения.

Второе соединение, также материал оболочки 4, является, в частности, керамикой (неоксидная или оксидная керамика) и, например, оксидом алюминия и/или оксидом хрома или другим оксидом металла, как оксид железа или оксид титана, или оксид первого металлического элемента или металлического соединения.

Таким же образом для оболочки 4 может применяться органический материал, как, например, соединение Si-O-C.

Соединение Si-O-С изготавливается, в частности, из полисилоксановой смолы. Полисилоксановые смолы являются полимеркерамическими предварительными ступенями структурной формулы XsiO_1,5, причем Х может быть = -СН₃, -СН₂, -C₆H_s и т.д. Материал термически структурируется, причем неорганические составные части (Si-O-Si-цепи) и органические боковые цепи имеются в наличии рядом друг с другом, преобладающе из X. Затем предварительные ступени керамизируются посредством температурной обработки в атмосфере Ar, N₂ или в вакуумной атмосфере при температурах между 600°С и 1200°С. При этом полимерная сетка распадается и заново структурируется через термические предварительные ступени от аморфных до кристаллических фаз, причем возникает Si-O-С-сетка, исходящая из полисилоксановых предварительных ступеней.

Таким же образом применяются предварительные ступени типа полисилан (Si-Si), поликарбосилан (Si-C), полисилазан (Si-N) или полибаросилазан (Si-B-C-N).

Таким же образом второй элемент может быть металлическим и, например, состоять из титана (Ti) или представлять собой сплав.

Таким образом, являются возможными, например, следующие комбинации материалов для частицы 1 (органика = органический материал):

Ядро 7 из SiOC - оболочка 4 из металла,

Ядро 7 из SiOC - оболочка 4 из оксида (оксид металла или оксид неметалла),

Ядро 7 из SiOC - оболочка 4 из керамики (органика или SiOC),

Ядро 7 из SiOC - оболочка 4 из стекла,

Ядро 7 из металла - оболочка 4 из металла,

Ядро 7 из металла - оболочка 4 из оксида (оксид металла или оксид неметалла),

Ядро 7 из металла - оболочка 4 из керамики (органика или Si-O-С),

Ядро 7 из металла - оболочка 4 из стекла,

Ядро 7 из металла - оболочка 4 из полимера,

Ядро 7 из оксида - оболочка 4 из металла,

Ядро 7 из оксида - оболочка 4 из оксида (оксид металла или оксид неметалла),

Ядро 7 из оксида - оболочка 4 из керамики (органика или Si-O-С),

Ядро 7 из оксида - оболочка 4 из стекла,

Ядро 7 из стекла - оболочка 4 из металла,

Ядро 7 из стекла - оболочка 4 из оксида (оксид металла или оксид неметалла),

Ядро 7 из стекла - оболочка 4 из керамики (органика или Si-O-С),

Ядро 7 из стекла - оболочка 4 из стекла.

Оболочка 4 также, например, может иметь градиент в концентрации одной из своих составных частей. Так, ядро 7 частицы 1 образуется, например, из алюминия и оболочка 4 - частично из платины, причем концентрация материала оболочки, предпочтительно платины - увеличивается исходя от поверхности 25 ядра 7 до внешней поверхности 28 оболочки 4. При этом также уменьшается концентрация материала ядра, также, например, алюминия в оболочке изнутри наружу и имеет на поверхности 28 оболочки 4 предпочтительно такую же или более высокую концентрацию по сравнению с алюминием матрицы.

Многослойные оболочки 4 также являются допустимыми.

Толщина слоя оболочки 4 составляет, например, до 1/5, в частности до 1/10, диаметра ядра 7 и предпочтительно составляет 10 µm.

Фиг.2 показывает материал по изобретению слоя 16. Слой 16 является частью элемента 120, 130 (фиг.7, 9), элемент 155 камеры сгорания (фиг.8) или системы 10 слоев, которая состоит из подложки 13, на которой расположен слой 16.

Подложка 13 является, например, элементом для высоких температур, например, у паровых или газовых турбин 100 (фиг.7), состоящая из жаропрочных сплавов на основе никеля, кобальта или железа.

Такие системы 10 слоев находят применение в лопатках 120,130 турбин, элементах 155 теплозащитных щитов или корпусных деталях 138.

Слой 16 имеет материал из материала матрицы, в которой частицы 1 распределены однородно или локально (например, с градиентом).

Частицы 1 в матрице предпочтительно распределены однородно.

При этом могут также изготавливаться и применяться несколько слоев 16, 19, причем частицы 1 имеются в наличии в одном или нескольких частичных слоях или граничных слоях. Частицы 1 могут наноситься почти вместе с каждым способом нанесения покрытия, также с помощью термического плазменного напыления (APS, VPS, LPPS), распыление холодного газа, HVOF или электролитического способа нанесения покрытия.

Материал слоя 16 может быть металлом, керамикой, стеклом или керамическо-органическим соединением (например, Si-O-C).

Например, слой 16 является сплавом типа MCrAlX, и частицы 1 состоят из ядра 7 из алюминия. Предпочтительно применяются сплавы, богатые алюминием. Частицы 1 могут быть распределены во всем слое 16 или располагаться локально концентрированно вблизи внешней поверхности 22 слоя 16.

Как уже было описано выше, защитная функция MCrAlX-сплава оказывается в том, что алюминий образует оксид алюминия, но при этом истощается в материале матрицы. Алюминий ядра 7 имеет в материале оболочки 4, например, коэффициент диффузии при рабочих температурах, меньший, по меньшей мере, на 5%, в частности на 10%, чем алюминий в материале матрицы слоя 16, также здесь в MCrAlX-сплаве.

При высоких температурах алюминий медленно диффундирует через оболочку 4 в материал матрицы слоя 16 и снова пополняет алюминий, израсходованный посредством окисления в материале матрицы, так что первоначальная композиция MCrAlX-сплава в течение эксплуатации почти или полностью не изменяется, пока в порошковой частице 1 не останется алюминия.

Тем самым достигается, что срок службы защитного слоя 16 значительно увеличивается.

Частицы 1 могут иметься в наличии либо только в слое 16 (MCrAlX), либо только в положке 13. Таким же образом является возможным, чтобы частицы располагались как в слое 16, так и в подложке 13.

Независимо от того, расположены ли частицы 1 также в слое 16, которые присутствуют на подложке 13, при наличии частиц 1 в подложке 13 проявляется следующая защитная функция.

Во время применения системы 10 слоев может произойти так, что слой 16 (MCrAlX или MCrAlX + керамика) отслаивается в области 37, так что часть поверхности 31 подложки 13 является незащищенной (Фиг.4). Тем не менее частицы 1 расположены в области, близкой к поверхности. Посредством дальнейшего применения системы 10 слоев при высоких температурах Т в течение длительного времени t поверхность 31 субстрата 13 подвергается коррозии в области 37, вследствие чего оболочки 4 частиц 1 абразивно или термически растворяются, и освобождается ядро 7 частицы 1.

Посредством реакции материала ядра 7 проявляется защитная функция в области 37 подложки 13. В случае с жаропрочными сплавами, которые применяются для лопаток газовых турбин, ядро 7 состоит из алюминия или алюминийсодержащего сплава, так что в области 37 образуется из оксида алюминия защитный сплав 40, который возникает посредством окисления алюминия ядра 7 частиц 1.

Таким же образом может быть возможным, чтобы посредством повышенных температур, которые испытывают частицы 1 без слоя 16 в области 37, повышается диффузия через оболочку 4, так что также без вскрытия оболочки 4 алюминий достигает поверхности в области 37 и там может окисляться, так что может образовываться защитный оксидный слой 40.

Таким же образом эти частицы 1 могут применяться для усиления жаропрочного сплава, как это известно, у так называемых ODS-сплавов. Размер частиц 1 предпочтительно соответствует оптимальному размеру γ-фазы жаропрочного сплава.

Частицы 1 предпочтительно имеются в наличии уже в расплаве и разливаются вместе с ним. Относительно принципа расположения и принципа действия керамических частиц в жаропрочном сплаве ссылаются на уровень техники относительно ODS-жаропрочного сплава. Частицы 1 имеют функцию: улучшение механических свойств и достижение способности сохранять служебные свойства при разрушении.

Таким же образом материал оболочки 4 может выбираться так, что оболочка 4 растворяется посредством диффузии в кристаллической структуре материала матрицы слоя 16 и при необходимости образует выделения в материале матрицы, и только после определенного времени делается возможным диффузия материала ядра 7 непосредственно в материал матрицы, так как до этого момента еще существует защитная функция, например, MCrAlX-слоя.

При этом второй элемент или элемент второго соединения оболочки 4 имеет в материале матрицы, например, более высокий коэффициент диффузии, чем в первом элементе или в первом соединении.

Оболочка 4 также может растворяться абразивно и/или термически, и/или химически, так что посредством этого раскрывается ядро 7.

Таким же образом металл, как, например, алюминий в первом слое 16 лопатки компрессора, как описано выше, может быть окружен оболочкой 4, например, из оксида алюминия, причем оксид алюминия, если он расположен, по меньшей мере, в области поверхности, способствует повышению сопротивления эрозии.

Таким же образом слой 16 может представлять собой защитный слой против коррозии и/или эрозии лопатки компрессора, причем частицы 1 в слое 16 с химической композицией согласно патенту ЕР 0142418 B1 приводят к тому, что через четкий продолжительный интервал времени в распоряжение предоставляется достаточно расходуемого материала, чтобы проявилась желаемая защитная функция.

При этом первый элемент, в частности алюминий, окружен оболочкой 4, например, из связующего вещества или полимера.

При этом может иметься в наличии местный концентрационный градиент частиц 1 внутри слоя 16 или также подложки 13. Так, например, увеличивается концентрация частиц 1 исходя от поверхности 31 подложки 13 к поверхности 34 слоя 16.

При сжатии воздуха в компрессоре может выделяться вода, которая при определенных обстоятельствах образует электролит в соединении с другими элементами, содержащимися в воздухе, который может привести к коррозии и/или эрозии. Поэтому, чтобы предотвратить коррозию или эрозию, лопатки компрессора, как правило, снабжаются покрытиями. При этом во внимание принимаются в частности, покрытия, которые охватывают, например, фосфатносвязанную основную матрицу с дисперсно распределенными в ней частицами металла, как примерно частицами алюминия. Защитное действие подобного покрытия состоит в том, что частицы металла, введенные в основное покрытие вместе с (благородным) металлом лопаток компрессора и электролитом, образуют гальванический элемент, в котором металлические частицы образуют так называемые расходуемые аноды. Окисление или, соответственно, коррозия происходит затем в расходуемых анодах, то есть в металлических частицах и не в металле лопаток компрессора.

Фосфатносвязанная основная матрица покрытия имеет стеклокерамические свойства, является термически стабильной, таким же образом коррозионноустойчивой и защищает от механических воздействий, как абразивное действие и эрозия.

Наряду с частицами металла покрытие может содержать другие частицы в качестве заполнителей. В качестве примера на этом месте называются частицы красителя.

Наряду с фосфатносвязанными покрытиями во внимание принимаются другие виды покрытий 16. ЕР 0142418 B1, ЕР 0905279 А1 и ЕР 0995816 А1 описывают покрытия на основе хромата/фосфата. ЕР 1096040 А2 описывает покрытие 16 на основе фосфата/бората и ЕР 0933446 B1 описывает покрытие на основе фосфата/перманганата.

Фиг.3 показывает другой пример применения слоя 16 по изобретению.

Система 10 слоев состоит из подложки 13, слоя 16 по изобретению с другим слоем 19 на материале слоя 16.

Это является, например, системой 10 слоев для применения в высокотемпературных установках, причем подложка 13 снова представляет собой жаропрочный сплав, как описано выше, и слой 16 имеет матрицу типа MCrAlX. Затем слой 19 представляет собой керамический теплоизоляционный слой, причем между слоем 16 и слоем 19 образуется защитный слой оксида алюминия (TGO) (не изображен). Частицы 1 по изобретению сконцентрированы, например, вблизи пограничной поверхности между слоями 16 и 19.

Таким же образом можно представить себе элемент из материала, который имеет частицы 1, то есть они представлены не в покрытии, а в массивном материале.

Фиг.5 показывает другую частицу 1 по изобретению. Частица 1 снова состоит из ядра 7, внутренней оболочки 4' вокруг ядра 7 и другой оболочки 4" вокруг внутренней оболочки 4'.

Частица 1 может также иметь многослойные оболочки 4. Ядро 7 предпочтительно имеет металл, оболочка 4' керамику и внешняя оболочка 4" металл.

Таким же образом благоприятным является, если ядро 7 из металла имеет внутреннюю оболочку 4' снова металл, который, в частности, отличается от материала ядра 7, и внешнюю оболочку 4" из керамики.

Таким же образом ядро 7 может быть полым пространством, внутренняя оболочка 4' из металла и внешняя оболочка 4" из керамики.

Другая частица 1 для материала 1 по изобретению изображена на фиг.6.

Частица 1 имеет трехслойную оболочку.

Примеры применения для последовательности материала в материалах оболочки 4', 4", 4'" показаны в следующей таблице.

  Материал Материал Материал Материал Материал Материал Материал 4' Металл Металл Металл Металл Керамика Керамика Керамика 4" Металл Керамика Керамика Металл Металл Металл Керамика 4'" Керамика Металл Керамика Металл Металл Керамика Металл

Металл оболочки 4' может отличаться от металла оболочки 4" или, соответственно, 4'".

Здесь также ядро 7 может быть полым пространством.

Металлы оболочек 4', 4" (фиг.5), 4'" (фиг.6) также могут отличаться от металла ядра 7.

Толщины слоев оболочек 4, 4' (фиг.5), 4" могут подгоняться индивидуально, прежде всего, быть различными.

Фиг.7 показывает вид в перспективе рабочей лопатки 120 или направляющей лопатки 130 лопастной машины, которая проходит вдоль продольной оси 121.

Лопастной машиной может быть газовая турбина самолета или электростанции для производства электричества, паровая турбина или компрессор.

Лопатка 120, 130 имеет вдоль продольной оси 121 следующие друг за другом крепежную область 400, граничащую с ней платформу 403 лопатки, а также рабочую сторону 406 лопатки и вершину 415 лопатки.

В качестве направляющей лопатки 130 лопатка 130 может иметь на своей вершине 415 другую платформу (не изображена).

В крепежной области 400 образована ножка 183 лопатки, которая служит для крепления направляющих лопаток 120, 130 на вале или на диске (не изображена).

Ножка 183 лопатки сформирована, например, в виде т-образной головки. Являются возможными и другие оформления ножки в виде елочки или «хвоста ласточки».

Лопатка 120, 130 для среды, которая протекает мимо рабочей стороны 406 лопатки, имеет грань 409 восходящего потока и грань 412 нисходящего потока.

У обычных лопаток 120, 130 во всех областях 400, 403, 406 лопаток 120, 130 применяются, например, массивные металлические материалы, в частности жаропрочные сплавы.

Такие жаропрочные сплавы известны, например, из ЕР 1204776 B1, EP 1306454, EP 1319729 A1, WO 99/67435 или WO 00/44949. Эти тексты относительно химической композиции являются частью раскрытия изобретения.

Лопатка 120, 130 может при этом изготавливаться посредством литейного способа, также с помощью направленной кристаллизации, посредством ковки, посредством фрезерования или комбинации вышеназванного.

Заготовки с монокристаллической структурой или структурами применяются в качестве элементов для машин, которые при эксплуатации подвергаются механическим, термическим и/или химическим нагрузкам.

Изготовление подобных монокристаллических заготовок происходит, например, посредством направленной кристаллизации из расплава. При этом речь идет о литейных способах, у которых жидкий металлический сплав кристаллизуется в монокристаллическую структуру, то есть в монокристаллическую заготовку или направленно.

При этом дендритные кристаллы ориентированы вдоль теплового потока и образуют либо стержнекристаллическую зернистую структуру (столбчатую, то есть зерна, которые проходят по всей длине и здесь согласно общепринятому словоупотреблению обозначаются как «направленно кристаллизованные»), либо монокристаллическую структуру, то есть вся заготовка состоит из одного единственного кристалла. В этом способе нужно избегать перехода к глобулярной (поликристаллической) кристаллизации, так как посредством ненаправленного роста неизбежно образуются поперечные и продольные границы зерен, которые уничтожают хорошие свойства направленно кристаллизованных или монокристаллических заготовок.

Если, в общем, речь идет о направленно кристаллизованных структурах, то под этим понимаются как монокристаллы, которые не имеют границ зерен или, в крайнем случае, границу зерен с малым углом разориентации, как и стержнекристаллические структуры, которые, пожалуй, имеют границы зерен в продольном направлении, но не имеют границ зерен в поперечном направлении. У этих дважды названных кристаллических структур речь также идет о направленно кристаллизованных структурах (directionally solidified structures).

Такие способы известны из US-PS 6,024,792 и ЕР 0892090 A1. Эти тексты относительно химической композиции являются частью раскрытия изобретения.

Таким же образом лопатки 120, 130 могут иметь покрытия против коррозии или окисления, например, (MCrAlX; M - это, по меньшей мере, элемент группы железа (Fe), кобальта (Со), никеля (Ni), X - это активный элемент и представляет собой иттрий (Y), и/или кремний (Si) и/или, по меньшей мере, редкоземельный элемент, или, соответственно, гафний (Hf)). Такие сплавы известны из ЕР 0486489 B1, EP 0786017 B1, EP 0412397 B1 или ЕР 1306454 A1, которые относительно химической композиции сплава должны быть частью раскрытия изобретения. Толщина составляет предпочтительно 95% теоретической толщины.

На MCrAlX-слое (как промежуточный слой или как внешний слой) образуется защитный слой оксида алюминия (TGO - thermal grown oxide layer). MCrAlX-слой или подложка имеет материал по изобретению.

На MCrAlX может еще присутствовать теплоизоляционный слой, который предпочтительно является внешним слоем и состоит, например, из ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂, то есть он не стабилизируется частично или полностью оксидом иттрия и/или оксидом кальция, и/или оксидом магния.

Теплоизоляционный слой покрывает весь MCrAlX-слой. Посредством подходящего способа нанесения покрытия, как, например, электронно-лучевое напыления (EB-PVD) производятся стержневидные зерна в теплоизоляционном слое.

Допустимыми являются и другие способы, например, атмосферное плазменное напыление (APS), LPPS, VPS или CVD. Теплоизоляционный слой может иметь пористые зерна, пораженные микро- или макротрещинами для лучшей стойкости к тепловому удару. Теплоизоляционный слой также является предпочтительно более пористым, чем MCrAlX-слой.

Восстановление (refurbishment) означает, что элементы 120, 130 после их ввода в действие должны быть при необходимости освобождены от защитных слоев (например, посредством пескоструйной обработки). После этого происходит удаление коррозионных и/или окислительных слоев или, соответственно, продуктов. При необходимости ремонтируются также трещины в элементе 120, 130. После этого происходит повторное покрытие элементов 120, 130 и новое использование элементов 120, 130.

Лопатка 120, 130 может быть выполнена полой или массивной. Если лопатка 120, 130 нуждается в охлаждении, она является полой и при необходимости имеет еще пленочные отверстия 418 для охлаждения (указаны штриховкой).

Фиг.8 показывает камеру 110 сгорания газовой турбины. Камера 110 сгорания сформирована, например, в виде так называемой кольцевой камеры сгорания, у которой множество горелок 107, расположенных в направлении окружности вокруг оси 102 вращения, переходят в общее пространство 154 камеры сгорания, которые производят пламя 156. К тому же камера 110 сгорания в совокупности сформирована в виде кольцевидной структуры, которая расположена вокруг оси 102 вращения.

Для достижения сравнительно высокого коэффициента полезного действия камера 110 сгорания рассчитана для сравнительно высокой температуры рабочей среды М примерно 1000°С до 1600°С. Для того чтобы сделать возможным сравнительно долгий срок службы при таких неблагоприятных для материалов рабочих параметрах, стенка 153 камеры сгорания на своей стороне, обращенной к рабочей среде М, снабжена внутренней футеровкой, образованной из теплозащитных элементов 155.

Каждый теплозащитный элемент 155 из сплава снабжен со стороны рабочей среды особо жаропрочным защитным слоем (MCrAlX-слой и/или керамическое покрытие) или изготавливается из термостойкого материала (массивных керамических кирпичей).

Эти защитные слои могут быть похожими на лопатки турбин, также означает, например, MCrAlX: M - это, по меньшей мере, элемент группы железа (Fe), кобальта (Со), никеля (Ni), Х - это активный элемент и представляет собой иттрий (Y), и/или кремний (Si) и/или, по меньшей мере, редкоземельный элемент, или, соответственно, гафний (Hf). Такие сплавы известны из ЕР 0486489 B1, EP 0786017 B1, EP 0412397 B1 или ЕР 1306454 А1, которые относительно химической композиции сплава должны быть частью раскрытия изобретения.

MCrAlX-слой или подложка теплозащитного элемента 155 имеет материал по изобретению.

На MCrAlX-слое может еще присутствовать, например, керамический теплоизоляционный слой и состоит, например, из ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂, то есть не является частично или полностью стабилизированным оксидом иттрия и/или оксидом кальция и/или оксидом магния.

Посредством подходящего способа нанесения покрытия как, например, электронно-лучевое напыление (EB-PVD) производятся стержневидные зерна в теплоизоляционном слое.

Допустимыми являются и другие способы нанесения покрытия, например, атмосферное плазменное напыление (APS), LPPS, VPS или CVD. Теплоизоляционный слой может иметь пористые зерна, пораженные микро- или макротрещинами для лучшей стойкости к тепловому удару.

Восстановление (refurbishment) означает, что теплозащитные элементы 155 после их ввода в действие должны быть при необходимости освобождены от защитных слоев (например, посредством пескоструйной обработки). После этого происходит удаление коррозионных и/или окислительных слоев или, соответственно, продуктов. При необходимости ремонтируются также трещины в теплозащитном элементе 155. После этого происходит повторное покрытие теплозащитных элементов 155 и новое использование элементов 155.

На основе высоких температур внутри камеры 110 сгорания для теплозащитных элементов 155 или, соответственно, для их фиксирующих элементов может быть предусмотрена система охлаждения. Теплозащитные элементы 155 тогда являются, например, полыми и при необходимости еще имеют отверстия для охлаждения, переходящие в пространство 154 камеры сгорания (не изображены).

Фиг.9 примерно показывает газовую турбину 100 в частичном продольном разрезе.

Газовая турбина 100 внутри имеет ротор 103 с валом 101, вращающийся вокруг оси 102 вращения, который обозначен как ротор турбины.

Вдоль ротора 103 друг за другом следуют: корпус 104 воздухозаборника, компрессор 105, например, кольцевидная камера 110 сгорания, в частности кольцевая камера сгорания с несколькими концентрически расположенными горелками 107, газовая турбина 108 и корпус для отвода отработанных газов 109.

Кольцевая камера сгорания соединяется, например, с кольцевидным каналом 111 горячего газа. Там, например, четыре включенные друг за другом ступени 112 турбины образуют турбину 108.

Каждая ступень 112 турбины образована, например, из двух колец лопаток. В направлении потока рабочей среды 113 в канале 111 горячего газа ряда 115 направляющих лопаток следует ряд 125, образованный из рабочих лопаток 120.

При этом направляющие лопатки 130 закреплены на внутреннем корпусе 138 статора 143, в то время как рабочие лопатки 120 ряда 125 установлены на роторе 103, например, с помощью диска 133 турбины.

На роторе 103 прикреплен генератор или рабочая машина (не изображены).

Во время эксплуатации газовой турбины 100 воздух 135 всасывается компрессором 105 через корпус 104 воздухозаборника и сжимается. Сжатый воздух, подготовленный на конце компрессора 105, обращенного к турбине, направляется к горелкам 107 и там смешивается с топливом. Затем смесь при образовании рабочей среды 113 сжигается в камере 110 сгорания. Оттуда рабочая среда 113 течет вдоль канала 111 горячего газа к направляющим лопаткам 130 и рабочим лопаткам 120. На рабочих лопатках 120 рабочая среда 113 расширяется, перенося импульсы, так что рабочие лопатки 120 приводят в движение ротор 103, и он приводит в движение соединенную с ним рабочую машину.

Элементы, подвергающиеся воздействию горячей рабочей среды 113 во время эксплуатации газовой турбины 100, подлежат термическим нагрузкам. Направляющие лопатки 130 и рабочие лопатки 120 первой ступени 112 турбины, видимой в направлении потока рабочей среды 113 наряду с теплозащитными элементами, которыми облицована кольцевая камера 110 сгорания, подвергаются наибольшим термическим нагрузкам.

Чтобы выдерживать присутствующие там температуры, они могут охлаждаться с помощью охлаждающего вещества.

Таким же образом подложки элементов могут иметь направленную структуру, то есть они являются монокристаллическими (SX-структура) или имеют только продольно направленные зерна (DS-структура). В качестве материала для элементов, в частности для лопаток 120, 130 турбин и элементов камеры 110 сгорания, применяются, например, жаропрочные сплавы на основе железа, никеля или кобальта.

Такие жаропрочные сплавы известны, например, из ЕР 1204776 B1, EP 1306454, EP 1319729 A1, WO 99/67435 или WO 0044949. Эти тексты относительно химической композиции сплавов являются частью раскрытия изобретения.

Таким же образом лопатки 120, 130 могут иметь покрытия против коррозии (MCrAlX; M - это, по меньшей мере, элемент группы железа (Fe), кобальта (Со), никеля (Ni), Х - это активный элемент и представляет собой иттрий (Y), и/или кремний (Si) и/или, по меньшей мере, редкоземельный элемент, или, соответственно, гафний (Hf)). Такие сплавы известны из ЕР 0486489 B1, EP 0786017 B1, EP 0412397 B1 или ЕР 1306454 A1, которые относительно химической композиции сплава должны быть частью раскрытия изобретения.

На MCrAlX может также иметься в наличии теплоизоляционный слой и состоит, например, из ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂, то есть он не является частично или полностью стабилизированным посредством оксида иттрия и/или оксида кальция, и/или оксида магния.

Посредством подходящего способа нанесения покрытия, как, например, электронно-лучевое распыление производятся стержневидные зерна в теплоизоляционном слое.

Направляющая лопатка 130 имеет ножку направляющей лопатки (здесь не изображена), повернутую к внутреннему корпусу 138 турбины 108 и головку направляющей лопатки, противоположную ножке направляющей лопатки. Головка направляющей лопатки обращена к ротору 103 и установлена на крепежном кольце статора 143.

Изобретение может быть использовано в высокотемпературных установках, например в лопатках турбины, теплозащитных элементах, элементах корпуса газовой или паровой турбины, а также в лопатках компрессора газовой турбины. Материал для конструктивного элемента или для слоя содержит материал матрицы и частицы (1) с ядром (7), содержащим первый элемент или первое соединение, и по меньшей мере одной оболочкой (4) вокруг ядра (7), содержащей второй элемент или второе соединение. Материал матрицы является сплавом типа MCrAlX, первый элемент или первое соединение состоит из металла, оксида металла, оксида неметалла, стекла или Si-O-С-соединения или смеси из них, и по меньшей мере одна оболочка (4', 4", 4'") является керамической, в частности, оксидом металла. Обеспечивается более продолжительное защитное действие против окисления и коррозии. 2 н. и 34 з.п. ф-лы, 1 табл., 9 ил.

1. Материал для элемента (10, 120, 130, 138, 155) или для слоя (16, 19), содержащий материал матрицы и частицы (1) с ядром (7), содержащим первый элемент или первое соединение, и по меньшей мере одной оболочкой (4) вокруг ядра (7), содержащей второй элемент или второе соединение, отличающийся тем, что материал матрицы является сплавом типа MCrAlX, первый элемент или первое соединение состоит из металла, оксида металла, оксида неметалла, стекла или Si-O-С-соединения или смеси из них, и по меньшей мере одна оболочка (4', 4", 4'") является керамической, в частности оксидом металла.

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что первый элемент является элементом матрицы или первое соединение соответствует материалу матрицы.

3. Материал по п.1, отличающийся тем, что ядро (7) является металлическим.

4. Материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что первый элемент является хромом.

5. Материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что первый элемент является алюминием.

6. Материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что ядро (7) содержит алюминий и хром.

7. Материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что первое соединение является сплавом, обогащенным алюминием, в частности алюминиево-хромовым, никель-алюминиевым сплавом или алюминидом.

8. Материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что второе соединение является оксидом алюминия Al₂O₃ и/или оксидом хрома Cr₂O₃.

9. Материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что второе соединение является органическим соединением, в частности Si-O-С-соединением.

10. Материал по п.1, отличающийся тем, что оболочка (4) является пористой.

11. Материал по п.1, отличающийся тем, что оболочка (4) имеет концентрационный градиент, в частности элемента материала ядра (7), причем, в частности, концентрация элемента материала ядра (7) уменьшается изнутри наружу к поверхности (28) оболочки (4).

12. Материал по п.1, отличающийся тем, что ядро (7) сформировано зерновидным.

13. Материал по п.1, отличающийся тем, что материал матрицы является керамическим или стеклокерамическим.

14. Материал по п.1, отличающийся тем, что материал матрицы является металлическим.

15. Материал по пп.1, 10 или 11, отличающийся тем, что оболочка (4) выполнена многослойной (4', 4", 4'").

16. Материал по п.15, отличающийся тем, что оболочка (4) состоит из двух слоев (4', 4").

17. Материал по п.15, отличающийся тем, что ядро (7) является металлическим, первая оболочка (4') вокруг ядра (7) является металлической и внешняя оболочка (4") является керамическим слоем.

18. Материал по п.16, отличающийся тем, что ядро (7) является металлическим, оболочка (4') вокруг ядра (7) выполнена из керамики и внешняя оболочка (4") является металлической.

19. Материал по одному из пп.1, 10 или 11, отличающийся тем, что оболочка (4) состоит из трех слоев (4', 4", 4'").

20. Материал по п.19, отличающийся тем, что ядро является металлическим, первая оболочка (4') выполнена из керамики, вторая оболочка (4") является металлической и внешняя оболочка (4'") выполнена из керамики.

21. Материал по п.19, отличающийся тем, что ядро (7) является металлическим, первая оболочка (4') металлической, вторая оболочка (4") металлической и внешняя оболочка (4'") выполнена из керамики.

22. Материал по одному из пп.17, 18, 20 или 21, отличающийся тем, что металл ядра (7) отличается от металла оболочек (4', 4", 4'").

23. Материал по одному из пп.17, 18, 20 или 21, отличающийся тем, что металл ядра (7) соответствует металлу по меньшей мере одной из оболочек (4', 4", 4'").

24. Материал по п.17, отличающийся тем, что толщины слоев (4', 4") сформированы различными.

25. Материал по п.1, отличающийся тем, что диаметр ядра (7) ≤500 нм, в частности ≤100 нм.

26. Материал по п.1 или 16, отличающийся тем, что толщина оболочки (4) составляет самое большее 1/5, в частности 1/10 диаметра ядра (7), в частности 10 мкм.

27. Материал по п.1 или 5, отличающийся тем, что ядро (7) состоит из первого элемента или первого соединения и оболочка (4) состоит из второго элемента или второго соединения.

28. Материал по п.1, отличающийся тем, что только одна оболочка (4', 4", 4'") является керамической.

29. Система слоев, которая имеет подложку (13) и/или которая, по меньшей мере, имеет слой (16), расположенный на подложке (13), причем подложка (13) и/или слой (16) имеет материал согласно одному из пп.1-28.

30. Система слоев по п.29, отличающаяся тем, что на слое (16) расположен другой слой (19).

31. Система слоев по п.29 или 30, отличающаяся тем, что внутри слоя (16) и/или подложки (13) имеется градиент концентрации частиц (1).

32. Система слоев по п.29 или 30, отличающаяся тем, что только подложка (13) имеет материал согласно одному из пп.1-28.

33. Система слоев по п.29 или 30, отличающаяся тем, что только слой (16) имеет материал согласно одному из пп.1-28.

34. Система слоев по п.29 или 30, отличающаяся тем, что подложка (13) является жаропрочным сплавом на основе кобальта, никеля или железа, на который нанесен слой (16) с матрицей из сплава типа MCrAlX, на котором в частности присутствует керамический теплоизоляционный слой, в частности состоящий из оксида циркония.

35. Система слоев по п.29 или 30, отличающаяся тем, что система (10) слоев применяется для элемента, в частности для лопатки (120, 130) турбины, теплозащитного элемента (155) или элемента (138) корпуса турбины, в частности газовой (100) или паровой турбины.

36. Система слоев по п.35, отличающаяся тем, что система (10) слоев применяется для лопатки компрессора, в частности газовой турбины (100).