ПОДЛОЖКА С КЕРАМИЧЕСКИМ ПОКРЫТИЕМ, СОЗДАЮЩИМ ТЕРМИЧЕСКИЙ БАРЬЕР, С ДВУМЯ КЕРАМИЧЕСКИМИ СЛОЯМИ Российский патент 2014 года по МПК C23C28/04 B32B3/26 B32B18/00 

Изобретение относится к подложке с покрытием, создающим термический барьер, выполненное из двух керамических слоев, согласно п.1 формулы изобретения.

US 4,299,865 раскрывает двухслойное керамическое, создающее термический барьер покрытие с внешним слоем, который имеет очень высокую пористость от 20% объема до 33% объема, и плотный внутренний, керамический, создающий термический барьер слой.

Создающие термические барьеры покрытия, по существу, представляют собой рабочие слои и обеспечивают защиту подложки от перегрева. Подложка имеет достаточно высокую механическую прочность и, таким образом, создающие термический барьер покрытия подвергаются воздействию тепловой силы и механическим напряжениям и могут разрушаться в результате трещин.

Следовательно, целью изобретения является обеспечение, создающего термический барьер покрытия и элемента, в котором слои обладают лучшей способностью выдерживать тепловые и механические напряжения.

Эта цель достигается посредствам подложки с покрытием, создающим термический барьер, согласно п.1 формулы изобретения.

В связи с вышеизложенным предлагается следующее изобретение.

Подложка с покрытием, создающим термический барьер, которая содержит:

упомянутую подложку,

упомянутое керамическое покрытие, выполненное из двух керамических слоев,

при этом упомянутое покрытие имеет разные толщины на разных участках на упомянутой подложке, причем

между внутренним керамическим слоем и внешним керамическим слоем не имеется металлического слоя, причем

упомянутое покрытие на упомянутой подложке имеет первую область и вторую область, при этом внешний слой толще, в частности, по меньшей мере, вдвое толще, на второй области, чем керамический слой на первой области на упомянутой подложке.

Предпочтительно на первой области на подложке толщина двух керамических слоев является одинаковой.

Предпочтительно толщина внутреннего керамического слоя одинаковая на всех областях подложки.

Предпочтительно создающее термический барьер покрытие состоит из двух керамических слоев.

Предпочтительно внутренний слой содержит ZrO₂.

Предпочтительно внешний керамический слой содержит пирохлорную структуру.

Предпочтительно пористость внутренних слоев меньше, чем 20% объема (<20%), в частности меньше, чем 15% объема.

Предпочтительно пористость внешних слоев меньше, чем 20% объема (<20%), в частности меньше, чем 15% объема.

Предпочтительно элемент представляет собой лопатку турбины.

Предпочтительно на аэродинамической поверхности толщина внешнего слоя больше, чем толщина расположенного ниже слоя.

Предпочтительно на платформе толщина внешнего слоя равна толщине внутреннего керамического слоя.

На Фиг.2 показан один элемент с создающим термический барьер покрытием,

На Фиг.1, 3, 4 показано поперечное сечение, создающего термический барьер покрытия,

На Фиг.5 показана газовая турбина,

На Фиг.6 показан перспективный вид лопатки или лопасти и

На Фиг.7 показан перечень супер-сплавов.

На фигурах показаны только иллюстративные варианты осуществления изобретения.

На Фиг.1 показан пример создающего термический барьер покрытия 7. Подложка с покрытием, создающим термический барьер 1, 120, 13 0, содержит металлическую подложку 4, которая, предпочтительно, представляет собой материал на основе кобальта или никеля, в частности, выполненную из одного супер-сплава, представленного на фиг.7, и элемент 120, 130 (фиг.6) для газовой турбины 100 (фиг.5).

Предпочтительно, металлический соединяющий слой, предпочтительно, из MCrAlX сплава, наносится на подложку 4 и под создающий термический барьер покрытие 7 (не показано).

Предпочтительно, термически нанесенный оксидный слой (TGO), образован на этом металлическом соединяющем слое или на подложке 4 во время работы или перед нанесением керамического покрытия 7 (не показано).

По меньшей мере, двухслойное керамическое, создающее термический барьер покрытие 7 наносится (фиг.1, 3, 4) на подложку 4. Создающее термический барьер покрытие 7 (ТВС) содержит два слоя 10, 13. В частности, ТВС 7 состоит из двух керамических слоев 10, 13. Самый внешний слой 13, в частности, выполнен из пористой структуры.

Наиболее предпочтительные материалы для этой пористой структуры внешнего слоя 13 являются гафний гадолиния (например, Gd₂Hf₂O₇) или цирконат гадолиния (например, Gd₂Zr₂O₇).

Внутренний или нижерасположенный, керамический, создающий термический барьер слой 10 наносится на металлическое соединяющее покрытие или на подложку 4 и, предпочтительно, выполнен, по меньшей мере, частично, из стабилизированной двуокиси циркония. Пористость слоев 10, 13, предпочтительно, составляет меньше, чем 20%.

Общая толщина керамического, создающего термический барьер покрытия 7, которая может быть подсчитана из толщин слоев 10, 13, изменяется на разных участках 403, 406 (фиг.2, 3) подложки 4. Но зависимость толщин отдельных слоев 10, 13 может изменяться на разных участках 403, 406 на подложке 4.

Предпочтительно, между внутренним 10 и внешним 13 керамическим слоем не имеется металлического слоя.

На фиг.2 показана лопатка 120, 130 турбины с аэродинамической поверхностью 406 и платформой 403.

На аэродинамической поверхности 406 керамическое покрытие 7 толще (фиг.3), чем на платформе 403. Но толщина керамического покрытия 7 на аэродинамической поверхности 406 главным образом, предпочтительно, увеличивается только из-за увеличения толщины внешнего слоя 13. Это имеет преимущество, заключающееся в том, что изменяются только параметры покрытия внешнего слоя 13.

Предпочтительно, на аэродинамической поверхности 406 внешний слой 13, по меньшей мере, имеет двойную толщину, по сравнению с расположенным ниже слоем 10. Особенно предпочтительно, внешний слой 13 имеет, приблизительно, двойную толщину, по сравнению с расположенным ниже слоем 10.

На платформе 403 внешний слой 13, предпочтительно, имеет такую же толщину, как и расположенный ниже керамический слой 10.

Внутренний керамический слой 10, предпочтительно, содержит двуокись циркония (ZrO₂), предпочтительно, по меньшей мере, частично, стабилизированную двуокись циркония. Внешний керамический слой 13, предпочтительно, содержит пирохлорную структуру.

Также является возможным, что внешний слой 13 имеет одинаковую толщину на разных участках 403, 406, а разница в толщине достигается только из-за увеличения толщины внутреннего слоя 10 (фиг.4).

На Фиг.6 показан перспективный вид лопатки 120 ротора или направляющей лопасти 130 турбомашины, которая расположена вдоль продольной оси 121.

Турбомашина может представлять собой газовую турбину воздушного судна или электростанции для выработки электричества, паровую турбину или компрессор.

Лопатка или лопасть 120, 130 имеет область 400 соединения, связывая платформу 403 лопатки или лопасти и основную лопатку или основную часть 406 последовательно вдоль продольной оси 121. Как и направляющая лопасть 130, лопасть 130 может иметь дополнительную платформу (не показана) на своей верхней части 415 лопасти.

Основание 183 лопатки или лопасти, которое используется для присоединения лопаток 120, 130 ротора к валу или диску (не показаны), образовано на области 400 соединения. Основание 183 лопатки или лопасти выполнено, например, в форме головки молотка. Другие конструкции, такие как елочная или основание в виде «ласточкина хвоста», также являются возможными. Лопатка или лопасть 120, 130 имеет переднюю кромку 409 и заднюю кромку 412 для среды, которая обтекает основную часть 406 лопатки или лопасти.

В случае традиционных лопаток или лопастей 120, 130, в качестве примера, твердые металлические материалы, в особенности супер-сплавы, используются на всех областях 400, 403, 406 лопатки или лопасти 120, 130. Супер-сплавы этого типа известны, например, из EP 1204776 B1, EP 1306454, ЕР 1319729 A1, WO 99/67435 или WO 00/44949; эти документы составляют часть настоящего описания изобретения с точки зрения химического состава сплава. Лопатки или лопасти 120, 130, в этом случае, могут быть изготовлены с помощью процесса литья, также посредством направленного затвердевания, с помощью процесса штамповки, процесса фрезерования или их сочетаний.

Заготовки с монокристаллической структурой или структурами используются в качестве элементов для машин, которые подвергаются высоким механическим, тепловым и/или химическим нагрузкам во время работы. Монокристаллические заготовки этого типа изготовлены, например, с помощью направленного затвердевания из расплава. Это включает в себя процессы литья, в которых жидкий металлический сплав затвердевает для образования монокристаллической структуры, т.е. монокристаллической заготовки, т.е. направленно. В процессе, дендритные кристаллы образуются по направлению теплового потока, и образует либо расположенную столбцами зерновую структуру (т.е. с зернами, которые проходят по всей длине заготовки и упомянуты в этом контексте, в соответствии со стандартной терминологией, в качестве направленного затвердевания) или монокристаллическую структуру, т.е. вся заготовка состоит из монокристалла. В этом процессе, необходимо избегать перехода к шарообразному (поликристаллическому) затвердеванию, так как ненаправленный рост неизбежно приведет к образованию поперечных и продольных межзеренных границ, что сведет на нет полезные свойства направленного затвердевания или монокристаллического элемента. Где микроструктуры, полученные направленным затвердеванием, упоминаются, в общем, это следует понимать в качестве охватывающих оба монокристалла, которые не имеют каких-либо межзеренных границ, или в большинстве случаев имеют межзеренные границы с малым углом и расположенные столбцами кристаллические структуры, которые имеют межзеренные границы, проходящие в продольном направлении, но не имеют какие-либо поперечные межзеренные границы. В случае этих последних кристаллических структур, также является возможной ссылка на микроструктуры, полученные направленным затвердеванием (структуры, полученные направленным затвердеванием). Процессы этого типа известны из US 6,024,792 и EP 0892090 A1.

Также, лопатки или лопасти 120, 130 могут иметь покрытия, защищающие от коррозии или окисления, например, (MCrAlX; M представляет собой, по меньшей мере, один химический элемент, выбранный из группы, состоящий из железа (Fe), кобальта (Co), никеля (Ni), X является активным химическим элементом и обозначает иттрий (Y) и/или кремний и/или, по меньшей мере, один редкоземельный элемент, или гафний (Hf)). Сплавы этого типа известны из EP 0486489 B1, EP 0786017 B1, EP 0412397 B1 или EP 1306454 A1.

Также, является возможным для создающего термический барьер покрытия, состоящего, например, из ZrO₂, Y₂O₄-ZrO₂, т.е. которое не является частично или полностью стабилизированным оксидом иттрия и/или оксидом кальция, и/или оксидом магния, присутствовать в MCrAlX. Расположенные столбцами зерна выполнены в создающем термический барьер покрытии с помощью соответствующих процессов нанесения покрытия, таких как, например, электронно-лучевое нанесение покрытия осаждением из паров (EB-PVD).

Термин восстановленный означает, что может быть необходимо удалять защитные слои с элементов 120, 130 после их использования (например, с помощью пескоструйной обработки). Затем, ржавые и/или окисленные слои или продукты удаляются. Если необходимо, трещины в элементе 120, 130 также заделываются, используя пайку, в соответствии с изобретением. За этим следует повторное нанесение покрытия на элемент 120, 130, после чего элемент 120, 130 может снова использоваться.

Лопатка или лопасть 120, 130 может представлять собой монолитную или полую конструкцию. Если лопатка или лопасть 120, 130 подлежит охлаждению, она является полой и также может включать в себя отверстия 418 пленочного охлаждения (обозначенные пунктирными линиями).

В качестве примера, на фиг.5 показана газовая турбина 100 в виде продольного частичного разреза. В своей внутренней части газовая турбина 100 имеет ротор 103, который установлен таким образом, что он может вращаться вокруг оси 102 вращения, и имеет вал, также известный в качестве ротора турбины. Корпус 104 впускного отверстия, компрессор 105, например тороидальная, камера 110 сгорания, в частности кольцеобразная камера сгорания, с множеством, расположенных соосно, горелок 107, турбина 108 и выхлопной патрубок 10 9 следуют друг за другом вдоль ротора 103. Кольцеобразная камера 110 сгорания сообщается с, например, кольцеобразным каналом 111 нагретого газа, в котором, например, четыре последовательных ступени 112 турбины образуют турбину 108.

Каждая ступень 112 турбины образуется, например, из двух венцов лопаток или лопастей. Как видно в направлении потока рабочей среды 113, ряд 125, образованный из лопаток 120 ротора, следует за рядом 115 направляющих лопастей в канале 111 нагретого газа.

Направляющие лопасти 130 присоединяются к внутренней части корпуса 138 статора 143, тогда как лопатки 120 ротора ряда 125 прикреплены к ротору 103, например, посредством диска 133 турбины. Генератор или машина (не показана) присоединена к ротору 103.

Когда газовая турбина 100 работает, компрессор 105 засасывает воздух 135 через корпус 104 впускного отверстия и сжимает его. Сжатый воздух, который обеспечивается на концевой части стороны турбины компрессора 105, подходит к горелкам 107, где он смешивается с топливом. Затем смесь сжигается в камере 110 сгорания для того, чтобы образовать рабочую среду (133) Оттуда рабочая среда (133) проходит вдоль канала 111 нагретого газа мимо направляющих лопастей 130 и лопаток 120 ротора. Рабочая среда 113 распространяется по лопаткам 120 ротора, передавая им движущую силу, так образом, лопатки 120 ротора приводят в движение ротор 103, а ротор 103 приводит в движение машину, присоединенную к нему.

Когда газовая турбина 100 работает, элементы, которые незащищены от нагретой рабочей среды 113, подвергаются тепловым нагрузкам. Направляющие лопасти 130 и лопатки 120 ротора первой ступени 112 турбины, как видно в направлении потока рабочей среды 113, вместе с элементами теплозащитного средства, которые располагаются на одной линии с кольцеобразной камерой 110 сгорания, подвергаются наиболее высоким тепловым нагрузкам. Для того, чтобы выдерживать температуры, преобладающие там, эти элементы могут охлаждаться с помощью охлаждающего средства.

Таким образом, для подложек элементов является возможным наличие направленной структуры, т.е. они имеют форму (SX структуры) монокристалла или включают в себя только продольно направленные зерна (DS структуру). В качестве примера, суперсплавы на основе железа, на основе никеля или на основе кобальта используются в качестве материала для элементов, в частности, для лопаток турбины и лопастей 120, 130 и элементов камеры 110 сгорания. Супер-сплавы этого типа известны, например, из EP 1204776 B1, EP 1306454, EP 1319729 A1, WO 99/67435 или WO 00/44949; эти документы составляют часть настоящего описания изобретения с точки зрения химического состава сплавов.

Таким образом, лопатки и лопасти 120, 130 могут иметь покрытия для защиты от коррозии (MCrAlX; M представляет собой, по меньшей мере, один химический элемент, выбранный из группы, состоящей из железа (Fe), кобальта (Co), никеля (Ni), X является активным химическим элементом и обозначает иттрий (Y) и/или кремний, и/или, по меньшей мере, один из редкоземельных элементов, или гафний. Сплавы этого типа известны из EP 0486489 B1, EP 0786017 B1, EP 0412397 B1 или EP 1306454 A1.

Создающее термический барьер покрытие, состоящее, например, из ZrO₂, Y₂O₄-ZrO₂, т.е. оно не является, является частично или полностью стабилизированным оксидом иттрия и/или оксидом кальция, и/или оксидом магния, также может присутствовать в MCrAlX. Расположенные столбцами зерна выполнены в создающем термический барьер покрытии с помощью соответствующих процессов нанесения покрытия, таких как, например, электронно-лучевое нанесение покрытия осаждением из паров (EB-PVD).

Направляющая лопасть 130 имеет основание направляющей лопасти (не показано здесь), обращенное к внутреннему корпусу 138 турбины 108, и верхнюю часть направляющей лопасти на противоположной стороне от основания направляющей лопасти. Верхняя часть направляющей лопасти обращена к ротору 103 и присоединена к предохранительному кольцу 140 статора 143.

Изобретение относится к многослойным системам, создающим термический барьер. Подложка с покрытием, создающим термический барьер, содержит упомянутую подложку, упомянутое керамическое покрытие, выполненное из двух керамических слоев, при этом упомянутое покрытие имеет разные толщины на разных участках на упомянутой подложке. Между внутренним керамическим слоем и внешним керамическим слоем не имеется металлического слоя, причем упомянутое покрытие на упомянутой подложке имеет первую область и вторую область. Внешний слой толще, в частности, по меньшей мере, вдвое толще, на второй области, чем керамический слой на первой области на упомянутой подложке. Технический результат заключается в создании термического барьера с высоким сопротивлением тепловым и механическим напряжениям. 10 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.

1. Подложка с покрытием, создающим термический барьер, которая содержит упомянутую подложку, упомянутое керамическое покрытие, выполненное из двух керамических слоев, при этом упомянутое покрытие имеет разные толщины на разных участках на упомянутой подложке, причем между внутренним керамическим слоем и внешним керамическим слоем не имеется металлического слоя, причем упомянутое покрытие на упомянутой подложке имеет первую область и вторую область, при этом внешний слой толще, в частности, по меньшей мере, вдвое толще, на второй области, чем керамический слой на первой области на упомянутой подложке.

2. Подложка с покрытием, создающим термический барьер по п.1, в которой на первой области на подложке толщина двух керамических слоев является одинаковой.

3. Подложка с покрытием, создающим термический барьер по п.1 или 2, в которой толщина внутреннего керамического слоя одинаковая на всех областях подложки.

4. Подложка с покрытием, создающим термический барьер по п.1 или 2, в которой создающее термический барьер покрытие состоит из двух керамических слоев.

5. Подложка с покрытием, создающим термический барьер по п.1 или 2, в которой внутренний слой содержит ZrO₂.

6. Подложка с покрытием, создающим термический барьер по п.1 или 2, в которой внешний керамический слой содержит пирохлорную структуру.

7. Подложка с покрытием, создающим термический барьер по п.1 или 2, в которой пористость внутренних слоев меньше, чем 20% объема (<20%), в частности меньше, чем 15% объема.

8. Подложка с покрытием, создающим термический барьер по п.1 или 2, в которой пористость внешних слоев меньше, чем 20% объема (<20%), в частности меньше, чем 15% объема.

9. Подложка с покрытием, создающим термический барьер по п.1 или 2, которая представляет собой лопатку турбины.

10. Подложка с покрытием, создающим термический барьер по п.9, в которой на аэродинамической поверхности лопатки турбины толщина внешнего слоя больше, чем толщина расположенного ниже слоя.

11. Подложка с покрытием, создающим термический барьер по п.9, в которой на первой области толщина внешнего слоя равна толщине внутреннего керамического слоя.