陶瓷实心构件和具有高孔隙度的陶瓷层以及该层的应用和含该层的构件

本发明涉及一种陶瓷实心构件、具有高孔隙度的陶瓷层、该层的 高温应用和含该层的构件。

陶瓷层常用于无保护层时不能在高温下使用的构件的绝热。例如 燃气轮机或蒸汽轮机的涡轮机叶片。为此将陶瓷绝热层涂覆于具有金 属粘结层的基底上。

除由氧化锆制成的杆状EB-PVD层外，还已知由等离子体喷涂的 具有孔隙度的陶瓷层，以一方面实现小的导热性，另一方面确保高的 耐热冲击性。特别是对用于燃烧室的涂层，其应用高的孔隙度。为此 在等离子体喷涂时常混入塑料细粒，其蒸发并由此在层中产生所需的 孔隙度。

但至今已知的多孔陶瓷涂层特别是在较大层厚下有太小的应变公 差。

因此本发明的目的是提供一种可克服上述缺点的陶瓷实心构件、 陶瓷层、该层的应用和构件。

本发明的目的是通过权利要求1或2的陶瓷实心构件和陶瓷层， 通过权利要求的11应用和通过权利要求12的构件实现的。

在从属权利要中列出其它有利的措施，这些措施可以有利的方式 任意组合。

本发明将按下列附图详述。

附图简介

图1示出层系，

图2示出现有技术的陶瓷层的磨片图，

图3示出本发明陶瓷层的磨片图，

图4示出燃气轮机图，

图5示出涡轮机叶片的透视图，

图6示出燃烧室的透视图。

图1示出本发明的层系1。该层系1由基底4制成，该基底特别是 在高温应用如在燃气轮机100(图4)情况下应用时由镍基或钴基超 耐热合金制成。在蒸汽轮机情况下也可应用铁基超耐热合金。在该基 底4上宜存在由MCrAlX型合金制成的金属粘结层7。

在该金属粘结层7上或在基底4上存在本发明的具有高孔隙度的 陶瓷层10。

特别在极高温下如在燃烧室(图6)内的涂层所遇到的温度(≥1100 ℃)下，需要有目的的孔隙度调节，以达足够的应变公差。

图2示出现有技术的具有孔和孔横截面的陶瓷绝热层的磨片图。 陶瓷层中的孔在制备磨片时已截开，在此截面平面中有特定的孔横截 面，该截面表示在磨片图的平面中的孔的面积。任何其它磨片也给出 孔横截面的类似值。孔隙度分析表明，现有技术的磨片中虽然孔为0 -3000μm2，而且孔横截面为＞3000-6000μm2，但不存在比之更大的 孔横截面。

图3示出本发明的具有孔和孔横截面的陶瓷绝热层10的磨片图。

下表列出孔横截面的分布。

孔横截面[μm2] 孔数 0-3000 ≈2200/mm2 3000-6000 ≈8.5/mm2 6000-9000 ≈2.8/mm2 9000-12000 ≈1.5/mm2

本发明的陶瓷层10也具有＞6000-9000μm2的孔横截面(图3)。 优选还存在＞9000-12000μm2的孔横截面。优选不存在≥12000μm2 的孔横截面。较高的孔隙度不能通过现有技术的孔的均匀放大实现， 而要通过有意引入一些较大的孔即扩宽孔横截面分布而实现，这也会 导致陶瓷层的小硬度值。

孔隙度为22-28体积％。优选应用24体积％或26体积％。该层 用HV0.3测定的硬度为约630。

陶瓷层10的层厚为200-2400μm，特别是1000-1200μm。该层 厚优选也可大于1500μm。

层厚为1100μm的本发明层10的应变公差在1300℃下近0.15％， 相当的标准层厚的值＜0.1％。由此本发明的层10在高温下应变公差明 显提高。在低温(约1100℃)下标准层的应变公差值与新型层的应变 公差值相当。

层10优选通过等离子体喷涂塑料细粒制备。由于高的待使用的塑 料份额，所以形成较大的空腔(渗透效应，即空腔重叠)。

由多孔陶瓷制成的实心构件的微观结构相应于层的微观结构。

这种构件优选用作燃烧室110的燃烧室砖。

图4示例性示出燃气轮机100的纵向部分截面。该燃气轮机100 的内部具有绕旋转轴102呈旋转安装的带轴101的转子103，该转子也 称为涡轮机转子。沿转子103依次为进吸进壳体104、压缩机105、带 有多个同轴安装的燃烧器107的例如为环形的燃烧室110，特别是圆环 状燃烧室、涡轮机108和排气壳体109。圆环状燃烧室110与例如圆环 状热气通道111相连。在那里例如4个相继接通的涡轮机级112构成涡 轮机108。每个涡轮机级112例如由2个叶片环构成。按工作介质113 的流向看，在导向叶片系列115的热气通道111中接着的是由动片构成 的系列125。

导向叶片130固定在定子143的内壳138中，而系列125的动片 120例如借助于涡轮机盘133安装在转子103上。在转子103上啮合有 发电机或做功机械(未示出)。

燃气轮机100运行时，通过吸进壳体104从压缩机105吸入并压 缩空气135。将在压缩机105的涡轮机侧端提供的压缩空气导入燃烧器 107，并在其中与燃料混合。然后该混合物在燃烧室110中燃烧并形成 工作介质113。该工作介质113从那里沿热气通道111流出经过导向叶 片130和动片120。该工作介质113在动片120以传递动量的方式膨胀， 从而使动片120驱动转子103，并且转子103驱动在其上啮合的做功机 械。

在燃气轮机100运行中，曝露于热工作介质113的构件经受热负 荷。按工作介质113的流向看的第一个气轮级112的导向叶片130和 动片120除加衬圆环状燃烧室110的热屏蔽部件外大部分均受热负荷。 为耐受那里所处的温度，可用冷却剂对其进行冷却。该构件的基底也 可具有定向的结构，即其为单晶(SX结构)或仅具有纵向取向的晶粒 (DS结构)。使用例如铁基、镍基或钴基的超耐热合金作为构件，特 别是涡轮机叶片120、130和燃烧室110的构件的材料。例如由EP 1204776B1、EP 1306454、EP 1319729A1、WO 99/67435或WO 00/44949 中已知这类超耐热合金；这些文件中有关所述合金的化学组成的内容 为本公开的一部分。

叶片120、130也可以具有抗腐蚀涂层(MCrAlX；M是铁(Fe)、 钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种元素，X是活性元素，其代表钇(Y) 和/或硅、钪(Sc)和/或稀土元素的至少一种或铪(Hf)。从EP 0486489 B1、EP 0786017B1、EP 0412397B1或EP 1306454A1中已知这类合金； 这些文件中有关所述合金的化学组成的内容为本公开的一部分。

在MCrAlX上还可存在本发明的绝热层10，并且例如由ZrO2、 Y2O3-ZrO2组成，即其未通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁部分或完 全稳定化。通过合适的涂覆方法如电子射束蒸发法(EB-PVD)在该绝 热层中形成杆状晶粒。

导向叶片130具有面向涡轮机108的内壳138的导向叶片根(这 里未示出)和反向于导向叶片根的导向叶片头。该导向叶片头对着转 子103，并固定在定子143的固定环140上。

图5以透视图示出沿纵轴121延伸的涡轮机的动片120或导向叶 片130。

该涡轮机可以是飞机或发电厂用于发电的燃气轮机、蒸汽轮机或 压缩机。

叶片120、130沿纵轴121依次具有固定区400、紧邻该固定区的 叶片平台403以及叶片406和叶片尖部415。作为导向叶片130。该叶 片130在其叶片尖415上可具有另一平台(未示出)。

在固定区400中形成叶片根183，其用于将导向叶片120、130固 定在轴或盘上(未示出)。叶片根183例如设计成锤头形。也可设计成 冷杉树形根或燕尾形根。叶片120、130具有流入棱409和流出棱412 以适于流过叶片406的介质。

在通常的叶片120、130情况下，在叶片120、130的所有区域400、 403、406中应用例如实心金属材料，特别是超耐热合金。例如由EP 1204776 B1、EP 1306454、EP 1319729 A1、WO 99/67435或WO 00/44949 中已知这类超耐热合金；这些文献关于所述合金的化学组成的内容为 本公开的一部分。叶片120、130可通过铸造法还借助于定向凝固、通 过锻造法、通过铣削法或这些方法的组合来制备。

具有一种或多种单晶结构的工件可用作在运行中经受高机械负 荷、热负荷和/或化学负荷的机器的构件。这类单晶工件的制备例如可 通过熔体的定向凝固实现。这涉及浇铸法，在该法中液态金属合金凝 固成单晶结构即凝固成单晶工件或经定向凝固。这时，枝晶沿热流取 向，并形成杆状晶粒结构(柱状，即经工件整个长度分布的晶粒，在 此按通常说法称为定向凝固)或单晶结构，即整个工件由单晶构成。 在此方法中，必需避免过渡到球状(多晶)凝固，因为通过非定向生 长必定形成横向和纵向的晶粒界，这就不可实现定向凝固构件或单晶 构件的优良特性。

如果通常论及定向凝固结构，则既是指不含晶粒界或最多含小角 晶粒界的单晶，也是指含纵向走向的晶粒界但不含横向晶粒界的杆状 晶粒结构。在该两种晶体结构情况下均也称为定向凝固结构。由US-PS 6024792和EP 0892090 A1中已知这类方法；这些文献有关凝固方法的 内容为本公开的一部分。

该叶片120、130也可以具有抗腐蚀或抗氧化的涂层，如 (MCrAlX；M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种元素， X是活性元素，其代表钇(Y)和/或硅和/或稀土元素的至少一种或 铪(Hf)。从EP 0486489 B1、EP 0786017 B1、EP 0412397 B1或EP 1306454 A1中已知这类合金，这些文献关于所述合金的化学组成的 内容为本公开的一部分。密度优选是理论密度的95％。在MCrAlX 层(作为中间层或作为最外层)上形成保护性氧化铝层(TGO，即热 生长的氧化物层)。

在MCrAlX上还可存在本发明的绝热层10，其优选是最外层，并 且例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2组成，即其未通过氧化钇和/或氧化钙和/或 氧化镁部分或完全稳定化。该绝热层覆盖整个MCrAlX层。通过合适 的涂覆方法如电子束蒸发(EB-PVD)可在绝热层中产生杆状晶粒。也 可使用另一些涂覆方法如大气等离子体喷射(APS)、LPPS、VPS或 CVD。该绝热层可具有附带微观裂纹或宏观裂纹的多孔晶粒以改进耐 热冲击性。因此，该绝热层优选比MCrAlX层更多孔。

再处理(修整)意指构件120、130经使用后需要时必须去除保护 层(如通过喷砂)。然后去除腐蚀层和/或氧化层或腐蚀产物和/或氧化 产物。需要时还要修理在构件120、130中的裂纹。接着再涂覆构件120、 130，并重新使用构件120、130。

叶片120、130可设计成中空或实心的。如果该叶片120、130应 经冷却，则其为中空的，并且需要时还具有膜冷却孔418(由虚线示 出)。

图6示出燃气轮机的燃烧室110。该燃烧室110例如设计成所谓的 环状燃烧室，其中多个在周边方向上配置在旋转轴102周围的燃烧器 107通向公用的产生火焰156的燃烧室腔154。为此，该燃烧室110的 全部设计成环状结构，该结构围绕旋转轴102定位。

为达较高的效率，该燃烧室110设计成适于工作介质M的较高温 度如约1000℃-1600℃。为在这些不利于材料的运行参数下能有较长 的使用寿命，在燃烧室壁153面对工作介质的一侧上配置有由热屏蔽 部件155构成的内衬。

每个由合金制成的热屏蔽部件155在其工作介质侧均配置有特别 耐热的保护层(MCrAlX层和/或陶瓷层)或由耐高温材料(实心陶瓷 砖)制成。

该保护层可类似于涡轮机叶片，因此例如是MCrAlX：M是铁(Fe)、 钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种元素，X是活性元素，其代表钇(Y) 和/或硅和/或稀土元素的至少一种或铪(Hf)。从EP 0486489 B1、EP 0786017 B1、EP 0412397 B1或EP 1306454 A1中已知这类合金，这些 文献有关所述合金的化学组成的内容为本公开的一部分。

在MCrAlX上还可有例如陶瓷绝热层，其例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2 组成，即其未通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁部分或完全稳定化。 通过合适的涂覆方法如电子束蒸发(EB-PVD)可在绝热层中产生杆状 晶粒。也可使用另一些涂覆方法如大气等离子体喷射(APS)、LPPS、 VPS或CVD。该绝热层可具有附带微观裂纹或宏观裂纹的多孔晶粒以 改进耐热冲击性。

再处理(修整)意指该热屏蔽部件155经使用后需要时必须去除 保护层(如通过喷砂)。然后去除腐蚀层和/或氧化层或腐蚀产物和/或 氧化产物。需要时还要修理在热屏蔽部件155中的裂纹。接着再涂覆 该热屏蔽部件155，并重新使用该热屏蔽部件155。

由于燃烧室110内部的高温，还可对热屏蔽部件155或其固定件 配置冷却系统。该热屏蔽部件155例如是空心的，需要时还具有通入 燃烧室腔154中的冷却孔(未示出)。