涡轮机部件的涂覆方法以及防腐蚀涂层
阅读：155发布：2023-02-04
专利汇可以提供涡轮机部件的涂覆方法以及防腐蚀涂层专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种用于涂覆 涡轮 机特别是 燃气轮机 的潜在地输送 燃料 的部件(3，20)的表面(23)的方法，其中，该表面(23)借助于 化学气相沉积 法先涂覆以氮化 钛 层(21)，和随后涂覆以α- 氧 化 铝 层(22)。此外，本发明还记载了一种 涡轮机 构件(3，20)，例如燃气轮机构件，其包括基材和潜在地输送燃料的表面(23)。该表面(23)具有含氮化钛的 中间层 (21)和含α-氧化铝的 覆盖 层 (22)。，下面是涡轮机部件的涂覆方法以及防腐蚀涂层专利的具体信息内容。
1.用于涂覆涡轮机构件的潜在地输送燃料的部件(3，20)的表面(23)的方法，其中，该表面(23)借助于化学气相沉积法先涂覆以氮化钛层(21)，和随后涂覆以α-氧化铝层(22)。
2.权利要求1的方法，其中，涂覆包括16Mo3等级钢的表面(23)。
3.权利要求1或2的方法，其中，该待涂覆表面(23)先经加热，在该经加热的表面(23)上涂覆以氮化钛，并紧接着涂覆以α-氧化铝，然后该涂覆过的表面再经冷却。
4.权利要求1-3中任一项的方法，其中，涂覆氮化钛和α-氧化铝在同一个炉(1)中进行。
5.权利要求1-4中任一项的方法，其中，该表面(23)通过气相氨解作用或氢等离子体涂覆而涂覆以氧化钛。
6.权利要求1-5中任一项的方法，其中，在化学气相沉积过程中，该表面(23)以
700℃/h-900℃/h的温度升高率加热。
7.权利要求1-6中任一项的方法，其中，在化学气相沉积过程中，该表面(23)在50 mbar-150 mbar的压力经加热和/或冷却。
8.权利要求1-7中任一项的方法，其中，在化学气相沉积过程中，该表面(23)在加热和/或冷却期间用含氩和氢的气体吹扫。
9.权利要求1-8中任一项的方法，其中，在化学气相沉积过程中，该表面(23) 以
300℃/h-500℃/h的温度降低率冷却。
10.权利要求1-9中任一项的方法，其中，在化学气相沉积过程中，该表面(23)在
900℃-1100℃的温度涂覆。
11.权利要求1-10中任一项的方法，其中，在化学气相沉积过程中，该表面(23)以16 l/h-20 l/h的气体流量涂覆。
12.权利要求1-11中任一项的方法，其中，在化学气相沉积过程中，该表面(23)在20 mbar-40 mbar的压力涂覆以氮化钛和/或在80 mbar-120 mbar的压力涂覆以α-氧化铝。
13.权利要求1-12中任一项的方法，其中，在化学气相沉积过程中，该表面(23)在2-4小时期间涂覆以氧化钛和/或在3小时-5小时期间涂覆以α-氧化铝。
14.涡轮机构件(3，20)，其包括基材和潜在地输送燃料的表面(23)，其特征在于，该表面(23)具有含氮化钛的中间层(21)和含α-氧化铝的覆盖层(22)。
15.燃气轮机，其包括权利要求14的涡轮机构件(3，20)。
涡轮机部件的涂覆方法以及防腐蚀涂层
[0002] 燃气轮机的基于材料16Mo3的输送燃料的部件在运行期间通常出现腐蚀。一种可能的原因在于形成硫酸，该硫酸是通过冷凝的空气湿气与燃料中存在的硫化氢(H2S)发生相互作用而产生的。但气态的硫化氢(H2S)也可在较高温度特别是大于60℃下导致硫化作用。特别是燃烧器区中的相关部件的基材16Mo3不具有对无机酸或H2S的耐受性。
[0003] 特别是要关注预混燃烧器内腔区中的腐蚀，依运行方式该内腔由气体或空气流过。在该内腔中形成的从内壁脱落的腐蚀颗粒可导致气体出口喷嘴的堵塞。由此因快锁(Schnellschlüssen)（Trips）、不平衡负载、燃烧振动(Verbrennungsschwingung)和功率降低而产生计划外的或延长的装置停机。
[0004] 至今该燃烧器部件在某些情况下是由耐腐蚀的材料制成。但这种通常的镍基合金的应用带来一系列的缺点。除较高的材料成本外，镍基合金还具有较差的可加工性。其与16Mo3相比明显更低的导热性也由于更大的温度梯度而产生更高的热诱导应力。
[0005] 因此，本发明的目的在于提供用于抑制腐蚀涂覆在燃气轮机的潜在地输送燃料的部件表面的方法。另一目的在于提供一种有利的涡轮机构件，其包含基材和潜在地输送燃料的表面。此外，本发明的目的还在于提供一种有利的燃气轮机(Gasturbine)。
[0006] 该第一个目的是通过权利要求1的用于涂覆涡轮机构件，特别是燃气轮机的潜在地输送燃料的部件，表面的方法实现的。该第二个目的是通过权利要求14的包含基材和潜在地输送燃料的表面的涡轮机构件实现的。该第三个目的是通过权利要求15的燃气轮机实现的。该从属权利要求包括本发明的其它有利的实施方案。所述特征单独地和在相互组合下均是有利的。
[0007] 在本发明的用于涂覆涡轮机构件的潜在地输送燃料的部件表面的方法中，该表面借助于化学气相沉积法(CVD)先涂覆以氮化钛层，和随后涂覆以α-氧化铝层。优选涂覆含16Mo3等级钢(Stahl der Sorte 16Mo3)的表面。通过借助于本发明方法产生的防腐蚀层，使材料16Mo3在热力学行为、材料成本和机械可加工性方面与对硫酸或硫化作用的耐腐蚀性的优点集于一体。
[0008] 本发明的防腐蚀原理是基于腐蚀性介质如硫酸或H2S杂质气体和基材如16Mo3等级钢的物理隔离。该层结构是双层的，即该层由中间层和覆盖层组成。该构件表面借助于化学气相沉积法(CVD)先涂覆以氮化钛(TiN)中间层，和随后涂覆以密实的α-氧化铝(α-Al2O3)覆盖层。该氮化钛(TiN)中间层是需要的，因为在实验室实验范畴上未能实现α-氧化铝在16Mo3等级钢上的直接粘附。
[0009] 在本发明方法中，待涂覆表面可先经加热。该经加热的表面可涂覆以氮化钛，并紧接着涂覆以α-氧化铝。该如此涂覆过的表面可再经冷却。原则上涂覆氮化钛和α-氧化铝可在同一个炉中进行。该表面基本上可通过气相氨解作用(4 TiCl4 + 6 NH3 → 4 TiN + 16 HCl + N2 + H2)和/或氢等离子体涂覆(2 TiCl4 + 4 H2 + N2 → 2 TiN + 8 HCl)涂覆以氮化钛。
[0010] 该待涂覆表面可在穿过CVD炉期间经依次涂覆。在此情况下需CVD炉，在该炉中除α-Al2O3淀积外，还可通过气相氨解作用(4 TiCl4 + 6 NH3 → 4 TiN + 16 HCl + N2 + H2)、氢等离子体涂覆(2 TiCl4 + 4 H2 + N2 → 2 TiN + 8 HCl)或其它合适方法实施TiN的淀积。
[0011] 在化学气相沉积过程中，该待涂覆表面可以以700℃/h-900℃/h的温度升高，优选以800℃/h的温度升高率(Temperaturanstieg)加热。此外，在化学气相沉积过程中，该表面可在50 mbar-150 mbar，优选100 mbar的压力经加热和/或冷却。
[0012] 此外，在化学气相沉积过程中，在加热和/或冷却期间还可用含氩和氢的气体吹扫。例如在加热期间可用由80%-85%，优选83%的氩和15%-20%，优选17%的氢组成的气体吹扫。在冷却期间例如可用由15%-20%，优选17%的氩和80%-85%，优选83%的氢组成的气体吹扫。用16-20 升/小时，优选用18升/小时的气流吹扫是有利的。但这些数据与所用炉的大小有关。
[0013] 在化学气相沉积过程中，该待涂覆的表面可以以300℃/h-500℃/h，有利地以400℃/h的温度降低率(Temperaturabfall)冷却。
[0014] 此外，在化学气相沉积过程中，该表面可在900℃-1100℃的温度，或在1000℃-1100℃的温度，优选在1050℃的温度涂覆。该表面可在16-20升/小时，优选用18升/小时的气体流量下涂覆。该表面例如可在20 mbar-40 bar，优选30 mbar的压力涂覆以氮化钛。此外，还可在80 mbar-120 mbar，优选100 mbar的压力涂覆以α-氧化铝。
[0015] 在化学气相沉积过程中，该表面于20 mbar-40 mbar的压力涂覆以氮化钛的情况下，该压力可由0.2 mbar-1 mbar的TiCl4、18.4 mbar-28 mbar的H2和2.4 mbar-11 mbar的N2组成。如果该表面于30 mbar的压力涂覆以氮化钛，则该压力例如可由0.4 mbar TiCl4、23.68 mbar H2和5.92 mbar N2组成。
[0016] 在化学气相沉积过程中，该表面于80 mbar-120 mbar的压力涂覆以α-氧化铝的情况下，该压力可含20 mbar-25 mbar Ar、10 mbar-15 mbar CO2、20 mbar-40 mbar H2和2 mbar-6 mbar HCl。在此情况下，可向AlCl3发生器中加入20 mbar-40 mbar H2和2 mbar-6 mbar HCl。如果该表面例如于100 mbar压力涂覆以α-氧化铝，则该压力可含22.7 mbar Ar、12 mbar CO2, 30 mbar H2和4 mbar HCl。就此可向AlCl3发生器中加入30 mbar H2和3.9 mbar HCl。
[0017] 此外，在化学气相沉积过程中，该表面可在2-4小时，优选3小时期间涂覆以氧化钛。此外，该表面可在3-5小时，优选4小时期间涂覆以α-氧化铝。
[0018] 本发明方法的优点在于，可应用于任意的几何形状上，也特别适于内涂覆。此外因为使用气态载体介质，所以又开辟了涂覆窄的内部通道的可能性。此外，与镍基合金相比，16Mo3还具有明显更低的材料成本和加工成本。借助于本发明方法，实现了总体更低的涂覆成本。
[0019] 本发明方法的另一优点在于，与镍基合金相比，产生的涂层具有更有利的热力学行为。特别是由于较小的温度梯度而产生较小的热诱导应力。在实验室实验中已经能够证实，由本发明方法产生的涂层能耐受硫酸或H2S杂质气体的腐蚀作用，和该涂层的热冲击稳定性。
[0020] 本发明的涡轮机构件包括基材和潜在地输送燃料的表面。该表面具有含氮化钛的中间层和含α-氧化铝的覆盖层。这意味着，该表面涂覆以氮化钛，并且该氮化钛涂层又涂覆以α-氧化铝。本发明的涡轮机构件特别可涉及燃气轮机部件。例如本发明的涡轮机构件可包括燃烧器的部件。
[0021] 本发明的涡轮机构件的优点在于，该涂层耐受硫酸的腐蚀并具有热冲击稳定性。在此该α-氧化铝层起提供耐腐蚀稳定性的作用，该氮化钛层起将α-氧化铝层粘结到基材上的作用。
[0022] 基材特别可包括16Mo3等级的钢。在此情况下，本发明的涡轮机构件的特征在于，与镍基合金相比，16Mo3有明显更低的材料成本和加工成本。此外，由于较小的温度梯度和由此较低的热诱导应力，所以与镍基合金相比其具有更有利的热力学行为。
[0023] 如上所述，本发明的燃气轮机包括本发明的涡轮机构件。本发明的燃气轮机具有如本发明的涡轮机构件相同的优点。
[0025] 图1示意性示出用于淀积α-Al2O3和TiN的CVD涂覆炉的原理。
[0026] 图2示意性示出本发明的构件涂层的截面。
[0027] 图3示意性示出燃气轮机。
[0028] 下面参照图1-3详述本发明的工作实施例。
[0029] 图1示意性示出借助于化学气相沉积法(CVD)涂覆燃气轮机构件3的CVD炉1，该构件例如由16Mo3等级钢制成。该CVD炉1包括外壳6。外壳6内配置有内腔19，在该内腔中可安置待涂覆构件3。在外壳6的朝向内腔19的侧面配置有加热螺线2。在本工作实施例中配置有3个加热螺线2a、2b和2c，由此能实现3个加热区。
[0030] 图1所示的CVD炉1不仅适用于涂覆氮化钛也适用于涂覆α-氧化铝。该两涂覆步骤可在穿过炉期间依次进行，即在涂覆氮化钛和α-氧化铝之间不冷却和再次加热该构件。化学气相沉积所需的气态原料通过气体导管4导入该CVD炉1的内腔19。该内腔19的直径例如可为44 mm。
[0031] 在气体导管4上经阀门7与TiCl4蒸发器9相连。另外还经另一阀门8使含铝丸的AlCl3发生器与气体导管4相连。此外，经氮导入管11、氢导入管12、二氧化碳导入管13、氩导入管14和氯化氢导入管15各将氮、氢、二氧化碳、氩和氯化氢送入气体导管4中。
[0032] 此外，该AlCl3发生器10经气体导管5与氯化氢导入管16、氢导入管17和氩导入管18相连。通过导入管16、17和18可将氯化氢、氢和氩经气体导管5送入AlCl3发生器。
[0033] 在图1所示的CVD炉中，除α-Al2O3淀积外，还可通过气相氨解作用(4 TiCl4 + 6 NH3 → 4 TiN + 16 HCl + N2 + H2)、氢等离子体涂覆(2 TiCl4 + 4 H2 + N2 → 2 TiN + 8 HCl)或其它合适方法实施TiN的淀积。
[0034] 为对构件3涂覆氮化钛(TiN)中间层，首先在100 mbar的压力以800℃/h的加热速度加热该构件3。在此期间用由83%的氩和17%的氢组成的气体吹扫构件3。在此情况下，取决于炉的大小，该气体流量例如为18升/小时。这时氩经氩导入管14和氢经氢导入管12送入气体导管4中，并经该气体导管送入CVD炉1的内腔19中。
[0035] 该随后的氮化钛淀积在30 mbar压力和1050℃温度进行。在此情况下，用由TiCl4、H2和N2组成的前体气体在例如18升/小时的气体流量吹扫构件3。在此情况下，氯化钛(TiCl4)由TiCl4蒸发器9经阀门7送入气体导管4，并从该气体导管到达CVD炉1的内腔19中。此外该氢(H2)经氢导入管12和氮(N2)经氮导入管11送入气体导管4中。在此，该前体气体组成如下：30mbar的总压力，即0.40 mbar的TiCl4、23.68 mbar的H2和5.92 mbar的N2。该淀积在3小时的时间内进行。
[0036] 在氮化钛淀积中，为避免相过渡，该温度不应长时间保持在1050℃。该温度例如也可保持在950℃。
[0037] 在氮化钛淀积后，在100 mbar的压力以400℃/h的速度冷却构件3。在此情况下，用由17%的氩和83%的氢组成的气体在18升/小时的气体流量下吹扫该构件3。该氩再次经氩导入管14和氢经氢导入管12送入气体导管4，并经该气体导管送入CVD炉1的内腔19中。
[0038] 为产生α-Al2O3覆盖层，再次在100 mbar压力和18升/小时的气体流量下以800℃/h的加热速度加热构件3。在加热期间吹扫构件3的气体由83%的氩和17%的氢组成，并经导入管4、12和14送往构件3。
[0039] 在接着的α-氧化铝淀积期间，在1050℃温度用由氩、二氧化碳、氢和氯化氢组成的气体吹扫构件3。在此，该气体流量例如是18升/小时和压力为100 mbar。该淀积在4小时的时间内进行。在淀积时，经气体导管5和氢导入管17用30 mbar的压力将氢送入AlCl3发生器10。此外，还经气体导管5和氯化氢导入管16用3.9 mbar的压力将氯化氢送入AlCl3发生器10。借助于AlCl3发生器10产生的氯化铝经阀门8和气体导管4送入CVD炉1的内腔19中。另外经氩导入管14以22.7 mbar的压力经气体导管4将氩送入内腔19。此外，经二氧化碳导入管13以12 mbar的压力将二氧化碳和经氢导入管12以30 mbar的压力将氢送入气体导管4中，并经该导管送入内腔19中。另外经氯化氢导入管15以4 mbar的压力将氯化氢送入气体导管4中，并经该导管送入内腔19中。
[0040] 结束淀积过程后，用400℃/h的冷却速度冷却构件3。在此情况下，在100 mbar下用由12%的氩和83%的氢组成的气体吹扫构件3。在此情况下，该气体流量例如为18升/小时。氩和氢经导入管4、12、14送往构件3。
[0041] 原则上该氮化钛淀积和α-氧化铝淀积可先后直接进行，即在穿过炉期间进行。在此情况下，在该两淀积过程之间不必冷却和再加热构件3。
[0042] 借助于本发明方法得到的涂层示意性示于图2。图2示意性示出穿过作为按本发明所涂覆的构件3的实例的燃气轮机20的潜在地输送燃料的部件的部分的截面。该部件20涂覆有氮化钛中间层21和α-氧化铝覆盖层22。该潜在地输送燃料的部件20例如可由16Mo3等级的钢组成。这类部件20特别可以是燃烧器部件。
[0043] 该潜在地输送燃料的部件20的表面23通过涂覆氮化钛21和α-氧化铝22有效地防腐蚀。此外该经涂覆的表面还具有非常好的耐热冲击性。该经加热到420℃的经涂覆的构件3、20用20℃的水骤冷的热冲击实验表明，该构件经百次重复加热和骤冷后也未出现裂纹或损害。也未能发现该构件或涂层的组成变化。
[0044] 原则上，本发明的构件3或潜在地输送燃料的部件20可以是燃气轮机的部件。
[0045] 图3示意性示出燃气轮机。燃气轮机的内部具有带轴107的绕旋转轴转动安装的转子，其也称为涡轮机叶片。沿该转子依次为吸进壳体(Ansauggehäuse)109、压缩器101、燃烧器装置150、涡轮机105和排气壳体(Abgasgehäuse)190。
[0046] 燃烧器装置150与例如环形的热气体通道相连通。那里多个先后串接的涡轮级(Turbinenstufe)形成涡轮机105。每个涡轮级由叶片环构成。沿工作介质的流向看，在导向叶片排117的热气体通道中后面是由涡轮叶片(Laufschaufel)115构成的排。在此，将该导向叶片117固定在定子的内壳体上，相反，排的涡轮叶片115例如借助于涡轮叶轮盘安装在转子上。在转子上连接有发电机或做功机械。
[0047] 在燃气轮机运行期间，空气通过吸进壳体109由压缩器101吸进和压缩。在压缩器101的涡轮侧端形成的已经压缩的空气进入燃烧器装置150，并在那里与燃料混合。该混合物经在燃烧室燃烧而形成工作介质。该工作介质从那里出来沿热气体通道流过导向叶片117和涡轮叶片115。在涡轮叶片115上该工作介质呈脉动转输卸压，以致该涡轮叶片115驱动转子，并且该转子又驱动与其相连的做功机械。
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