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CN1683588A - 对带有空腔的构件敷设内涂层的方法及具有内涂层的构件 - Google Patents

对带有空腔的构件敷设内涂层的方法及具有内涂层的构件 Download PDF

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CN1683588A CNA2005100652044A CN200510065204A CN1683588A CN 1683588 A CN1683588 A CN 1683588A CN A2005100652044 A CNA2005100652044 A CN A2005100652044A CN 200510065204 A CN200510065204 A CN 200510065204A CN 1683588 A CN1683588 A CN 1683588A
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Abstract

本发明公开了一种用于对带有一空腔(4)的一构件(1)的内表面敷设涂层的方法，而按照现有技术常常无法获得均匀的涂层。按照本发明，将一涂层材料与一基材混合并将它们填入到所述空腔(4)中，其中，所述基材在涂层材料的汽化温度下分解或在尚未达到该汽化温度时就已分解，以及，所述涂层材料经过气相沉淀到所述构件(1)上。

Description

对带有空腔的构件敷设内涂层的方法及 具有内涂层的构件
技术领域
本发明涉及一种用于对一带有空腔的构件的内表面敷设涂层的方法以及一种具有该内涂层的构件。
背景技术
具有一空腔的构件通常在内部还要涂敷涂层。这通常通过一CVD(化学气相淀积)工序完成，将含有金属、例如含有铝或铬的原始化合物导入到所述空腔中，其中，基于因温度升高引起的一种化学反应发生一种使所述金属形成气相的化学反应。该气相金属沉积在所述空腔的内表面上，因此形成涂层。
US 5,254,413公开了一种对一开孔敷设涂层的方法，在该孔中填入一种由陶瓷和铝组成的填料并将其加热，因此可以形成一层铝涂层。所述陶瓷成分不分解以及在所述方法结束时必须去除。
这样方法的类似用途是诸如对涡轮机部件、尤其是燃气轮机部件的冷却空气通道等冷却结构和/或通孔内部敷设涂层。这样的冷却空气通道通过敷设铝和/或铬涂层而防止腐蚀，该铝和/或铬例如渗入到所述基质中。该涂层在运行期间被氧化。期间产生的氧化层防止对叶片的基质进一步腐蚀破坏。在敷设铝涂层(内部渗铝)时绝大部分铝转变为氧化铝(Al2O3)并且因此防止对冷却空气通道的内表面的进一步侵蚀。因为尤其在一涡轮机叶片内的蛇曲形冷却空气通道部分具有很大的长度，均匀地对内表面敷设涂层就存在问题。尤其是在迄今为止的CVD工序中可能难于保证彻底覆盖整个内表面以及达到从冷却空气通道入口到出口的一均匀涂层厚度。其原因例如在于气相的金属浓度沿所述待涂敷通道的长度明显降低。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种敷设内涂层的方法以及一种具有内涂层的构件，以克服上述问题。
上述技术问题首先通过一种用于对一带有空腔的构件的内表面敷设涂层的方法来解决，其中，采用一种具有一定的汽化温度的涂层材料以及一种在室温下受热稳定、而在所述涂层材料的汽化温度下受热不稳定的基材，该基材包含所述涂层材料，其中，将一种由基材和涂层材料组成的混合物填入到所述空腔中并且输入能量，使得所述基材分解以及所述涂层材料经过一气相沉积到所述内表面上，按照本发明，采用一种聚合物、尤其是聚氨酯作为基材。
按照本发明方法的一有利设计，所述涂层材料尤其以纳米颗粒的形式存在于所述基材中。
此外，所述涂层材料可以是金属的也可以是陶瓷的。
按照本发明的方法，是对一通孔、尤其是一冷却空气通道的内表面敷设涂层。按照本发明的一优选扩展设计，所述涂层内部渗有铝。
所述涂层材料可由多种元素组成。
按照本发明的方法的另一优选设计，所述基材中含有由微米大小的颗粒组成的粗粒料。该粗粒料优选具有比所述涂层材料更高的热稳定性。
所述粗粒料可以是陶瓷的，尤其为氧化铝。
按照本发明的方法被用于对一燃气轮机部件中的蛇曲形冷却通道的内表面敷设涂层。
此外，比较优选的是，所述粗粒料被离析成可从一涂层的表面中突伸出来。
上述有关构件的技术问题通过一种带有一空腔的构件来解决，其中，该空腔具有一涂层，该涂层构造成具有一粗糙表面。为此，优选有一些粗粒从所述涂层的表面突伸出来。
附图说明
下面借助附图详细说明本发明，附图中：
图1，2表示其中可以应用本发明方法的构件示例；
图3表示按照本发明的方法步骤；
图4表示通过上述步骤例如形成的涂层；
图5表示一涡轮机叶片；
图6表示一燃烧室；
图7表示一冷却结构，以及
图8表示一燃气轮机。
具体实施方式
图1表示一具有一空腔4和外壁7的构件1。
这例如是一涡轮机100(参见图8所示蒸汽轮机、燃气轮机)的一涡轮机叶片120、130或一涡轮机100的燃烧室元件155(图6)。
外壁7具有一应该敷设涂层的内表面5以及一外表面6。
图2表示另一种可以将本发明方法应用其中的构件1。
根据图2，构件1具有一些在其内表面11上要敷设涂层的冷却空气通道或通孔10。
图3表示按照本发明方法的一示例性实施过程。
向空腔4及内部冷却结构和/或冷却空气通道10中填入、例如喷入一软膏13。
该软膏13由一种基材和一种存在于该基材中的涂层材料组成，例如通过将基材和涂层材料相互混合。所述涂层材料例如可均匀地分布在基材中。
涂层材料具有一确定的分解或汽化温度，基材在该温度时不再热稳定，也就是说，分解或汽化。
基材在室温时热稳定，也就是说，不分解。
尤其是微粒和/或纳米颗粒(＜1微米，尤其＜500或100纳米)形式的涂层材料存在于基材中以及可以是金属的或陶瓷的。比较有利的是采用纳米颗粒来形成所述待生成涂层16的基体，也就是说，涂层材料绝大部分(例如≥50％)或全部由纳米颗粒构成。当涂层材料绝大部分(例如≥50％)由微米大小的颗粒构成时，纳米颗粒同样可促使涂层16的微米颗粒(＞1微米，尤其＞10微米)浓密。
所述涂层材料同样可以具有多种金属和/或陶瓷元素或成分，例如一MCrAlY涂层的合金成分。
所述基材是一种例如聚合物，尤其是聚氨酯。
可以设想其他不同的基材以及根据涂层材料及其物理特性(汽化温度)来选择。
所述方法可以有利地在渗铝和/或渗铬的情况下采用。
在将所述软膏13向所述空腔4及内冷却结构和/或冷却空气通道10中填入之后，向具有软膏13的构件1输送能量、例如热能，如果要避免该构件1氧化，可以在真空炉中进行加热。
由于供给热量，基材分解以及涂层材料转入气相并且沉积到内表面5，11上并因此在那儿形成一涂层16。所述分解的基材可以被抽吸掉。
为了达到更好地附着，可以对涂层16进行热处理或者使涂层16绝大部分渗入到基质或构件1，120，130，155的外壁7中。
如果除了涂层材料外将所述基材中填加一种粗粒料19，则形成一种例如图4所示的微观/宏观结构。
所述粗粒料具有几微米的粒度以及进而明显大于所述例如用于涂层材料的纳米颗粒。可以这样选择所述涂层材料形成气相时的温度，即，使得所述例如由与涂层材料相同的材料构成的粗粒料19基于其较大的颗粒形状不会很快地转化为气相以及作为较粗糙的颗粒而埋在所述涂层16的基体中。
所述涂层材料同样可以是金属的以及粗粒料19是一种在所述金属的汽化温度下稳定的材料，例如陶瓷(例如氧化铝)，因此该粗粒料19被嵌入到涂层16中，在那儿形成次级相。
由此提高例如该涂层16的剥离阻力。
但是由此形成的涂层16也可能粗糙，也就是说，含有从比粗粒料19更细小结构的基体涂层22的表面25突出的颗粒19以及在介质流过该表面时，进而产生涡流，因此降低了流动阻力。
该方法也可以用于外涂层，其中，将所述基材和涂层材料组成的混合物软膏13涂敷在一外表面6上并且加热。在此可能需要通过另一覆盖层来确保，所形成的气相涂层材料在该表面6上沉积以及不逃逸。
所述软膏13尤其不含有活化剂(为此请参见现有技术US 5,254,413的论述)。当将铝和一卤化物用作活化剂而应用在一涂层方法中时，会因此形成导致铝沉积在一表面上的气相氟化铝。
同样该软膏13也不含有在上述涂层方法结束时必须要去除的填料，也就是说，所述基材完全分解并液化以及所述涂层材料至少绝大部分或全部沉积为涂层16，22。
图5以立体图示出一沿纵轴线121延伸的叶片120，130。
该叶片可以是一涡轮机100的工作叶片120或导向叶片130。该涡轮机可以是一飞机或一用于发电的发电厂中应用的燃气轮机、蒸汽轮机或一压缩机。
该叶片120，130沿纵轴线连续具有一固定区段400、一与之相邻的叶片平台403以及一叶身406。作为导向叶片130时，该叶片在其叶尖415处可以具有另一平台(未示出)。
在固定区段400中形成一叶根183，该叶根用于将工作叶片120，130固定在一(未示出的)转轴或圆盘外壳上。该叶根183例如构造为锤头的形状。也可以构造为圣诞枞树或燕尾等其他形状。叶片120，130具有用于一流过叶身406的介质的一前缘409以及一后缘412。
传统的叶片120，130在该叶片120，130的所有区域400、403、406例如均采用了实心金属材料。该叶片120，130在此可以通过铸造工艺、也借助于定向固化、通过锻造工艺、通过铣削工艺或它们的组合制成。
可以采用具有单晶体结构的工件作为在运行时承受高机械负荷、热负荷及化学负荷的机器的构件。
通过熔液的定向固化完成这类单晶体工件的制造。其中涉及将液态金属合金定向凝固成单晶体结构(亦即凝固成单晶体工件)的铸造工艺。在此树枝状的晶体沿热传导方向定向并且或者形成一杆状结晶(stngelkristalline)的粒状结构(也就是说，晶粒沿工件的整个长度延伸以及在这里按通常惯用语言来说被定向固化)或者形成一单晶体结构，亦即整个构件由唯一一个晶体构成。在该方法中必须要避免向多个晶体(多晶)固化的过渡，因为通过不定向的生长必然形成横向及纵向的晶界，这样的晶界破坏定向固化或单结晶体构件的良好特性。
一般提到定向固化结构，则不仅指不具有晶界或最多具有小角度晶界的单晶体，而且也指只具有沿纵向延伸的晶界、但是没有横向晶界的杆状结晶结构。对于这第二种说法的结晶结构也称为定向固化结构(directionallysolidified structures)。
这样的方法已在US-PS 6,024,792和EP 0 892 090A1中公开。
再清理(重新擦亮Refurbishment)意味着构件120，130在使用后可能必须要去除保护层(例如通过喷砂处理)。然后去除腐蚀和/或氧化层及产物。需要的话还要修复该构件120，130中的裂纹。然后再对该构件120，130进行再涂敷并且可重新使用该构件120，130。
叶片120，130可以设计为空心的并且按照上述方法内部敷设涂层或者设计为实心的。如果该叶片120，130需要被冷却，则它是空心的并且需要的话还具有膜式冷却孔(未示出)。所述叶片120，130为了防腐蚀例如具有相应的通常为金属的涂层以及为了隔热通常还具有一陶瓷涂层。
图6示出一燃气轮机的燃烧室110。该燃烧室110例如构造为所谓的环形燃烧室，其中多个沿周向围绕透平轴103设置的燃烧器102通入到一共同的燃烧室腔中。为此，该燃烧室110整体上设计为围绕所述透平轴103定位的环形结构。
为了达到一相对高的效率，该燃烧室110针对工作介质M大约1000℃至1600℃的一相对高的温度来设计。为了也能在这些对材料不利的温度下达到一相对长的使用寿命，燃烧室壁153在其面向工作介质M的侧面设有由隔热元件155构成的内衬。每个隔热元件155在工作介质侧设有特别耐热的保护层或者由耐高温材料制成。此外，由于燃烧室110内部的高温而为隔热元件155及其固定元件配设一冷却系统。
燃烧室壁的材料以及涂层可以与涡轮机叶片类似。
燃烧室110特别针对检测隔热元件155的缺损来设计。为此在燃烧室壁153与隔热元件155之间固定一定数量的温度传感器158。
图7简略地表示出，怎样冷却涡轮机叶片。为了达到一相对高的效率该燃气轮机100针对从燃烧室110中流出的工作介质M大约1200℃至1300℃的一相对高的流出温度来设计。为此目的，至少其中一些工作叶片120和一些导向叶片130设计为可通过作为冷却剂的冷却空气K来冷却。在该图中可看到，从燃烧室110中流出的工作介质M首先遇到一定数量的、构成所谓的第一圈导向叶片组且通过其各自的平台180悬挂到燃烧室110中的导向叶片130。沿工作介质M的流动方向看此后接下来的是所述构成第一圈工作叶片组的工作叶片120、构成第二圈导向叶片组的导向叶片130以及构成第二圈工作叶片组的工作叶片120。
工作叶片120设计用于基本上越过其各自叶根183的整个根底横截面地特别可靠地被供应冷却空气K。为此，各工作叶片120的叶根183分别设有大量的用于冷却空气K的入流孔186。各工作叶片120的这些入流孔186在此例如沿透平轴102的纵向看连续地设置。对应于每个入流孔186分别配设一通过各工作叶片120的叶身189延伸的用于冷却空气K的分通道192及195。
该分通道192，195可以利用本发明方法敷设涂层。各工作叶片120的与沿工作介质M的流动方向看位于前面的入流孔186对应地配设的分通道192在此从对应的入流孔186出发蛇曲形地通过各工作叶片120的前面部分延伸，如在图中只简略示出的那样。
其中，该分通道192在出口侧通向一些用于冷却空气K的流出孔198，这些流出孔198设置在各工作叶片120的沿工作介质M的流动方向看的前棱边上。与此相反，各工作叶片120的沿工作介质M的流动方向看的各后侧入流孔186与一在各工作叶片120的后面部分中同样为蛇曲形地延伸的分通道195相连通。该分通道195在出口侧通向一些设置在各工作叶片120的后棱边204上的流出孔207。
各工作叶片120的分通道192，195沿冷却空气方向例如完全相互脱离地延伸。因此可以实现用有鉴于其运行参数与各自要求相适应的冷却空气K供应各分通道192，195。同时可以特别考虑到，在流出孔198及207区域内冷却空气K必须具有或超过的压强值取决于各工作叶片120沿透平轴102的位置以及取决于是否冷却空气K与工作介质M的流动方向相反或沿工作介质M的流动方向地流出。因此，尤其是导向流出孔198的冷却空气K必须具有一个比导向流出孔207的冷却空气K更高的工作压强。
为了例如实现对分通道192，195分开地供应冷却空气K，以保持不同的边界条件，燃气轮机100的冷却空气输导系统要相应地适配。该冷却空气输导系统尤其包括一集成到透平轴102中的第一储存室210，该储存室在附图所示的实施例中通过在透平轴102中延伸的一孔213与构成第一圈工作叶片组的各工作叶片120的沿透平轴102纵向看第一个入流孔相连通。
另外，所述冷却空气输导系统例如包括一用于冷却空气K的第二储存室216。该第二储存室216沿透平轴102纵向看设置在第一储存室210之后并且同样集成到透平轴102中。该第二储存室216在冷却空气侧通过一孔219与构成第一圈工作叶片组的各工作叶片120的沿透平轴102纵向看后面入流孔186相连通。另外，该第二储存室216通过一孔222与构成第二圈工作叶片组的各工作叶片120的沿透平轴102纵向看前面入流孔186相连通。
对于后续的各圈工作叶片组还可以设置其他的储存室，这通过与构成第二圈工作叶片组的各工作叶片120的沿透平轴102纵向看后面入流孔186对应设置的孔225表示出来。
有关各单独的工作叶片120通过该冷却空气传导保证，与每个工作叶片120的入流孔186分别对应地配设一独立的集成到透平轴中的冷却空气输入通道。因此各入流孔186以及连接在其后的分通道192，195可以与各其他分通道192，195分开地施加冷却空气K。所以进而形成的冷却空气K分流可以适应于各自的出口侧预定条件。尤其分通道192与分通道195相比可以施加处于更高压强下的冷却空气K。为此，对第一储存室210供应相应高值的处于较高压强下的冷却空气K。与此相反，对第二储存室216供应较低值的处于较低压强下的冷却空气K，从该第二储存室216对构成第一圈工作叶片组的各工作叶片120的所述第二分通道192供应冷却空气K。因此，高值的处于较高压强下的冷却空气K的总量可以保持相对较低并且只限定用在需要供应这种高值冷却空气K的各工作叶片120的那些区域中。按照图7，各工作叶片120的入流孔186设置在各叶根183的底部区域内。
图8以纵剖视图示范性地示出一燃气轮机100。该燃气轮机100在内部具有围绕一旋转轴102旋转地安置的转子103，该转子也称为透平转子。沿着该转子103依次是一抽吸进气室104、一压缩机105、一具有多个同轴设置的燃烧器107的例如圆环形的燃烧室110(尤其为环形燃烧室106)、一透平以及排气室109。该环形燃烧室106与一例如环形燃气通道111相连通。所述透平108在那儿构成例如四个依次连接的透平级112。
每个透平级112例如由两个叶片圈构成。沿工作介质113的流动方向看在燃气通道111中在一导向叶片圈115之后是一由工作叶片120构成的工作叶片圈125。
其中，导向叶片130固定在一定子143的内壳138上，而一工作叶片圈125的工作叶片120例如借助于一透平叶轮盘133安装在转子103上。一发电机或工作机器(未示出)与该转子103相连。
在燃气轮机100运行期间，压缩机105通过抽气室104抽吸空气135并将其压缩。在压缩机105的透平侧端部制成的压缩空气被导向燃烧器107并且在那里与一燃料混合。然后，该混合物在形成工作介质113的情况下在燃烧室110中燃烧。工作介质113从燃烧室中流出沿着燃气通道111流过导向叶片120和工作叶片130。在工作叶片120处工作介质113传递动量地膨胀减压，因此工作叶片120驱动转子103以及该转子驱动与其相连的作功机器。
遭遇热工作介质113的构件在燃气轮机运行时承受热负荷。除了环形燃烧室106内衬的隔热件之外，所述沿工作介质113的流动方向看第一透平级112的导向叶片130和工作叶片120承受最大的热负荷。为了使那里的温度保持稳定，可以借助于冷却介质对其进行冷却。同样所述构件的基质可以具有一定向结构，也就是说，是单晶体(SX结构)或只具有纵向晶粒(DS结构)。
用于所述构件、尤其是透平叶片120，130以及燃烧室110的构件的材料例如采用铁基、镍基或钴基的超级合金。这样的超级合金例如已公开记载在EP 1 204 776，EP 1 306 454，EP 1 319 729，WO 99/67435或WO 00/44949中，这些文献是本发明公开内容的组成部分。
同样地，所述叶片120，130为了防止腐蚀可以具有涂层(MCrAlX：M至少是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)族中的一元素，X是一活性元素及代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土族元素)以及通过一绝热层隔热。该绝热层例如由ZrO2、Y2O4-ZrO2构成，也就是说，它由于含有氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁而不稳定、部分稳定或完全稳定。通过诸如电子辐射汽化(EB-PVD)等适合的涂敷工艺在绝热层中产生杆状晶粒。
导向叶片130具有一朝向透平108的内壳138的导向叶片叶根(在此未示出)以及一个与该导向叶片叶根位置相对的导向叶片叶顶。该导向叶片叶顶朝向转子103并且固定在定子143的一固定环140上。

Claims (14)

1.一种用于对带有一空腔(4，10)的一构件(1)的内表面(5，11)敷设涂层的方法，其中，采用一种具有一定的汽化温度的涂层材料以及一种在室温下受热稳定、而在所述涂层材料的汽化温度下受热不稳定的基材，该基材包含所述涂层材料，其中，将一种由基材和涂层材料组成的混合物填入到所述空腔(4，10)中并且输入能量(E)，使得所述基材分解以及所述涂层材料经过一气相沉积到所述内表面(5，11)上，其特征为：采用一种聚合物、尤其是聚氨酯作为基材。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征为：所述涂层材料尤其以纳米颗粒的形式存在于所述基材中。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：所述涂层材料是金属的。
4.按照权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征为：所述涂层材料是陶瓷的。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征为：对一通孔、尤其是一冷却空气通道敷设涂层。
6.按照权利要求1、3或5中任一项所述的方法，其特征为：进行内部渗铝。
7.按照权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征为：所述涂层材料由多种元素组成。
8.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：所述基材含有由微米大小的颗粒组成的粗粒料(19)。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征为：所述粗粒料(19)具有比所述涂层材料更高的热稳定性。
10.按照权利要求8或9所述的方法，其特征为：所述粗粒料(19)是陶瓷的，尤其为氧化铝。
11.按照权利要求1或8所述的方法，其特征为：对一燃气轮机部件(120，130)的蛇曲形冷却结构(192，195)敷设涂层。
12.按照权利要求8或11所述的方法，其特征为：所述粗粒料(19)被离析成可从一涂层(16)的表面(25)中突伸出来。
13.一种带有一空腔(4)的构件(1，120，130)，其中，该空腔(4)具有一涂层(16)，该涂层(16)构造成在一表面(25)上粗糙。
14.按照权利要求13所述的构件(1，120，130)，其特征为：一些粗粒(19)从所述涂层(16)的表面(25)突伸出来。
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