專利名稱：用于增強(qiáng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件的熱傳遞的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開致力于一種用于改進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件(component)的運(yùn)行的方法和裝置。 具體地說，本公開涉及具有增強(qiáng)了熱傳遞的敷層(coating)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件。
背景技術(shù)：
渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的，例如燃?xì)廨啓C(jī)的效率隨著渦輪機(jī)的燃燒溫度(換句話說作為工作 溫度而已知)的提高而提高。這種溫度上的提高在使用相同的(若不是更少的)燃料的情 況下導(dǎo)致功率方面的至少某些提升。因而，期望升高渦輪機(jī)的燃燒溫度以提高效率。
然而，隨著燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒溫度升高，包括但不局限于燃燒襯套(combustion liner)和過渡連接件(換句話說作為導(dǎo)管而已知)等的燃燒部件(combustion component) 的金屬溫度(metal temperature)會(huì)提高。燃燒襯套結(jié)合到渦輪機(jī)中，并部分地與過渡連 接件或?qū)Ч芤黄鹣薅斯┗鹧嫒紵剂系膮^(qū)域。這些部件，以及氣路環(huán)境中的其它部件，遭 受極高的溫度極限和由于氧化的和腐蝕性的環(huán)境帶來的老化(degradation)。
渦輪機(jī)燃燒部件，例如但不局限于燃燒襯套、導(dǎo)管、燃燒器偏轉(zhuǎn)器、燃燒器中心體、 噴嘴以及其它結(jié)構(gòu)硬件，通常由耐熱材料形成。這種耐熱材料常覆有其它耐熱材料。例如， 渦輪機(jī)部件可由鍛造的(wrought)超級(jí)合金形成，其例如為但不局限于哈斯特洛伊鎳基耐 蝕耐熱合金(Hasteloy alloy)、尼莫尼克鎳鉻系耐熱合金、因科內(nèi)爾鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金、 以及其它類似的合金。這些超級(jí)合金在高溫下，例如在大于約1500° F的溫度下不具有所 期望的抗氧化性。因此，為了降低渦輪機(jī)部件溫度并為了提供抵抗熱燃燒氣體的氧化和腐 蝕保護(hù)，常將耐熱敷層，例如但不局限于結(jié)合敷層和熱障敷層(TBC)應(yīng)用到暴露在熱的燃 燒氣體下的渦輪機(jī)部件的(或換句話說作為熱側(cè)表面而已知的)表面上。例如，渦輪機(jī)部 件可包括熱噴涂的(thermallysprayed)MCrAlY重疊敷層作為結(jié)合覆層(bond coat)，以及 空氣等離子體噴涂的(APS)氧化鋯基(zirconia-based)陶瓷作為隔熱的TBC。通常，TBC 是用氧化釔陶瓷穩(wěn)定的氧化鋯。 近年來，帶有低熱導(dǎo)率(thermal conductivity)的陶瓷頂面層成分提高了運(yùn)行溫 度，并使僅將熱障敷層應(yīng)用到渦輪機(jī)部件的熱側(cè)面的性能變緊張。目前的TBC系統(tǒng)在某些 應(yīng)用中已經(jīng)在使用中很好地完成任務(wù)，然而還在尋求改進(jìn)的敷層，以達(dá)到用于更長的維修 間隔的更大的溫度_熱循環(huán)時(shí)間性能或溫度性能。 所需要的是這樣一種敷層系統(tǒng)，其增強(qiáng)了自渦輪機(jī)部件的熱傳遞，容許渦輪機(jī)部 件在更高的系統(tǒng)溫度下運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容
在一示例性的實(shí)施例中，公開了一種渦輪機(jī)燃燒部件，其包括具有熱側(cè)表面(hot side surface)禾口冷側(cè)表面(cold side surface)的襯底(substrate)，以及具有高熱導(dǎo)率 的外表面(outside surface)。該外表面是該冷側(cè)表面或第二結(jié)合覆層的表面。
在另一示例性的實(shí)施例中，公開了一種用于襯底的熱障敷層系統(tǒng)，其包括沉積在襯底的熱側(cè)表面上并與之相接觸的第一結(jié)合覆層、沉積在該第一結(jié)合覆層上并與之相接觸 的陶瓷層(ceramiclayer)、以及具有高熱導(dǎo)率的外表面。該外表面是該襯底的冷側(cè)表面或 第二結(jié)合覆層的表面。 在另一示例性的實(shí)施例中，公開了一種改善部件的熱傳遞的工藝，其包括提供具 有第一表面和第二表面的襯底，使第一結(jié)合覆層沉積在第一表面上并與之相接觸，使陶瓷 層沉積在第一結(jié)合覆層上并與之相接觸，以及提供具有高熱導(dǎo)率的外表面。該外表面是該 第二表面或第二結(jié)合覆層的表面。 本公開的一個(gè)優(yōu)勢(shì)包括結(jié)合覆層溫度的降低。 本公開的另一優(yōu)勢(shì)包括提高的部件壽命。
本公開的另一優(yōu)勢(shì)是在較低的冷卻空氣流量情況下的運(yùn)行，由此改善了發(fā)動(dòng)機(jī)效
率。


本公開的另一優(yōu)勢(shì)是在更高的溫度下運(yùn)用TBC表面，由此改善了發(fā)動(dòng)機(jī)效率。 本公開的另一優(yōu)勢(shì)是更輕的結(jié)合敷層的使用。
聯(lián)系以示例性的方式顯示了本公開的原理的附圖，從以下的優(yōu)選實(shí)施例的更詳細(xì)
的描述中將明晰本公開的其它特征和優(yōu)勢(shì)


圖1顯示了具有根據(jù)依據(jù)本公開的一個(gè)示例性實(shí)施例的結(jié)合覆層的熱障敷層系 統(tǒng)的示意圖。 圖2顯示了針對(duì)NiAl敷層和NiCrAlY敷層的熱導(dǎo)率的比較。 在任何可能的地方，遍及附圖將使用相同的參考標(biāo)號(hào)來代表相同的零件。
具體實(shí)施例方式
在一個(gè)實(shí)施例中，本公開通常適用于這樣的金屬部件，其受到熱障敷層(TBC)系 統(tǒng)的保護(hù)以抵抗熱有害環(huán)境。這種部件的值得注意的示例包括燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓和 低壓渦輪噴嘴(導(dǎo)葉)、護(hù)罩、燃燒襯套、過渡連接件、渦輪框架和增壓器硬件。雖然本公開 特別適用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件，但是本公開的知識(shí)通常適用于任何這樣的部件，即，在該部件 上，熱障可用于使該部件與其環(huán)境熱隔離開。 圖1顯示了根據(jù)本公開的具有TBC系統(tǒng)(敷層系統(tǒng))10的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件5的局 部橫截面圖。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件5包括襯底20，敷層系統(tǒng)10沉積在該襯底20上。襯底20包 括第一表面22和相對(duì)的第二表面24。第一表面22是熱側(cè)表面，或換句話說，是面向部件5 的熱運(yùn)行溫度的表面。例如，第一表面22可面向熱渦輪氣體流。第二側(cè)表面24是冷側(cè)表 面，或換句話說，是遠(yuǎn)離部件5的熱運(yùn)行溫度的表面。第二側(cè)表面24可面向冷卻氣體。在 圖1所示的橫截面中，第一表面22和第二表面24是平行的，然而，在備選的布置中，襯底20 可包括與發(fā)動(dòng)機(jī)部件5相適應(yīng)的任意布置的表面。 在一個(gè)實(shí)施例中，襯底20由任何可運(yùn)用的材料所形成。例如，襯底20可由多種 金屬或金屬合金中的任意者所形成，包括那些基于鎳、鈷和/或鐵的合金或超級(jí)合金。在 一個(gè)實(shí)施例中，襯底20由鎳基合金制成，并且在另一實(shí)施例中，襯底20由鎳基超級(jí)合金制 成。鎳基超級(jí)合金可由Y主要的或相關(guān)的相的沉淀(precipitation ofgamma prime or a
4related phase)所強(qiáng)化。在一個(gè)示例中，鎳基超級(jí)合金具有如下成分(以重量百分比為單 位)從大約4 %至大約20 %的鈷、從大約1 %至大約10 %的鉻、從大約5 %至大約7 %的鋁、 從大約0%至大約2%的鉬、從大約3%至大約8%的鴇、從大約4%至大約12%的鉭、從大 約0%至大約2%的鈦、從大約0%至大約8%的錸、從大約0%至大約6%的釕、從大約0% 至大約1 %的鈮、從大約0 %至大約0. 1 %的碳、從大約0 %至大約0. 01 %的硼、從大約0 % 至大約O. 1%的釔、從大約0%至大約1.5%的鉿、平衡量的鎳和附帶的雜質(zhì)。例如，合適的 鎳基超級(jí)合金可通過商標(biāo)名Rene N5而獲得，其具有按重量的7. 5%的鈷、7%的鉻、1. 5% 的鉬、6. 5%的鉭、6. 2%的鋁、5%的鎢、3%的錸、0. 15%的鉿、0. 004%的硼和0. 05%的碳以 及平衡量的鎳和較少的雜質(zhì)的公稱成分。 根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例，敷層系統(tǒng)10包括位于第一側(cè)表面22之上并與之相 接觸的結(jié)合覆層30，以及位于第二側(cè)表面24之上并與之相接觸的含金屬層(metallic layer) 32。敷層系統(tǒng)10還包括覆蓋第一結(jié)合覆層30的陶瓷層。 在一個(gè)實(shí)施例中，結(jié)合覆層30和含金屬層32可以是金屬，含金屬的材料 (metallic)，金屬間化合物(intermetallic)，金屬合金，復(fù)合物和其組合。結(jié)合覆層30和 含金屬層32可具有相同或不同的成分。在一個(gè)實(shí)施例中，結(jié)合覆層30和含金屬層32可以 是NiAl。在一個(gè)實(shí)施例中，結(jié)合覆層30是NiAl，例如主要為PNiAl相，帶有有限的合金化 附加物。NiAl敷層可具有從大約9X重量至大約12%重量的鋁含量，平衡量主要為鎳，并 且在另一實(shí)施例中，具有從大約18%重量至大約21%重量的鋁含量，平衡量主要為鎳。結(jié) 合敷層的整體(bulk)可由利用例如空氣等離子體噴涂(APS)、線電弧噴涂、高速氧化燃料 (HVOF)噴涂和低壓等離子體噴涂(LPPS)工藝等的沉積工藝所形成的密集的NiAl層組成。 在一個(gè)實(shí)施例中，結(jié)合覆層的成分并不局限于NiAl結(jié)合敷層，而是可以是任何帶有合適的 結(jié)合性能和溫度性能的含金屬敷層。例如，結(jié)合覆層30可以是NiCrAlY敷層。結(jié)合覆層30 可具有大約100至大約300微米的厚度。結(jié)合敷層的厚度可根據(jù)部件和運(yùn)行環(huán)境而變化。
根據(jù)本公開，含金屬層32是高熱導(dǎo)率的含金屬材料。在一個(gè)實(shí)施例中，含金屬層 32具有大約20和大約60BTU/hr ft° F之間的熱導(dǎo)率。在另一實(shí)施例中，含金屬層32具有 大約30和大約45BTU/hr ft。 F之間的高熱導(dǎo)率。在又一實(shí)施例中，含金屬層32具有大約 38和大約42BTU/hr ft° F之間的熱導(dǎo)率。在一個(gè)實(shí)施例中，含金屬層32可以是具有高熱 導(dǎo)率的NiAl敷層。例如，含金屬層32可以是具有大于大約50X重量的鋁含量的NiAl。在 一個(gè)實(shí)施例中，通過沉積方法，例如通過空氣等離子體噴涂(APS)、線電弧噴涂、高速氧化燃 料(HVOF)噴涂和低壓等離子體噴涂(LPPS)工藝而沉積出含金屬層32。在一個(gè)實(shí)施例中， 含金屬層32可具有從大約50至大約600微米的、更優(yōu)選地從大約200至大約400微米的 厚度。含金屬層32的厚度可根據(jù)部件和運(yùn)行環(huán)境而變化。 通過如圖2中所示的、空氣等離子體噴涂(APS)的NiAl和NiCrAlY敷層的熱導(dǎo)率
的比較，可懂得使用NiAl的含金屬層32的好處。如從圖2中可看出的，APS NiAl敷層在
渦輪機(jī)部件的運(yùn)行的溫度范圍上具有高的熱導(dǎo)率，其增強(qiáng)了自襯底20的熱傳遞。 在一個(gè)實(shí)施例中，可使用低熱導(dǎo)率的含金屬結(jié)合覆層作為第一結(jié)合覆層30，并且，
可使用高熱導(dǎo)率的含金屬層作為含金屬層32。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，第一結(jié)合覆層30可
以是NiCrAlY結(jié)合覆層，并且含金屬層32可以是具有高熱導(dǎo)率的NiAl結(jié)合覆層。 在一個(gè)實(shí)施例中，陶瓷層34可以是低熱導(dǎo)率的陶瓷。例如，低熱導(dǎo)率陶瓷可具有為大約0. 1至1. 0BTU/ft hr° F的，優(yōu)選在為0. 3至0. 6BTU/ft hr° F的范圍中的熱導(dǎo) 率。在一個(gè)實(shí)施例中，低熱導(dǎo)率陶瓷可以是氧化鋯、氧化釔、氧化鐿和氧化鈮(nyodenium oxide)的混合物。在另一實(shí)施例中，低熱導(dǎo)率陶瓷可以是氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)。在 一個(gè)實(shí)施例中，陶瓷層34可以是具有大約3X重量至大約10X重量的氧化釔的成分的YSZ。 在另一實(shí)施例中，陶瓷層34可以是其它陶瓷材料，例如氧化釔，非穩(wěn)定的氧化鋯、或通過其 它氧化物，例如氧化鎂(Mg0)、二氧化鈰(Ce0》、氧化鈧(Sc203)或氧化鋁(A1203)等而穩(wěn)定 的氧化鋯。在又一些實(shí)施例中，陶瓷層34可包括一種或多種稀土氧化物，例如但不局限于 氧化鐿、氧化鈧、氧化鑭、氧化釹、氧化鉺和其組合。在該又一些實(shí)施例中，稀土氧化物可代 替穩(wěn)定的氧化鋯系統(tǒng)中的一部分或所有氧化釔。陶瓷層34沉積到足以為下層襯底提供所 要求的熱保護(hù)的厚度，通常從大約75至大約350微米左右。如在現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)合敷層的情 況下一樣，第一結(jié)合覆層30包括氧化物表面層(氧化皮)31，陶瓷層34以化學(xué)方式結(jié)合到 其上。 再次參看圖l，含金屬層32具有外表面36。外表面36可暴露于比陶瓷層34所暴 露于的溫度低的溫度下。在一個(gè)實(shí)施例中，外表面36粗糙化至大約300和900微英寸之 間，以增強(qiáng)熱傳遞。在另一實(shí)施例中，外表面36粗糙化至大約500和700微英寸之間。外 表面36的粗糙度可在含金屬層32的沉積期間形成，并可通過控制包括但不局限于粒徑和 噴涂速度等的沉積工藝參數(shù)而被控制。粗糙化可呈凹痕和/或凹槽的形式。在另一實(shí)施例 中，在含金屬層32的沉積之后，通過例如機(jī)械的或化學(xué)的粗糙化工藝可使外表面36粗糙化 和/或額外地粗糙化。 在另一示例性的實(shí)施例中，含金屬層32不存在，并且外表面36是襯底20的第二 側(cè)表面24。在這個(gè)實(shí)施例中，襯底20可由高熱導(dǎo)率的含金屬成分形成。在一個(gè)實(shí)施例中，襯 底20可以是高熱導(dǎo)率的金屬、含金屬的材料、金屬間化合物、金屬合金、復(fù)合物和其組合。
在一個(gè)實(shí)施例中，襯底可具有大約20和大約60BTU/hrft。 F之間的熱導(dǎo)率。在另 一實(shí)施例中，襯底20具有大約30和大約45BTU/hr ft。 F之間的高的熱導(dǎo)率。在又一實(shí) 施例中，襯底20具有大約38和大約42BTU/hr ft° F之間的熱導(dǎo)率。在一個(gè)實(shí)施例中，襯 底20可以是具有高熱導(dǎo)率的NiAl。例如，襯底20可由具有超過大約50%重量的鋁的鋁含 量的NiAl所形成。此外，可對(duì)外表面36進(jìn)行粗糙化，以提高熱傳遞。在一個(gè)實(shí)施例中，外 表面36粗糙化至大約300和900微英寸之間，以提高熱傳遞。在另一實(shí)施例中，外表面36 可粗糙化至大約500和700微英寸之間。外表面36的粗糙度可在襯底20的成形期間被形 成。例如，外表面36的粗糙度可在襯底20的鑄造期間被形成。粗糙化可呈凹痕和/或凹 槽的形式。在另一實(shí)施例中，可在第二結(jié)合覆層32的沉積之后通過例如機(jī)械的或化學(xué)的粗 糙化工藝而使外表面36粗糙化和/或額外粗糙化。 雖然已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)該懂得，可 進(jìn)行各種變化且可用等效物來替代其元件而而不會(huì)脫離本發(fā)明的范圍。另外，還可作出許 多改型以使特定的情形或材料適應(yīng)本發(fā)明的教導(dǎo)而不會(huì)脫離本發(fā)明的本質(zhì)范圍。因此，所 意圖的是，本發(fā)明并不局限于作為被構(gòu)思用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式而公開的特定的實(shí)施 例，相反，本發(fā)明將包括落在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
一種渦輪機(jī)燃燒部件(5)，其包括襯底(2)，其具有熱側(cè)表面(22)和冷側(cè)表面(24)；和具有高熱導(dǎo)率的外表面；其中，所述外表面是所述冷側(cè)表面(24)或含金屬層(32)的表面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件(5)，其特征在于，所述高熱導(dǎo)率在大約20和大約60 BTU/hr ft。 F之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的部件(5)，其特征在于，所述外表面具有在大約300和大約 900微英寸之間的粗糙度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的部件(5)，其特征在于，所述襯底(20)是具有高熱導(dǎo)率的 NiAl。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的部件(5)，其特征在于，還包括沉積在所述熱側(cè)表面(22)上 并與之相接觸的結(jié)合覆層(30)，以及沉積在所述結(jié)合覆層(30)上并與之相接觸的陶瓷層 (34)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的部件(5)，其特征在于，所述冷側(cè)表面(24)是所述外表面。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件(5)，其特征在于，所述部件(5)還包括 沉積在所述熱側(cè)表面(22)上并與之相接觸的結(jié)合覆層(30);禾口 沉積在所述結(jié)合覆層(30)上并與之相接觸的陶瓷層(34);其中，所述外表面是沉積在所述冷側(cè)表面(24)上并與之相接觸的含金屬層(32)的表面。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的部件(5)，其特征在于，所述含金屬層(32)是包含大于大約 50X重量的鋁的NiAl。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的部件(5)，其特征在于，所述含金屬層(32)具有在大約50ym 和大約600iim之間的厚度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的部件(5)，其特征在于，所述含金屬層(32)具有在大約 50 ii m和大約600 ii m之間的厚度。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于增強(qiáng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件的熱傳遞的方法和系統(tǒng)，其包括將具有高熱導(dǎo)率的含金屬敷層應(yīng)用到渦輪機(jī)部件的冷側(cè)面上，從而增強(qiáng)離開部件的熱傳遞。該含金屬敷層可被粗糙化以改善熱傳遞。敷層可以是NiAl結(jié)合敷層，其具有大于約50％重量的鋁含量。
文檔編號(hào)B32B18/00GK101793195SQ2009102668
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者B·A·納加拉, M·A·麥馬斯特斯 申請(qǐng)人:通用電氣公司