以耐腐蝕層保護(hù)的元件及制造該元件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種以耐腐蝕層保護(hù)的發(fā)動(dòng)機(jī)元件以及制造該元件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為了提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，需不斷追求更高的操作溫度。耐高溫的材料被廣泛用來制造各行業(yè)，包括飛機(jī)和發(fā)電行業(yè)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的元件。由于操作溫度的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)元件的耐高溫性能也應(yīng)相應(yīng)增強(qiáng)?；谶@個(gè)原因，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)元部件，如燃燒室、高壓潤輪機(jī)的葉片上常使用熱障涂層(thermal barrier coatings, TBC),以其隔熱性能來讓發(fā)動(dòng)機(jī)元件能耐受更高的操作溫度下，從而提高元件的壽命，并提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。
[0003]燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境內(nèi)的燃燒室的高溫可導(dǎo)致燃料內(nèi)的熔融雜質(zhì)不僅會(huì)腐蝕這些用對所述熔融雜質(zhì)敏感的材料，如超合金和娃基非氧化物陶瓷(silicon-basednon-oxide ceramics)制成的元件,還會(huì)腐蝕和破壞用來保護(hù)這些元件的熱障涂層。這種現(xiàn)象稱為熱腐蝕，是一種由于雜質(zhì)的存在，如在元件或其保護(hù)層表面形成熔融鹽沉積的Na2SO4, NaVO3 and V2O5等的存在，導(dǎo)致的加速腐蝕。所述熱腐蝕可導(dǎo)致元件的結(jié)構(gòu)材料或涂層的性能迅速地發(fā)生退化，使得元件在幾十到幾千小時(shí)的時(shí)間內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重的損壞。
[0004]盡管上述問題和不確定性的存在，業(yè)界仍希望在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用價(jià)格更加低廉的低品級(jí)燃料，這些低品級(jí)燃料中所含的鹽雜質(zhì)密度更高，會(huì)加劇熱腐蝕的問題。因此，如何減輕發(fā)動(dòng)機(jī)元件的熱腐蝕的問題變得越來越具有挑戰(zhàn)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的一方面涉及一種發(fā)動(dòng)機(jī)元件，其包括用耐高溫材料制成的基體和耐腐蝕層。所述耐腐蝕層包含分子式為MxVyOz的難熔金屬釩酸鹽，其中M選自:堿土金屬、IV族和V族過渡金屬、稀土金屬、以及它們的組合，其中z=x+2.5y, z=l.5x+2.5y, z=2x+2.5y或z=2.5x+2.5y。
[0006]在一些實(shí)施例中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)元件進(jìn)一步包括熱障涂層系統(tǒng)，位于所述基體和至少一部分所述耐腐蝕層之間，該至少一部分耐腐蝕層是直接附著在所述熱障涂層系統(tǒng)上的。
[0007]在一些實(shí)施例中，所述熱障涂層系統(tǒng)包括厚度在100微米到1150微米之間的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯層、以及位于所述氧化釔穩(wěn)定氧化鋯層和所述基體之間的第一黏合層。
[0008]在一些實(shí)施例中，所述第一黏合層包括分子式為RCrAlE的物質(zhì)，其中R為鐵、鈷和/或鎳，E為釔、稀土金屬和/或其他活性金屬。
[0009]在一些實(shí)施例中，所述熱障涂層系統(tǒng)進(jìn)一步包括位于所述第一黏合層和所述氧化釔穩(wěn)定氧化鋯層之間的熱生長氧化物層。
[0010]在一些實(shí)施例中，所述熱生長氧化物層包括Al2O3。
[0011]在一些實(shí)施例中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)元件進(jìn)一步包括第二黏合層，其位于所述基體和至少一部分所述耐腐蝕層之間，該至少一部分耐腐蝕層附著在所述第二黏合層上，所述第二黏合層在所述基體和所述至少一部分耐腐蝕層之間提供粘接力。
[0012]在一些實(shí)施例中，所述第二黏合層包括鋁化物。
[0013]在一些實(shí)施例中，所述耐腐蝕層至少有一部分是直接附著在所述基體上的。
[0014]在一些實(shí)施例中，M選自:Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ca、Mg、T1、Zr、Hf、Nb、Ta、以及它們的組合。特別地，在一些具體的實(shí)施例中，M選自:Ce、La、Y、Gd、以及它們的組合。另外，在一些具體的實(shí)施例中，M為鑭系金屬。
[0015]在一些實(shí)施例中，所述耐腐蝕層的厚度在50微米到200微米的范圍之間。
[0016]在一些實(shí)施例中，所述基體是用超合金制成的。
[0017]本發(fā)明的另一方面涉及一種制造發(fā)動(dòng)機(jī)元件的方法，在該方法中，用耐高溫材料制成基體，在該基體上形成耐腐蝕層。所述耐腐蝕層包含分子式為MxVyOz的難熔金屬釩酸鹽，其中M選自:堿土金屬、IV族和V族過渡金屬、稀土金屬、以及它們的組合，其中z=x+2.5y, z=l.5x+2.5y, z=2x+2.5y 或 z=2.5x+2.5y。
[0018]在一些實(shí)施例中，所述在基體上形成耐腐蝕層的步驟包括:在所述基體的至少一部分上提供熱障涂層，以及直接在所述熱障涂層上涂覆所述耐腐蝕層的至少一部分。
[0019]在一些實(shí)施例中，所述在基體的至少一部分上提供熱障涂層的步驟包括:在基體的至少一部分上提供第一黏合層，以及在所述第一黏合層上形成一層厚度約在100微米到1150微米之間的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯層。
[0020]在一些實(shí)施例中，所述第一黏合層包括分子式為RCrAlE的物質(zhì)，其中R為鐵、鈷和/或鎳，E為釔、稀土金屬和/或其他活性金屬。
[0021]在一些實(shí)施例中，所述在基體的至少一部分上提供熱障涂層的步驟還包括:在所述第一黏合層和氧化釔穩(wěn)定氧化鋯層之間提供熱生長氧化物層。
[0022]在一些實(shí)施例中，所述熱生長氧化物層包括Al2O3。
[0023]在一些實(shí)施例中，所述在基體上形成耐腐蝕層的步驟包括:在所述基體的至少一部分上提供第二黏合層，以及在所述第二黏合層上直接形成至少一部分的所述耐腐蝕層。
[0024]在一些實(shí)施例中，所述第二黏合層包括鋁化物。
[0025]在一些實(shí)施例中，所述在基體上形成耐腐蝕層的步驟包括:在所述基體的至少一部分直接形成至少一部分的所述耐腐蝕層。
[0026]在一些實(shí)施例中，M選自:Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、
Yb、Lu、Ca、Mg、T1、Zr、Hf、Nb、Ta、以及它們的組合。特別地，在一些具體的實(shí)施例中，M選自:Ce、La、Y、Gd、以及它們的組合。另外，在一些具體的實(shí)施例中，M為鑭系金屬。
[0027]在一些實(shí)施例中，所述耐腐蝕層可能通過選自以下方法中的一種進(jìn)行涂覆:熱噴涂、冷噴涂、溶膠凝膠、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、涂漿法、濺射法、以及它們的組合。
【附圖說明】
[0028]通過結(jié)合附圖對于本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述，可以更好地理解本發(fā)明，在附圖中:
[0029]圖1為一種發(fā)動(dòng)機(jī)元件的示意圖，該發(fā)動(dòng)機(jī)元件在覆蓋其基體的熱障涂層上直接涂覆有耐腐蝕層。
[0030]圖2為一種發(fā)動(dòng)機(jī)元件的示意圖,該發(fā)動(dòng)機(jī)元件的基體上直接涂覆有耐腐蝕層。
[0031]圖3為一種發(fā)動(dòng)機(jī)元件的示意圖，該發(fā)動(dòng)機(jī)元件的基體上隔著一個(gè)黏合層涂覆有耐腐蝕層，該黏合層用來在基體和耐腐蝕層之間提供更好的黏附性。
【具體實(shí)施方式】
[0032]除有定義外，本文中所用的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域技術(shù)人員普遍理解的相同含義。本文所用的術(shù)語“第一”、“第二”等并不表示任何順序、數(shù)量或重要性，而只是用于區(qū)別一種元件和另一種元件。并且，“一”或“一個(gè)”不表示數(shù)量的限定，而是表示存在一個(gè)的相關(guān)項(xiàng)目。
[0033]本文中所使用的近似性的語言可用于定量表述，表明在不改變基本功能的情況下可允許數(shù)量有一定的變動(dòng)。因此，用“大約”、“左右”等語言所修正的數(shù)值不限于該準(zhǔn)確數(shù)值本身。在一些實(shí)施例中，“大約”表示允許其修正的數(shù)值在正負(fù)百分之十(10%)的范圍內(nèi)變化，比如，“大約100”表示的可以是90到110之間的任何數(shù)值。此外，在“大約第一數(shù)值到第二數(shù)值”的表述中，大約同時(shí)修正第一和第二數(shù)值兩個(gè)數(shù)值。在某些情況下，近似性語言可能與測量儀器的精度有關(guān)。
[0034]本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種涂覆有耐腐蝕層的發(fā)動(dòng)機(jī)元件(尤其是燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)元件)，該耐腐蝕層對于所述發(fā)動(dòng)機(jī)元件所處理的燃料中所含的熔融鹽雜質(zhì)是惰性的。所述耐腐蝕層包括分子式為MxVyOz的難熔金屬釩酸鹽，其中M選自:堿土金屬、IV族和V族過渡金屬、稀土金屬、以及它們的組合，且z=x+2.5y或z=l.5x+2.5y或z=2x+2.5y或z=2.5x+2.5y。所述耐腐蝕層是發(fā)動(dòng)機(jī)元件在用于處理含熔融鹽雜質(zhì)的燃料之前涂覆在其上作為保護(hù)表面的，其可以保護(hù)所述發(fā)動(dòng)機(jī)元件、以及發(fā)動(dòng)機(jī)元件上的具有對熔融鹽雜質(zhì)引發(fā)的熱腐蝕敏感的成分的熱和/或環(huán)境防護(hù)涂層體系(thermal and/or environmentalbarrier coating systems),避免發(fā)生熱腐蝕。
[0035]在一些實(shí)施例中，所述包括分子式為MxVyOz的難熔金屬釩酸鹽的耐腐蝕層也對三氧化硫(SO3)是惰性的，其可以保護(hù)所述發(fā)動(dòng)機(jī)元件及其熱和/或環(huán)境防護(hù)涂層體系，既可防止熔融鹽雜質(zhì)引發(fā)的熱腐蝕，也可防止包括SO3等氣相腐蝕劑引發(fā)的腐蝕。
[0036]在一些實(shí)施例中，所述分子式為MxVyOz的難熔金屬釩酸鹽中的M選:自鈧(Sc)、釔(Y)、鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、欽(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鈮(Nb)、鉭(Ta)以及它們的組合。在一些具體的實(shí)施例中，M選自:Ce、La、Y、Gd以及它們的組合。
[0037]在一些實(shí)施