具有抗侵蚀和腐蚀涂层系统的涡轮机构件及其制造方法

具有抗侵蚀和腐蚀涂层系统的涡轮机构件及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有抗侵蚀和腐蚀涂层系统的涡轮机构件及其制造方法。具体而言，说明了一种固定涡轮机的涡轮机构件(10)，其包括：基底(16)，其由含10%至18%铬的高合金钢、或钛合金、或镍基合金、或钴基合金制成，具有基底表面(19)；和抗侵蚀和腐蚀涂层系统(17、18、20)。涂层系统包括第一层(17)，第一层(17)沉积在所述涡轮机构件(10)的基底表面(19)上并且作用为抗腐蚀层，并且还包括第二层(18)，第二层(18)沉积在所述第一层(17)上并且作用为抗侵蚀层，其中，所述第一层(17)为Zr单层并且所述第二层(18)为W/WC多层。
【专利说明】具有抗侵蚀和腐蚀涂层系统的涡轮机构件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及固定涡轮机的技术。它涉及一种涡轮机构件，该涡轮机构件由高合金钢、或钛合金、或镍基合金、或钴基合金制成，且包括抗侵蚀和腐蚀涂层系统(erosion andcorrosion resistant coating system)。它还涉及用于制造具有此种涂层系统的润轮机构件的方法。
【背景技术】
[0002]在固定涡轮机中使用的构件(此种构件例如为压缩机叶片或静叶、燃气涡轮叶片或静叶、或热屏蔽节段等)由高合金(10%至18%的铬)钢、镍基合金或钴基合金制成。这些材料为涡轮机构件的基底材料。
[0003]在现有技术中，存在商业上能够获得的涂层系统，例如SermeTer6000，其用于保护工业燃气涡轮的压缩机叶片。然而，由于作为牺牲涂层的铝微粒，这些系统具有好的腐蚀抵抗力，但是具有较差的侵蚀抵抗力。
[0004]文献US 6，159,618涉及一种多层材料，其包括由铝、镁或它们的合金制成的基底，可能已经历表面处理(例如阳极处理)。所述技术解决方案涉及飞行器发动机，例如螺旋桨、转子等，其使用轻量材料。基底具有涂层，涂层包括钨基沉积物和插入在所述基底与所述沉积物之间的下层，该下层的材料具有介于所述基底与所述沉积物的机械和热机械特性之间的机械和热机械特性。所述钨基沉积物可包括由例如从下列材料中选定的材料制成的至少一个层:钨、钨的碳化物、硅化物和氮化物、钨合金和它们的混合物和氮在钨中的固溶体、和碳在钨中的固溶体。钨基沉积物可包括这些层中的单个或这些层中的若干个的堆叠。下层可由从之前提出的下列材料之中选定的材料的单层组成，诸如:铬、钥、铌、钛、锆、它们的氮化物和碳化物、碳和氮在所述金属中的固溶体、钢、具有组分梯度的钨铝(aluminium-tungsten)、和氧化招。
[0005]文献JP 58020996 A公开了抗腐蚀和抗酸涂层，该抗腐蚀和抗酸涂层例如为通过将如玻璃片(glass flake)的鳞片(scale)混合于涂遍叶片(其由诸如SS41的普通材料制成)的整个表面的不饱和聚酯或乙烯基酯的树脂而获得的树脂片。在使该涂层干燥且固化之后，通过使用手摇磨机或砂纸来粗加工它的表面。然后，室温固化的抗侵蚀材料(诸如氟橡胶(Fluor rubber))的涂层涂敷于该涂层的粗加工表面，以便叶片在其整个表面上被赋予抗腐蚀和抗侵蚀特性二者。根据以上布置，叶片制造操作的效率可通过降低该两个涂层的厚度而改善。
[0006]文献US 5，740，515公开了一种制品，其在高温环境中经受侵蚀和腐蚀侵袭，且其由镍或钴基超级合金的基底和设置在基底上的保护性硅化物涂层形成。陶瓷热障层可设置在超级合金与硅化物层之间，并且MCrAH层可设置在陶瓷与超级合金基底之间。硅化物涂层优选地为MoSi2。
[0007]文献US 2008/0317601 A公开了一种涡轮机叶片，其包括叶片体和接合于其的抗
腐蚀和侵蚀多层涂层，多层涂层包括抗侵蚀第一层和牺牲第二层，抗侵蚀第一层至少覆盖叶片体的腐蚀和侵蚀关键区域，牺牲第二层提供在第一层上，至少覆盖第一层，优选地完全覆盖叶片。制造此种涡轮机叶片的方法包括下列步骤:提供叶片且将抗侵蚀第一层沉积在叶片体上，以便至少覆盖腐蚀和侵蚀关键区域，之后将牺牲第二层沉积在第一层上，至少覆
盖第一层。
[0008]文献US 2011/0165433 A教导了一种用于对金属表面提供保护涂层的处理，该处理将镍或钽片层应用于表面且在镀敷发生时使硬质材料(诸如金刚石、氧化铝、氮化钒、碳化钽和/或碳化钨)的微粒在镍或钽片层中扩散。
[0009]还需要由高合金钢、钛合金、镍基合金或钴基合金制成的涡轮机构件作为基底，其用于固定涡轮机中，并且包括抗腐蚀涂层，该涂层可用作用于抗侵蚀涂层的底部涂层，以简化固定涡轮机的此种构件的保护。

【发明内容】

[0010]本发明的目的为提供用于固定涡轮机中的具有涂层系统的涡轮机构件，该涂层系统容易涂敷，且在其涂敷中是灵活的。
[0011]本发明的另一个目的是建立一种用于将此种涂层系统制造在涡轮机构件上的方法。
[0012]这些和其他目的通过根据权利要求1的具有涂层系统的涡轮机构件和根据权利要求8的方法而获得。
[0013]根据本发明的涡轮机构件包括:基底，其由含10%至18%铬的高合金钢(highalloyed 10% to 18% chromium steel)、或钛合金、或镍基合金、或钴基合金制成,具有基底表面；和抗侵蚀和腐蚀涂层系统，涂层系统包括第一层，第一层沉积在所述涡轮机构件的基底表面上并且作用为抗腐蚀层，并且还包括第二层，第二层沉积在所述第一层上并且作用为抗侵蚀层，其中，所述第一层为Zr单层涂层并且所述第二层为W/WC多层涂层。
[0014]根据本发明的一个实施例，所述第一层具有充分地小于所述第二层的厚度的厚度。
[0015]特别地，所述第一层具有3-10 μ m的厚度，并且所述第二层具有15_23 μ m的厚度。
[0016]特别地，所述第二层包括10个或更多个交替的W和WC子层。
[0017]更特别地，所述第二层包括各自具有0.75至1.25 μ m厚度的10个W子层和10个WC子层。
[0018]根据本发明的一个实施例，所述涡轮机构件完全地涂布有所述第一层，而所述第二层仅在具有高侵蚀负载的位置处提供。
[0019]特别地，所述构件为燃气涡轮的压缩机叶片或静叶，包括具有前缘和后缘的翼型件，并且所述第二层提供在前缘处。
[0020]用于制造根据本发明的涡轮机构件的发明方法包括下列步骤:
a)提供具有基底的构件，该基底由含10%至18%铬的高合金钢、或钛合金、或镍基合金、或钴基合金制成，具有基底表面；
b)将所述第一抗腐蚀层沉积在所述基底表面上，其中，所述第一层为Zr单层涂层；且
c)将所述第二抗侵蚀层沉积在所述第一抗腐蚀层上，其中，所述第二层为W/WC多层涂层，从而将所述第一层用作接合涂层。[0021]特别地，所述第一抗腐蚀层以3-10 μ m的厚度沉积。
[0022]更特别地，相等厚度的W和WC单层或子层交替地沉积，直到实现15-23 μ m的多层
整体厚度。
[0023]根据发明方法的另一个实施例，层的沉积通过标准磁控溅射而完成。
[0024]根据发明方法的又一个实施例，层的沉积通过气流溅射而完成，该气流溅射基于与适合的引导气流结合的中空阴极辉光放电。
【专利附图】

【附图说明】
[0025]现在将通过不同实施例且参照附图来更仔细地说明本发明。
[0026]图1以透视侧视图示出涡轮机叶片，其可有利地具有根据本发明的涂层系统。
[0027]图2示出在类似图1的构件的构件的不同位置㈧和⑶处具有涂层系统的本发明的不同实施例。
[0028]图3示出根据本发明的实施例的涂层系统的截面图，且
图4示出根据本发明的具有涂层系统的涡轮构件的制造期间的多个处理步骤。
【具体实施方式】
[0029]图1以透视侧视图示出涡轮机构件10，在此为叶片，其可有利地具有根据本发明的涂层系统。构件10为固定涡轮机的一部分，且包括基底和涂层系统20，基底由高合金钢(其具有10至18重量％含量的铬)、或钛合金、或镍基合金、或钴基合金，例如镍、钴超级合金，制成，且涂层系统20在图2和图3中详细地示出。图1的涡轮机叶片10 (其尤其可为燃气涡轮压缩机区段的压缩机叶片)包括翼型件11，翼型件11在一端处以叶片末梢13结束，且在另一端处具有平台12。翼型件11 (其经受热气体、空气、水滴、或固体微粒的流)具有前缘14和后缘15。前缘14尤其暴露于气体、空气、水滴、或固体微粒的冲击流，且因而可为侵蚀和腐蚀的对象。
[0030]抗侵蚀和腐蚀涂层系统将侵蚀和腐蚀抵抗力结合在一个涂层系统中。根据本发明的实施例，其具有如图3所示的结构。图3的抗侵蚀和腐蚀涂层系统20在基底16 (例如叶片体)上包括第一层17和第二层18。第一层17为具有抗腐蚀特性的底部涂层，而第二层18为具有抗侵蚀特性的顶部涂层。优选地，底部涂层17涂遍叶片10，而顶部涂层18仅仅涂敷在具有高侵蚀的位置(诸如分别为前缘14或后缘15)上。
[0031]涂层系统20在一个实施例中包括IOym厚的Zr单层17作为底部涂层，且包括2(^!11厚的多层1/1(:涂层18。涂层优选地通过新的方法即气流溅射(例如参见文献US6，382，920 BI或US 6，346，301 B2)来涂敷。多层涂层18包括10个或更多个交替的W和WC子层(在图4C中为18a、b)(各为I μ m厚)。构思为利用Zr层17整体涂布叶片10用于腐蚀保护，并且仅在具有高侵蚀负载的位置处涂敷W/WC多层涂层18。此种位置主要为从根部到翼型件11的3/4或整个长度的前缘。
[0032]总的而言，本发明的核心为使用Zr单层17(3-10微米厚)作为腐蚀保护，并且在顶部使用W/WC多层18 (15 -23微米厚)作为侵蚀保护，并且在具有高腐蚀和/或侵蚀负载的位置处将涂层涂敷在叶片上。
[0033]如果只存在腐蚀，则仅需要涂敷Zr层17 (图2B)。如果在作用为接合涂层的Zr层17的顶部上存在额外的侵蚀，则可涂敷W/WC多层18 (图2A)。
[0034]在另一个实施例中，压缩机的第一级的叶片(其由含15%铬的钢制成)在翼型件和根部平台处在表面上涂布有Zr层17。该层17具有IOym的厚度。锆涂层保护叶片材料免遭腐蚀。为了侵蚀保护，在第二步骤中由包含10个交替的钨(W)和碳化钨(WC)单层的W/WC多层18涂布前缘。这些层中的各个为Iym厚，以便多层18具有20 μ m的总厚度。下方的锆涂层作用为用于W/WC多层的粘合剂。
[0035]气流溅射实现比标准磁控溅射更高的局部沉积速率。沉积处理通常在十分之几个毫巴下进行，并且不要求高真空环境。它基于与适合的引导气流结合的中空阴极放电。气流的特定路线还较强地降低在目标和基底上的残气影响。然而，本发明还将通过其他PVD方法来进行，或甚至通过热喷射或电镀来进行。
[0036]用于制造根据本发明的具有涂层系统20的涡轮机构件10的方法包括下列步骤:
a)提供具有基底16的构件10，基底16由含10%至18%铬的高合金钢、或钛合金、或镍基合金、或钴基合金制成，具有基底表面19 (图4A)；
b)将所述第一抗腐蚀层17沉积在所述基底表面19上(图4B)，其中，层17作为Zr单层而沉积；且
c)将所述第二抗侵蚀层18沉积在所述第一抗腐蚀层17上，其中，层18作为W/WC多层涂层而沉积，从而将所述第一层17用作接合涂层(图4C)。
[0037]抗侵蚀W/WC层18始终以I微米厚度一层一层地涂敷(见图4C和4D)。子层18a、b的数量可沿叶片10而不同。优选地，作为侵蚀保护，交替地始终涂敷(沉积)各自具有I微米厚度的10个子层W和10个子层WC。作为侵蚀保护的该多层涂层18可限定于具有高侵蚀负载的位置，例如前缘14。
[0038]通过根据本发明的涂层系统，侵蚀抵抗力高得多，并且因此压缩机叶片10可在操作方面更长而不需要调整前缘14。
[0039]参考标号列表
10 (例如用于压缩机的)涡轮机叶片
11翼型件
12平台
13叶片末梢
14前缘
15后缘
16基底
17腐蚀保护层
18侵蚀保护层(多层)
18a、b子层 19基底表面
20抗侵蚀和腐蚀涂层系统。
【权利要求】
1.一种固定涡轮机的涡轮机构件(10)，包括:基底(16)，其由含10%至18%铬的高合金钢、或钛合金、或镍基合金、或钴基合金制成，具有基底表面(19);和抗侵蚀和腐蚀涂层系统(17、18、20)，所述涂层系统包括第一层(17)，所述第一层(17)沉积在所述涡轮机构件(10)的基底表面(19)上并且作用为抗腐蚀层，并且还包括第二层(18)，所述第二层(18)沉积在所述第一层(17)上并且作用为抗侵蚀层，其中，所述第一层(17)为Zr单层并且所述第二层(18)为W/WC多层。
2.根据权利要求1所述的涡轮机构件(10)，其特征在于:所述第一层(17)具有充分地小于所述第二层(18)的厚度的厚度。
3.根据权利要求2所述的涡轮机构件(10)，其特征在于:所述第一层(17)具有3-10 μ m的厚度，并且所述第二层(18)具有15-23 μ m的厚度。
4.根据权利要求1所述的涡轮机构件(10)，其特征在于:所述第二层(18)包括10个或更多个交替的W和WC子层(18a、b)。
5.根据权利要求4所述的涡轮机构件(10)，其特征在于:所述第二层(18)包括各自具有0.75至1.25 μ m厚度的10个W子层和10个WC子层。
6.根据权利要求1所述的涡轮机构件(10)，其特征在于:所述构件(10)完全地涂布有所述第一层(17)，而所述第二层(18)仅在具有高侵蚀负载的位置处提供。
7.根据权利要求1所述的涡轮机构件(10)，其特征在于:所述构件为燃气涡轮的压缩机叶片(10)或静叶，包括具有前缘(14)和后缘(15)的翼型件(11)，并且所述第二层(18)在所述前缘(14)处提供。
8.一种用于制造根据权利要求1的涡轮机构件(10)的方法，包括下列步骤: a)提供具有基底(16)的所述构件(10)，所述基底(16)由含10%至18%铬的高合金钢、或钛合金、或镍基合金、或钴基合金制成，具有基底表面(19)； b)将所述第一抗腐蚀层(17)沉积在所述基底表面(19)上，其中，所述层(17)作为Zr单层涂层而沉积；且 c)将所述第二抗侵蚀层(18)沉积在所述第一抗腐蚀层(17)上，其中，所述层(18)作为W/WC多层涂层而沉积，从而将所述第一层用作接合涂层。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于:所述第一抗腐蚀层(17)以3-10μ m的厚度沉积。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于:相等厚度的W和WC单层或子层(18a、b)交替地沉积，直到实现15-23 μ m的多层(18)整体厚度。
11.根据权利要求8至10所述的方法，其特征在于:所述层(17、18)的沉积通过标准磁控溅射而完成。
12.根据权利要求8至10所述的方法，其特征在于:所述层(17、18)的沉积通过气流溅射而完成，该气流溅射基于与适合的引导气流结合的中空阴极辉光放电。
【文档编号】F01D5/28GK103993913SQ201410050992
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年2月14日 优先权日:2013年2月15日
【发明者】H-J.克拉姆, K.奥特纳, B.尤里奇索恩 申请人:阿尔斯通技术有限公司, 劳斯莱斯德国有限两合公司, 弗劳恩霍弗实用研究促进协会