涡轮机翼片可磨耗涂层系统以及相应的涡轮机轮叶的制作方法
【专利说明】涡轮机翼片可磨耗涂层系统以及相应的涡轮机轮叶
[0001 ] 关于联邦资助研宄或开发的声明
[0002]本发明的开发是由美国能源部的先进涡轮机开发计划部分地支持的，其合同号为DE-FC26-05NT42644。因此，美国政府对于本发明可能具有某些权利。
技术领域
[0003]本发明总体涉及涡轮机轮叶，尤其涉及涡轮机轮叶的叶尖。
【背景技术】
[0004]通常，燃气轮机包括用于压缩空气的压缩机、用于把压缩空气与燃料混合并点燃混合物的燃烧室、以及用于产生动力的涡轮机轮叶组件。燃烧室常常在可能超过2500华氏度的高温下工作。典型的涡轮机燃烧室结构使涡轮机轮叶组件暴露在这种高温中。因此，涡轮机轮叶必须由能够承受这种高温的材料制成。
[0005]通常，涡轮机轮叶由一端的根部和形成叶片的细长部组成，该叶片在涡轮机轮叶的另一端从结合至根部的平台向外延伸。叶片通常由与根部截面相对的叶尖、前缘和后缘组成。涡轮机轮叶的叶尖具有减小涡轮机的气路中的环形段和叶片之间的缝隙的叶尖构造。这种叶尖构造常常称为凹槽叶顶，并且常常结合到叶片的叶尖上，以帮助减少涡轮机级之间的压力损失。这些构造用于最大限度地减小叶尖和环形段之间的缝隙。
[0006]涡轮机叶尖常常涂有磨蚀性叶片处理材料，以便为涡轮机轮叶提供启动切削能力。但是，许多磨蚀性叶片处理材料在处于燃气轮机的高温气体环境中时会迅速分解。因此，在燃气轮机的磨合期内，在热重启过程中，叶片会丧失其继续切削的能力。所以，需要一种更耐用的磨蚀性叶片处理材料。
【发明内容】
[0007]本发明公开一种带有凹槽叶顶的涡轮机翼片可磨耗涂层系统，该凹槽叶顶具有包含磨料的涂层，该磨料能够承受灼热气路的高温。该凹槽叶顶可附着至叶尖的径向外表面，并可由至少一种支撑材料构成，该支撑材料包含由耐火碳化物材料构成的至少一种磨粒，该耐火碳化物材料与现有的叶尖磨料相比具有更高的耐热分解性，并且与用于附着磨料的金属基材中的金属元素仅发生可忽略不计的化学反应，在至少一个实施例中，所述磨粒可以是碳化钽。所述凹槽叶顶还可从叶尖径向地向外延伸，并可覆盖叶尖的径向外表面的至少一部分。
[0008]所述涡轮机翼片可磨耗涂层系统的凹槽叶顶可以是大致细长形的叶片的部件，该叶片具有前缘、后缘、位于第一端的叶尖、以及在大致与第一端相对的一端结合至叶片的叶根，该叶根用于支撑叶片，并把叶片结合至叶盘。固定环形段可从大致细长形的叶片的所述叶尖径向地向外布置，并固定就位，从而固定环形段的内表面非常接近于大致细长形的叶片，以限制在固定环形段和大致细长形的叶片之间通过的燃烧气体。固定环形段的内表面可涂有隔热涂层。凹槽叶顶可附着至所述叶尖的径向外表面，并由包含至少一种磨粒的至少一种支撑材料构成，该磨粒至少部分地由碳化钽构成。在另一个实施例中，所述磨粒可仅由碳化钽构成。在又一个实施例中，凹槽叶顶可包含不只一种磨粒，并可包含多种磨粒。所述凹槽叶顶可从所述叶尖径向地向外延伸，并可覆盖所述叶尖的径向外表面的至少一部分。
[0009]凹槽叶顶可附着至叶尖的径向外表面，并由包含至少一种磨粒的至少一种支撑材料构成。所述凹槽叶顶可从叶尖径向地向外延伸，并可覆盖叶尖的径向外表面的至少一部分。在至少一个实施例中，凹槽叶顶可覆盖叶尖的整个径向外表面。
[0010]凹槽叶顶可涂有用于把磨粒附着至大致细长形的叶片的叶尖的金属基材。该金属基材可至少部分地由某种金属材料构成，例如但不局限于任何耐高温氧化材料，例如钴、镍、铝、铬和钇(CoNiCrAH)。在另一个实施例中，该金属基材可仅由CoNiCrAH构成。
[0011]除了金属基材，凹槽叶顶还可包含比常规的叶尖磨料具有更高的耐热分解性的耐火碳化物材料。金属基材可支撑耐火碳化物材料，该耐火碳化物材料仅与金属基材发生可忽略不计的化学反应。在至少一个实施例中，所述磨粒可至少部分地由碳化钽构成。在另一个实施例中，所述磨粒可仅由碳化钽构成。所述金属基材可包含一种磨粒或多种磨粒。碳化钽颗粒的尺寸可在100和200微米之间。在现场建造的并且通常不需要磨合过程的大型工业用燃气轮机(IGT)中，这种颗粒尺寸能增强带有磨粒的金属基材在最初2000小时服务使用时间内、以及此后形成叶尖摩擦能力后、在热启动过程中的耐用性，从而能提高凹槽叶顶10的效率。
[0012]此发明的一个优点是，尺寸在100和200微米之间的碳化钽颗粒与CoNiCrAH的组合能产生在常规的IGT第I列涡轮机叶尖温度下可存留2000小时服务时间的磨蚀性叶尖处理材料，从而提高间隙控制能力，实现更长的涡轮发动机服务时间。
[0013]本发明的另一个优点是，由于涡轮机翼片可磨耗涂层系统与现有的磨料叶尖相比具有更尚的耐热分解能力，因而能提尚发动机的总体效率。
[0014]本发明的另一个优点是，涡轮机翼片可磨耗涂层系统能延长燃气轮机中的涡轮机轮叶的有效寿命。
[0015]本发明的另一个优点是，涡轮机翼片可磨耗涂层系统能减少由于叶尖与径向向外的固定环形段摩擦而造成的叶尖磨损危险。
[0016]这些实施例和其它实施例将在下文中更详细地说明。
【附图说明】
[0017]结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施方式，并且与说明文字一起公开了本发明的原理。
[0018]图1是附着有凹槽叶顶的涡轮机轮叶的透视图。
[0019]图2是形成附着至涡轮机翼片并非常接近于径向向外环形段的凹槽叶顶的金属基材内的磨粒的横截面详图。
[0020]图3是用于测试涡轮机翼片可磨耗涂层系统的扩散偶的制备照片的屏幕快照。
[0021]图4是CoNiCrAH基材中的碳化钽(TaC)颗粒在1010摄氏度温度下经过2000小时后的放大图。
[0022]图5是图4所示的CoNiCrAH基材中的碳化钽(TaC)颗粒在1010摄氏度温度下经过2000小时后的进一步放大图，表明了 TaC颗粒完好无损，未发生可见的反应。
[0023]图6是一个扫描电子显微镜背散射图像，示出了在经过2000小时后颗粒完好无损，与CoNiCrAH没有可见的反应。
[0024]图7是一个能量扩散谱点值图，示出了 TaC颗粒中的元素浓度，其中，钇和钴元素有轻微渗透，但钽元素没有损失。
【具体实施方式】
[0025]如图1-7所示，本发明公开了一种具有凹槽叶顶10的涡轮机翼片可磨耗涂层系统8，该凹槽叶顶10具有包含磨料14的涂层12。该凹槽叶顶10可附着至叶尖24的径向外表面16，并可由至少一种支撑材料18构成，该支撑材料包含由耐火碳化物材料构成的至少一种磨粒14，该耐火碳化物材料与常规的叶尖磨料相比具有更高的耐热分解性，并且与用于附着磨料14的金属基材中的金属元素仅发生可忽略不计的化学反应，在至少一个实施例中，所述磨粒14可以是碳化钽。所述凹槽叶顶10还可从叶尖24径向地向外延伸，并可覆盖叶尖24的径向外表面16的至少一部分。
[0026]如图1和图2所示，凹槽叶顶10可附着至涡轮机轮叶20的径向向外叶尖24。涡轮机轮叶20可由大致细长形的叶片26形成，该叶片具有前缘28、后缘30、位于第一端32的叶尖24、以及在大致与第一端32相对的第二端36结合至叶片20的叶根34，该叶根用于支撑叶片20，并把叶片20结合至叶盘。至少一个固定环形段40可从大致细长形的叶片26的叶尖24径向地向外布置，并固定就位，从而固定环形段40的内表面42处于非常接近于大致细长形的叶片26的位置，以限制在固定环形段40和大致细长形的叶片26之间通过的燃烧气体。固定环形段40的内表面42可涂有可耗损材料，例如但不局限于隔热涂层44。隔热涂层44可为保护固定环形段40的任何适当的材料，例如但不局限于多孔陶瓷涂层。固定环形段40可布置为使得涡轮机轮叶20的最外层表面46与固