本發(fā)明涉及能夠在暴露于高溫(諸如燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的惡劣熱環(huán)境)的構(gòu)件上使用的涂層。更特別地，本發(fā)明涉及可抵抗例如可存在于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的運行環(huán)境中的類型的熱循環(huán)和污染物滲透的隔熱涂層(TBC)。

背景技術(shù)：

在諸如燃燒器、高壓渦輪(HPT)葉片、導(dǎo)葉和護(hù)罩的構(gòu)件上使用隔熱涂層(TBC)來幫助這樣的構(gòu)件承受較高的運行溫度，提高構(gòu)件耐用性，以及改進(jìn)發(fā)動機可靠性。TBC典型地由陶瓷材料形成，并且淀積在環(huán)境保護(hù)粘結(jié)涂層上而形成所謂的TBC系統(tǒng)。在TBC系統(tǒng)中廣泛使用的粘結(jié)涂層材料包括抗氧化覆蓋涂層，諸如MCrAlX(其中，M是鐵、鈷和/或鎳，并且X是釔或另一種稀土元素)，以及擴散涂層，諸如包含鋁金屬間化合物的擴散鋁化物。典型地選擇粘結(jié)涂層材料是為了能夠在它們的表面上形成連續(xù)且粘附性氧化皮，以促進(jìn)陶瓷涂層粘附到粘結(jié)涂層上?？赏ㄟ^使粘結(jié)涂層經(jīng)受氧化環(huán)境來形成氧化皮，使得氧化皮有時被稱為熱生長氧化物(TGO)。

在工作條件下，受到TBC系統(tǒng)保護(hù)的熱區(qū)段發(fā)動機構(gòu)件可能易遭受各種模式的損傷，包括暴露于燃燒的氣態(tài)產(chǎn)物而引起的腐蝕、氧化和腐蝕、外來物體損傷(FOD)和來自環(huán)境污染物的攻擊。環(huán)境污染物源是周圍空氣，發(fā)動機吸入周圍空氣來進(jìn)行冷卻和燃燒。周圍空氣中的環(huán)境污染物的類型將由于位置的不同而改變，但對于飛機來說可能是有意義的，因為它們的目的是從一個位置移動到另一個位置。在空氣中可能存在的環(huán)境污染物包括沙、泥、火山灰、呈二氧化硫的形式的硫、飛灰、混凝土顆粒、跑道灰塵，以及其它可排到大氣中的污染物，諸如金屬微粒，例如，鎂、鈣、鋁、硅、鉻、鎳、鐵、鋇、鈦、堿性金屬和它們的化合物，包括，氧化物、碳酸鹽、磷酸鹽、鹽和它們的混合物。這些環(huán)境污染物是由于燃料燃燒引起的腐蝕性和氧化性的污染物之外的。但是，所有這些污染物都可粘附到熱區(qū)段構(gòu)件的表面上，包括受TBC系統(tǒng)保護(hù)的那些。

這些污染物中的一些可在構(gòu)件的壽命中導(dǎo)致TBC損失。例如，通常在包含細(xì)沙和/或灰塵的環(huán)境中存在氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)、氧化鋁(鋁氧化物；Al₂O₃)和硅石(二氧化硅；SiO₂)的微粒。當(dāng)在升高的溫度下共同存在時，氧化鈣、氧化鎂、氧化鋁和硅石可形成易熔化合物，在本文稱為CMAS。CMAS具有較低的熔化溫度，使得在渦輪運行期間，淀積在構(gòu)件表面上的CMAS可熔化，特別是如果表面溫度超過大約2240℉(1227℃)的話。熔化的CMAS能夠滲透TBC內(nèi)的孔隙。例如，CMAS能夠滲透到具有柱狀結(jié)構(gòu)的TBC、密實豎向裂開的TBC和通過熱噴涂和等離子噴涂而淀積的TBC的水平縱向邊界中。熔化的CMAS在TBC的較冷的子表面區(qū)域內(nèi)再次凝固，在該較冷的子表面區(qū)域中，熔化的CMAS妨礙TBC的順從性，而且特別是在熱循環(huán)期間可導(dǎo)致TBC分裂和退化，這是因為它妨礙了TBC膨脹和收縮的能力。除了失去順從性之外，可與TBC內(nèi)的氧化釔和氧化鋯發(fā)生有害化學(xué)反應(yīng)，以及在粘結(jié)涂層/TBC接口處可出現(xiàn)熱生長氧化物，而且使TBC系統(tǒng)退化。一旦失去TBC提供的被動隔熱保護(hù)，發(fā)動機持續(xù)運行可導(dǎo)致TBC系統(tǒng)下面的基部金屬氧化。

考慮到以上，可理解的是，如果可獲得能夠促進(jìn)構(gòu)件對抗污染物(諸如CMAS)的能力的系統(tǒng)和方法，而且特別是在高于污染物的熔化溫度的溫度下運行的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機構(gòu)件，將是合乎需要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

將在以下描述中部分地闡述本發(fā)明的方面和優(yōu)點，或者根據(jù)該描述，本發(fā)明的方面和優(yōu)點可為明顯的，或者可通過實踐本發(fā)明來學(xué)習(xí)本發(fā)明的方面和優(yōu)點。

提供大體渦輪發(fā)動機構(gòu)件，以及它們的形成和修理方法。例如，渦輪發(fā)動機構(gòu)件包括：限定表面的襯底；在襯底的表面上的內(nèi)粘結(jié)涂層；在內(nèi)粘結(jié)涂層上的外粘結(jié)涂層；以及在外粘結(jié)涂層上的陶瓷涂層。用于形成渦輪發(fā)動機構(gòu)件的方法可包括在襯底的表面上形成內(nèi)粘結(jié)涂層；在內(nèi)粘結(jié)涂層的上面形成外粘結(jié)涂層；以及在外粘結(jié)涂層上形成陶瓷涂層。

在一個實施例中，內(nèi)粘結(jié)涂層大體包括含鈷材料，而外粘結(jié)涂層則基本沒有鈷。另外或備選地，內(nèi)粘結(jié)涂層具有大約5%或更小的孔隙率，而外粘結(jié)涂層則具有大于大約5%的孔隙率。另外或備選地，內(nèi)粘結(jié)涂層具有的硫擴散速率為外粘結(jié)涂層的硫擴散速率的1/10。

技術(shù)方案1. 一種渦輪發(fā)動機構(gòu)件，包括：

限定表面的襯底；

在所述襯底的表面上的內(nèi)粘結(jié)涂層，其中，所述內(nèi)粘結(jié)涂層包括含鈷材料；

在所述內(nèi)粘結(jié)涂層上的外粘結(jié)涂層，其中，所述外粘結(jié)涂層基本沒有鈷；以及

在所述外粘結(jié)涂層上的陶瓷涂層。

技術(shù)方案2. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的渦輪發(fā)動機構(gòu)件，其特征在于，所述內(nèi)粘結(jié)涂層具有大約5%或更小的孔隙率，以及其中，所述外粘結(jié)涂層具有大于大約5%的孔隙率。

技術(shù)方案3. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的渦輪發(fā)動機構(gòu)件，其特征在于，所述內(nèi)粘結(jié)涂層具有的硫擴散速率為所述外粘結(jié)涂層的硫擴散速率的最多1/10。

技術(shù)方案4. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的渦輪發(fā)動機構(gòu)件，其特征在于，所述內(nèi)粘結(jié)涂層具有大約1.5μm Ra至大約7.5μm Ra的表面粗糙度，以及其中，所述外粘結(jié)涂層具有大約8.5μm Ra至大約20μm Ra的表面粗糙度。

技術(shù)方案5. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的渦輪發(fā)動機構(gòu)件，其特征在于，所述內(nèi)粘結(jié)涂層包括CoNiCrAlY，以及其中，所述外粘結(jié)涂層包括NiCrAlY。

技術(shù)方案6. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的渦輪發(fā)動機構(gòu)件，其特征在于，所述內(nèi)層涂層直接在所述襯底的表面上，以及其中，所述外層涂層直接在所述內(nèi)粘結(jié)涂層上，以及進(jìn)一步其中，所述陶瓷涂層直接在所述外粘結(jié)涂層上。

技術(shù)方案7. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的渦輪發(fā)動機構(gòu)件，其特征在于，所述內(nèi)層涂層具有大約200μm至大約350μm的平均厚度，以及其中，所述外層涂層具有大約100μm至大約400μm的平均厚度。

技術(shù)方案8. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的渦輪發(fā)動機構(gòu)件，其特征在于，所述渦輪發(fā)動機構(gòu)件進(jìn)一步包括：

定位在所述外粘結(jié)涂層和所述陶瓷涂層之間的中間粘結(jié)涂層，以及其中，所述中間粘結(jié)涂層具有的孔隙率大于所述內(nèi)粘結(jié)涂層的孔隙率，以及其中，所述中間粘結(jié)涂層具有的孔隙率小于所述外粘結(jié)涂層的孔隙率。

技術(shù)方案9. 根據(jù)技術(shù)方案8所述的渦輪發(fā)動機構(gòu)件，其特征在于，所述中間粘結(jié)涂層包括NiCrAlY。

技術(shù)方案10. 根據(jù)技術(shù)方案9所述的渦輪發(fā)動機構(gòu)件，其特征在于，所述內(nèi)粘結(jié)涂層包括CoNiCrAlY，以及其中，所述外粘結(jié)涂層包括NiCrAl。

技術(shù)方案11. 一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動機，包括技術(shù)方案1所述的渦輪發(fā)動機構(gòu)件。

技術(shù)方案12. 根據(jù)技術(shù)方案1所述的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機，其特征在于，所述渦輪發(fā)動機構(gòu)件是燃燒穹頂。

技術(shù)方案13. 一種渦輪發(fā)動機構(gòu)件，包括：

限定表面的襯底；

在所述襯底的表面上的內(nèi)粘結(jié)涂層，其中，所述內(nèi)粘結(jié)涂層具有大約5%或更小的孔隙率；

在所述內(nèi)粘結(jié)涂層上的外粘結(jié)涂層，其中，所述外粘結(jié)涂層具有大于大約5%的孔隙率，其中，所述內(nèi)粘結(jié)涂層具有的硫擴散速率為所述外粘結(jié)涂層的硫擴散速率的最多1/10；以及

在所述外粘結(jié)涂層上的陶瓷涂層。

技術(shù)方案14. 根據(jù)技術(shù)方案13所述的渦輪發(fā)動機構(gòu)件，其特征在于，所述內(nèi)粘結(jié)涂層具有大約1.5μm Ra至大約7.5μm Ra的表面粗糙度，以及其中，所述外粘結(jié)涂層具有大約8.5μm Ra至大約20μm Ra的表面粗糙度，以及其中，所述陶瓷涂層具有大約5%至大約25%的孔隙率。

技術(shù)方案15. 根據(jù)技術(shù)方案13所述的渦輪發(fā)動機構(gòu)件，其特征在于，所述內(nèi)粘結(jié)涂層包括含鈷材料，以及其中，所述外粘結(jié)涂層基本沒有鈷。

技術(shù)方案16. 根據(jù)技術(shù)方案13所述的渦輪發(fā)動機構(gòu)件，其特征在于，所述內(nèi)粘結(jié)涂層包括CoNiCrAlY，以及其中，所述外粘結(jié)涂層包括NiCrAlY。

技術(shù)方案17. 一種形成渦輪發(fā)動機構(gòu)件的方法，所述方法包括：

在襯底的表面上形成內(nèi)粘結(jié)涂層，其中，所述內(nèi)粘結(jié)涂層包括鈷；

在所述內(nèi)粘結(jié)涂層的上面形成外粘結(jié)涂層，其中，所述外粘結(jié)涂層基本沒有鈷；以及

在所述外粘結(jié)涂層上形成陶瓷涂層。

技術(shù)方案18. 根據(jù)技術(shù)方案17所述的方法，其特征在于，形成所述內(nèi)粘結(jié)涂層包括：

通過高速氧-燃料涂層噴涂來將多個第一顆粒噴涂到所述襯底的表面上，以形成所述內(nèi)粘結(jié)涂層，所述多個第一顆粒具有小于大約45μm的平均粒度，其中，所述多個第一顆粒包括含鈷材料

技術(shù)方案19. 根據(jù)技術(shù)方案18所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括：

在通過高速氧-燃料涂層噴涂來噴涂多個第一顆粒之前，過濾所述多個第一顆粒，使得噴涂的第一顆粒中超過90%具有小于大約45μm的平均直徑，其中，所述多個第一顆粒包括CoNiCrAlY。

技術(shù)方案20. 根據(jù)技術(shù)方案17所述的方法，其特征在于，通過高速氧-燃料涂層噴涂方式噴涂多個第二顆粒來形成所述外粘結(jié)涂層，所述多個第二顆粒具有大約50μm至大約150μm的平均直徑。

參照以下描述和所附權(quán)利要求，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解。附圖結(jié)合在此說明書中且構(gòu)成其一部分，附圖示出本發(fā)明的實施例，并且與描述一起用來解釋本發(fā)明的原理。

附圖說明

針對對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，在說明書中闡述本發(fā)明的完整和能夠?qū)嵤┑墓_，包括其最佳模式，說明書參照了附圖，其中：

圖1是根據(jù)本主題的各種實施例的示例性燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的示意性橫截面圖；

圖2是根據(jù)本公開的示例性實施例的燃燒器組件的透視橫截面圖；

圖3是襯底上的示例性雙層粘結(jié)涂層TBC的特寫橫截面圖；以及

圖4是襯底上的示例性三層粘結(jié)涂層TBC的特寫橫截面圖。

在本說明書和附圖中重復(fù)使用參考符號是意于表示本發(fā)明的相同或相似的特征或元件。

部件列表

10渦輪風(fēng)扇發(fā)動機

12縱向中心線

14風(fēng)扇區(qū)段

16核心渦輪發(fā)動機

18外殼

20環(huán)形入口

22低壓壓縮機

24高壓壓縮機

26燃燒區(qū)段

28高壓渦輪

30低壓渦輪

32射流排氣噴嘴區(qū)段

34高壓軸或軸桿

36低壓軸或軸桿

38可變槳距風(fēng)扇

40風(fēng)扇葉片

42盤

44促動部件

46功率齒輪箱

48可旋轉(zhuǎn)前機艙

50外機艙

52導(dǎo)葉

54下游區(qū)段

56旁通空氣流道

58空氣

60入口

62第一空氣部分

64第二空氣部分

66燃燒氣體

68高壓渦輪定子導(dǎo)葉

70高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片

72低壓渦輪定子導(dǎo)葉

74低壓渦輪轉(zhuǎn)子導(dǎo)葉

76風(fēng)扇噴嘴排氣區(qū)段

78熱氣路徑

100燃燒器組件

102內(nèi)襯套

104后端

106前端

108外襯套

110后端

112前端

114燃燒室

116內(nèi)環(huán)形穹頂

118外環(huán)形穹頂

122槽口

124空氣混合器

126外整流罩

128前端

130內(nèi)整流罩

132前端

134附連延伸部

138附連延伸部

142隔熱件

300構(gòu)件

301第二表面

302襯底

303第一表面

304內(nèi)粘結(jié)涂層

305表面

306外粘結(jié)涂層

307紋理表面

308陶瓷涂層

309外表面

310TBC系統(tǒng)

312中間粘結(jié)涂層

313表面。

具體實施方式

現(xiàn)在將詳細(xì)參照本發(fā)明的實施例，在圖中示出實施例的一個或多個示例。以解釋本發(fā)明而非限制本發(fā)明的方式提供各個示例。實際上，對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的將是，可對本發(fā)明作出各種修改和變型，而不偏離本發(fā)明的范圍或精神。例如，被示為或描述成一個實施例的特征可用于另一個實施例，以產(chǎn)生又一個實施例。因而，意于的是本發(fā)明覆蓋落在所附權(quán)利要求和它們等效物的范圍內(nèi)的這樣的修改和變型。

在本公開中，當(dāng)將層描述成在另一個層或襯底“上”或“上面”時，要理解的是，層可直接接觸彼此，或者在層之間具有另一個層或結(jié)構(gòu)，除非明確地陳述相反的情況。因而，這些用語只是描述層與彼此的相對位置，并且未必表示“在頂部”，因為在上或在下的相對位置取決于裝置相對于觀察者的定向。

如本文所用，用語“第一”、“第二”和“第三”可互換地用來區(qū)分一個構(gòu)件與另一個構(gòu)件，而且不意表示單獨的構(gòu)件的位置或重要性。

用語“上游”和“下游”指的是相對于流體路徑中的流體流的相對方向。例如，“上游”指的是流體流出的方向，而“下游”指的是流體流往的方向。

大體提供渦輪發(fā)動機構(gòu)件，其包括雙層(或更多層)粘結(jié)涂層系統(tǒng)，以在襯底上形成隔熱涂層(TBC)。因而，本公開大體適用于用隔熱涂層(TBC)系統(tǒng)來保護(hù)以免受熱環(huán)境的影響的金屬構(gòu)件。這樣的構(gòu)件的顯著示例包括高壓和低壓渦輪噴嘴(導(dǎo)葉)、護(hù)罩、燃燒器襯套、燃燒器穹頂和隔熱件、過渡件、渦輪框架和燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的增強器硬件。雖然本公開特別適用于渦輪發(fā)動機構(gòu)件，但本公開的教導(dǎo)大體適用于可對其使用隔熱件來熱隔離構(gòu)件與其環(huán)境的任何構(gòu)件。

特別地，大體對雙層粘結(jié)涂層系統(tǒng)提供內(nèi)粘結(jié)涂層，內(nèi)粘結(jié)涂層具有特別適合對抗腐蝕、裂化和氧化的化學(xué)性質(zhì)，而外粘結(jié)涂層則具有用于將TBC粘附到其上的化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。也就是說，內(nèi)粘結(jié)涂層提供用于對抗氧化、腐蝕和裂化的密實微結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，外粘結(jié)涂層則提供對于TBC粘附來說必要的表面粗糙度。因而，與由單個層形成的基線粘結(jié)涂層相比，目前提供的粘結(jié)涂層系統(tǒng)提供更高的溫度能力。

現(xiàn)在參照附圖，圖1是根據(jù)本公開的示例性實施例的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的示意性橫截面圖。更特別地，對于圖1的實施例，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機是高旁通渦輪風(fēng)扇射流發(fā)動機10，在本文稱為“渦輪風(fēng)扇發(fā)動機10”。如圖1中顯示的那樣，渦輪風(fēng)扇發(fā)動機10限定軸向方向A(平行于為了參考而提供的縱向中心線12而延伸)和徑向方向R。大體上，渦輪風(fēng)扇10包括風(fēng)扇區(qū)段14和設(shè)置在風(fēng)扇區(qū)段14下游的核心渦輪發(fā)動機16。

所描繪的示例性核心渦輪發(fā)動機16大體包括基本管狀外殼18，外殼18限定環(huán)形入口20。外殼18封閉成連續(xù)流關(guān)系的：壓縮機區(qū)段，其包括增壓器或低壓(LP)壓縮機22和高壓(HP)壓縮機24；燃燒區(qū)段26；渦輪區(qū)段，其包括高壓(HP)渦輪28和低壓(LP)渦輪30；以及射流排氣噴嘴區(qū)段32。高壓(HP)軸或軸桿34將HP渦輪28傳動地連接到HP壓縮機24上。低壓(LP)軸或軸桿36將LP渦輪30傳動地連接到LP壓縮機22上。

對于所描繪的實施例，風(fēng)扇區(qū)段14包括可變槳距風(fēng)扇38，其具有多個風(fēng)扇葉片40，它們以間隔開的方式聯(lián)接到盤42上。如所描繪的那樣，風(fēng)扇葉片40大體沿著徑向方向R從盤42向外延伸。各個風(fēng)扇葉片40可相對于盤42圍繞變槳軸線P旋轉(zhuǎn)，因為風(fēng)扇葉片40操作性地聯(lián)接到適當(dāng)?shù)拇賱硬考?4上，促動部件44構(gòu)造成共同一致地改變風(fēng)扇葉片40的槳距。風(fēng)扇葉片40、盤42和促動部件44可通過穿過可選的功率齒輪箱46的LP軸36圍繞縱向軸線12共同旋轉(zhuǎn)。功率齒輪箱46包括多個齒輪，以使LP軸36的旋轉(zhuǎn)速度逐漸降低到較高效的旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇速度。

仍然參照圖1的示例性實施例，盤42由可旋轉(zhuǎn)前機艙48覆蓋，可旋轉(zhuǎn)前機艙48在外形上設(shè)置成促進(jìn)空氣流通過多個風(fēng)扇葉片40。另外，示例性風(fēng)扇區(qū)段14包括環(huán)形風(fēng)扇殼或外機艙50，其沿周向包圍風(fēng)扇38和/或核心渦輪發(fā)動機16的至少一部分。應(yīng)當(dāng)理解，機艙50可構(gòu)造成相對于核心渦輪發(fā)動機16由多個沿周向間隔開的出口導(dǎo)葉52支承。此外，機艙50的下游區(qū)段54可在核心渦輪發(fā)動機16的外部部分上面延伸，以便在它們之間限定旁通空氣流道56。

在渦輪風(fēng)扇發(fā)動機10的運行期間，一定量的空氣58通過機艙50和/或風(fēng)扇區(qū)段14的相關(guān)聯(lián)入口60進(jìn)入渦輪風(fēng)扇10。隨著該定量的空氣58經(jīng)過風(fēng)扇葉片40，空氣58的第一部分像箭頭62指示的那樣被引導(dǎo)到或發(fā)送到旁通空氣流道56中，并且空氣58的第二部分像箭頭64指示的那樣被引導(dǎo)到或發(fā)送到LP壓縮機22中。第一空氣部分62和第一空氣部分64之間的比率通常被稱為旁通比率。然后第一空氣部分64的壓力隨著它發(fā)送通過高壓(HP)壓縮機24且進(jìn)入到燃燒區(qū)段26中而提高，在燃燒區(qū)段26中，第一空氣部分64與燃料混合且燃燒，以提供燃燒氣體66。

燃燒氣體66被發(fā)送通過HP渦輪28，其中，燃燒氣體66中的熱能和/或動能的一部分通過成連續(xù)級的聯(lián)接到外殼18上的HP渦輪定子導(dǎo)葉68和聯(lián)接到HP軸或軸桿34上的渦輪轉(zhuǎn)子葉片70抽出，從而使HP軸或軸桿34旋轉(zhuǎn)，從而支持HP壓縮機24的運行。然后燃燒氣體66被發(fā)送通過LP渦輪30，其中熱能和動能的第二部分通過成連續(xù)級的聯(lián)接到外殼18上的LP渦輪定子導(dǎo)葉72和聯(lián)接到LP軸或軸桿36上的渦輪轉(zhuǎn)子葉片74從燃燒氣體66中抽出，從而使LP軸或軸桿36旋轉(zhuǎn)，從而支持LP壓縮機22的運行和/或風(fēng)扇38的旋轉(zhuǎn)。

燃燒氣體66隨后發(fā)送通過核心渦輪發(fā)動機16的射流排氣噴嘴區(qū)段32，以提供推力。同時，第一空氣部分62的壓力基本隨著第一空氣部分62發(fā)送通過旁通空氣流道56而提高，之后其從渦輪風(fēng)扇10的風(fēng)扇噴嘴排氣區(qū)段76排出，這也提供推力。HP渦輪28、LP渦輪30和射流排氣噴嘴區(qū)段32至少部分地限定熱氣路徑78，以發(fā)送燃燒氣體66通過核心渦輪發(fā)動機16。

現(xiàn)在參照圖2，提供圖1的示例性渦輪風(fēng)扇發(fā)動機10的燃燒區(qū)段26的特寫橫截面圖。更特別地，圖2提供根據(jù)本公開的示例性實施例的燃燒器組件100的透視橫截面圖，燃燒器組件100可定位在圖1的示例性渦輪風(fēng)扇發(fā)動機10的燃燒區(qū)段26中。值得注意的是，圖2提供燃燒器組件100的透視橫截面圖，為了清楚，移除了外燃燒器殼。

如顯示的那樣，燃燒器組件100大體包括內(nèi)襯套102和外襯套108，內(nèi)襯套102大體沿著軸向方向A在后端104和前端106之間延伸，外襯套108也大體沿著軸向方向A在后端110和前端112之間延伸。內(nèi)襯套102和外襯套108共同在它們之間至少部分地限定燃燒室114。內(nèi)襯套102和外襯套108各自附連到環(huán)形穹頂上。更特別地，燃燒器組件100包括附連到內(nèi)襯套102的前端106上的內(nèi)環(huán)形穹頂116和附連到外襯套108的前端112上的外環(huán)形穹頂118。雖然顯示了內(nèi)環(huán)形穹頂116和外環(huán)形穹頂118各自包括封閉表面，其限定槽口122，以接收相應(yīng)的內(nèi)襯套102和外襯套108的前端106、112，但可利用任何適當(dāng)?shù)母竭B方案將襯套附連到相應(yīng)的穹頂上。而且，雖然顯示了示例性燃燒器組件100包括內(nèi)環(huán)形穹頂和外環(huán)形穹頂，但要理解的是，目前公開的涂層和涂層系統(tǒng)也適用于單穹頂結(jié)構(gòu)和多穹頂結(jié)構(gòu)(例如，3個穹頂?shù)鹊?。

燃燒器組件100進(jìn)一步包括在外穹頂118內(nèi)沿著周向方向間隔開的多個燃料空氣混合器124。更特別地，多個燃料空氣混合器124沿著徑向方向R設(shè)置在外穹頂118和內(nèi)穹頂116之間。來自渦輪風(fēng)扇發(fā)動機10的壓縮機區(qū)段的壓縮空氣流到燃料空氣混合器124中或者流過其中，在燃料空氣混合器124中，壓縮空氣與燃料混合且點燃，以在燃燒室114內(nèi)產(chǎn)生燃燒氣體66。內(nèi)穹頂116和外穹頂118構(gòu)造成協(xié)助來自壓縮機區(qū)段的這種壓縮空氣流進(jìn)入到燃料空氣混合器126中或通過其中。例如，外穹頂118包括在前端128處的外整流罩126，并且內(nèi)穹頂116類似地包括在前端132處的內(nèi)整流罩130。外整流罩126和內(nèi)整流罩130可協(xié)助將來自壓縮機區(qū)段26的壓縮空氣流引導(dǎo)到一個或多個燃料空氣混合器中，或者引導(dǎo)壓縮空氣流通過一個或多個燃料空氣混合器。

此外，內(nèi)和外穹頂116、118各自包括附連部分，附連部分構(gòu)造成協(xié)助將燃燒器組件100安裝在渦輪風(fēng)扇發(fā)動機10內(nèi)。例如，外穹頂118包括附連延伸部134，附連延伸部134構(gòu)造成安裝到外燃燒器殼(未顯示)上，并且內(nèi)穹頂116包括類似的附連延伸部138，其構(gòu)造成附連到渦輪風(fēng)扇發(fā)動機10內(nèi)的環(huán)形支承部件(未顯示)上。在某些示例性實施例中，內(nèi)穹頂116可一體地形成為單個環(huán)形構(gòu)件，而且類似地，外穹頂118也可一體地形成為單個環(huán)形構(gòu)件。但應(yīng)當(dāng)理解的是，在其它示例性實施例中，內(nèi)穹頂116和/或外穹頂118可備選地由以任何適當(dāng)?shù)姆绞竭B結(jié)的一個或多個構(gòu)件形成。例如，參照外穹頂118，在某些示例性實施例中，外整流罩126可與外穹頂118單獨地形成，并且使用例如焊接工藝附連到外穹頂118的前端128上。類似地，附連延伸部134可還與外穹頂118單獨地形成，并且使用例如焊接工藝附連到前端128外穹頂118上。另外或備選地，內(nèi)穹頂116可具有類似構(gòu)造。

仍然參照圖2，示例性燃燒器組件100進(jìn)一步包括多個隔熱件142，它們定位成圍繞各個燃料空氣混合器124，沿周向布置。對于所描繪的實施例，隔熱件142附連到外穹頂118和內(nèi)穹頂116上且在它們之間延伸。隔熱件142構(gòu)造成保護(hù)渦輪風(fēng)扇發(fā)動機10的某些構(gòu)件免受燃燒室114的較極端的溫度的影響。

在某些實施例中，內(nèi)襯套102和外襯套108各自包括金屬，諸如鎳基超合金或鈷基超合金。在備選實施例中，內(nèi)襯套102和外襯套108各自包括陶瓷基質(zhì)復(fù)合物(CMC)材料，它是具有耐高溫能力的非金屬材料。對這樣的襯套102、108使用的示例性CMC材料可包括碳化硅、硅、二氧化硅或氧化鋁基質(zhì)材料和它們的組合。陶瓷纖維可嵌在基質(zhì)內(nèi)，諸如氧化穩(wěn)定加強纖維，其包括單絲狀藍(lán)寶石和碳化硅(例如，Textron公司的SCS-6)，以及粗紗和紗線，其包括碳化硅(例如，Nippon Carbon公司的NICALON?、Ube工業(yè)公司的TYRANNO?，以及Dow Corning公司的SYLRAMIC?)、水合硅酸鋁(例如，Nextel公司的440和480)，以及切斷的剛毛和纖維(例如，Nextel公司的440和SAFFIL?)，以及可選地陶瓷顆粒(例如，Si、Al、Zr、Y的氧化物和它們的組合)和無機填料(例如，葉蠟石、鈣硅石、云母、滑石、藍(lán)晶石和蒙脫石)。

內(nèi)穹頂116、外穹頂118(分別包括內(nèi)整流罩130和外整流罩126)和隔熱件142可由金屬形成，諸如鎳基超合金或鈷基超合金。

如上面陳述的那樣，這些構(gòu)件中的各個暴露于較高溫度和/或壓力的惡劣條件。因而，至少在任何金屬構(gòu)件的暴露表面上存在隔熱涂層。

圖3顯示示例性渦輪發(fā)動機構(gòu)件300的橫截面圖，示例性渦輪發(fā)動機構(gòu)件300在襯底302上具有TBC涂層系統(tǒng)310。大體上，襯底302限定帶涂層表面303(即，其上具有涂層的第一表面303)，帶涂層表面303 稱為“熱”側(cè)，因為它是暴露于發(fā)動機內(nèi)的燃燒氣體的構(gòu)件300的表面。構(gòu)件還具有第二表面301，其在構(gòu)件300的“冷”側(cè)上定位成與帶涂層表面303相反。在一個實施例中，襯底302由任何可操作的材料形成。例如，襯底302可由各種各樣的金屬或金屬合金中的任一種形成，包括基于鎳、鈷和/或鐵合金或超合金的那些。在一個實施例中，襯底302由鎳基合金制成，并且在另一個實施例中，襯底302由鎳基超合金制成?？捎忙?沉淀或有關(guān)階段來加強鎳基超合金。在一個示例中，按重量百分比計，鎳基超合金具有以下成分：大約4至大約20%的鈷、大約1至大約10%的鉻、大約5至大約7%的鋁、大約0至大約2%的鉬、大約3至大約8%的鎢、大約4至大約12%的鉭、大約0至大約2%的鈦、大約0至大約8%的錸、大約0至大約6%的釕、大約0至大約1%的鈮、大約0至大約0.1%的碳、大約0至大約0.01%的硼、大約0至大約0.1%的釔、大約0至大約1.5%的鉿，其余為鎳和附帶雜質(zhì)。例如，適當(dāng)?shù)逆嚮辖鹂蓮纳唐访Q為Rene N5獲得，按重量計，它具有以下標(biāo)稱成分： 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，并且其余為鎳和少量雜質(zhì)。

在顯示的實施例中，TBC涂層系統(tǒng)310包括在襯底302的第一表面303上的內(nèi)粘結(jié)涂層304、在內(nèi)粘結(jié)涂層304的表面305上的外粘結(jié)涂層306，以及在外粘結(jié)涂層307的紋理表面307上的陶瓷涂層308。因而，陶瓷涂層308限定暴露的外表面309。

如所陳述的那樣，內(nèi)粘結(jié)涂層304具有特別適合抵抗氧化、腐蝕和裂化的密實微結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)。另一方面，外粘結(jié)涂層306具有用于使TBC粘附到其上以及對粘附到其上的TBC提供表面粗糙度的化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。因而，與外粘結(jié)涂層206相比，內(nèi)粘結(jié)涂層304大體是密實層。也就是說，內(nèi)粘結(jié)涂層304具有的孔隙率大于外粘結(jié)涂層206的孔隙率。例如，內(nèi)粘結(jié)涂層304可具有大約5%或更小(例如，大約0.5%至大約5%)的孔隙率，而外粘結(jié)涂層306則具有大于大約5%(例如，大約5%至大約25%)的孔隙率。

內(nèi)粘結(jié)涂層304在一個特定實施例中包括含鈷材料(例如，CoNiCrAlY)。不想受任何特定理論的約束，特別是在與較密實的結(jié)構(gòu)(例如，孔隙率小于5%)結(jié)合時，相信在內(nèi)粘結(jié)涂層304中存在鈷可允許通過內(nèi)粘結(jié)涂層304更好地抵抗硫擴散。在一個實施例中，內(nèi)粘結(jié)涂層304包括CoNiCrAlY，諸如CoNiCrAlY合金，其具有以下成分(按重量計)：大約31.0%至大約33.5%的鎳、大約21.0%至大約23.0%的鉻、大約9.5%至大約10.5%的鋁、0.05%至大約0.50%的釔、0%至大約0.01%的磷、0%至大約0.01%的氮、0%至大約0.040%的氧且其余為鈷。

在一個實施例中，通過以下方式形成內(nèi)粘結(jié)涂層304：通過高速氧-燃料涂層噴涂來將多個顆粒噴涂到襯底302的表面303，以形成內(nèi)粘結(jié)涂層304。顆粒具有較細(xì)的平均粒度，以便產(chǎn)生較密實的層(即，孔隙率較低)。例如，可首先通過具有大約325至大約400的篩目額定值的篩子來過濾多個顆粒，使得超過90%的顆粒(例如，大于大約99%)具有小于大約45μm的平均直徑。例如，超過90%的顆粒(例如，大于大約99%)可具有小于大約44μm (對于325目徑)或小于大約37μm (對于400目徑)的平均直徑。

在顯示的實施例中，內(nèi)粘結(jié)涂層304限定表面305，表面305基本是平滑的，因為內(nèi)粘結(jié)涂層304和外粘結(jié)涂層(或者中間粘結(jié)涂層，如果存在的話)之間的結(jié)合是化學(xué)結(jié)合(例如，擴散結(jié)合)。例如，表面305可具有大約1.5μm Ra至大約7.5μm Ra的表面粗糙度(例如，大約1.75μm Ra至大約5.25μm Ra)，其中，Ra是位移值的算術(shù)平均，計算它是為了量化所實現(xiàn)粗糙度的程度。

內(nèi)粘結(jié)涂層304的厚度可取決于構(gòu)件和運行環(huán)境而改變。內(nèi)粘結(jié)涂層304在一個實施例中具有大約200μm至大約350μm的平均厚度(T_IBC)，這通過對在內(nèi)粘結(jié)涂層304上的多個點處從內(nèi)粘結(jié)涂層304的基部(在圖3的實施例中顯示為襯底302的表面303)到內(nèi)粘結(jié)涂層304的表面305的最短距離取平均值而測量。

外粘結(jié)涂層306在一個特定實施例中基本沒有鈷。如本文所用，用語“基本沒有”表示不超過可忽略的微量百分比且完全不包含(例如，0重量%直到0.5重量%)。

在一個實施例中，外粘結(jié)涂層306可為金屬、金屬性、金屬間化合物、金屬合金、復(fù)合物和它們的組合。在一個實施例中，外粘結(jié)涂層306可為NiAl。在一個實施例中，外粘結(jié)涂層306是NiAl，諸如主要βNiAl相，其具有有限的合金添加物。NiAl涂層可具有大約9至大約12重量%的鋁含量，其余基本為鎳，而在另一個實施例中，具有大約18至大約21重量%鋁的鋁含量，其余基本為鎳。但是，外粘結(jié)涂層306的成分不限于NiAl粘結(jié)涂層，而是可為具有合適的結(jié)合和溫度能力的任何金屬涂層。例如，外粘結(jié)涂層306可為NiCrAlY涂層，諸如NiCrAlY涂層具有以下成分(按重量計)：大約21.0%至大約23.0%的鉻、大約9%至大約11%的鋁、0.05%至大約1.20%的釔、0%至大約0.01%的磷、0%至大約0.01%的氮、0%至大約0.040%的氧，并且其余為鎳。在特定實施例中，作為釔的補充或者替代，可包括其它反應(yīng)元素。例如，外粘結(jié)涂層306可包括與NiCrAlY化合物結(jié)合的包含以下材料的化合物：NiCrAlZr、NiCrAlHfSi、NiCrAlYZr、NiCrAlReY或者它們的組合。包括這種材料可幫助將氧化皮粘附到粘結(jié)涂層上，因此改進(jìn)TBC壽命。

在一個實施例中，外粘結(jié)涂層306限定氧化物表面層(氧化皮)307，陶瓷涂層308將外粘結(jié)涂層306紋理表面307機械地結(jié)合到氧化物表面層307上，紋理表面307包括多個頂點和凹處，以協(xié)助將擴散涂層308結(jié)合到其上。例如，表面307可具有大約8.5μm Ra至大約20μm Ra的表面粗糙度(例如，大約9μm Ra至大約15μm Ra)。

外粘結(jié)涂層306的厚度可取決于構(gòu)件和運行環(huán)境而改變。外粘結(jié)涂層306在一個實施例中具有大約100μm至大約400μm的平均厚度(T_OBC)，這通過對在外粘結(jié)涂層306上的多個點處從外粘結(jié)涂層306的基部(在圖3的實施例中顯示為內(nèi)粘結(jié)涂層304的表面305)到外粘結(jié)涂層306的表面307的最短距離取平均值而測量。

可通過任何適當(dāng)?shù)牡矸e工藝來形成外粘結(jié)涂層306，包括空氣等離子噴涂(APS)、高速氧-燃料涂層噴涂(HVOF)、高速空氣燃料工藝(HVAF)、電弧噴涂、低壓等離子噴涂(LPPS)工藝等。在一個實施例中，通過以下方式形成外粘結(jié)涂層306：通過高速氧-燃料涂層噴涂來將多個顆粒噴涂到內(nèi)粘結(jié)涂層304的表面305上，以形成外粘結(jié)涂層306。顆粒具有較粗的平均粒度，以便產(chǎn)生具有較高孔隙率的層。例如，可首先通過具有大約100至大約270的篩目額定值的篩子來過濾多個顆粒，使得超過90%的顆粒(例如，大于大約99%)具有大約50μm至大約150μm的平均直徑。例如，超過90%的顆粒(例如，大于大約99%)可具有大約53μm (對于270目徑)大約149μm (對于100目徑)的平均直徑。

內(nèi)粘結(jié)涂層304和外粘結(jié)涂層306在它們相應(yīng)的硫擴散速率方面也是不同的。內(nèi)粘結(jié)涂層304具有比外粘結(jié)涂層306的硫擴散速率更慢的硫擴散速率。在一個實施例中，內(nèi)粘結(jié)涂層304具有的硫擴散速率為外粘結(jié)涂層306的硫擴散速率的最多1/10(例如，大約1/50或更少，諸如大約1/100或更少)。

陶瓷涂層308在一個實施例中可包括導(dǎo)熱率低的陶瓷。例如，導(dǎo)熱率低的陶瓷可具有大約0.1至1.0 BTU/ft hr ℉的導(dǎo)熱率。優(yōu)選地在0.3至0.6 BTU/ft hr ℉的范圍中。在一個實施例中，陶瓷涂層308可包括氧化鋯、氧化釔、氧化鐿和氧化釹的混合物。在另一個實施例中，陶瓷涂層308可包括氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)。在一個實施例中，陶瓷涂層308可為具有大約3至大約10重量%的氧化釔的成分的YSZ。在另一個實施例中，陶瓷涂層308可為另一種陶瓷材料，諸如，氧化釔、非穩(wěn)定性氧化鋯，或者由其它氧化物穩(wěn)定的氧化鋯，諸如氧化鎂(MgO)、二氧化鈰(CeO₂)、氧化鈧(Sc₂O₃)或氧化鋁(Al₂O₃)。而在其它實施例中，陶瓷涂層308可包括一種或多種稀土氧化物，諸如(但不限于)氧化鐿、氧化鈧、氧化鑭、氧化釹、氧化鉺和它們的組合。而在這些其它實施例中，稀土氧化物可代替穩(wěn)定的氧化鋯系統(tǒng)中的氧化釔的一部分或全部。陶瓷涂層308淀積為足以對下面的襯底302提供所需熱保護(hù)的厚度，大體相當(dāng)于大約75μm至大約350μm。

可使用任何用于形成陶瓷涂層308的適當(dāng)?shù)牡矸e方法，包括(但不限于)物理氣相淀積(PVD)技術(shù)、化學(xué)氣相淀積技術(shù)、低壓等離子噴涂(LPPS)技術(shù)、空氣等離子噴涂(APS)等。

雖然顯示了直接在相鄰層上(即，它們之間不存在中間層)，但在特定實施例中，在TBC系統(tǒng)310內(nèi)可存在另一個層或多個層。例如，TBC系統(tǒng)310中可存在額外的粘結(jié)涂層。

圖4顯示另一個TBC系統(tǒng)310，其包括定位在內(nèi)粘結(jié)涂層304和外粘結(jié)涂層306之間的中間粘結(jié)涂層312。中間粘結(jié)涂層312具有大于內(nèi)粘結(jié)涂層304的孔隙率的孔隙率(即，內(nèi)粘結(jié)涂層304比中間粘結(jié)涂層312更密實)。而且，中間粘結(jié)涂層312具有小于外粘結(jié)涂層306的孔隙率的孔隙率(即，中間粘結(jié)涂層312比外粘結(jié)涂層306更密實)。

在這種實施例中，內(nèi)粘結(jié)涂層304可包含Co(例如CoNiCrAlY)，而中間粘結(jié)涂層312和外粘結(jié)涂層306則基本沒有鈷。中間粘結(jié)涂層312和外粘結(jié)涂層306可由相同的成分或不同的成分制成。例如，中間粘結(jié)涂層312可為金屬、金屬性、金屬間化合物、金屬合金、復(fù)合物和它們的組合。在一個實施例中，中間粘結(jié)涂層312可為NiAl，諸如主要βNiAl相，其具有有限的合金添加物，如上面參照外粘結(jié)涂層306所描述的那樣。但是，中間粘結(jié)涂層312的成分不限于NiAl粘結(jié)涂層，而是可為任何具有合適的結(jié)合和溫度能力的金屬涂層。例如，中間粘結(jié)涂層312可為NiCrAlY涂層。在一個實施例中，中間粘結(jié)涂層312可包括NiCrAlY，并且外粘結(jié)涂層306可包括NiCrAl。

在一個實施例中，內(nèi)粘結(jié)涂層304、中間粘結(jié)涂層312和外粘結(jié)涂層306的孔隙率是不同的，越接近襯底302，涂層就越密實。因而，與中間粘結(jié)涂層312和外粘結(jié)涂層306相比，內(nèi)粘結(jié)涂層304大體是密實層。也就是說，內(nèi)粘結(jié)涂層304具有小于中間粘結(jié)涂層312的孔隙率和外粘結(jié)涂層306的孔隙率的孔隙率。相比之下，與中間粘結(jié)涂層312和內(nèi)粘結(jié)涂層304相比，外粘結(jié)涂層306大體是多孔層。也就是說，外粘結(jié)涂層306具有大于中間粘結(jié)涂層312的孔隙率和內(nèi)粘結(jié)涂層304的孔隙率的孔隙率。因而，在一個實施例中，中間粘結(jié)涂層312具有大于內(nèi)粘結(jié)涂層304的孔隙率的孔隙率，并且中間粘結(jié)涂層312具有小于外粘結(jié)涂層306的孔隙率的孔隙率。例如，內(nèi)粘結(jié)涂層304可具有大約5%或更小的孔隙率(例如，大約0.5%至大約5%)；中間粘結(jié)涂層312可具有大約4%至大約6%的孔隙率；并且外粘結(jié)涂層306可具有大于大約5%的孔隙率(例如，大約5%至大約15%)。

中間粘結(jié)涂層312在一個實施例中具有大約100μm至大約400μm的平均厚度(T_INT)，這通過對在中間粘結(jié)涂層312上的多個點處從中間粘結(jié)涂層312的基部(在圖4的實施例中顯示為內(nèi)粘結(jié)涂層304的表面305)到中間粘結(jié)涂層313的表面313的最短距離取平均值來測量。

在圖4的實施例中，中間粘結(jié)涂層312限定表面313，表面313基本是平滑的，因為中間粘結(jié)涂層312和外粘結(jié)涂層之間的結(jié)合是化學(xué)結(jié)合(例如，擴散結(jié)合)。例如，表面313可具有大約1.5μm Ra至大約7.5μm Ra的表面粗糙度(例如，大約1.75μm Ra至大約5.25μm Ra)。

可通過任何適當(dāng)?shù)牡矸e工藝來形成中間粘結(jié)涂層312，包括空氣等離子噴涂(APS)、高速氧-燃料涂層噴涂(HVOF)、電弧噴涂、低壓等離子噴涂(LPPS)工藝等。在一個實施例中，通過以下方式形成中間粘結(jié)涂層312：通過高速氧-燃料涂層噴涂來將多個顆粒噴涂到內(nèi)粘結(jié)涂層304的表面305上來形成中間粘結(jié)涂層312。顆粒具有大于用來形成內(nèi)粘結(jié)涂層304的顆粒但小于用來形成外粘結(jié)涂層306的顆粒的平均粒度。因而，中間粘結(jié)涂層312具有在較密實內(nèi)粘結(jié)涂層304和較多孔外粘結(jié)涂層306之間的相對孔隙率。

上面描述的TBC系統(tǒng)310特別適合在圖2的燃燒器組件100內(nèi)的金屬發(fā)動機構(gòu)件上使用，諸如分別包括內(nèi)整流罩130和外整流罩126的內(nèi)穹頂116和外穹頂118、隔熱件142等。但是，TBC系統(tǒng)310可在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機10內(nèi)的任何適當(dāng)?shù)臉?gòu)件上使用。

本書面描述使用示例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域任何技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及實行任何結(jié)合的方法。本發(fā)明的可取得專利的范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果這樣的其它示例具有不異于權(quán)利要求的字面語言的結(jié)構(gòu)要素，或者如果它們包括與權(quán)利要求的字面語言無實質(zhì)性差異的等效結(jié)構(gòu)要素，則它們意于處在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。