可磨耗密封件及用于形成可磨耗密封件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明針對(duì)制造可磨耗密封件的方法。更具體而言，本發(fā)明針對(duì)形成具有可磨耗和磨損性質(zhì)的可磨耗密封件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]許多系統(tǒng)(諸如燃?xì)廨啓C(jī)中的那些)經(jīng)歷熱、機(jī)械和化學(xué)上惡劣的環(huán)境。例如，在燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)部分中，環(huán)境空氣壓縮至10到25倍的大氣壓力，且在該過程中絕熱地加熱至大約800 °F到大約1250 °F。該加熱和壓縮的空氣引導(dǎo)至燃燒器，在該處，其與燃料混合。燃料點(diǎn)燃，且燃燒過程將氣體加熱至很高的溫度，超過大約3000 °F。這些熱氣體經(jīng)過渦輪，在該處，固定到旋轉(zhuǎn)的渦輪盤上的翼型件獲得能量來驅(qū)動(dòng)渦輪的風(fēng)扇和壓縮機(jī)，且穿過排氣系統(tǒng)，在該處，氣體提供足夠能量來使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生電力。熱氣體的緊密密封和精確引導(dǎo)的流提供操作效率。為了在渦輪中實(shí)現(xiàn)此緊密密封，密封件和精確引導(dǎo)的流可能難以制造且是昂貴的。
[0003]在運(yùn)轉(zhuǎn)期間，渦輪外殼(護(hù)罩)關(guān)于旋轉(zhuǎn)葉片保持固定。通常，最高效率可通過維持護(hù)罩與葉片末梢之間的最小閾值空隙來實(shí)現(xiàn)，以由此防止輪葉的末梢之上的熱氣體的不必要的"泄漏〃。增大的空隙導(dǎo)致泄漏問題，且引起燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的總體效率的顯著下降。
[0004]已經(jīng)做出了嘗試以使隙距最小化來改善效率，同時(shí)避免渦輪葉片末梢上的過度磨損。例如，一些常規(guī)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括環(huán)形密封節(jié)段上的熱障涂層(TBC)。陶瓷材料由于其耐高溫能力和低導(dǎo)熱性而通常用作TBC材料。已知的可磨耗涂層系統(tǒng)使用TBC，其設(shè)計(jì)成使得涂層的一部分將在由渦輪葉片接觸時(shí)磨掉，以防止對(duì)渦輪葉片的破壞。TBC還將下覆的渦輪構(gòu)件與運(yùn)轉(zhuǎn)期間存在的熱氣體(其可高于2000華氏溫度)隔離。TBC將下覆的渦輪構(gòu)件的溫度維持在顯著較低的溫度下。
[0005]由于葉片末梢與護(hù)罩之間的空隙可在護(hù)罩的整個(gè)圓周上不均，故使得維持足夠的空隙而沒有顯著效率損失的需要更困難。不均勻是由一定數(shù)目的因素引起，包括加工期間的加工公差、堆疊公差，以及起因于變化的熱質(zhì)量和熱反應(yīng)的不均勻膨脹。這樣的不均勻?qū)е铝藴u輪葉片的長(zhǎng)度的變化和其對(duì)可磨耗涂層上的沖擊，導(dǎo)致了可磨耗涂層的非均勻磨損。已知的系統(tǒng)針對(duì)葉片末梢的不均勻性而極小化間隙和設(shè)計(jì)，同時(shí)避免了對(duì)渦輪葉片末梢的破壞。
[0006]帶有可磨耗涂層的另一個(gè)常見問題在于在持續(xù)的暴露于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)溫度之后涂層經(jīng)由燒結(jié)而降級(jí)?？赡ズ耐繉拥臒Y(jié)顯著地降低了可磨耗涂層在由渦輪葉片的末梢接觸時(shí)剪切的能力。對(duì)于高溫運(yùn)轉(zhuǎn)，氧化釔穩(wěn)定的二氧化鋯(YSZ)失去穩(wěn)定，且涂層的侵蝕和可磨耗性質(zhì)降低。
[0007]因此，存在對(duì)一種可磨耗涂層的需要，其解決不均勻的葉片長(zhǎng)度，向下覆的基底提供足夠的絕熱，允許可磨耗涂層在運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的磨損，保持粘合到基底上，以及提供更加長(zhǎng)期的可靠性和改善的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。不遭受上述缺陷中的一個(gè)或更多個(gè)的可磨耗密封件和用于形成可磨耗密封件的方法將是本領(lǐng)域中期望的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]在一個(gè)實(shí)施例中，一種可磨耗密封件具有金屬基底和金屬基底上的多層陶瓷涂層。多層陶瓷涂層包括沉積在金屬基底上的基礎(chǔ)層、上覆第一層的可磨耗層，以及上覆第二層的磨損層。磨損層由磨損材料形成。
[0009]在另一個(gè)實(shí)施例中，一種渦輪系統(tǒng)具有多個(gè)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件和可磨耗密封件?？赡ズ拿芊饧ń饘倩缀徒饘倩咨系亩鄬犹沾赏繉印６鄬犹沾赏繉影ǔ练e在連結(jié)涂層上的基礎(chǔ)層、上覆第一層的可磨耗層，以及上覆第二層的磨損層。磨損層由磨損材料形成。旋轉(zhuǎn)構(gòu)件和可磨耗密封件布置和設(shè)置成將可磨耗密封件與旋轉(zhuǎn)構(gòu)件接觸。
[0010]在另一個(gè)實(shí)施例中，一種用于形成可磨耗密封件的方法。該方法將多層陶瓷涂層沉積在金屬基底上。多層陶瓷涂層包括沉積在連結(jié)涂層上的基礎(chǔ)層、上覆第一層的可磨耗層，以及上覆第二層的磨損層。磨損層由磨損材料形成。
[0011]本發(fā)明的第一技術(shù)方案提供了一種可磨耗密封件，包括:金屬基底；以及金屬基底上的多層陶瓷涂層，多層陶瓷涂層包括:基礎(chǔ)層，其沉積在金屬基底上，可磨耗層，其上覆第一層，以及磨損層，其上覆第二層，其中所述磨損層由磨損材料形成。
[0012]本發(fā)明的第二技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，還包括在基底與多層陶瓷涂層之間的連結(jié)涂層。
[0013]本發(fā)明的第三技術(shù)方案是在第二技術(shù)方案中，連結(jié)涂層為MCrAlX上覆涂層。
[0014]本發(fā)明的第四技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，基礎(chǔ)層包括陶瓷材料層，其材料選自以下構(gòu)成的集合:以二氧化鈰穩(wěn)定的氧化鋯、以氧化鎂穩(wěn)定的氧化鋯、以氧化鈣穩(wěn)定的氧化鋯、以氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯，以及它們的混合。
[0015]本發(fā)明的第五技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，基礎(chǔ)層包括氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)，其包括大約7wt%到大約8wt%的氧化釔。
[0016]本發(fā)明的第六技術(shù)方案是在第五技術(shù)方案中，基礎(chǔ)層包括具有密集豎直微裂縫的微觀結(jié)構(gòu)。
[0017]本發(fā)明的第七技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，可磨耗層包括大約18wt%到大約20wt%的氧化釔的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)。
[0018]本發(fā)明的第八技術(shù)方案是在第七技術(shù)方案中，可磨耗層包括具有密集豎直微裂縫的微觀結(jié)構(gòu)。
[0019]本發(fā)明的第九技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，可磨耗層包括Yb4Zr3012。
[0020]本發(fā)明的第十技術(shù)方案是在第九技術(shù)方案中，可磨耗層包括具有密集豎直微裂縫的微觀結(jié)構(gòu)。
[0021]本發(fā)明的第十一技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，可磨耗層布置成幾何圖案。
[0022]本發(fā)明的第十二技術(shù)方案是在第九技術(shù)方案中，幾何圖案為菱形圖案。
[0023]本發(fā)明的第十三技術(shù)方案是在第九技術(shù)方案中，幾何圖案為凸脊圖案。
[0024]本發(fā)明的第十四技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，磨損材料是包括大約7wt%到大約8wt%的氧化釔的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)。
[0025]本發(fā)明的第十五技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，基礎(chǔ)層和磨損層由相同材料形成。
[0026]本發(fā)明的第十六技術(shù)方案提供了一種渦輪系統(tǒng)，包括:多個(gè)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件；可磨耗密封件，其包括:金屬基底；以及金屬基底上的多層陶瓷涂層，多層陶瓷涂層包括:基礎(chǔ)層，其沉積在連結(jié)涂層上，可磨耗層，其上覆第一層，以及磨損層，其上覆第二層，其中磨損層由磨損材料形成；其中旋轉(zhuǎn)構(gòu)件和可磨耗密封件布置和設(shè)置成使可磨耗密封件與旋轉(zhuǎn)構(gòu)件接觸。
[0027]本發(fā)明的第十七技術(shù)方案提供了一種用于形成可磨耗密封件的方法，包括:將多層陶瓷涂層沉積在金屬基底上，多層陶瓷涂層包括:基礎(chǔ)層，其沉積在連結(jié)涂層上，可磨耗層，其上覆第一層，以及磨損層，其上覆第二層，其中磨損層由磨損材料形成。
[0028]本發(fā)明的第十八技術(shù)方案是在第十七技術(shù)方案中，還包括使多層陶瓷涂層與旋轉(zhuǎn)構(gòu)件接觸。
[0029]本發(fā)明的第十九技術(shù)方案是在第十七技術(shù)方案中，構(gòu)件為渦輪葉片。
[0030]本發(fā)明的第二十技術(shù)方案是在第十七技術(shù)方案中，沉積包括在可磨耗層中形成幾何圖案。
[0031]本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將從連同的附圖的優(yōu)選實(shí)施例的以下更詳細(xì)描述中清楚，附圖通過示例示出了本發(fā)明的原理。
【附圖說明】
[0032]圖1顯示了根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施例的具有可磨耗密封件的示例性渦輪布置。
[0033]圖2顯示了根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施例的具有定位在基底上的多層的示例性密封件布置。
[0034]圖3示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的實(shí)施例的由可磨耗密封件提供的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的磨損。
[0035]圖4顯示了侵蝕數(shù)據(jù)，其顯示對(duì)于各種YSZ穩(wěn)定層的比較侵蝕速率。
[0036]圖5顯示了侵蝕數(shù)據(jù)，其顯示對(duì)于各種YSZ穩(wěn)定層的比較侵蝕速率。
[0037]只要可能，相同的參考標(biāo)號(hào)將遍及附圖用于表示相同的部分。
【具體實(shí)施方式】
[0038]提供了一種可磨耗密封件和用于制造具有可磨耗和磨損性質(zhì)的可磨耗密封件的工藝。相比于未能包括本文公開的特征中的一個(gè)或更多個(gè)的類似構(gòu)想，本公開內(nèi)容的實(shí)施例提供了帶有包括具有不均勻葉片長(zhǎng)度的系統(tǒng)的渦輪系統(tǒng)的緊密密封。此外，根據(jù)本公開內(nèi)容的可磨耗密封件維持絕熱性質(zhì)，允許了可磨耗涂層的磨損，且在渦輪系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)條件期間保持粘合到基底上，提供了燃?xì)廨啓C(jī)的更加長(zhǎng)期的可靠性和改善的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。
[0039]圖1顯示了沿旋轉(zhuǎn)的中心軸線的方向看的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)100的渦輪區(qū)段的示意性截面視圖。燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)100包括圍繞轉(zhuǎn)子103的諸如渦輪護(hù)罩的靜止構(gòu)件101。靜止構(gòu)件101為相對(duì)于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件保持在固定位置的任何適合的構(gòu)件。
[0040]可磨耗密封件105設(shè)置在靜止構(gòu)件101上。旋轉(zhuǎn)構(gòu)件107附接到轉(zhuǎn)子103上。旋轉(zhuǎn)構(gòu)件107為適合的渦輪輪葉或渦輪葉片。用語“葉片”和“輪葉”在本文中互換使用。旋轉(zhuǎn)構(gòu)件107在轉(zhuǎn)子103旋轉(zhuǎn)期間接觸或接近接觸可磨耗密封件105。
[0041]圖2顯示了根據(jù)實(shí)施例的可磨耗密封件105的截面示意圖?？赡ズ拿芊饧?05由金屬基底203上的多層陶瓷涂層201構(gòu)成。如本文所使用的，用語“金屬的”旨在包含金屬、合金、復(fù)合金屬、金屬間化合材料，或它們的任何組合。在一個(gè)實(shí)施例中，基底203包括不銹鋼或?yàn)椴讳P鋼。在另一個(gè)實(shí)施例中，基底203包括鎳基合金或?yàn)殒嚮辖稹Ｆ渌m合的合金包括但不限于鈷基合金、鉻基合金、碳鋼和它們的組合。適合的金屬包括但不限于鈦、鋁和它們的組合。在一個(gè)實(shí)施例中，金屬基底203設(shè)置在靜止構(gòu)件101的內(nèi)表面處，內(nèi)表面為面對(duì)轉(zhuǎn)子103的表面。然而，金屬基底203不限于此，且包括其它適合的表面。在圖2中所示的實(shí)施例中，可磨耗密封件105包括在多層陶瓷涂層201與金屬基底之間的連結(jié)涂層205。連結(jié)涂層205包括例如MCrAlY，其中Μ為鎳(Ni)、鈷(Co)、鐵