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用于热障涂层的组合物的制作方法

2021-11-03 20:40:00 来源:中国专利 TAG:
用于热障涂层的组合物
1.本公开整体涉及用于热障涂层的组合物。具体地讲,本公开涉及在热障涂层体系中具有粘结剂的组合物。


背景技术:

2.气体涡轮引擎包括:用于供应压缩燃烧空气流的压缩机区段;用于燃烧压缩燃烧空气中的燃料的燃烧器区段;以及用于从燃烧空气中提取热能并将该能量转换为旋转轴形式的机械能的涡轮区段。
3.现代高效燃气涡轮具有超过约1,000℃的点火温度,并且随着对更高效发动机的需求持续,预期甚至更高的点火温度。形成“热气体路径”燃烧器区段和涡轮区段的许多部件直接暴露于侵蚀性热燃烧气体,例如燃烧器衬里、燃烧区段与涡轮区段之间的过渡管道、以及涡轮静叶和旋转叶片以及周围的环段。除了热应力之外,这些部件和其他部件还暴露于机械应力和进一步磨损部件的负载。
4.传统上用于制造在燃烧涡轮引擎的热气体路径区段中使用的大部分燃烧涡轮部件(下文称为“热气体路径部件”)的钴基和镍基超合金材料中的许多材料通过涂覆部件来与热气体流隔绝。该涂层通常为热障涂层(tbc),以便在侵蚀性高温燃烧环境中经受长期运行。热气体路径部件和气体涡轮的长期运行降低了能源生产的支出和成本。


技术实现要素:

5.本发明的第一方面提供了一种组合物,其中该组合物包含:量为约1重量%至约15重量%的粘结剂以及含氧化锆粉末。该含氧化锆粉末包含:i)至多约65重量%的包含以下的组分:a.)第一金属氧化物,该第一金属氧化物选自氧化镱、氧化钕、氧化镱和氧化钕的混合物、氧化镱和氧化镧的混合物、氧化钕和氧化镧的混合物、以及氧化镱、氧化钕和氧化镧的混合物,其量为该组分的约8重量%至约55重量%;以及b.)第二金属氧化物,该第二金属氧化物选自氧化钇、氧化钙、二氧化铈、氧化钪、氧化镁、氧化铟以及它们的混合物,其量为该组分的至多约2重量%或更少;以及ii.)一种或多种第三金属氧化物,该第三金属氧化物选自:a.)量为该组分的至多约2重量%或更少的二氧化铪;以及b.)量为该组分的至多约2重量%或更少的氧化钽;以及按重量计的余量氧化锆。
6.本公开的第二方面提供了热障涂层(tbc)体系。该tbc体系应用于热气体路径部件。该tbc体系包含组合物,其中该组合物包含:量为约1重量%至约15重量%的粘结剂以及含氧化锆粉末。该含氧化锆粉末包含:i)至多约65重量%的包含以下的组分:a.)第一金属氧化物,该第一金属氧化物选自氧化镱、氧化钕、氧化镱和氧化钕的混合物、氧化镱和氧化镧的混合物、氧化钕和氧化镧的混合物、以及氧化镱、氧化钕和氧化镧的混合物,其量为该组分的约8重量%至约55重量%;以及b.)第二金属氧化物,该第二金属氧化物选自氧化钇、氧化钙、二氧化铈、氧化钪、氧化镁、氧化铟以及它们的混合物,其量为该组分的至多约2重量%或更少;以及ii.)一种或多种第三金属氧化物,该第三金属氧化物选自:a.)量为该组分的至多约2重量%或更少的二氧化铪;以及b.)量为该组分的至多约2重量%或更少的氧
化钽;以及按重量计的余量氧化锆。
7.实施方案的第三方面阐述了包括热障涂层(tbc)组合物的油灰,其中该组合物包含:量为约1重量%至约15重量%的粘结剂以及含氧化锆粉末。该含氧化锆粉末包含:i)至多约65重量%的包含以下的组分:a.)第一金属氧化物,该第一金属氧化物选自氧化镱、氧化钕、氧化镱和氧化钕的混合物、氧化镱和氧化镧的混合物、氧化钕和氧化镧的混合物、以及氧化镱、氧化钕和氧化镧的混合物,其量为该组分的约8重量%至约55重量%;以及b.)第二金属氧化物,该第二金属氧化物选自氧化钇、氧化钙、二氧化铈、氧化钪、氧化镁、氧化铟以及它们的混合物,其量为该组分的至多约2重量%或更少;以及ii.)一种或多种第三金属氧化物,该第三金属氧化物选自:a.)量为该组分的至多约2重量%或更少的二氧化铪;以及b.)量为该组分的至多约2重量%或更少的氧化钽;以及按重量计的余量氧化锆。
8.本公开的示例性方面被设计成解决本文描述的问题和/或未讨论的其他问题。
具体实施方式
9.作为初始事项,为了清楚地描述当前技术,当引用和描述气体涡轮技术和部件时,将有必要选择某些术语。在可能范围内,通用行业术语将以与术语的接受含义一致的方式来使用和采用。除非另有说明,否则应当对此类术语给出与本技术的上下文和所附权利要求书的范围一致的广义解释。本领域的普通技术人员将了解,通常可以使用若干不同或重叠术语来引用特定部件。在本文中可描述为单个零件的物体可以包括多个部件并且在另一个上下文中被引用为由多个部件组成。另选地,本文中可描述为包括多个部件的物体可在别处称为单个零件。
10.此外,在本文中可以有规律地使用若干描述性术语,如下所述。术语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换地使用,以将一个部件与另一个部件区分开,并且不旨在表示单独部件的位置或重要性。
11.本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的并且不旨在限制本公开。如本文所用,单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式,除非上下文另有明确地说明。将进一步理解,当在说明书中使用时,术语“包括”和/或“包含”指定存在陈述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件,但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。“任选的”或“任选地”意指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生,并且该描述包括事件发生的实例和事件不发生的实例。
12.在元件或层被称为“在

上”、“接合到”、“连接到”或“联接到”另一个元件或层的情况下,它可直接在另一个元件或层上、接合到、连接到或联接到另一个元件或层,或者可存在居间元件或层。相比之下,当元件被称为“直接处于另一个元件或层上”、“直接接合到另一个元件或层”、“直接连接到另一个元件或层”或“直接联接到另一个元件或层”时,可不存在居间元件或层。用于描述元件之间关系的其他词语应以类似的方式解释(例如,“在

之间”与“直接在

之间”,“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所用,术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。
13.如上所述,tbc是极为先进的材料体系。tbc应用于形成气体涡轮引擎中的燃烧器和涡轮区段的“热气体路径”的部件。这些热气体路径部件通常直接暴露于侵蚀性热燃烧气体,例如燃烧器衬里、燃烧区段与涡轮区段之间的过渡管道、以及涡轮静叶和旋转叶片以及
周围的环段。通过利用可维持负载承载合金与涂层表面之间的可测量的温差的绝热材料,tbc用于使部件与大且长时间的热负载隔绝。这样做时,这些涂层可允许更高的运行温度,同时限制结构部件的热暴露,从而通过减少氧化和热疲劳来延长部件寿命。
14.tbc体系可包括四个层:金属基底、金属结合涂层、热生长氧化物和陶瓷表涂层。陶瓷表涂层通常由氧化钇稳定的氧化锆(ysz)构成,希望其具有非常低的热导率,同时在应用中常见的标称运行温度下保持稳定。tbc通过各种劣化模式失效(或剥落),这些劣化模式包括在热循环暴露期间粘结涂层的机械褶皱、加速氧化、热腐蚀和熔融沉积劣化。随着tbc的损失,部件经历高得多的温度并且部件寿命显著缩短。因此,保持tbc体系的完整性对于燃气涡轮寿命十分重要。
15.另外,tbc体系可通过使用产生缺陷;在搬运、安装或维护期间被损坏;在后涂覆处理期间被损坏;或形成缺陷。缺陷可包括但不限于其中tbc已被损坏的区域、凹陷、缺口、空隙、划痕、涂层厚度的偏差、或对于现在已知或下文所实现的tbc体系而言不可取的任何其他因素(为了便于描述,所有上述因素将被称为“缺陷”)。为了避免昂贵的汽提和重新涂覆整个热气体路径部件或废弃整个热气体路径部件,提供与现有tbc的现有热特性和物理特性相容或较之更好的tbc修复材料将能够为服务提供商和涡轮所有者节省成本并延长部件寿命。
16.因此,如本公开所体现的热障涂层(tbc)体系提供包含粘结剂和陶瓷粉末的组合物。粘结剂和陶瓷粉末在一起形成油灰。所得的tbc油灰组合物(为了便于描述,在下文中称为“tbc组合物”)包含占组合物的1重量%至15重量%的粘结剂,并且组合物的剩余物包含陶瓷粉末,诸如含氧化锆粉末,其中组分的总重量为100%。油灰可用于填充气体涡轮引擎的热气体路径部件上的tbc体系中的缺陷。另外,如果需要,可将tbc组合物施加到较大面积的施加到热气体路径部件的现有tbc。
17.根据本公开,tbc组合物的粘结剂包含:
18.1重量%至5重量%的有机硅树脂;
19.0重量%至5重量%的凝胶;
20.0重量%至5重量%的乙酸盐;
21.1重量%至5重量%的聚亚烷基二醇共聚物;以及
22.为醇、水或它们的组合中的至少一者的剩余物。
23.在实施方案的另一方面,陶瓷粉末包括含氧化锆粉末。如本公开所体现的含氧化锆粉末包含至少第一金属氧化物、第二金属氧化物和第三金属氧化物。
24.根据本公开的实施方案,第一金属氧化物可选自氧化镱、氧化钕、氧化镱和氧化钕的混合物、氧化镱和氧化镧的混合物、氧化钕和氧化镧的混合物、以及氧化镱、氧化钕和氧化镧的混合物,其量为含氧化锆粉末的约8重量%至约55重量%。根据本公开的实施方案,第一金属氧化物包括氧化镱、氧化镧或它们的组合中的至少一者。
25.同样根据本公开的实施方案,第二金属氧化物可选自氧化钇、氧化钙、二氧化铈、氧化钪、氧化镁、氧化铟以及它们的混合物,其量为含氧化锆粉末的至多约2重量%或更少。另外根据本公开的实施方案,第二金属氧化物包括氧化钇、二氧化铈或它们的组合中的至少一者。
26.另外,根据本公开的实施方案,第三金属氧化物可选自:a)量为组分的至多约2重
量%或更少的二氧化铪;以及b)量为含氧化锆粉末的至多约2重量%或更少的氧化钽。因此,根据本公开的实施方案,第三金属氧化物包括至少二氧化铪。
27.对于本公开所体现的tbc组合物的应用,将粘结剂与含氧化锆粉末混合,并且形成tbc油灰组合物。无论缺陷是如何形成的,都可在热气体路径部件上的缺陷中和/或周围提供tbc油灰组合物。此外,无论何时识别出缺陷,都可在热气体路径部件上的缺陷中和/或周围提供tbc油灰组合物。此外,可在热气体路径部件上的缺陷中和/或周围提供tbc油灰组合物,其中部件就地设置或从气体涡轮引擎移除。在解决缺陷之后,如果需要,可将tbc油灰组合物铺展以填充缺陷,并且可进行任何后应用处理,诸如固化、干燥、进一步的涂覆处理。
28.如在整个说明书和权利要求书中使用的,近似语言可以用于修改可以允许变化的任何定量表示,而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此,由一个或多个术语(诸如“约”、“大约”和“基本上”)修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下,近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。这里以及整个说明书和权利要求书中,范围限制可以可以组合和/或互换。除非上下文或语言另有说明,否则这些范围被识别并包括其中包含的所有子范围。应用于范围的特定值的“大约”或“约”适用于两个端值,并且除非另外依赖于测量值的仪器的精度,否则可以指示所述值的 /

10%。
29.以下权利要求书中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于结合具体要求保护的其他要求保护的元件执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的给出了对本公开的描述,但其并不旨在穷举或将本公开限制于所公开的形式。在不脱离本公开的范围和实质的情况下,许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。选择和描述了实施方案以便最好地解释本公开的原理和实际应用,并且使得本领域的其他技术人员能够理解具有适合于预期的特定用途的各种修改的本公开的各种实施方案。
再多了解一些

本文用于企业家、创业者技术爱好者查询,结果仅供参考。

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