[发明专利]含氧化铝掺杂剂的陶瓷耐磨材料

说明书

本申请是申请号为200610099624.9、申请日为2006年6月15日的发明专利申请的分案申请。

互相参考的相关申请

本申请依据35 U.S.C.§ 119(e)要求于2005年6月16日申请的美国临时专利申请No.60/690,875的优先权，该临时申请在此整体引入作为参考。

关于资助研究或研制的声明

不适用

参考序列表

不适用。

技术领域

本发明涉及用于高温应用的陶瓷间隙控制（耐磨的（abradable））材料，而且尤其涉及一种掺杂氧化铝的陶瓷耐磨材料，与其他可商购的陶瓷耐磨材料相比，通过添加氧化铝为该耐磨材料在抗侵蚀（erosion）方面带来显著提高。

背景技术

燃气轮机通常有多种应用，包括航空器引擎和运行温度可能在1000-1200摄氏度和更高范围内的多种其他工业应用。燃气轮机是一种内燃机，一般由空气压缩机、燃烧室和由燃烧的膨胀制品转动的涡轮叶轮构成。它主要通过内燃将流体燃料的化学能转化为机械能。燃气轮机的运行效率随着运行温度的升高而增加，这样能将部件置于增强的压力下，同时使这些部件经受热膨胀。

为了最大化涡轮发动机的运行效率，比较理想的是将涡轮叶片尖端与外罩或外壳间的间隙最小化。为了提供理想的运行速率，过大的间隙会导致很低的燃料效率，而过小的间隙又有涡轮叶片尖端与外罩接触而导致部件损坏的危险。为了解决这个问题，常规的燃气轮机包括一种应用于外罩和/或密封表面的耐磨涂层或密封。这些耐磨涂层或密封可受到旋转的涡轮叶片的切削但不损坏涡轮叶片。此外，耐磨涂层或密封必须对由在涡轮中的固体小颗粒和高气体流速造成的侵蚀保持抗蚀性。侵蚀（erosion）指小颗粒流造成的磨损（wear），类似于磨料磨损（abrasive wear）。

耐磨涂层或密封也必须具有良好的耐磨性、抗碎裂性、低透气性、平滑的表面、良好的老化性能和长期的抗氧化性。

常规燃气轮机可利用多孔陶瓷耐磨材料，如氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）（8 wt% Y₂O₃, 余量ZrO₂）。尽管这种YSZ材料适合用作耐磨材料，但它们相对易碎且容易受侵蚀磨损效应的影响。因此，对于具有可接受的耐磨性能和抗侵蚀性的优良的耐磨材料来说，有一种持续的需求以使得容许间隙（tolerance）能被进一步优化来实现效率和性能的提高。

发明内容

因此，本发明涉及一种陶瓷耐磨材料，用于控制适合工业和/或航空应用的燃气轮机内涡轮叶片尖端与外壳或外罩间的间隙。本发明的陶瓷耐磨材料是一种软性耐磨材料，用于提供更强的抗侵蚀性，同时增强涡轮叶片尖端切入耐磨材料而不致叶片受损的能力。这些特性考虑到了（allow for）燃气轮机内可产生优良效率和性能的最佳容许间隙。

本发明提供一种陶瓷耐磨材料，其包含一种掺杂氧化铝（Al₂O₃）的氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）。在本发明的一个实施方案中，将约0.5到1 重量%的氧化铝加入标准氧化钇稳定的氧化锆（如，约8 重量% Y₂O₃，余量ZrO₂）。本发明的耐磨材料组合物与常规YSZ耐磨材料相比，表现出抗固体颗粒及高气体流速的侵蚀性的4到5倍的提高。

本发明的实施方案中，也提供掺杂氧化铝的氧化钇稳定的氧化锆组合物用于密封燃气轮机的部件的应用。这包括应用该耐磨材料作为涡轮叶片与容纳燃气轮机的外罩或外壳之间的密封。

因此，本发明提供一种陶瓷耐磨材料，具有优良的抗侵蚀性、耐磨性、抗碎裂性、低透气性、平滑的表面、良好的老化性能和长期的抗氧化性。

附图说明

所包括的附图提供对本发明进一步的理解，并被引入且构成本说明书的一部分。附图举例说明本发明的实施方案并与本说明书一起用于解释本发明的原理。图中：

图1举例说明使用本发明耐磨材料的燃气轮机一部分的横断面视图；

图2显示表面应用了保护性立方氮化硼侵蚀涂层的叶片尖端表面；

图3举例说明用于测试本发明实施方案中的陶瓷耐磨材料的测试设备；

图4举例说明一种用于评估陶瓷耐磨材料对立方氮化硼的耐磨性能的一般试验矩阵（matrix）或“磨损图”；