[发明专利]生产用于热暴露组件表面的具有热阻的设备的方法

说明书

技术领域

本发明涉及热暴露组件，优选燃烧室组件，如燃烧室衬里，或涡轮机，如燃气涡轮装置的叶轮、叶片或隔热元件，其具有带有金属表面的基体，在金属表面上直接或间接地涂敷有热障涂层(TBC)，提供陶瓷材料的连续表面。

制造用于燃气涡轮装置的组件的材料的热稳定性可能不高到足以经受高于1400℃和以上的范围的过程温度。因此在现代或未来的燃气涡轮装置中必须进行更大努力来保护热暴露组件免受高温应力。首先，热暴露组件可通过主动冷却技术冷却，例如通过在热暴露组件内部提供冷却通道，将冷却空气在压力下引导通过其中。其次，所述组件，至少在暴露于特别高的热负荷下的那些区域中，覆盖有热保护层。

常规的热保护层被称作热障涂层(TBC)，其为高度先进的材料体系，用于在形式上将组件与大量和长时间的热负荷隔离。TBC通常由四层组成：金属基底、金属结合涂层、热生长氧化物和陶瓷顶层。陶瓷顶层通常由氧化钇稳定的二氧化锆(YSZ)组成。

发明背景

现有的热障涂层(TBC)在高度先进的燃气涡轮机中可达到它们的应用极限，因为由工艺参数控制它们的微结构的有限能力和适于热等离子喷雾的材料的减少选择。克服这些限制的一种方法为不采用TBC涂层，而是用通过不同的固定技术可固定在热暴露组件表面上的所谓瓷砖替换他们。

在文献US 4,563,128中，瓷砖固定在涡轮机叶片的侧面区域中的鸽尾榫型凹部内。

文献EP 0895028B1公开了用于燃烧空间的包含至少一个壁板的陶瓷衬里，其由耐热结构陶瓷制成。所述壁板提供开口，通过该开口布置固定元件，以将所述壁板固定在燃烧室的内壁。

文献US 7,198,860B2公开了瓷砖隔层，其用于具有许多瓷砖的燃气涡轮机组件，所述瓷砖结合于燃气涡轮机组件的热暴露表面。第一层单独的瓷砖结合于燃气涡轮机组件的陶瓷材料表面。第二层单独的瓷砖结合在第一层之上。

EP 1772441A1总的涉及高纯度的基于氧化锆和/或基于氧化铪的材料及用于高温循环应用的涂层。发现由本发明的高纯度材料制造的热障涂层相对于由现有较低纯度材料制造的涂层具有显著改进的抗烧结性。本发明材料为高纯度的氧化锆和/或氧化铪，其通过以下稳定剂之一或任何组合部分或完全地稳定：氧化钇、氧化镱、氧化钪、镧系氧化物和锕系氧化物。

瓷砖的生产允许在粒径、孔径、孔隙率、孔形状和孔分布方面对不同水平的微结构的严格分层控制。然而，固体陶瓷与TBC同样具有纯热冲击和热梯度抗性。因此，现有TBC除它们的高的“大孔隙率”之外，还有强烈的微破裂，两者通过加工参数直接关连。在通过等离子体或电子束物理气相沉积技术涂敷TBC涂层期间，微破裂发生，同时TBC层得以与组件的冷表面接触。

对于生产用作燃气涡轮中热保护层的瓷砖，恒定和可重现的品质需求必须采用完全可控的无“缺陷”生产方法，以限制影响陶瓷性能的任何随机作用。这些可控加工方法通常导致无微裂纹的陶瓷结构。由这种结构所产生的高弹性模量和高热-机械形成本身可能不是关键的，但是伴随的声冲击波引起陶瓷的毁灭性分裂。

发明概要

本发明的目标为提供具有用于热暴露组件表面的具有热阻的增强设备。目标特别是优化瓷砖的热阻和机械强度。

通过独立权利要求1、2和3中的特征的总和实现目标。通过在子权利要求中公开的特征及在后续说明书中特别提及的优选实施方案可有利地修改本发明。

为了在优选为板状形状的陶瓷体中产生微破裂，发现本发明的方法的三个备选变体，它们也可彼此任意地组合。发明性概念基于至少两种不同粉末材料的混合物的使用，所述粉末材料在它们的热、化学和/或结晶学特性上不同，且为生产具有微裂纹的多孔陶瓷体作为具有热阻的设备的基础。

在用于生产用于热暴露组件表面的具有热阻的设备的第一发明性方法中执行以下方法步骤：在第一个步骤中，将提供具有不同的化学组成和热膨胀系数的至少两种不同的无机粉末材料的至少一种混合物，用于使所述至少一种混合物形成坯体形状，用于进一步将坯体烧结以获得陶瓷体。在烧结坯体之后，在冷却步骤中冷却获得的陶瓷体，同时导致微破裂，以获得具有热阻的设备。由于在冷却过程期间不同的热膨胀行为而发生微破裂，但是还可以在烧结步骤期间发生微破裂。

第一，一种生产用于热暴露组件表面的具有热阻的设备的方法，其包含以下步骤：

-提供具有不同的化学组成和热膨胀系数的至少两种不同的无机粉末材料的至少一种混合物，

-使所述至少一种混合物形成坯体形状，

-将坯体烧结以获得陶瓷体，和

-冷却陶瓷体，和