[发明专利]包括涂层系统的涡轮叶片和形成涡轮叶片的方法

说明书

本公开内容提供了用于冷却的涡轮叶片尖端(例如金属涡轮叶片尖端)的涂层系统。涂层系统包括覆盖涡轮叶片尖端表面的磨料层。一个或多个缓冲层可以附加地布置在叶片尖端的外表面和磨料层之间。涂层叶片尖端可以与涂覆有环境隔离涂层(EBC)的陶瓷基质复合物(CMC)护罩一起使用以提供对尖端的改善冷却，从而延长磨料层的氧化时间并减少叶片尖端磨损。本公开内容也提供了具有上述涂层系统的涡轮叶片、以及用于将涂层系统施加到冷却的涡轮叶片尖端上并形成涡轮叶片的方法。

技术领域

本文公开的主题涉及涡轮叶片尖端磨损，并且更具体地，涉及包括涂层系统的冷却涡轮叶片以及用于与燃气涡轮发动机中的CMC或金属护罩结合消除涡轮叶片尖端磨损的方法。

背景技术

燃气涡轮发动机的涡轮部段包括转子轴和一个或多个涡轮级，每个涡轮级具有安装或以其它方式由轴承载的涡轮盘(或转子)和安装到盘的周边并从其径向延伸的涡轮叶片。涡轮组件典型地通过膨胀由燃料燃烧产生的热压缩气体来生成旋转轴功率。燃气涡轮叶片或叶片大体上具有翼型形状，其设计成将流动路径气体的热能和动能转换成转子的机械旋转。

在涡轮发动机内，护罩是围绕旋转叶片的材料环。陶瓷基质复合物(CMC)是用于涡轮机应用(特别是护罩)的有吸引力的材料，原因是CMC具有高温能力并且重量轻。然而，CMC部件必须在涡轮发动机环境中使用环境隔离涂层(EBC)进行保护，以避免在高温气流存在下的氧化和劣化。替代地，可以用热障涂层(TBC)保护金属部件，以避免在高温气流存在下的氧化和劣化。

可以通过减小旋转叶片的尖端和固定护罩之间的空间来增强涡轮机性能和效率，以限制否则将绕过叶片的叶片尖端上方或周围的空气流动。例如，叶片可以配置成使得其尖端在发动机操作期间贴合护罩。因此，出于效率目的，特别期望产生和保持小的尖端间隙。

在发动机操作期间，叶片尖端有时会摩擦护罩，由此增加间隙并导致效率损失，或者在一些情况下，损坏或破坏叶片组。

为了减少效率损失，可磨耗层可以沉积在护罩上的EBC或TBC的顶部上，或者EBC(或TBC)可以用作可磨耗层。在飞行器发动机和燃气涡轮机中发现的高环境温度下，金属叶片强度降低并且叶片护罩摩擦由于摩擦引起的热效应进一步升高叶片尖端的温度，导致严重的叶片磨损。因此，要求可磨耗层在工作温度下比叶片“更软”。然而，可磨耗层不能太软，原因是它们会过快地腐蚀。在一个特定的实例中，可磨耗层形成为连续的陶瓷层并且通常很硬。该连续可磨耗层的硬度可能导致它不磨损，而是将导致旋转叶片的尖端磨耗。

在另一特定实例中，可磨耗层形成为一系列陶瓷脊，其在与旋转叶片尖端接触时脱离。陶瓷材料典型地由与环境隔离层中的一个相同的陶瓷材料制成，例如，二硅酸稀土或硅酸锶钡(BSAS)。目前开发用于燃气涡轮机的可磨耗材料的努力依赖于用于EBC涂层护罩的图案化(弧线，直线，菱形)或平坦(致密和多孔)陶瓷涂层，同时保持合理的耐腐蚀性。然而，护罩表面上的图案化脊降低了空气动力学效率并且往往更昂贵并且具有更少的热保护。

因此，在本领域中期望使用金属叶片和EBC涂层CMC部件(特别是护罩)的涡轮系统的改进设计。

发明内容

本公开的各种实施例包括用于消除摩擦中的涡轮叶片尖端磨损的经涂覆的涡轮叶片和形成叶片尖端的方法。根据一个示例性实施例，公开了一种经涂覆的涡轮叶片，所述经涂覆的涡轮叶片包括涡轮叶片和涂层系统。所述涡轮叶片限定了一个或多个冷却通道和叶片尖端。所述一个或多个冷却通道的每一个从限定在所述涡轮叶片内的增压室延伸到所述叶片尖端的外表面上的开口。所述涡轮叶片包括基础材料，其中所述基础材料包括金属。所述涂层系统沿着所述叶片尖端的外表面布置。所述涂层系统包括多个通孔，所述多个通孔延伸通过所述涂层系统并与所述增压室流体连通。