Cmc涡轮构件及形成cmc涡轮构件的方法
【专利摘要】公开了包括具有第一表面(105)和第二表面(107)的CMC基底(103)的构件(101)。第一表面(105)与压缩的干流体(109)流体连通，而第二表面(107)与湿流体流(111)流体连通且包括气密性涂层(113)。构件(101)还包括从第一表面(105)延伸穿过CMC基底(103)的一部分(203)的至少一个开口(201)，其中，在气密性涂层(113)和CMC基底(103)中的一者或两者的碎片除去后，至少一个开口(201)选择性地允许压缩的干流体(109)至第二表面(107)的流(303)。在一个实施例中，构件(101)为燃气轮机构件，湿流体流(111)为热燃烧流，气密性涂层(113)为环境阻隔涂层(119)，且流(303)减少或消除CMC基底(103)的挥发。还公开了用于形成构件(101)的方法。
【专利说明】
CMC涡轮构件及形成CMC涡轮构件的方法
技术领域
[0001]本发明针对涡轮构件及形成涡轮构件的方法。更具体而言，本发明针对涡轮构件及形成包括陶瓷基质复合物的挥发的消除的有选择的减少的涡轮构件的方法。
【背景技术】
[0002]燃气轮机在不断改变以提供提高的效率和性能。这些改变包括在较高温度下和恶劣条件下操作的能力，这常常需要材料改变和/或涂层来保护构件免受此温度和条件。随着引入更多改变，实现了附加的挑战。
[0003]提高性能和效率的一个改变涉及由陶瓷基质复合物(CMC)形成涡轮构件，诸如但不限于护罩、喷嘴、燃烧衬套、轮叶和护罩环。CMC祸轮构件可由于CMC与包括水的燃烧气体在升高温度下的相互作用而经历燃烧流场中的退化。例如，在碳化硅CMC中，碳化硅中的硅的一部分可与水相互作用来产生硅醇类，诸如氢氧化硅，其可在涡轮中的操作条件下挥发。为了防止此退化，CMC涡轮构件可以以环境阻隔涂层(EBC)保护。然而，EBC可经历碎裂，特别是在经历高热机械应变时，诸如可在涡轮的硬机器停机期间发生的，或由外来物体破坏或内在物体破坏引起。在EBC的碎片碎裂的情况下，由EBC失去而露出的CMC可又由于挥发水而经历退化。
[0004]本领域中将期望涡轮构件及形成不存在以上缺陷的涡轮构件的方法。
【发明内容】
[0005]在示例性实施例中，一种构件包括具有第一表面和第二表面的CMC基底。第一表面与压缩的干流体流体连通，而第二表面与湿流体流流体连通。第二表面包括气密性涂层。构件还包括从第一表面延伸穿过CMC基底的一部分的至少一个开口，其中，在气密性涂层和CMC基底中的一者或两者的碎片除去后，至少一个开口有选择地允许压缩的干流体至第二表面的流。
[0006]在另一个示例性实施例中，一种燃气轮机构件包括具有第一表面和第二表面的CMC基底。第一表面与压缩的干流体流体连通，而第二表面与热燃烧流流体连通。第二表面包括环境阻隔涂层。燃气轮机构件还包括从第一表面延伸穿过CMC基底的一部分的至少一个开口，其中在环境阻隔涂层和CMC基底中的一者或两者的碎片除去后，至少一个开口有选择地允许压缩的干流体至第二表面的流，且减少或消除热燃烧流中的CMC基底的挥发。
[0007]在另一个示例性实施例中，一种形成构件的方法包括在CMC基底中形成至少一个开口，其中至少一个开口从第一表面延伸穿过CMC基底的一部分，以及在CMC基底的第二表面上形成气密性涂层，其中在除去气密性涂层和CMC基底中的一者或两者的碎片后，至少一个开口有选择地允许压缩的干流体至第二表面的流。
[0008]本发明的第一技术方案提供了一种构件，包括:具有第一表面和第二表面的陶瓷基质复合物(CMC)基底，其中:第一表面与压缩的干流体流体连通;第二表面与湿流体流流体连通；以及第二表面包括气密性涂层；以及从第一表面延伸穿过CMC基底的一部分的至少一个开口，其中，在气密性涂层和CMC基底中的一者或两者的碎片除去后，至少一个开口选择性地允许压缩的干流体至第二表面的流。
[0009]本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，流足以减少或消除湿流体流中的CMC基底的挥发。
[0010]本发明的第三技术方案是在第一技术方案中，气密性涂层为环境阻隔涂层。
[0011]本发明的第四技术方案是在第三技术方案中，环境阻隔涂层包括碳化硅。
[0012]本发明的第五技术方案是在第一技术方案中，至少一个开口从第一表面延伸至气性涂层。
[0013]本发明的第六技术方案是在第一技术方案中，至少一个开口部分地延伸穿过CMC基底。
[0014]本发明的第七技术方案是在第一技术方案中，CMC基底包括选自以下组成的集合的材料:碳纤维增强的碳(C/C)、碳纤维增强的碳化硅(C/SiC)、碳化硅纤维增强的碳化硅(SiC/SiC)，以及氧化铝纤维增强的氧化铝(A1203/A1203)，以及它们的组合。
[0015]本发明的第八技术方案是在第一技术方案中，至少一个开口包括在一端处的扩散器。
[0016]本发明的第九技术方案是在第一技术方案中，至少一个开口定位成与第二表面成斜角。
[0017]本发明的第十技术方案是在第一技术方案中，湿流体流为热燃烧流。
[0018]本发明的第十一技术方案是在第一技术方案中，压缩的干流体具有低于湿流体流的含湿量。
[0019]本发明的第十二技术方案是在第一技术方案中，构件为选自以下构成的集合的涡轮构件:护罩、喷嘴、燃烧衬套和轮叶。
[0020]本发明的第十三技术方案提供了一种燃气轮机构件，包括:具有第一表面和第二表面的陶瓷基质复合物(CMC)基底，其中:第一表面与压缩的干流体流体连通;第二表面与热燃烧流流体连通；以及第二表面包括环境阻隔涂层；以及从第一表面延伸穿过CMC基底的一部分的至少一个开口，其中，在环境阻隔涂层和CMC基底中的一者或两者的碎片除去后，至少一个开口选择性地允许压缩的干流体至第二表面的流，且减少或消除热燃烧流中的CMC基底的挥发。
[0021]本发明的第十四技术方案提供了一种形成构件的方法，包括:在陶瓷基质复合物基底中形成至少一个开口，其中至少一个开口从第一表面延伸穿过CMC基底的一部分；以及在CMC基底的第二表面上形成气密性涂层，其中在气密性涂层和CMC基底中的一者或两者的碎片除去后，至少一个开口选择性地允许压缩的干流体至第二表面的流。
[0022]本发明的第十五技术方案是在第十四技术方案中，气密性涂层在CMC基底中的至少一个开口形成之前形成。
[0023]本发明的第十六技术方案是在第十四技术方案中，气密性涂层在CMC基底中的至少一个开口形成之后形成。
[0024]本发明的第十七技术方案是在第十四技术方案中，气密性涂层为环境阻隔涂层。
[0025]本发明的第十八技术方案是在第十四技术方案中，形成至少一个开口包括机械钻孔、激光钻孔或它们的组合。
[0026]本发明的第十九技术方案是在第十四技术方案中，至少一个开口从第一表面延伸至气密性涂层。
[0027]本发明的第二十技术方案是在第十四技术方案中，至少一个开口部分地延伸穿过CMC基底。
[0028]本发明的其它特征和优点将从连同的附图的优选实施例的以下更详细描述中清楚，附图通过举例示出了本发明的原理。
【附图说明】
[0029]图1为根据本公开内容的实施例的构件的节段的截面视图。
[0030]图2为根据本公开内容的实施例的构件的气密性涂层的碎裂之后的图1的构件的节段的截面视图。
[0031]图3为根据本公开内容的实施例的构件的气密性涂层和CMC基底的碎裂之后的图1的构件的节段的截面视图。
[0032]只要可能，则相同的参考标号将贯穿示图使用以表示相同的部分。
【具体实施方式】
[0033]提供了示例性涡轮构件和形成涡轮构件的方法。相比于未使用本文公开的一个或更多个特征的方法和产品，本公开内容的实施例减少或消除了可在碎裂事件之后发生的热燃烧流中的CMC基底的挥发，改善了涡轮中的CMC构件的耐久性而允许了关于由需要冷却的金属形成的构件的提高的效率和功率输出，延长了涡轮中的CMC构件的使用寿命，以及允许了在其它情况下可能需要在维护周期内替换的构件的修理。
[0034]参看图1，在一个实施例中，构件101包括具有第一表面105和第二表面107的CMC基底103。第一基底105与压缩的干流体109流体连通。压缩的干流体109可包括小于大约2vol%的水，备选地大约lvol%的水，备选地小于大约I vol%的水。第二表面与湿流体流111流体连通。湿流体流111可包括大于大约2vol%的水，备选地大于大约4vol%的水，备选地大约5vol%的水，备选地大约I Ovo 1%的水，备选地大约5 Vo 1%到大约20 Vo 1%之间的水。第二表面107包括气密性涂层113。在另一个实施例中，压缩的干流体109具有大于湿流体流111的压力，导致了压缩的干流体109与湿流体流111之间的压差。压差可为任何适合的压差，包括但不限于大约I%到大约20%，备选地大约5%到大约15%，备选地大约10%的压差。如本文中所使用的，大约10%的压差意思是压缩的干流体109的压力比湿流体流111的压力大大约10%。
[0035]构件101可为可经历挥发的任何适合的构件，诸如但不限于燃气轮机构件。在一个实施例中，构件101为护罩、喷嘴、燃烧衬套、轮叶或护罩环115。湿流体流111可为燃气轮机的热燃烧流，且压缩的干流体109可具有低于湿流体流111的含湿量的含湿量。
[0036]CMC基底103包括CMC材料117。CMC材料117的实例包括但不限于碳纤维增强的碳(C/C)、碳纤维增强的碳化硅(C/SiC)、碳化硅纤维增强的碳化硅(SiC/SiC)，以及氧化铝纤维增强的氧化铝(A1203/A1203)，以及它们的组合。相比于整体陶瓷结构，CMC材料117可具有增大的伸长率、断裂韧度、热冲击、动态负载能力和非均质性质。然而，CMC材料117可在燃气轮机的操作条件下经历挥发。
[0037]例如，在高于1500°F的温度下，水蒸气可与CMC材料117化学反应。水蒸气可与CMC材料117中的硅和碳反应，以分别产生硅醇类和二氧化碳。由水蒸气与CMC材料117之间的反应形成的硅醇类和二氧化碳可挥发。在高于1500°F的一些操作小时内，CMC材料117可从第二表面107到第一表面105水解和挥发。
[0038]在一个实施例中，气密性涂层113为EBCl 19 ABCl 19保护CMC材料117免受可引起CMC材料117的挥发或变质的水蒸气、热和其它燃烧气体。在另一个实施例中，EBC119通过湿流体流111中的水蒸气而减少或消除CMC材料117的水解的发生。EBCl 19可为用于保护CMC材料117免受热燃烧气体的任何适合的材料。EBC可包括但不限于碳化硅、硅化钡锶铝(BSAS)、多铝红柱石、氧化钇稳定的二氧化锆、Y2Si2O7Jb2Si2O7和它们的组合。
[0039]构件101包括从第一表面105延伸穿过CMC基底103的部分203的至少一个开口 201。在一个实施例中，至少一个开口201为完整开孔205。如本文中所使用的，〃完整开孔〃是指至少一个开口 201从第一表面105延伸至气密性涂层113 ο在另一个实施例中，至少一个开口201为部分开孔207。如本文中所使用的，〃部分开孔〃是指至少一个开口201部分地延伸穿过CMC基底，将CMC剩余部分209留在第一表面105远侧。剩余部分209可为任何适合的厚度，包括但不限于不小于大约0.008英寸厚。尽管图1示出了完整开孔205至少一个开口 201和部分开孔207至少一个开口 201两者，但实施例可包括至少一个开口 201，其仅为完整开孔205或仅为部分开孔207，或它们的任何组合。此外，实施例可包括与彼此隔离或以任何适合的模式或布置互混的完整开孔205至少一个开口 201和部分开孔207至少一个开口 201。
[0040]在另一个实施例中，至少一个开口201定位成关于第二表面107成斜角211。斜角211为任何适合的角。例如，斜角211可关于第二表面107成大约15°到大约60°，备选地关于第二表面107成大约25°到大约45°。至少一个开口201还可包括扩散器，诸如在从第一表面105到第二表面107的方向上具有扩展直径的区段。
[0041]至少一个开口201可具有任何适合的截面构型，包括但不限于基本上圆形截面构型、基本上多边形截面构型，或它们的组合。至少一个开口 201还可限定CMC基底103中的通道。如本文中所使用的，〃通道〃是指至少一个开口201沿着沿第一表面105穿过CMC基底103的通路延伸在沿通路的任何点处垂直于通路的第一表面105处的至少一个开口 201的宽度的至少两倍。通路可为线性的或弯曲的，或线性和/或弯曲节段的任何组合。
[0042]构件101可包括多个开口 201。在一个实施例中，多个开口 201跨过构件101分布，使得多个开口201集中于构件101的区域中，该区域相对于构件101的其余区域经历更大的碎裂事件的风险。通过将多个开口 201集中在有构件101中的更大碎裂风险的区域中，更大的效率以减少的处理实现，且与包括多个开口 201相关联的任何缺点最小化。对于多个开口201的全部或多个开口 201的群集子集，多个开口 201之间的周向和轴向间距可为任何适合的间距。在一个实施例中，多个开口 201中的每一个或多个开口 201的群集子集与多个开口201中的每一个的直径之间的间距之比为大约2到大约14，备选地大约5到大约11，备选地大约7到大约9。在多个开口 201中的至少一个限定通道的背景下，限定通道的开口 201的直径应当理解为垂直于通道的通路的第一表面105处的至少一个开口 201的宽度。在另一个实施例中，多个开口201或多个开口201的群集子集的间距可为第一表面105与第二表面107之间的区段厚度213的大约一半。在又一个实施例中，多个开口201中的大部分定向成与湿流体流111的流动方向大致对准，而非逆向或正交。
[0043]构件101可通过在CMC基底103中形成至少一个开口 201来形成，其中至少一个开口201从第一表面105延伸穿过CMC基底103的部分203，且将气密性涂层113形成在CMC基底103的第二表面107上。在一个实施例中，气密性涂层113在至少一个开口201形成在CMC基底103中之前形成。在备选实施例中，气密性涂层133在至少一个开口201形成CMC基底103中之后形成。至少一个开口 201的形成可通过任何适合的方法实现，包括但不限于钻孔、激光钻孔或它们的组合。CMC基底103可通过添加制造技术形成，使得至少一个开口 201与CMC基底103的形成同时形成。
[0044]参看图2，在气密性涂层113的碎裂事件的情况中，形成了气密性涂层碎裂部位301。在气密性涂层碎裂部位301处，除去了气密性涂层113的碎片，可能使CMC基底103暴露于湿流体流111。然而，气密性涂层碎裂部位301的形成还使至少一个开口 201解封，导致了至少一个开口 201与湿流体流111流体连通。压缩的干流体109与湿流体流111之间的压差生成了穿过至少一个开口 201至气密性涂层碎裂部位301处的第二表面107的压缩的干流体109的流303，使湿流体流111转移。流303可为任何适合的流，包括但不限于大约0.00001lb/s到大约0.00030 lb/s，备选地大约0.00005 lb/s到大约0.00025 lb/s，备选地大约
0.00010 lb/s到大约0.00020 lb/s，备选地大约0.00014 lb/s的穿过至少一个开口201中的每一个的流303。通过减少或防止气密性涂层碎裂部位301处的第二表面107受湿流体流111的接触，至少一个开口 201减少或消除在其它情况下可发生的湿流体流111中的CMC基底103的挥发。
[0045]参看图3，在气密性涂层113和CMC基底103的碎裂事件的情况下，CMC碎裂部位401形成。在CMC碎裂部位401处，气密性涂层113和CMC基底103的碎片除去，可能使CMC基底103暴露于湿流体流111。然而，CMC碎裂部位401的形成还使至少一个开口 201解封，导致至少一个开口 201与湿流体流111流体连通。压缩的干流体109与湿流体流111之间的压差生成了穿过至少一个开口 201至CMC碎裂部位401处的第二表面107的压缩的干流体109的流303，使湿流体流111转移。流303可为任何适合的流，包括但不限于大约0.00001 lb/s到大约0.00030113/8，备选地大约0.00005 lb/s到大约0.00025 lb/s，备选地大约0.00010 lb/s到大约
0.00020 lb/s，备选地大约0.00014 lb/s的穿过至少一个开口201中的每一个的流303。通过减少或防止气密性涂层碎裂部位401处的第二表面107受湿流体流111的接触，至少一个开口 201减少或消除在其它情况下可发生的湿流体流111中的CMC基底103的挥发。
[0046]尽管参照了优选实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将理解的是，可作出各种改变且等同物可替代其元件，而不脱离本发明的范围。此外，可制作出许多修改来适于本发明的教导内容的特定情形或材料，而不脱离其本质范围。因此，意图本发明不限于公开为执行本发明构想出的最佳模式的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。
【主权项】
1.一种构件(101)，包括: 具有第一表面(105)和第二表面(107)的陶瓷基质复合物(CMC)基底(103)，其中: 所述第一表面(105)与压缩的干流体(109)流体连通； 所述第二表面(107)与湿流体流(111)流体连通；以及 所述第二表面(107)包括气密性涂层(113);以及 从所述第一表面(105)延伸穿过所述CMC基底(103)的一部分(203)的至少一个开口(201)，其中，在所述气密性涂层(113)和所述CMC基底(103)中的一者或两者的碎片除去后，所述至少一个开口(201)选择性地允许所述压缩的干流体(109)至所述第二表面(107)的流(303)。2.根据权利要求1所述的构件(101)，其特征在于，所述流(303)足以减少或消除所述湿流体流(111)中的所述CMC基底(103)的挥发。3.根据权利要求1所述的构件(101)，其特征在于，所述气密性涂层(113)为环境阻隔涂层(119)。4.根据权利要求3所述的构件(101)，其特征在于，所述环境阻隔涂层(119)包括碳化娃。5.根据权利要求1所述的构件(101)，其特征在于，所述至少一个开口(201)从所述第一表面(105)延伸至所述气密性涂层(113)。6.根据权利要求1所述的构件(101)，其特征在于，所述至少一个开口(201)部分地延伸穿过所述CMC基底(103)。7.根据权利要求1所述的构件(101)，其特征在于，所述CMC基底(103)包括选自以下组成的集合的材料:碳纤维增强的碳(C/C)、碳纤维增强的碳化硅(C/SiC)、碳化硅纤维增强的碳化硅(SiC/SiC)，以及氧化铝纤维增强的氧化铝(A1203/A1203)，以及它们的组合。8.根据权利要求1所述的构件(101)，其特征在于，所述至少一个开口(201)定位成与所述第二表面(107)成斜角(211)。9.一种燃气轮机构件(101)，包括: 具有第一表面(105)和第二表面(107)的陶瓷基质复合物(CMC)基底(103)，其中: 所述第一表面(105)与压缩的干流体(109)流体连通； 所述第二表面(107)与热燃烧流流体连通；以及 所述第二表面(107)包括环境阻隔涂层(119);以及 从所述第一表面(105)延伸穿过所述CMC基底(103)的一部分(203)的至少一个开口(201)，其中，在所述环境阻隔涂层(119)和所述CMC基底(103)中的一者或两者的碎片除去后，所述至少一个开口(201)选择性地允许所述压缩的干流体(109)至所述第二表面(107)的流(303)，且减少或消除所述热燃烧流中的所述CMC基底(103)的挥发。10.一种形成构件(101)的方法，包括: 在陶瓷基质复合物(CMC)基底(103)中形成至少一个开口(201)，其中所述至少一个开口(201)从第一表面(105)延伸穿过所述CMC基底(103)的一部分(203);以及在所述CMC基底(103)的第二表面(107)上形成气密性涂层(113)， 其中在所述气密性涂层(113)和所述CMC基底(103)中的一者或两者的碎片除去后，所述至少一个开口(201)选择性地允许所述压缩的干流体(109)至所述第二表面(107)的流 ο(εοε)Kc/C f ^ H 七 V 9 寸SS90T Zo
【文档编号】F01D11/06GK105840245SQ201610075336
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年2月3日
【发明人】J.M.德尔沃, A.J.加西亚-克雷斯波, V.J.摩根, J.J.基特尔森
【申请人】通用电气公司