用于基于废气再循环的燃气涡轮的耐侵蚀和耐腐蚀涂层的制作方法
【专利摘要】一种用于燃气涡轮发动机压缩机区的压缩机叶片，其包含：马氏体不锈钢压缩机叶片和具有阳极组分的磨损涂层。压缩机叶片具有叶片部分、鸽尾榫部分和介于叶片部分与鸽尾榫部分之间的平台部分，叶片部分在鸽尾榫部分相对的端部终止。钴基涂层覆盖压缩机叶片的至少叶片部分。钴基涂层包含钴基材料，所述钴基材料包括提供耐侵蚀性的碳化钨沉淀物和为系统提供耐电化腐蚀性、遍布钴基涂层的牺牲性金属基材料的颗粒。
【专利说明】用于基于废气再循环的燃气涡轮的耐侵蚀和耐腐蚀涂层
发明领域
[0001]本发明涉及在旋转叶片上使用的涂层，更具体涉及在经受侵蚀、磨损和电化腐蚀的压缩机叶片上使用的改良涂层。
[0002]发明背景
在轴流燃气涡轮发动机中，将空气吸入发动机前方，通过轴装式压缩机压缩，并与燃料混合。混合物燃烧，燃烧的热气穿过安装在相同轴上的涡轮。燃烧气体的流动使涡轮转动，而旋转涡轮从燃烧气体的流动提取可转化为电的能量并使驱动压缩机的轴转动。消耗的废气可排至大气。
[0003]在涡轮应用中用于陆基涡轮的压缩机叶片通常由400系列不锈钢制成。这些钢通常对该目的足够强，但经受侵蚀和腐蚀机制，因为它们操作的特性涉及压缩大体积空气，所述空气可包括污染物。在空气中发现的污染物包括但不限于不需要的氧化物、二氧化碳、氯化物(盐)、S02、SO3、硫酸盐基盐、硫化物尘土和有机杂质。尘土包括沙、火山灰、飞灰、水泥、尘埃甚至是基底杂质。
[0004]为了改善压缩机叶片的侵蚀和磨损性能，可将耐侵蚀或耐磨损涂层涂敷在叶片的翼面部分(暴露于大体积的被压缩空气)。通常，这些涂层可限于翼面前缘和端部。涂层通常是具有一些钨(W)和碳(C)的钴基合金，以促使形成增强涂层的耐侵蚀和耐磨损性的WC/Co颗粒。
[0005]这些涂布有耐磨损钴基合金的不锈钢叶片仍可经受仅由它们使用的环境所产生的侵蚀。当在可能为酸性的环境中使用时，叶片可经受电化腐蚀。这可能由于燃气涡轮放置在海洋大气中或者甚至在附近的化学厂邻近，例如化学石油厂或精炼厂。来自这些环境的化学物以及在空气中存在的其它污染物可与空气中的水分组合以产生腐蚀性环境。而且，许多现代燃气涡轮发动机可通过使用在线洗涤系统(提供叶片的操作中清洗)或者提高压缩机效率的雾化和/或蒸发器系统而引入水分。这些系统可与污染物或环境化学物组合以产生腐蚀性环境。此外,绿色倡议者建议使废气捕获系统捕获的至少一部分废气废气再循环以减少CO2排放。这些废气捕获系统包括化学计量冷却的废气再循环，或SEGR。通过将其引入燃烧空气内，废气再循环将增加化学物的浓度，形成压缩机叶片暴露的腐蚀性环境。目前的涂层和材料组合可能易损，尤其是当SEGR气路含有污染物例如SO2时。
[0006]虽然涂布有钴基耐磨损合金的不锈钢压缩机叶片呈现良好的耐侵蚀和耐磨损性，但是压缩机叶片，例如由马氏体不锈钢例如GTD-450形成并涂布有钴基涂层例如STELLITE?的压缩机叶片，经受腐蚀性环境中的电化腐蚀，这在SEGR模式下甚至更严重。在该环境中，压缩机叶片可能经受裂缝腐蚀或点蚀。钴基涂层相对于压缩机叶片基材趋向阴极性。结果，在腐蚀性介质的存在下将发生电化腐蚀，因为浓差电池形成于裂缝或凹陷中，其中污染物或腐蚀产物沉积物被俘获并变得停滞。在这些区域可发生裂缝腐蚀。也可发生点蚀腐蚀，因为小凹点或孔在涂层中形成，其中形成污染沉积物。这些凹点可能最初产生自吸入燃气涡轮内的外来物体和污染物的冲击。这些冲击使涂层凹陷，使腐蚀性介质能够聚集。需要的是在不锈钢压缩机叶片上使用的涂层，其中所述涂层维持耐侵蚀和耐磨损的特征，在腐蚀性物类经过侵蚀或其它损伤所致的涂层裂口而进入的情况下保护基底金属免受电化腐蚀或不同金属腐蚀。
[0007]发明概述
耐损组分，其包含马氏体不锈钢基材和覆盖在马氏体不锈钢基材上的钴基耐损涂层。钻基耐损涂层包含包括碳化鹤沉淀物的钻基合金。钻基耐损涂层进一步包括遍布钻基涂层的牺牲性金属基材料的颗粒。牺牲性材料充当阳极以防止基材在腐蚀性环境中的电化腐蚀。
[0008]钴基基质涂层的耐腐蚀性和腐蚀性能在燃气涡轮的压缩机叶片中有特殊用途，这通过添加相对于钴基材料为阳极或牺牲性的金属基化合物和氧化物材料的颗粒得以增强。当压缩机叶片涂布有所述涂层并暴露于腐蚀性环境时，添加的反应性金属微粒充当阳极。
[0009]用于燃气涡轮发动机的压缩机区的压缩机叶片包含马氏体不锈钢压缩机叶片。压缩机叶片包括叶片部分、鸽尾榫部分和介于叶片部分与鸽尾榫部分之间的平台部分。叶片部分在鸽尾榫部分相对的端部终止。钴基涂层覆盖至少叶片部分。钴基涂层包含包括碳化钨沉淀物的钴基材料，以及均匀遍布钴基涂层的牺牲性化合物(例如NiO和/或Cr2O3)的微粒。在相对于不锈钢基质为阳极的电位上发生氧化还原反应的任何其它均匀分布的颗粒也适合用于本申请。
[0010]包括在钴基涂层中的反应性材料充当阳极，以防止当压缩机叶片暴露于腐蚀性气氛时压缩机叶片的电化腐蚀，例如通过裂缝腐蚀或点蚀。
[0011]包括反应性金属作为牺牲性阳极材料的涂层允许压缩机叶片在例如邻近海洋或化学厂的恶劣环境中，或者在燃气涡轮设计(例如包括废气再循环和在线水洗或雾化/蒸发冷却器系统的设计)产生的恶劣环境中操作而不经历腐蚀。
[0012]将这些涂层涂敷于压缩机叶片的另一个优点是减少用来更换/再涂布叶片的维护时间，这增加燃气涡轮发动机的工作量。
[0013]本发明的另一特征阐明用于燃气涡轮发动机压缩机区的压缩机叶片，其中压缩机叶片包含马氏体不锈钢压缩机叶片，压缩机叶片具有叶片部分、鸽尾榫部分和介于叶片部分与鸽尾榫部分之间的平台部分，叶片部分在鸽尾榫部分相对的端部终止；钴基合金涂层覆盖马氏体不锈钢压缩机叶片，其中钴基涂层包含包括碳化钨沉淀物的钴基材料；和遍布钴基涂层的牺牲性金属基材料的颗粒。而且，本发明的特征提供覆盖马氏体不锈钢压缩机叶片的钴基合金，其进一步包含具有以下重量百分数计的标称组成的合金:0.9-1.4% C、28-32% Cr、3.5-5.5% W、至多 3% N1、至多 1.5% Mo、至多 3.0% Fe、至多 2% Mn、至多 2% Co和余量基本为Co。本发明的压缩机叶片提供遍布钴基涂层的牺牲性金属基材料的颗粒，其包括比构成压缩机叶片的马氏体不锈钢更具阳极性并基本均匀分布的牺牲性材料的颗粒。此夕卜，本发明特征压缩机叶片提供包括基本均匀遍布钴基材料的颗粒的牺牲性金属基材料，其进一步包含选自NiO、氧化铺、Cr2O3> Al2O3及其组合的金属基材料的颗粒，其中所述颗粒进一步构成至少约15%的体积分数。此外，作为所述创新特征的压缩机叶片提供进一步构成约15%至约25%体积分数的颗粒，或者具有100纳米-2000纳米粒度分布的颗粒。本发明的特征还提供包含可沉淀硬化的不锈钢的马氏体不锈钢压缩机叶片，其中可沉淀硬化的不锈钢具有进一步包含15.5% Cr,6.3% NiU.5% Cu,0.37% Nb、0.05% C和余量基本为Fe的标称组成。作为本发明特征的钴基材料提供具有均匀分布的牺牲性金属基材料的颗粒，其覆盖压缩机叶片的至少叶片部分。
[0014]废气再循环系统也是本发明的特征，并提供用于燃烧燃料的燃烧器区；从燃烧燃料产生的热气提取能量的化学计量废气再循环涡轮区；从涡轮区接收燃烧热气的排出部分；从排出部分接收至少一部分燃烧热气的热回收装置；从热回收装置回收热的蒸汽发生器；用于洗涤来自热回收装置的废气并将CO2气体与其它气体分离的洗涤系统；co2捕获系统；将经洗涤废气排至大气的排出线通道；经由废气再循环线与排出部分连通并与静态空气入口连通以将压缩流体提供至燃烧器区用于燃烧燃料的轴流压缩机；其中轴流压缩机包括多个马氏体不锈钢压缩机叶片，每个压缩机叶片进一步包含:叶片部分、鸽尾榫部分和介于叶片部分与鸽尾榫部分之间的平台部分，叶片部分在鸽尾榫部分相对的端部终止；覆盖马氏体不锈钢压缩机叶片的钴基合金涂层，其中钴基涂层包含包括碳化钨沉淀物的钴基材料；和遍布钴基涂层的牺牲性金属基材料的颗粒。本发明的系统进一步提供包括水源。此夕卜，本发明的系统提供气体从燃烧炉通过再循环线再循环，其中将废气与来自静态空气入口的空气压缩。本发明的系统进一步提供再循环的废气，其具有以下标称组成:5 ppm O2、最多15%C02、最多2% Ar、最多1% CO、最多0.5% H2,50 ppm NO、I ppm CH4、痕量硫元素和余量N2。另外，本发明特征的系统提供轴流压缩机的马氏体不锈钢压缩机叶片，其包括钴基合金涂层，所述钴基合金涂层进一步包含具有以下重量百分数计的标称组成的合金:0.9-1.4%C,28-32% Cr,3.5-5.5% W、至多 3% N1、至多 1.5% Mo、至多 3.0% Fe、至多 2% Mn、至多 2%Co和余量基本为Co。此外，本发明的系统进一步提供遍布钴基涂层的牺牲性金属基材料的颗粒，其包括比构成压缩机叶片的马氏体不锈钢更具阳极性的牺牲性材料的颗粒。本发明另一方面阐述以下系统:其中牺牲性金属基材料颗粒基本均匀地遍布钴基材料，且进一步包含NiO，或者每个马氏体不锈钢压缩机叶片进一步包含可沉淀硬化的不锈钢。此外，本发明的系统进一步提供可沉淀硬化的不锈钢，其具有进一步包含以下的标称组成:15.5% Cr、
6.3% NiU.5% Cu,0.37% Nb、0.05% C和余量基本为Fe，而且本发明的系统还可进一步提供具有均匀分布的牺牲性金属基材料的颗粒的钴基合金涂层，其覆盖压缩机叶片的至少叶片部分；或者具有均匀分布的牺牲性金属基材料的颗粒的钴基合金涂层，其覆盖压缩机叶片的叶片部分和平台部分；其中可选具有均匀分布的牺牲性金属基材料的微粒的钴基合金涂层，其覆盖压缩机叶片的至少前缘、尾缘和端部分；和/或涂布厚度为0.2-2密耳的覆盖压缩机叶片的钻基合金涂层。
[0015]由以下优选实施方案的更详细描述，结合通过举例说明本发明原理的附图，本发明的其它特征和优点将显而易见。
[0016]附图简述
图1是将一部分废气再循环回压缩机的废气再循环系统的示意图。
[0017]图2是用于轴式燃气涡轮发动机的典型压缩机叶片的前透视图。
[0018]发明详述
用于陆基燃气涡轮的压缩机区的压缩机叶片一般包含耐腐蚀钢，例如任何众所周知的400系列马氏体不锈钢。特别适合用于压缩机叶片的一种这样的马氏体钢合金是GTD-450，为沉淀硬化钢，其具有以下标称组成:15.5% Cr,6.3% N1、1.5% Cu,0.37% Nb,0.05% C和余量基本为Fe。如用于本文，术语“余量基本为Fe”或“合金余量基本为Fe”用于包括除了铁以外的少量杂质及马氏体钢合金中固有的其它附带元素，其特性和/或量不影响合金的有利方面。除非另外指定，本文公开的所有合金组成都以重量百分数提供。虽然压缩机叶片例如GTD-450提供良好的强度，但它们仍然经受侵蚀和磨损。
[0019]为了改善马氏体钢合金叶片的腐蚀、侵蚀和磨损性能，用耐损合金例如STELLITE?6涂布合金。STELLITE? 6 (钴基合金)的标称组成按重量百分数计是0.9-1.4% C,28-32%Cr,3.5-5.5% W、至多3% N1、至多1.5% Mo、至多3.0% Fe、至多2% Mn、至多2% Co和余量基本为Co。如用于本文，术语“余量基本为钴”或“合金余量基本为钴”用于包括除了钴以外的少量杂质及STELLITE? 6中固有的其它附带元素，其特性和/或量不影响合金的有利方面。其它涂层材料可包括Triballoy 400 (Laves相强化的Co基合金)，其具有以下标称组成:28% Mn,9% Cr,2.6% Si,0.04% C和余量Co，和改性碳化钨组合物例如具有10% co和4%Cr的WC。但是，经沉淀硬化在涂布有钴基合金(例如STELLITE? 6)的马氏体基质合金中形成Cu沉淀物的马氏体钢压缩机叶片(例如GTD-450)，虽然其具有良好的耐磨和耐损性，但当暴露于长期酸性环境时经受电化腐蚀。
[0020]陆基燃气涡轮可经受一般操作所产生的这种腐蚀性环境。例如，在线水洗系统可提供易受水滴侵蚀和腐蚀点蚀的条件。在高度腐蚀性环境中，例如靠近化学石油环境或邻近海岸线，一般操作也可促成腐蚀。近来，废气再循环已导致涡轮叶片暴露于更高浓度的CO2, SO2和H20。虽然这种废气再循环有效减少来自燃气涡轮的CO2排放，但它导致压缩机叶片的电化腐蚀。图1描述具有废气再循环系统10的燃气涡轮。燃料与压缩气体在燃烧器区20组合，其中发生燃料燃烧。燃烧热气从燃烧器区20通向并流过涡轮区30 (也称为化学计量废气再循环(SEGR)燃气涡轮区)，其中产生电形式的能量。然后废气穿过燃气涡轮的排出部分40。一些废气从涡轮区30 (或涡轮区30和排出段40)沿再循环线52再循环至轴流压缩机60，其中废气与来自静态空气入口 58的输入空气(或其它氧化剂)组合。压缩机部分60将来自再循环线52的废气和来自静态空气入口 58的空气(或其它氧化剂)组合和压缩，并将压缩流体递送至燃烧器区20以支持燃烧，如上文阐述。
[0021]剩余的废气接 着穿过热回收装置42，例如连同热回收蒸汽发生器(HRSG) 45使用的换热器，其中将另外的热回收并用于在热回收蒸汽发生器45中产生蒸汽。废气然后通往洗涤系统50，其中洗去它们的污染物。CO2废气经过CO2捕获系统55，其中将CO2捕获用于贮存或其它用途，同时一些剩余气体通过排出线通道54排至大气。
[0022]压缩机60将来自再循环线52的废气和来自静态空气入口 58的空气(或其它氧化剂)组合和压缩，并将压缩流体递送至燃烧器区20以支持燃烧，如上文阐述。
[0023]再循环的废气从排出部分40通过并返回压缩机60，具有约100-120 °F的温度，且标称组成为如下表1阐述的体积分数。
[0024]表1
标称的再循环废气组成
$本I按体积计的标称组成I按体积计的优选组成^
N2_ 72 - 84%_余量_
O2 最多 5ppm0.0004%
COa 裏多 15%石 93%±0.5%
Ar 是多 2%i 89% ±0.2%
HaO 裏多 16%Τ~3.71%±2%
CO 是多 1%i 53% ±0.1%
Ha I最多 0.5%|θ.22%±0.01%
【权利要求】
1.一种耐损组分，其包含: 马氏体不锈钢基材， 覆盖所述马氏体不锈钢基材的钴基耐损涂层，其中所述钴基耐损涂层包含包括碳化钨沉淀物的钴基合金； 其中所述钴基耐损涂层进一步包括遍布所述钴基涂层的牺牲性金属基材料的颗粒；和其中所述牺牲性材料可遍布钴基涂层和/或充当阳极以防止基材在腐蚀性环境中的电化腐蚀。
2.权利要求1的耐损组分，其中覆盖所述马氏体不锈钢耐损组分的所述钴基合金进一步包含具有以下重量百分数计的标称组成的合金:0.9-1.4% C,28-32% Cr,3.5-5.5% W、至多3% N1、至多1.5% Mo、至多3.0% Fe、至多2% Mn、至多2% Co和余量基本为Co。
3.权利要求1的耐损组分，其中遍布所述钴基涂层的所述牺牲性金属基材料的颗粒包括比构成基材的所述马氏体不锈钢更具阳极性并且基本均匀分布的牺牲性材料的颗粒。
4.权利要求3的耐损组分，其中所述牺牲性金属基材料包括基本均匀遍布所述钴基涂层的颗粒，其进一步包含选自NiO、氧化铺、Cr203、Al203及其组合的牺牲性金属基材料颗粒。
5.权利要求4的耐损组分，其中所述颗粒还构成至少约15%的体积分数。
6.权利要求4的耐损组分，其中所述颗粒具有100纳米-2000纳米的粒度分布。
7.权利要求1的耐损组分，其中所述马氏体不锈钢耐损组分包含可沉淀硬化的不锈钢。`
8.一种用于燃气涡轮发动机机的压缩机区的压缩机叶片，其包含前述权利要求中任一项的耐损组分，其中: 马氏体不锈钢形成至少部分压缩机叶片，所述压缩机叶片具有叶片部分、鸽尾榫部分和介于所述叶片部分与鸽尾榫部分之间的平台部分，所述叶片部分在所述鸽尾榫部分相对的端部终止； 覆盖所述马氏体不锈钢压缩机叶片的钴基合金涂层，其中所述钴基涂层包含包括碳化钨沉淀物的钴基材料；和 遍布钴基涂层的牺牲性金属基材料的颗粒。
9.权利要求8的压缩机叶片，其中所述马氏体不锈钢压缩机叶片包含可沉淀硬化的不锈钢，所述可沉淀硬化的不锈钢具有进一步包含15.5% Cr,6.3% N1、1.5% Cu,0.37% Nb、0.05% C和余量基本为Fe的标称组成。
10.一种废气再循环系统，其包含: 燃烧燃料的燃烧器区； 从燃烧燃料产生的热气提取能量的化学计量废气再循环涡轮区； 从所述涡轮区接收燃烧热气的排出部分； 从所述排出部分接收至少部分所述燃烧热气的热回收装置； 从所述热回收装置回收热的蒸汽发生器； 用于洗涤来自所述热回收装置的废气并将CO2气体与其它气体分离的洗涤系统； CO2捕获系统； 将经洗涤的废气排至大气的排出线通道； 经由废气再循环线与所述排出部分连通并与静态空气入口连通以将压缩流体提供至燃烧器区用于燃烧燃料的轴流压缩机； 其中所述轴流压缩机包括多个马氏体不锈钢压缩机叶片，所述叶片包含权利要求1-7中任一项的耐损组分: 每个压缩机叶片进一步包含: 叶片部分、鸽尾榫部分和介于所述叶片部分与鸽尾榫部分之间的平台部分，所述叶片部分在所述鸽尾榫部分相对的端部终止； 覆盖所述马氏体不锈钢压缩机叶片的钴基合金涂层，其中所述钴基涂层包含包括碳化钨沉淀物的钴基材料；和 遍布所述钴基涂层的牺牲性 金属基材料的颗粒。
【文档编号】F01D5/28GK103511000SQ201310245847
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年6月20日 优先权日:2012年6月20日
【发明者】K.阿南德, 刘煜照, P.马修, S.S.帕布拉, G.森达拉拉延, M.纳亚克 申请人:通用电气公司