專利名稱：用于燃氣輪機的含鉑涂層組合物的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及燃氣輪機，更具體而言，涉及燃氣輪機元件的含鉑涂層。
背景技術：
典型的燃氣輪機包括高壓壓縮機和低壓壓縮機、燃燒器和至少一個渦輪。壓縮機將與燃料混合的空氣壓縮并將其引導到燃燒器中。該混合物然后被點燃用于產(chǎn)生熱的燃燒氣體，該燃燒氣體被引導到渦輪中，渦輪從燃燒氣體中提取能量用于為壓縮機提供動力，以及作出有用功從而推進飛行中的航天器或者為負載，例如發(fā)電機提供動力。
為了防止發(fā)生高溫氧化和腐蝕，一些燃氣輪機的元件，例如渦輪翼面上涂覆有鋁化鉑(PtAl)擴散涂層。典型地，為了形成鋁化鉑涂層，首先要對這些元件電鍍鉑。電鍍鉑是一種資本投資強度大的工藝。電鍍是一種包括多個步驟的工藝，包括清洗、蝕刻、電鍍、多次漂洗操作、以及干燥。另一方面，化學處理設備價格昂貴，需要較大的資本支出而且還占據(jù)了寶貴的制造占地面積。另外，化學品電鍍通常很危險，并且電鍍操作必須符合嚴格的氣體和廢水排放要求。設備的高成本、需要較大的占地面積，以及相關的環(huán)境問題使得電鍍鉑操作需要進行成批操作。典型地，在一個生產(chǎn)設備中，僅一個化學處理系統(tǒng)被提供處于預算和現(xiàn)有生產(chǎn)車間的占地面積以內(nèi)。為了監(jiān)視和控制從設備向環(huán)境中的排放量，該化學處理系統(tǒng)必須在物理上與主制造空間相互隔開。
在物理上隔開的專用電鍍系統(tǒng)中進行的批量電鍍操作與當前的制造趨勢是相反的，當前的制造趨勢是通過將處理設備布置在每一條生產(chǎn)線上的一個“單元”內(nèi)從而降低制造成本和儲備量。單元制造理論規(guī)定在一個單元內(nèi)一個操作員或者操作員團隊擁有能夠完成工藝和出品零件所必須的所有制造設備。每一個零件能夠受到獨立和快速地處理。單元制造能夠很好地制造具有低至中等生產(chǎn)率的零件，例如渦輪翼面。然而，對于電鍍鉑這樣的必須要把零件從單元中移出的批量操作，這會導致零件排隊等候并且聚集成足夠大的批量用于進行處理。這樣一來，由于必須積聚儲備以及處理時間增長，因此單元制造就失去了它的優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明提供一種水性鉑涂層組合物。所述涂層組合物包含重量百分比為約20％到約40％的鉑粉末，重量百分比為約0.5％到約5.0％的聚合物粘合劑，重量百分比低于約1.0％的表面活性劑，以及重量百分比為約55％到約80％的水。以上所有的重量百分比是以涂層組合物的總重量為基準的。
另一方面，本發(fā)明提供了一種燃氣輪機部件。所述燃氣輪機部件包括外表面，以及沉積在該外表面上從而形成的一層鉑層的鉑涂層組合物。鉑涂層組合物包含重量百分比為約20％到約40％的鉑粉末，重量百分比為約0.5％到約5.0％的聚合物粘合劑，重量百分比低于約1.0％的表面活性劑，以及重量百分比為約55％到約80％的水。以上所有的重量百分比是以涂層組合物的總重量為基準的。
另一方面，本發(fā)明提供了一種在燃氣輪機部件上形成鋁化鉑擴散涂層的方法。所述方法包括以下步驟用水性鉑涂層組合物涂覆至少一部分部件的外表面從而形成鉑涂層，在約1700到2000下加熱該部件以使涂層組合物受熱分解并在該部件的外表面上形成鉑擴散涂層，以及將該鉑擴散涂層暴露于含鋁的氣體組合物中以形成鋁化鉑擴散涂層。水性鉑涂層組合物包含重量百分比為約20％到約40％的鉑粉末，重量百分比為約0.5％到約5.0％的聚合物粘合劑，重量百分比低于約1.0％的表面活性劑，以及重量百分比為約55％到約80％的水。以上所有的重量百分比是以涂層組合物的總重量為基準的。


圖1是燃氣輪機的示意圖。
具體實施例方式
在下文中將對在燃氣輪機部件上使用的水性鉑涂層組合物進行詳細描述。所述水性鉑涂層組合物可以被用以在燃氣輪機部件的外表面上沉積一層鉑層，從而代替成本高并且資本費用占用量大的電鍍方法。通過熱解由水性鉑涂層組合物沉積下來的鉑涂層，易于在燃氣輪機部件上形成鉑擴散涂層。然后，該鉑擴散涂層能夠被轉(zhuǎn)化為用于防止發(fā)生高溫氧化和腐蝕的鋁化鉑(PtAl)擴散涂層。
參見附圖，圖1是燃氣輪機10的示意圖，燃氣輪機10包括風機組件12以及具有高壓壓縮機14和燃燒器16的核心引擎13。燃氣輪機10還包括一個高壓渦輪18、一個低壓渦輪20和一個升壓器22。風機組件12包括一排從轉(zhuǎn)子盤26向外呈放射狀延伸出的風機葉片24。發(fā)動機10具有進氣側(cè)28和排氣側(cè)30。在一種實施方式中，所使用的燃氣輪機是俄亥俄州辛辛那提的通用電器公司的GE90。風機組件12和渦輪20通過第一轉(zhuǎn)子軸31相聯(lián)接，壓縮機14和渦輪18通過第二轉(zhuǎn)子軸32相聯(lián)接。
在工作過程中，空氣沿中心軸線34流動通過風機組件12且壓縮空氣被供應至高壓壓縮機14。被高度壓縮的空氣被輸送至燃燒器16。來自燃燒器16的空氣流(圖1中未示出)驅(qū)動渦輪18和20，渦輪20通過軸31驅(qū)動風機組件12。
在一種典型實施方式中，用在渦輪發(fā)動機部件上的水性鉑涂層組合物是由至少一種聚合物粘合劑、鉑粉末、至少一種表面活性劑和水制成。用在涂層組合物中的鉑粉末可以是具有球狀或不規(guī)則形狀的沉淀的鉑粉末、大體上具有球形形狀的氣體霧化形成的鉑粉末或者鉑的薄片。在該典型實施方式中，所述鉑粉末為球狀的沉淀鉑粉末。在一種實施方式中，該鉑粉末的平均粒徑小于約1微米(μ)，而在另一種實施方式中，該鉑粉末的平均粒徑小于約0.5微米。在一種實施方式中，該涂層組合物包含重量百分比為約5％到約40％的鉑粉末，在另一種實施方式中，涂層組合物包含重量百分比為約20％到約35％的鉑粉末，以上所有的重量百分比是以涂層組合物的總重量為基準的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，較大的鉑薄片不易于分散進入到涂層組合物中，這樣會導致鉑團聚。為了克服這一問題，優(yōu)選使用長徑比(aspect ratio)為約1∶1到約2∶1的鉑粉末。
任何適合的聚合物粘合劑都可以在鉑涂層組合物中使用。粘合劑使得在由涂層組合物形成的干態(tài)薄膜中的鉑顆粒間相互連接在一起，還可將干態(tài)薄膜與基體連接在一起。合適的聚合物粘合劑的例子包括，但不限于，聚環(huán)氧乙烷、聚環(huán)氧丙烷、聚乙烯醇、羥乙基纖維素、聚乙烯吡咯烷酮和其混合物。在一種實施方式中，涂層組合物包含重量百分比為約0.5％到約5.0％的聚合物粘合劑，在另一種實施方式中，涂層組合物包含重量百分比為約1％到約2％的聚合物粘合劑，以上所有的重量百分比是以涂層組合物的總重量為基準的。在該典型實施方式中，使用了聚環(huán)氧乙烷樹脂。聚環(huán)氧乙烷樹脂是從DowChemical以商品名P0LY0X購買得到的。聚環(huán)氧乙烷樹脂是非離子型的，這樣有利于鉑粉末在涂層組合物中的分散。而且聚環(huán)氧乙烷包括-C2H4O-鏈，它能夠完全熱解為CO2和H2O，因此不會在渦輪部件的表面上形成灰燼，這有助于形成干凈的鉑擴散涂層。
在一種實施方式中，涂層組合物包括重量百分比低于約1％的表面活性劑，在另一種實施方式中，涂層組合物包括重量百分比低于約0.5％的表面活性劑。表面活性劑降低了水的表面張力，從而能夠潤濕鉑粉末和要被涂層組合物涂覆的表面。適合的表面活性劑是非離子型或陰離子型的，這有助于顆粒在離子型水基涂層組合物中分散。合適的表面活性劑的例子包括，但不限于，聚環(huán)氧乙烷/聚環(huán)氧丙烷嵌段共聚物、壬基苯基乙氧基化物、醇乙氧基化物、乙氧基化炔二醇和其混合物。在一種典型實施方式中，使用的是從Air Products andChemicals有限公司購買的乙氧基化炔二醇。
在一種實施方式中，在涂層組合物中使用的水是干凈的去離子水。在涂層組合物中存在重量百分比為約55％到約95％的水。
在一種實施方式中，水性鉑涂層組合物是通過將鉑粉末、去離子水、表面活性劑和聚合物粘合劑加入到一個適當?shù)娜萜髦羞M行制備的。通過對這些成分進行研磨從而使鉑粉末顆粒分散到聚合物粘合劑中?？墒褂萌魏芜m當?shù)难心シ椒ǚ稚K粉末，例如，科勒斯刮刀(Cowlesblade)、磨光器、球磨機、礫磨機、砂磨機等。在一種實施方式中，糊劑首先是由鉑粉末、表面活性劑和一部分水制成的。將糊劑研磨到所需分散度，然后通過加剩余部分的水將其粘度降低到所需粘度。
采用任何合適的施涂方法，例如通過浸漬涂布、浸漬涂布/旋涂、噴涂、淋涂、刮刀涂布等可以把水性鉑涂層組合物沉積在至少一部分渦輪發(fā)動機部件上，從而形成一層鉑涂層，利用這層鉑涂層可以在燃氣輪機部件例如翼面上形成鋁化鉑涂層。沉積的涂層組合物進行固化，然后被加熱到約1700至約2000以熱解沉積的水性涂層組合物中的有機部分，并在渦輪發(fā)動機部件的表面上形成鉑擴散涂層。然后，所述鉑擴散涂層在約1700到約2000下暴露于含鋁的氣體組合物中大約4到6小時，從而在渦輪發(fā)動機部件上形成鋁化鉑擴散涂層。
雖然已通過不同的具體實施方式
對本發(fā)明進行了描述，但是本領域的技術人員應意識到可使用在技術方案的精神和范圍內(nèi)的變型實踐本發(fā)明。
部件列表燃氣輪機10風機組件12核心引擎13高壓壓縮機14燃燒器16高壓渦輪18低壓渦輪20升壓器22風機葉片24進氣側(cè)28排氣側(cè)30第一轉(zhuǎn)子軸31第二轉(zhuǎn)子軸3權利要求
1.一種水性鉑涂層組合物，所述組合物包括重量百分比為約5％到約40％的鉑粉末，該重量百分比是以所述涂層組合物的總重量為基準的；重量百分比為約0.5％到約5.0％的聚合物粘合劑，該重量百分比是以所述涂層組合物的總重量為基準的；重量百分比低于約1.0％的表面活性劑，該重量百分比是以所述涂層組合物的總重量為基準的；和重量百分比為約55％到約95％的水，該重量百分比是以所述涂層組合物的總重量為基準的。
2.根據(jù)權利要求1所述的水性鉑涂層組合物，其中所述聚合物粘合劑是從包括聚環(huán)氧乙烷、聚環(huán)氧丙烷、聚乙烯醇、羥乙基纖維素、聚乙烯吡咯烷酮和其混合物的物質(zhì)組中選取的。
3.根據(jù)權利要求1所述的水性鉑涂層組合物，其中所述組合物中包括重量百分比低于約0.5％的表面活性劑，該重量百分比是以所述涂層組合物的總重量為基準的。
4.根據(jù)權利要求1所述的水性鉑涂層組合物，其中所述表面活性劑是從包括聚環(huán)氧乙烷/聚環(huán)氧丙烷嵌段共聚物、壬基苯基乙氧基化物、醇乙氧基化物、乙氧基化炔二醇和其混合物的物質(zhì)組中選取的。
5.根據(jù)權利要求1所述的水性鉑涂層組合物，包括重量百分比為約1.0％到約2.0％的聚合物粘合劑。
6.根據(jù)權利要求1所述的水性鉑涂層組合物，其中所述鉑粉末包括平均粒徑低于約1.0微米的顆粒。
7.根據(jù)權利要求1所述的水性鉑涂層組合物，其中所述鉑粉末包含長徑比為約1∶1到約1∶2的顆粒。
8.一種在燃氣輪機部件上形成鋁化鉑擴散涂層的方法，所述方法包括以下步驟用水性鉑涂層組合物涂覆部件外表面的至少一部分以形成一層鉑涂層；在約1700到約2000下對所述部件進行加熱從而使涂層組合物熱解并且在部件的外表面上形成一層鉑擴散涂層；以及將鉑擴散涂層暴露于含鋁的氣體組合物中從而形成鋁化鉑擴散涂層；其中所述水性鉑涂層組合物包含重量百分比為約5％到約40％的鉑粉末，該重量百分比是以所述涂層組合物的總重量為基準的；重量百分比為約0.5％到約5.0％的聚合物粘合劑，該重量百分比是以所述涂層組合物的總重量為基準的；重量百分比低于約1.0％的表面活性劑，該重量百分比是以所述涂層組合物的總重量為基準的；和重量百分比為約55％到約95％的水，該重量百分比是以所述涂層組合物的總重量為基準的。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中所述聚合物粘合劑是從包括聚環(huán)氧乙烷、聚環(huán)氧丙烷、聚乙烯醇、羥乙基纖維素、聚乙烯吡咯烷酮和其混合物的物質(zhì)組中選取的，且所述組合物包括重量百分比低于約0.5％的表面活性劑，該重量百分比是以所述涂層組合物的總重量為基準的。
10.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中所述表面活性劑從包括聚環(huán)氧乙烷/聚環(huán)氧丙烷嵌段共聚物、壬基苯基乙氧基化物、醇乙氧基化物、乙氧基化炔二醇和其混合物的物質(zhì)組中選取的，且鉑粉末包括平均粒徑低于約1.0微米和長徑比為約1∶1到約1∶2的顆粒。
全文摘要
在一種典型實施方式中，一種水性鉑涂層組合物包含重量百分比為約20％到約40％的鉑粉末，重量百分比為約0.5％到約5.0％的聚合物粘合劑，重量百分比低于約1.0％的表面活性劑，以及重量百分比為約55％到約80％的水。以上所有的重量百分比是以涂層組合物的總重量為基準的。
文檔編號C09D5/02GK1939989SQ200610141319
公開日2007年4月4日 申請日期2006年9月29日 優(yōu)先權日2005年9月29日
發(fā)明者M·H·拉克, M·A·羅森茨韋格 申請人:通用電氣公司