专利名称：多层环境隔离涂层及相关的制品和方法
技术领域：
本发明涉及高温机器部件。更具体而言，本发明涉及用于保护机器部件不暴露于高温环境中的涂层系统。本发明还涉及用于保护制品的方法。
背景技术：
含硅材料如陶瓷、合金和金属间化合物在用于被设计以在例如燃气轮机、热交换器和内燃机的应用中的高温下使用的结构方面提供了具有吸引力的性质。然而，这些应用的环境特征通常包含水蒸气，这在高温下已公知将会导致含硅材料产生明显的表面凹缩和质量损失。水蒸气在高温下与结构材料反应以形成挥发性的含硅物质，这通常导致不可接受的高凹缩速度。
环境隔离涂层(EBC′s)被施涂到易于受到高温水蒸气腐蚀的含硅材料上，且通过阻止水蒸气与材料表面之间的接触而提供保护。环境隔离涂层被设计以在高温含水蒸气环境中在化学性质方面是相对稳定的，且使在材料表面与环境之间提供暴露路径的相关孔隙率和垂直裂纹最小化。通过使环境隔离涂层与底层材料之间的热膨胀失配最小化而使开裂部分地最小化，且通过使用多个不同材料层可实现改进的附着力和环境阻力。美国专利No.6,410,148中所述的一种典型的常规环境隔离涂层系统包括施涂到含硅基底上的硅或二氧化硅粘结层；沉积在所述粘结层上的包括莫来石或莫来石-碱土金属铝硅酸盐混合物的中间层；和沉积在所述中间层上的包括碱土金属铝硅酸盐的顶层。在另一个实例美国专利No.6,296,941中，顶层是硅酸钇层而不是铝硅酸盐。
上述涂层系统可为严苛环境中的制品提供适当的保护。然而，作用在环境隔离涂层顶层的局部区域上的开裂、剥落、挥发和其它机理使底层材料—例如硅粘结涂层—暴露于环境中，这导致快速氧化和挥发。一旦由于这些机理而局部去除粘结涂层，那么随后底层含硅基底将迅速凹缩。基底材料的穿孔可导致系统灾难性失效，这是由于未设计用于高温使用的零件突然直接暴露于高温环境中所造成的。因此，需要提供受到具有可靠地耐受长期暴露于包含水蒸气的高温环境的能力的坚固环境隔离涂层系统保护的制品。
发明内容
针对这些和其它需求而提供了本发明的实施例。一个实施例是包括基底和设置在所述基底上的多个涂层单元的制品。每个涂层单元包括吸氧剂层和隔离层。更具体的实施例是包括含硅基底和设置在所述基底上的多个涂层单元的制品。每个涂层单元包括吸氧剂层和隔离层，所述吸氧剂层包括从包括元素硅和硅化物的组群中选择出来的至少一种材料，所述隔离层包括从包括铝硅酸盐、硅酸盐和铝酸盐的组群中选择出来的至少一种材料。所述多个涂层单元形成了具有设置在连续的隔离层之间的至少一个吸气剂层的一系列隔离层。
当结合附图阅读以下详细描述时将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在所述附图中相似的标记表示相似的零件，其中图1是现有技术中的典型的环境隔离涂层系统的剖面示意图；图2是本发明的一个实施例的剖面示意图；和图3是本发明的一个典型实施例的剖面的显微照片。
具体实施例方式
参见图1，典型的环境隔离涂层系统10包括施涂到含硅基底25上的由硅形成的粘结涂层20；沉积在粘结涂层20上的通常由莫来石或莫来石-碱土金属铝硅酸盐混合物形成的中间层30；和沉积在中间层30上的通常由碱土金属铝硅酸盐或其它保护性陶瓷材料形成的顶层40。环境隔离涂层系统10高度依赖顶层40的存在和完整性，这是因为其它层提供了弱得多的环境防护。如上所述，即使在该三层涂层系统中存在相对较小的缺陷也会导致整个部件的快速过早失效。这种失效具有相当大的风险，这是因为陶瓷涂层顶层40在加工过程中易于产生缺陷且在部件的安装和使用过程中易于损坏。
本发明的实施例引入冗余重复以增强环境隔离涂层系统的坚固性。多个保护性涂层单元被设置在基底上，以使得与上述常规系统不相似的是，其中一个涂层单元的失效将远不可能使基底遭受直接暴露于环境中的风险。外部涂层单元的失效仅暴露出原始的保护性涂层单元而不暴露出基底或保护性较弱的涂覆层。通过这种方式，本发明的实施例大大减弱了对一种具体涂覆层的性能的依赖，有利于形成更坚固更可靠的系统。
参见图2，本发明的一个实施例是包括基底105和设置在基底105上的多个110涂层单元115、120、125的制100。图2示出了一个典型实施例，其中所述多个110涂层单元包括三个涂层单元115、120、125，但根据应用情况可使用更多或更少的单元。每个涂层单元115包括吸氧剂层116和隔离层117。粘结涂层(未示出)可选地被设置与基底接触，且多个110涂层单元被设置在该粘结涂层上。粘结涂层在某些实施例中包括硅或硅化物，且在一些实施例中具有在约25微米至约200微米范围内的厚度。
基底105在某些实施例中包括硅，所述实施例包括例如包含陶瓷化合物、金属合金、金属间化合物或其组合的基底。金属间化合物的实例包括，但不限于，硅化铌和硅化钼。适合的陶瓷化合物的实例包括，但不限于，碳化硅和氮化硅。本发明的实施例包括其中基底包括陶瓷基体复合物(CMC)材料的那些实施例，所述实施例包括陶瓷基体复合物包括基体相和强化相的情况，所述两相均包括碳化硅。不管材料成分如何，在一些实施例中基底105包括涡轮机组件的部件，例如尤其是燃烧器部件、罩壳、涡轮机叶片或涡轮机轮叶。
吸氧剂层116用以阻止或大体上抑制氧气从环境扩散进入基底105内。正如此处所使用地，“吸氧剂”意味着对氧原子或分子具有高亲和力的物质。在某些实施例中，吸氧剂层116包括硅。吸氧剂层材料的合适实例包括元素硅(包括，例如，基本上包括硅的材料)和硅化物(意味着具有硅和一种或多种附加化学元素的化合物)。吸气剂层在一些实施例中的厚度达250微米。在某些实施例中，该厚度在约50微米至约150微米的范围内，且在具体实施例中，该厚度在约80微米至约120微米的范围内。
隔离层117，正如该术语在此所使用的，意味着被设计以提供对高温含水蒸汽环境中的凹缩的阻力，且被设计以进一步抑制水蒸气渗透至底层和基底的涂层。在一些实施例中，隔离层117包括陶瓷，例如氧化物。适合的氧化物材料的实例包括铝硅酸盐、硅酸盐和铝酸盐。碱土金属铝硅酸盐例如铝硅酸锶钡、稀土金属硅酸盐例如单硅酸钇和碱土金属铝酸盐是特别适合的隔离层材料，但对高温含水蒸气环境中的凹缩具有相当大的阻力的其它化合物也是适合的。在一些实施例中，隔离层117包括金属。用作隔离层117的适合的金属包括，但不限于，铂、钯、铑、钌、铼、锇和铱，以及包括任何前述金属中至少一种金属的合金。在一些实施例中，隔离层117具有达750微米的厚度。在某些实施例中，该厚度在约75微米至约500微米的范围内。在具体实施例中，该厚度在约75微米至约125微米的范围内。隔离层117厚度的选择将取决于多个设计考虑，所述设计考虑包括例如预期使用环境的性质、选择用作隔离层117的材料以及所需使用寿命。
本发明的多个实施例包括了沉积顺序、材料选择、层厚等的多种其它可选组合。在图2所示的典型实施例中，多个110涂层单元被设置以形成一系列隔离层117、119、121，且至少一个吸气剂层116、118、122被依次设置在连续的隔离层117、119、121之间。这种布置使得扩散通过隔离层117、119、121到达基底105的氧气大大减少。此外在图2所示的典型实施例中，多个110涂层单元中的每个涂层单元与多个110涂层单元中的其它涂层单元大体上相同。正如在此使用的，“大体上相同”意味着等效于在正常工艺变型、层的位置、层的成分和层的厚度的限度范围内。图2所示的实施例仅是本发明的实施例所提供的多种可能性中的一种可能性，且不是必要的。例如，在一些实施例中，至少一个涂层单元包括在层的厚度、成分或相对于涂层单元中其它层的位置方面与其它单元的相应层不同的至少一层。例如，设置在制品上的一个涂层单元中的隔离层可包括稀土金属硅酸盐，而相同制品上的不同涂层单元中的隔离层可包括不同材料，例如铝硅酸盐。
在某些实施例中，多个110涂层单元中的至少一个涂层单元进一步包括至少一个附加层(未示出)。该附加层可被设置在吸气剂层或隔离层中的任一层之上或之下，或可被设置在这两层之间。附加层可用以实施多种所希望的功能中的任何功能。例如，热膨胀系数(CTE)介于隔离层材料与吸气剂层材料的热膨胀系数中间的附加层可被设置在吸气剂层与隔离层之间以减小由于两层之间的热膨胀系数失配而产生的应力。在一个具体实施例中，包括莫来石或莫来石与铝硅酸钡锶(BSAS)的混合物的附加层被设置在包括元素硅的吸气剂层与包括BSAS的隔离层之间。另一种可选方式是，包括稀土金属二硅酸盐的附加层被设置在包括元素硅的吸气剂层与包括稀土金属单硅酸盐的隔离层之间。在另一个实施例中，设置在吸气剂层与隔离层之间的附加层提供了扩散隔离以使两层之间的化学相互作用最小化。例如对于包括铂族金属的隔离层连同元素硅的隔离层被选择用于一个或多个涂层单元的情况，由于在燃气轮机部件的典型操作温度下这些材料之间存在的反应性，因此该功能是有用的。
任何附加层的厚度、化学成分和在涂层单元内的位置将取决于多种因素，所述多种因素尤其包括单元中其它层的成分、它们的厚度和具体应用环境。适用于本发明的实施例中的附加层所希望地具有基本上不会有助于涂层单元内或多个涂层与基底之间的热应力的热膨胀系数。在一个实施例中，附加层包括陶瓷材料，例如氧化物。附加层的厚度通常，尽管不是必要的，与下面所述的涂层单元中的其它层的厚度具有可比性。
每个涂层单元115、120、125的总厚度，以及多个110涂层单元的总厚度，取决于在前所述的用于选择单个涂层厚度的多个设计考虑。在一些实施例中，多个110涂层单元中的每个涂层单元具有达约1000微米的厚度。在具体实施例中，涂层单元厚度在约75微米至约375微米的范围内。此外，在一些实施例中，多个110涂层单元的总厚度达约2000微米。在具体实施例中，该总厚度在约150微米至约750微米的范围内。
如图2清楚地示出，本发明的实施例提供了冗余重复系统以减小系统性能对系统中任何单层的完整性的依赖。例如，如果最外层涂层单元125受到损坏，那么中间单元120提供了相等量的环境阻力，在中间单元120存在裂口的情况下，所述中间单元进一步可由第一单元115替换。在常规环境隔离涂层系统10(图1)中，顶部涂层40中的单个局部缺陷可迅速导致基底25受到直接腐蚀。然而，在本发明的系统中，顶部涂层121中的单个缺陷仅导致等效隔离层119发生暴露。本发明的实施例因此提供了用于侵蚀性环境中的更耐缺陷的可靠的环境隔离涂层系统。
为了充分利用上述属性的优点，本发明的具体实施例为包括含硅的基底105和设置在基底105上的多个110涂层单元115的制品。每个涂层单元115包括吸氧剂层116和隔离层117。吸气剂层116包括从包括元素硅和硅化物的组群中选择出来的至少一种材料。隔离层117包括从包括铝硅酸盐、硅酸盐和铝酸盐的组群中选择出来的至少一种材料。多个110涂层单元形成了具有设置在连续的隔离层之间的至少一个吸气剂层116、118、122的一系列隔离层117、119、121。
在此所述的所有涂层可通过多种制造工艺中的任何制造工艺被沉积在基底25上，所述多种制造工艺包括但不限于喷涂工艺，例如等离子体喷涂、热喷涂和类似喷涂工艺；气相沉积工艺例如物理气相沉积、化学气相沉积和类似气相沉积工艺；和其它涂覆工艺例如电镀。根据所选用的成分和用以沉积这些层的工艺，可对涂层进行多种热处理以提高强度、形成所希望的微观结构组成相，或产生其它所需特征。
实例在不进行进一步详细阐述的情况下，可以相信，通过此处的描述，本领域的技术人员可最充分地使用本发明。下列实例被包括以在实践要求保护的本发明的过程中为本领域的技术人员提供附加导引。所提供的实例仅代表有助于本申请的教导的使用。因此，正如所附技术方案所限定地，本实例不旨在以任何方式限制本发明。
参见图3，含硅基底301经过等离子体喷涂具有两个涂层单元310、320。每个涂层单元包括具有元素硅的吸氧剂层302、305；包括设置在吸气剂层302、305上的BSAS和莫来石的混合物的附加层303、306；和设置在附加层303、306上的BSAS隔离层304、307。每个单元的总厚度约为300-500微米。被涂覆的基底暴露于90％H2O-10％O2的环境中进行500小时的循环蒸汽暴露(250个周期)，所述90％H2O-10％O2的环境具有与典型燃气轮机的水蒸气分压大约相似的水蒸气分压。涂层系统在该暴露过程中积聚的损坏最小。观察到在顶部涂层单元320的吸氧剂层305上具有薄的氧化物层，这与在常规环境隔离涂层系统(图1)中的相似暴露的硅粘结涂层20上观察到的情况几乎一样。另一方面，底部涂层单元310的吸氧剂层302的上面没有氧化物层，这表明连续的顶部单元吸气剂层305防止了氧气和水蒸气渗透至下部环境隔离涂层单元310。简而言之，底部涂层单元310在暴露过程中保持处于原始状态，而顶部涂层单元320的行为与典型环境隔离涂层相似。
尽管在此描述了多个实施例，但从说明书中应意识到，本领域的技术人员可作出多种元素组合、变型、等效方式或改进，且所述组合和改进仍在所附技术方案所限定出的本发明的范围内。
一览表典型的环境隔离涂层系统10粘结涂层20基底25中间层30顶层40制品100基底105多个110涂层单元115、120、125吸氧剂层116隔离层117一系列隔离层117、119、121吸气剂层116、118、122含硅基底301两个涂层单元310、320吸氧剂层302、305附加层303、306隔离层304、30权利要求
1.一种制品(100)，包括基底(105)；和设置在所述基底(105)上的多个涂层单元，其中每个涂层单元(115、120、125)包括吸氧剂层(116)，和隔离层(117)。
2.根据权利要求1所述的制品(100)，其中所述吸氧剂层(116)包括硅。
3.根据权利要求2所述的制品(100)，其中所述吸氧剂层(116)包括从包括元素硅和硅化物的组群中选择出来的至少一种材料。
4.根据权利要求1所述的制品(100)，其中所述隔离层(117)包括陶瓷。
5.根据权利要求5所述的制品(100)，其中所述陶瓷包括氧化物。
6.根据权利要求6所述的制品(100)，其中所述氧化物包括从包括铝硅酸盐、硅酸盐和铝酸盐的组群中选择出来的至少一种材料。
7.根据权利要求1所述的制品(100)，其中所述多个(110)涂层单元(115、120、125)形成了具有设置在连续的隔离层(117)之间的至少一个所述吸气剂层的一系列所述隔离层(117)。
8.根据权利要求1所述的制品(100)，其中所述多个(110)涂层单元中的每个涂层单元(115、120、125)具有达约1000微米的厚度。
9.根据权利要求1所述的制品(100)，其中所述多个(110)涂层单元(115、120、125)具有达约2000微米的总厚度。
10.根据权利要求1所述的制品(100)，其中所述吸氧剂层(116)具有达约250微米的厚度。
11.根据权利要求1所述的制品(100)，其中所述隔离层(117)具有达约750微米的厚度。
12.根据权利要求1所述的制品(100)，其中所述基底(105)包括硅。
13.根据权利要求1所述的制品(100)，其中所述基底(105)包括陶瓷化合物，所述陶瓷化合物包括硅。
14.根据权利要求1所述的制品(100)，其中所述陶瓷化合物包括从包括碳化硅和氮化硅的组群中选择出来的至少一种材料。
15.根据权利要求1所述的制品(100)，其中所述基底(105)包括涡轮机组件中的部件。
16.根据权利要求1所述的制品(100)，其中所述多个(110)涂层单元中的至少一个涂层单元(115、120、125)进一步包括设置在从以下位置组群中选择出来的位置处的至少一个附加层，所述位置组群包括a.在所述吸氧剂层(116)与所述隔离层(117)之间，b.在所述隔离层(117)之上，和c.在所述吸氧剂层(116)之下。
17.根据权利要求16所述的制品(100)，其中所述附加层被设置在所述吸氧剂层(116)与所述隔离层(117)之间，且其中所述附加层具有介于所述隔离层(117)与所述吸氧剂层(116)的相应的热膨胀系数中间的热膨胀系数。
18.根据权利要求16所述的制品(100)，其中所述隔离层(117)包括铝硅酸锶钡、所述吸气剂层包括硅且所述附加层包括从包括莫来石、铝硅酸锶钡及其混合物的组群中选择出来的至少一种材料。
19.根据权利要求16所述的制品(100)，其中所述隔离层(117)包括稀土金属单硅酸盐、所述吸气剂层包括硅且所述附加层包括稀土金属二硅酸盐。
20.一种制品(100)，包括包括硅的基底(105)；和设置在所述基底(105)上的多个(110)涂层单元(115、120、125)，其中每个涂层单元(115、120、125)包括包含从包括元素硅和硅化物的组群中选择出来的至少一种材料的吸氧剂层(116)，和包含从包括铝硅酸盐、硅酸盐和铝酸盐的组群中选择出来的至少一种材料的隔离层(117)，其中所述多个(110)涂层单元(115、120、125)形成了具有设置在连续的隔离层(117)之间的至少一个所述吸气剂层的一系列所述隔离层(117)。
全文摘要
提供一种包括基底(105)和设置在所述基底(105)上的多个(110)涂层单元(115、120、125)的制品(100)。每个涂层单元(115、120、125)包括吸氧剂层(116)和隔离层(117)。本发明的实施例引入冗余重复以增强涂层系统的坚固性。多个保护性涂层单元被设置在基底(105)上，以使得其中一个所述涂层单元的失效将远不可能使基底(105)遭受直接暴露于环境中的风险。外部涂层单元(115、120、125)的失效仅暴露出原始的保护性涂层单元(115、120、125)，而不暴露基底(105)或保护性较弱的涂覆层。通过这种方式，本发明的实施例大大减轻了对一种具体涂覆层的性能的依赖，有利于形成更坚固更可靠的系统。
文档编号C04B41/89GK1807357SQ20061000514
公开日2006年7月26日 申请日期2006年1月13日 优先权日2005年1月13日
发明者P·J·梅施特, K·L·路思拉, J·S·萨克, C·A·约翰逊 申请人:通用电气公司