发明背景
本公开一般涉及用于高温应用服务的材料和制品，例如涡轮机。更具体地讲，本公开涉及从陶瓷基质复合材料基体除去涂层的方法。
由于陶瓷材料的固有高温材料性能，陶瓷基质复合材料(cmc)材料提供比金属合金材料更高操作温度的潜力。在诸如燃气涡轮机组件的应用中，这种能力可转变成减小冷却需求，这继而可产生较高功率、较高效率和/或减小来自机器的排放。然而，包含显著量的含硅材料的cmc材料，例如碳化硅或氮化硅，容易在高工作温度下被水蒸气侵蚀和快速衰退。已研发环境阻挡涂层(ebc)抑制这种退化机制。
在工作期间，ebc的一个或多个部分可变得损伤，但由于cmc部件一般昂贵，除去受损伤的ebc和再涂覆所用cmc部件比更换整个部件在经济上有利。ebc可通过机械方法除去，例如喷砂处理，但此类操作可由于cmc和ebc之间的需要的强结合而导致损伤cmc基体。
因此，在工业上需要从cmc基体除去涂层(例如ebc)而不过度损伤cmc材料的方法。
技术实现要素：
提供本发明的实施方案以满足这一需要和其它需要。一个实施方案是从制品除去涂层的方法。所述方法包括将制品加热到处理温度。所述制品包括与第二材料接触的第一材料，所述第一材料包含硅，且所述第二材料包含含硅的氧化物。加热在具有一定氧分压的环境中进行，所述氧分压小于在处理温度下在第一材料和第二材料之间化学平衡的平衡氧分压。
另一个实施方案是一种从制品除去涂层的方法。所述方法包括在具有小于约10-2托(1.3pa)总压的真空中将制品加热到至少约1200℃处理温度。所述制品包括基体，所述基体包含陶瓷基质复合材料，所述复合材料包含碳化硅、氮化硅或包含一种或两种前述的组合；第一材料，所述第一材料布置在基体上，并包括元素硅、含元素硅的合金、硅化物或包含一种或多种前述的组合；与所述第一材料接触的第二材料，所述第二材料包括二氧化硅、硅酸盐或包含一种或两种前述的组合；和布置在所述第二材料上的第三材料，所述第三材料包括稀土硅酸盐、铝硅酸盐、氧化锆或包含一种或多种前述的组合。在处理温度下在所述环境中加热制品，直至在第一材料和第二材料之间出现所需的反应程度，且然后从基体除去第三材料。
本发明提供以下方面：
第1项.一种从制品除去涂层的方法，所述方法包括：
将制品加热到处理温度，所述制品包括
与第二材料接触的第一材料，所述第一材料包含硅，且所述第二材料包含含硅的氧化物；
其中加热在具有一定氧分压的环境中进行，所述氧分压小于在处理温度下在第一材料和第二材料之间化学平衡的平衡氧分压。
第2项.第1项的方法，其中所述环境为真空。
第3项.第1项的方法，其中所述环境为具有小于约10-2托(1.3pa)总压的真空。
第4项.第3项的方法，其中所述总压小于约10-5托(10-3pa)。
第5项.第1项的方法，其中所述处理温度为至少约1000℃。
第6项.第1项的方法，其中所述处理温度为至少约1200℃。
第7项.第1项的方法，其中所述处理温度为至少约1300℃。
第8项.第1项的方法，其中所述第一材料包括元素硅、含元素硅的合金、硅化物、碳化硅、氮化硅或包含一种或多种前述的组合。
第9项.第1项的方法，其中所述氧化物包括二氧化硅、硅酸盐或包含一种或多种前述的组合。
第10项.第1项的制品，其中所述制品包括基体，且所述第一材料布置在所述基体上。
第11项.第10项的制品，其中所述基体包括碳化硅、氮化硅或包含一种或两种前述的组合。
第12项.第1项的制品，其中所述基体包含陶瓷基质复合材料，所述复合材料包含碳化硅、氮化硅或包含一种或两种前述的组合。
第13项.第1项的方法，其中所述制品进一步包括第三材料，所述第三材料包含在第二材料上布置的氧化物。
第14项.第13项的方法，其中所述第三材料的氧化物包括稀土硅酸盐、铝硅酸盐、氧化锆或包含一种或多种前述的组合。
第15项.一种从制品除去材料的方法，所述方法包括：
在具有小于约10-2托(1.3pa)总压的真空中将制品加热到至少约1200℃处理温度，
其中所述制品包括
包含陶瓷基质复合材料的基体，所述复合材料包含碳化硅、氮化硅或包含一种或两种前述的组合，
布置在所述基体上的第一材料，所述第一材料包括元素硅、含元素硅的合金、硅化物或包含一种或多种前述的组合，
与所述第一材料接触的第二材料，所述第二材料包括二氧化硅、硅酸盐或包含一种或两种前述的组合；和
布置在所述第二材料上的第三材料，所述第三材料包括稀土硅酸盐、铝硅酸盐、氧化锆或包含一种或多种前述的组合；并且
从所述基体除去第三材料。
附图说明
通过阅读以下详述并参考附图，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中相似的字符代表相似的部分，其中：
附图为根据本文的描述处理的制品的示意性横截面。
具体实施方式
如在整个说明书和权利要求书中所用，可用近似语言修饰任何定量表达，这些表达可容许改变，而不引起所涉及基本功能的改变。因此，由一个或多个术语例如“约”和“基本”修饰的数值不限于所指定的精确值。在某些情况下，近似语言可对应于用于测量数值的仪器精度。在此和整个说明书和权利要求书中，范围限度可以组合和/或互换，这些范围经确定，并包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另外指明。
在以下说明书和权利要求中，除非上下文另外清楚地指明，单数形式“一个/种”和“所述”包括复数对象。本文所用术语“或”不意味排它性，而是指存在至少一种提及组分，并且包括其中可存在提及组分的组合的情况，除非上下文另外清楚地指明。
本文所用词语“可以”和“可以为”表示在一组情况内发生、具有规定性质、特征或功能的可能性，和/或通过表达与被修饰动词相关的一个或多个能力、性能或可能性修饰另一个动词。因此，“可以”和“可以为”的使用表示被修饰的术语明显适合、能够或适用于指定的能力、功能或用途，尽管考虑在某些情况下，被修饰的术语可能有时是不适合、能够或适用的。
本文所述技术可促进以相对于常规涂层除去技术低的机械力从含硅基体部分或完全除去涂层，例如ebc或其它覆盖材料。本文所用术语“涂层”简单指在另一种材料上布置的一定量材料，该术语不意味任何关于材料性质，特别关于该覆盖材料是否在下面材料上形成连续层。因此，本文所用术语“涂层”可连续或离散布置在下面材料(“基体”)上。本文所用术语“含硅”指包括但不限于硅的任何材料。此类材料的实例包括但不限于元素硅、合金和包含硅作为组分的固溶体和含硅的化合物。
参考附图，根据本文公开的技术的制品100一般包括与第二材料104接触的第一材料102。在某些实施方案中，制品100为燃气涡轮组件的部件，例如燃烧衬里、过渡件、护罩、静叶或动叶。第一材料102包含硅。在一些实施方案中，第一材料102包括元素硅、含元素硅的合金、硅化物、碳化硅、氮化硅或包含一种或多种这些实例材料的组合。在一个具体实施方案中，制品100包括基体，第一材料102布置在基体106上，直接接触或具有一个或多个插入涂层(未显示)的。出于说明目的，在一个实施方案中，基体106包括碳化硅、氮化硅或一种或多种这些的组合；一个实施例是其中基体106包含陶瓷基质复合材料(cmc)。cmc包括陶瓷材料，例如碳化硅、氮化硅或一种或多种这些的组合。这种cmc的具体实例为包含基质和增强相的材料，其中所述基质包括碳化硅，且所述增强相包括碳化硅纤维。
第二材料104包含含硅的氧化物。这种氧化物可包括例如二氧化硅、硅酸盐或包含一种或两种这些的组合。在一个实施例中，第二材料104的氧化物为第一材料102的一种或多种组分的氧化产物，如所谓的“热生长氧化物”(通常简化为“tgo”)，该氧化物在高温工作期间在氧化环境中形成于含硅涂层和/或基体上。例如，在基体106包括cmc时，第一材料102可作为含硅(通常元素硅)的结合涂层布置在基体106上，结合涂层中的硅在工作期间氧化成含硅tgo，在本公开用法中相当于第二材料104。
在一些实施方案中，制品100还包括在第二材料104上布置的直接接触第二材料104或具有一个或多个插入层(未显示)的第三材料108。第三材料108包含氧化物，例如，在本领域中常用于热阻挡涂层(tbc)和/或环境阻挡涂层(ebc)的一种或多种氧化物材料。实例包括硅酸盐，例如，包含一种或多种稀土元素的硅酸盐；铝硅酸盐，例如，包含一种或多种碱土元素的铝硅酸盐化合物；和氧化锆，例如氧化钇稳定化的氧化锆。在一个说明性实施例中，基体106包括cmc，例如，包含碳化硅的cmc；第一材料102包括含硅结合涂层；且第三材料108包括常用于ebc的氧化物顶涂层。在此实施例中，第二材料104为在结合涂层和顶涂层之间布置的含硅氧化物，例如tgo。
一种从含硅基体(例如，cmc)除去涂层(例如，ebc的氧化物层)或其它覆盖材料的方法包括在高温下促进第一材料102的硅与第二材料104的含硅氧化物之间的反应。第一材料102和第二材料104之间的这个反应产生一氧化硅蒸气，与其它相关反应比较，例如，二氧化硅的热分解，它具有很高平衡压力。反应包括4个相之间的平衡，包括氧化物、硅、一氧化硅和氧。在将一氧化硅蒸气产物足够快地除去使其不与第一材料102和第二材料104接触以避免积累到平衡蒸气压的情况下和在氧分压保持在足够低水平以促进反应的情况下，反应继续运行，只要保持这些温度和压力条件，直至第二材料104消耗。此反应基本上使基体106和在基体106上布置的任何材料(例如，第三材料108)之间的连接蒸发，从而使这种材料变得用很小或不用机械力从基体106分开。制品100的自由边缘连同第三材料108中的表面连接的裂纹、孔和任何其它开口使sio反应产物逸出，从而防止反应产物积累，并加速除去过程。
基于以上机制，根据本公开的方法的一个实施方案包括在具有一定氧分压的环境中将制品100加热到处理温度，所述氧分压小于在处理温度下在第一材料102和第二材料104之间化学平衡的平衡氧分压。在一些实施方案中，此加热在真空环境中进行，即，在具有小于大气压的总压力的环境中进行。在一些实施方案中，真空环境的总压力小于约10-2托(1.3pa)，且在某些实施方案中，总压力小于约10-5托(10-3pa)。较低总压有助于驱使较快反应速率。类似地，反应速率也取决于温度，但达到较强程度。较高温度导致较快反应动力学。例如，为了完全除去20微米厚含硅tgo层到距经涂覆部分的自由边缘约1.3cm(0.5英寸)距离，在真空中加热到1200℃温度需要约32小时，1300℃温度需要约6小时，且1400℃温度需要约1.2小时。在一些实施方案中，处理温度为至少约1200℃，且在具体实施方案中，处理温度为至少约1300℃。当然，温度的实际上限可通过具体情况确定；例如，如果基体106包括温度敏感材料，例如，元素硅，可合乎需要保持低于这种材料的熔点，以避免损伤基体106。
加热制品100保持上述温度可继续一段时间，直至所需量的材料除去。选择时间取决于数种因素，例如，加热环境的温度和压力、待处理制品的尺寸和反应产物从第一材料102和第二材料104之间反应位点蒸发掉的逸出通道的可利用性。如果至少一种反应产物基本完全消耗，那么如果几何形状允许，通过简单地从基体106滑开，就可容易地从基体106除去任何覆盖材料，例如，第三材料108；在某些情况下，例如，在覆盖材料完全包围基体106时，或者在几何形状复杂时，覆盖材料在其可以一个或多个部分除去之前必须可以破裂。在一些实施方案中，可能有必要完全蒸发第一和/或第二材料；可使它们在基体106和覆盖材料之间提供的连接降级到只需小的机械力就能除去覆盖材料的点，从而显著减小对cmc基体106损伤风险。可应用除去覆盖材料的任何方便方法，例如喷砂处理、水冲击、空气冲击或将不过度损伤基体106的其它适合选择方法。
实施例
提出以下实施例以进一步说明本发明非限制实施方案。
为了进一步说明上述特征，本发明的具体实施方案为从制品除去涂层的方法。所述方法包括在具有小于约10-2托(1.3pa)总压的真空中将制品加热到至少约1200℃处理温度。制品100包括基体106，所述基体106包含陶瓷基质复合材料，所述复合材料包含碳化硅、氮化硅或包含一种或两种前述的组合；第一材料102，所述第一材料102布置在基体106上，并包括元素硅、含元素硅的合金、硅化物或包含一种或多种前述的组合；与第一材料102接触的第二材料104，所述第二材料包括二氧化硅、硅酸盐或包含一种或两种前述的组合；和布置在第二材料104上的第三材料108，所述第三材料108包括稀土硅酸盐、铝硅酸盐、氧化锆或包含一种或多种前述的组合。在处理温度下在所述环境中加热制品100，直至在第一材料102和第二材料104之间出现所需的反应程度，且然后从基体106除去第三材料108。
用元素硅的结合涂层和氧化物顶涂层涂覆具有碳化硅纤维增强物的碳化硅基质的cmc基体，并使经涂覆cmc经受暴露到约1315℃蒸汽总共约2000小时。然后将经暴露制品放入真空炉，并加热到约1300℃处理温度75小时。在冷却后，观察顶涂层与基体完全分离。顶涂层容易从基体表面滑掉。
虽然本文只说明和描述本发明的某些特征，但本领域的技术人员应想到很多修改和变化。因此，应理解，附加权利要求旨在覆盖落在本发明真实精神内的所有这些修改和变化。
部件列表：
制品 100
第一材料 102
第二材料 104
基体 106
第三材料 108