复合涂层及其制造方法
【专利说明】复合涂层及其制造方法技术背景
[0001]本发明技术总体上涉及涂层系统和方法，该涂层系统和方法适用于保护暴露在高温环境下的制品或部件，如涡轮发动机的不利热环境。更具体地，本发明技术涉及一种涂层，该涂层可用作抗氧化涂层和/或对于环境和/或热屏障涂层的结合涂层。
[0002]陶瓷和耐高温金属间材料和复合材料是目前被认为用于这种高温应用中，如燃烧器衬里、叶片、护罩、叶片和涡轮发动机的其它热区段部件，以及用于设计为在高温下工作的结构中，如换热器和内燃机等应用。复合材料的一些实例包括含硅复合材料，例如其中硅、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)和/或耐高温金属硅化物作为增强相和/或基体相的复合材料。然而，这些应用的环境特点经常含有水蒸汽，已知这在高温下会导致含硅材料的显著表面凹陷和质量损失。水蒸汽在高温下与结构材料反应形成挥发性含硅物类，这经常导致无法接受的高凹陷率。
技术的简要说明
[0003]本发明技术提供了复合涂层和在由含硅材料制成的制品或部件上制备复合涂层的方法，该含硅材料如陶瓷基体复合材料(CMC)。复合涂层保护暴露于高温的含硅制品，该高温包括涡轮发动机的不利热环境。
[0004]根据该技术的一个实例，制品包括基材和设置在基材表面上的涂层。该涂层包括至少一个基本上由MoSi2、WSi2、或Mo和W的硅化物的组合((Mo，ff) Si2)或铂族金属硅化物构成的金属硅化物层，和至少一个基本上由Si3N4构成的层。
[0005]根据本发明技术的另一个实例，一种制品包括基材，该基材包括含硅的区域，该含硅的区域包括在金属基体或非金属基体中的SiC、Si3N4和/或过渡金属硅化物作为增强材料；和设置在基材表面上的涂层，该涂层包括MoSijP Si 3N4，其中Si3N4的百分比按体积计大于涂层的约55%。
[0006]根据本技术的另一个实例，一种涂覆制品的方法包括:在基材的表面涂敷涂层，该涂层包括至少一个基本上由MoSi2S WSi 2或(Mo，W) Si 2或铂族金属硅化物构成的金属硅化物层和至少一个基本上由Si3N4构成的层。
[0007]根据本技术的另一个方面，提供了一种涂覆包括基材的制品的方法，该基材包括含硅的区域，该含硅的区域包括在金属基体或非金属基体中的SiC、Si3N4和/或过渡金属硅化物作为增强材料；该方法包括:在基材表面上涂敷涂层，该涂层包括MoSijP Si 3N4，其中Si3N4按体积计的百分比大于涂层的约55%。
附图的简单说明
[0008]通过下面的详细说明并参考附图，可以更好地理解本技术的其它方面和优点，其中相似的附图标记所指的是本发明技术的相似特征，并且其中:
[0009]图1示意性地表示一种制品，该制品包括根据本发明技术的一个实例的涂层系统；
[0010]图2示意性地表示一种制品，该制品包括根据本发明技术的另一个实例的涂层系统；
[0011]图3示意性地表示一种制品，该制品包括根据本发明技术的另一个实例的涂层系统；
[0012]图4不意性地表不根据本发明技术的一个实例的一种方法；
[0013]图5示意性地表示根据本发明技术的另一个实例的一种方法；
[0014]图6示意性地表示根据本发明技术的另一个实例的一种方法；
[0015]图7示意性地表示根据本发明技术的另一个实例的一种方法；
[0016]图8示意性地表示多层膨胀与厚度比的关系；和
[0017]图9示意性地表示多层膨胀与体积分数的关系。
技术的详细说明
[0018]本发明技术通常适用于在以相对高的温度、严酷的热循环和应力、氧化和腐蚀为特点的环境中工作的部件或制品。这种部件的例子包括高压和低压涡轮机轮叶(喷嘴)和叶片(叶片(bucket))、护罩、燃烧器衬里、推力增强装置硬件和涡轮发动机的其它热区段部件，然而该技术也已应用到其它部件上。
[0019]参考图1，部件或制品10包括具有涂层或涂层系统30的基材20。制品10还可以包括环境屏障涂层(EBC)和/或热屏障涂层(TBC) 40，其设置在涂层系统30上。EBC和/或TBC可以是例如多层涂层系统。基材20可包括含硅区域。含硅材料的例子包括含硅、碳化硅、氮化硅、硅化物，例如过渡金属硅化物的那些材料，其中过渡金属是耐高温金属，例如钼或钨或其组合，铂族金属如铂、铱或铑，例如在基体和/或增强体中。进一步的例子包括含有碳化硅作为增强和基体相的陶瓷基体复合材料(CMC)。
[0020]涂层系统30可以包括两个主要相，二硅化钼(MoSi2)和氮化硅(Si3N4)。出于加工和/或性质的原因，涂层系统30还可以包括次要相，例如Mo5Si3、S1、Mo5Si3C、SiC和/或SiNx。次要相可能占涂层系统30的少于50%。在涂层系统中，Si3N4的体积百分比可能大于约55% ο
[0021]参考图2，涂层系统50可包括交替的MoSiJl 31，33和Si3N4层32，34。应当理解的是，虽然在图2中所示的与基材20接触的初始层31是MoSi2,但与基材20接触的初始层也可以是Si3N4。还应当认识到，尽管所示的是两层MoSi2与两层Si 3N4交替，但MoSi 2和Si3N4的层数可以是任何数字，包括各自单一的层。应进一步理解，虽然所示的MoSi 2和Si 3N4的层数是相等的，但各自的层数可以是不相等的。例如，涂层系统可包括四层MoSijP 3层Si3N4，反之亦然。
[0022]参考图3，涂层系统60可包括交替的MoSiJl 31，33和Si3N4层32，34。过渡区域35可在交替层31，32 ;32，33 ;33，34之间设置。过渡区域35包括MoSijP Si 3N4 二相的混合物。过渡区域35还可以包括如上所述的次要相。过渡区域35可以如下面的更加详细的描述地形成。如参考图2的上述讨论，虽然图3所示的涂层系统60包括与基材20接触的MoSi2第一层31，并且MoSi 2和Si 3N4的层数是相同的，但应当理解的是，涂层系统60可以是如上所述的图2的变体。
[0023]参考图4-7，示意性地示出了各种用于涂覆包括基材的制品或部件的方法。因为相似的附图标记指代实施例方法中的相似的特征，那些两个或更多的实施例方法所共有的特征将仅参考一个实施例方法说明。
[0024]参考图4，在涂覆制品的方法开始于SlOO。在S120中，在基材表面上沉积MoSi2,以在基材上形成一层MoSi2。
[0025]在形成MoSi2层后，在S150中在MoSiJl上形成Si3N4层。如果MoSi 2层和Si 3N4层的结合厚度t小于预定的厚度tp(S170:是)，则过程返回到S120，以形成MoSi2的附加层。当MoSi2层和Si 3N4层的结合厚度t不小于预定的厚度t P(S170:否)时，在S180处结束过程。
[0026]参考图5，根据另一实施例，在涂覆制品的方法开始于S100。在S142中，在形成MoSi2层之后，形成MoSi 2与Si 3N4的过渡区域。两相的混合物在MoSi 2与Si 3N4的层之间提供过渡区域，例如如上面参考图3所描述。
[0027]参考图6，在S172中，交替的MoSijP Si 3N4层经热处理形成MoSi 2与Si 3N4的双相混合物。应当理解的是，热处理步骤也可以被图5的方法所包括。
[0028]参考图7，根据另一实施例，在S112中，可形成具有预定的体积比的此5“与Si 3N4的双相混合物。确定工艺参数和/或条件以得到103“与Si 3N4的双相混合物，该双相混合物具有一定的体积比，以降低或最小化与基材的CTE失配。可以确定工艺参数和/或条件以控制次要相的物类和/或体积分数。工艺条件和/或参数可以在涂覆过程中进行调整，以实现在厚度上具有分级微结构和性质的涂层。
[0029]应当理解的是，本文描述的涂层可通过各种方法形成，包括例如CVD、离子等离子沉积和物理气相沉积(如蒸发或溅射)。
[0030]还应当理解的是，减少涂层与基材之间的CTE失配的机制在层-层涂层的实施例(例如图2和3)和包括MoSijP Si 3N4的相混合物的层的实施例之间不同地起作用。在层-层涂层的情况下，103“与Si3N4厚度的期望比率可根据有效热膨胀系数a 确定。对于MoSijP Si 3N4层的多层涂层，有效热膨胀系数可利用线性弹性分析根据以下公式计算:
Q eff —M0S12E MoSi2 Q MoSi2+tsi3N4E Si