环境阻障涂层及其方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本发明总体上涉及适于保护暴露于涡轮发动机的恶劣热环境等高温环境中的部件的涂层系统和方法。具体来说，本技术涉及部件的含硅区域上的环境阻障涂层(environmental barrier coating，EBC)以及将表面特征并入含娃区域中，以抑制高温下的剪切载荷时出现的EBC蠕变位移。
[0002]相关领域不断寻求提高涡轮发动机的工作温度，以提高效率。尽管已通过形成铁、镍和钴基超合金大幅改进高温性能，但所属领域仍在探索代用材料。目前正在开发用于燃烧器衬里、静叶、防护罩、动叶和涡轮发动机的其他高温部段部件等高温应用中的陶瓷复合材料。一些复合材料的实例包括硅基复合材料，例如，硅、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)和/或金属硅化物用作增强相和/或基体相的复合材料。
[0003]在许多高温应用中，含硅材料可能需要或者必需保护涂层。该涂层应通过抑制挥发性氢氧化硅(例如，Si (OH)4)产物的形成并且，理想地，防止水蒸气进入氧化表面来提供环境保护。具有这些功能的涂层系统将在下文称为环境阻障涂层(EBC)系统。所述涂层的所需性质包括与含硅基底材料相合的热膨胀系数(CTE)、低氧化剂渗透率、低导热率、低二氧化硅化学活性以及与下层含硅材料和热生长的二氧化硅氧化皮(silica scale)的化学相容性。
[0004]含硅粘合层的硅含量在高温下与氧气和/或水蒸气反应以形成氧化物产物，主要是无定形二氧化硅(S12)氧化皮，尽管一部分氧化物产物可能是晶状二氧化硅或者粘合层的其他成分的(固体或气体)氧化物。无定形二氧化硅产物呈现低透氧性。因此，在所述粘合层上热生长的二氧化硅产物能够形成阻止氧气渗透到基底中的保护性阻障层。
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【发明内容】
[0006]在运行过程中形成于含硅粘合层上的无定形二氧化硅产物具有相对较低的粘性，因此在运行温度的剪切载荷下的蠕变率较高。高剪切载荷可能是由涡轮发动机的动叶(斗叶)等零件旋转所产生的g力(g force)施加的。该剪切载荷可能导致EBC相对于基底发生蠕变位移，因而导致EBC严重损坏，甚至是下层基底的EBC保护层直接脱落。
[0007]本发明提供了一种环境阻障涂层(EBC)系统以及一种在由含硅材料构成的制品上，例如作为增强相和/或基体相的含硅材料中的陶瓷基体复合材料(CMC)0所述EBC系统和方法特别适用于保护暴露于高温下(包括涡轮发动机的恶劣热环境中)的含硅制品。
[0008]根据本发明的一个方面，本发明提供了一种制品，所述制品包括:含硅区域，所述含硅区域包括其表面上的表面特征，所述表面特征包括其凹部、突起或它们的组合；至少一个外层，所述至少一个外层覆盖在所述含硅区域的所述表面上；以及成分层，所述成分层位于所述含硅区域的所述表面上并且位于所述含硅区域与所述至少一个外层之间并且与其接触，所述成分层由所述含硅区域的成分的氧化形成并且在所述制品的运行环境内易于蠕变，所述表面特征通过所述成分层将所述至少一个外层与所述含硅区域物理互锁(interlock)。
[0009]根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种对制品的含硅区域涂覆方法，所述方法包括:在所述含硅区域的表面上形成表面特征，所述表面特征包括其凹部、突起或它们的组合；形成至少一个外层，所述至少一个外层覆盖在所述含硅区域的所述表面上；以及在所述含硅区域的所述表面上、所述含硅区域与所述至少一个外层之间形成成分层，所述成分层由所述含硅区域的成分的氧化形成并且在所述制品的运行环境内易于蠕变，所述表面特征通过所述成分层将所述至少一个外层与所述含硅区域物理互锁。
[0010]通过将所述含硅区域与所述环境阻障涂层系统的第一层互锁，可以大大抑制由于成分层(例如，在含硅区域上热生长的二氧化硅层)的蠕变而发生的所述EBC的位移，从而提升环境阻障涂层系统的结构完整性及其在高温应用中保护所述制品的能力。本发明适用于已知的环境阻障涂层材料，并且所述互锁特征可以使用各种附加和裁减工艺形成。
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【附图说明】
[0012]可参照附图从以下详细说明中了解本发明的其他方面和优势，在附图中:
图1是根据本发明的一个实例的含粘合层的EBC系统的示意图，其中所述粘合层的表面被配置成具有规则分布的表面特征；以及
图2是根据本发明的另一个实例的含粘合层的EBC系统的示意图，其中所述粘合层的表面被配置成具有不规则分布的表面特征。
[0013]
【具体实施方式】
[0014]本发明一般适用于在具备高温、热循环、热应力和机械应力以及氧化特征的环境内运行的部件。该部件的实例包括高压和低压涡轮静叶(喷嘴)和动叶(斗叶)、防护罩、燃烧器衬里、增压器硬件以及涡轮发动机的其他高温部分，但本发明也适用于其他部件。最值得一提的是，本发明适用于涡轮发动机的旋转部件，例如动叶(斗叶)。
[0015]图1和2中示意性地示出了根据本发明多个实例的多层环境阻障涂层(EBC)系统14，用于保护部件或制品10的基底12。基底12可以包括含硅区域。含硅材料的实例包括碳化硅、氮化硅、硅化物(例如，耐火金属或过渡金属硅化物，包括，但不限于，例如，Mo、Nb或W硅化物)以及/或者硅作为基体或第二相的材料。其他实例包括陶瓷基体复合材料(CMC)，其含有作为增强相和/或基体相的碳化硅。
[0016]图1和2中所示的EBC系统14代表各种不同EBC系统中的一个系统，其能够包含直接涂覆到基底12的表面34上的、图1和2中所示的含硅粘合层16。例如，含硅粘合层的一个实例在U.S.6，299，988中公开。粘合层16进一步图示为将第一 EBC层20粘合到基底12，以及可选地粘合到EBC系统14的至少一个额外层22、24、18。EBC系统14用于为下层基底12提供环境保护，以及潜在地降低部件10的运行温度，从而使得部件10能够在高于其他设计的较高气体温度下运行。尽管图1和2所示的EBC系统14包括含硅粘合层16，在此情况下，所述第一 EBC层20直接安置在由粘合层16形成的含硅表面区域上，但是本发明也适用于不包括本说明书中所述的粘合层16的EBC系统14，在此情况下，第一 EBC层20直接安置在由基底12形成的含硅表面区域上。应了解，下文进一步详述的成分层30或者成分层30的一部分可在涂敷第一 EBC层20之前存在。
[0017]含硅材料在燃烧环境中的降级(degradat1n)可导致其与水蒸气反应形成挥发性氢氧化硅(例如，Si (OH)4)产物。EBC层25，以下称EBC，可用于抑制由粘合层16和/或基底12与水蒸气之间的化学反应引起的衰退，提供温度梯度以减小部件10的运行温度，或者用于实现这两者。例如，可用于本发明中的适当EBC包括，但不限于，U.S.6，296，941和U.S.6，410，148中公开的EBC。EBC可以实现密封、反应阻障、抗衰退和/或热障功能等许多功會K。
[0018]如上所述，粘合层16和基底12各自可限定部件10的含硅的表面区域。例如，粘合层16可以包括或者基本上由元素娃构成。或者，粘合层16可以包含碳化娃、氮化娃、金属硅化物、元素硅、硅合金或者它们的混合物。粘合层16可以进一步包含氧化物相，例如二氧化硅、稀土硅酸盐、稀土铝硅酸盐和/或碱土铝硅酸盐。粘合层16使用含硅成分可改进基底12的抗氧化性并且强化基底12与第一 EBC层20之间的粘合。出于此目的，例如，粘合层16的厚度可为约25 Mm到约350 Mm，例如约50 Mm到约250 Mm，例如约100 Mm到200Mm，例如约125 Mm到175 Mm，例如约150 Mm。粘合层16中的娃在高温下与氧气反应，以在其表面32上热生长主要为无定形二氧化硅(S12)的成分层30，如图1和2所示。所得的无定形二氧化硅呈现低透氧性。因此，与含硅粘合层16 —起，成分层30能够阻止氧气渗透到粘合层16和基底12中。在成分层的生长期间，一些无定形二氧化硅可以结晶成晶状二氧化硅。
[0019]成分层30可以具有纯二氧化硅以外的其他成分，但是包含得自粘合层16的氧化的二氧化硅。例如，成分层30可以包含在溶解状态中的其他元素，例如，但不限于，硼、铝和/或氮。成分层30还可以包含其他相，例如钇铝硅酸盐(YAS)或稀土二硅酸盐(REDS)。成分层30的各种可能成分可以至少部分得自粘合层16的成分。
[0020]若没有含硅粘合层16，EBC 25的第一层20可以直接安置在由基底12限定的部件10的含硅表面区域，在此情况下，基底12成形为含有其硅含量足以在高温下与氧气反应并且形成上述保护性二氧化硅成分层30的成分。此外，根据基底12的成分，此层可以为主要是无定形的二氧化硅产物、富二氧化硅玻璃或者其中一相富含二氧化硅的多相混合物。为方便起见，下文将参考包括图1和2中所示的粘合层16的实施例进行说明，但是本发明应理解为同样适用于形成于基底12的表面34上的成分层30。
[0021]在高温运行期间形成于含硅粘合层16 (或者其他含硅表面区域，例如基底12)上的成分层30可以增长到高达约50 Mffl或以上的厚度，具体取决于相关应用。成分层30可以具有相对较低的粘性，因此其在可能由涡轮发动机动叶(斗叶)等旋转零件中产生的g力所产生的剪切载荷下的蠕变率较高。由于成分层30的蠕变，上覆的EBC 25相对于基底12的位移可能在约1315°C (约2400 °F)下运行25，000小时以上时超出100 mm。如此大的蠕变位移可能导致EBC系统14严重损坏并且下层基底12直接丧失环境保护。