用于热喷雾气密稀土环境阻挡涂层的组合物和方法
【技术领域】
[0001] 本文描述的实施方案总的涉及用于制备环境阻挡涂层的组合物和包含所述组合 物的环境阻挡涂层。更具体地，本文描述的实施方案总的涉及包括至少一个基于稀土硅酸 盐的气密层的环境阻挡涂层。使用至少一种烧结助剂制备其它实施方案和使其致密。
[0002] 发明背景 持续寻求用于燃气涡轮发动机的较高的操作温度，以改进它们的效率。然而，当操作温 度提高时，必须相应地提高发动机组件的高温耐久性。通过形成基于铁、镍和钴的超合金， 已实现高温性能的显著进展。虽然已发现超合金广泛用于在整个燃气涡轮发动机中使用的 组件，尤其是用于较高温度部分，但是已提出备选的较轻重量组件材料。
[0003] 陶瓷基质复合材料（CMC)为一类由被陶瓷基质相围绕的增强材料组成的材料。这 样的材料以及某些整体式陶瓷（即，不具有增强材料的陶瓷材料）目前用于较高温度应用。 与超合金相比，这些陶瓷材料重量轻，但是仍可为由其制备的组件提供强度和耐久性。因 此，这样的材料目前被用于燃气涡轮发动机的较高温度部分的许多燃气涡轮组件所考虑， 例如螺旋桨（例如，涡轮和叶片）、燃烧室、护罩和其它类似的组件，其将受益于这些材料可 提供的较轻重量和较高温度性能。
[0004]CMC和整体式陶瓷组件可涂布有环境阻挡涂层（EBC)，以保护它们免受高温发动 机部分的严苛的环境。EBC可提供针对在热燃烧环境中的腐蚀性气体的致密的气密密封，所 述腐蚀性气体可快速氧化含硅的CMC和整体式陶瓷。此外，氧化硅在高温蒸汽中不稳定，而 是转化为挥发性（气态）氢氧化硅物类。因此，EBC可有助于防止因这样的氧化和挥发过程 造成的陶瓷组件的尺寸变化。遗憾的是，可存在一些与目前用于施用EBC的标准工业涂布 过程例如等离子体喷雾和气相沉积（即，化学气相沉积CVD和电子束物理气相沉积EBPVD) 相关的不期望的问题。
[0005] 稀土二硅酸盐的典型的空气等离子体喷雾（APS)微观结构在沉积状态下为多孔 的并且对于引起陶瓷基质复合材料挥发的气态物类不气密。因此，喷雾玻璃质层，例如钡锶 铝-硅酸盐（BSAS)，以提供针对这些气态物类的气密层。然而，该玻璃质层不能接触硅来源 (例如硅或二氧化硅），因此必须喷雾稀土硅酸盐的另外的层，使得将玻璃质层与二氧化硅 来源分隔。图1为具有与BSAS组合的非气密的基于稀土硅酸盐层的现有技术EBC的一个 实例的说明。
[0006] 因此，仍需要环境阻挡涂层，以保护CMC免受存在于燃气涡轮发动机中的高温蒸 汽环境。
[0007]本发明的系统和技术涉及克服本领域中的这些和其它缺陷。
[0008] 发明概述 根据一方面，本公开提供一种基于稀土硅酸盐的气密层。所述基于稀土硅酸盐的气密 层包括包含稀土硅酸盐的热喷雾涂层，所述稀土硅酸盐具有气密微观结构且密度为其理论 密度的85%或更多。
[0009] 根据另一方面，本公开提供一种环境阻挡涂层，所述涂层包含：包含硅的粘合涂 层；和至少一个通过热喷雾在粘合涂层上沉积的基于稀土硅酸盐的气密层。所述基于稀土 硅酸盐的气密层包括包含稀土硅酸盐的热喷雾涂层，所述稀土硅酸盐具有气密微观结构且 密度为其理论密度的85%或更多。
[0010] 根据另一方面，本公开提供一种具有环境阻挡涂层的制品，其中所述制品包含：包 含陶瓷基质复合材料的基材；和在所述基材的表面上沉积的环境阻挡涂层。所述制品的 环境阻挡涂层包含：包含硅的粘合涂层；和至少一个通过热喷雾在粘合涂层上沉积的基于 稀土硅酸盐的气密层，其中所述基于稀土硅酸盐的气密层包括包含稀土硅酸盐的热喷雾涂 层，所述稀土硅酸盐具有气密微观结构且密度为其理论密度的85%或更多。在某些实施方 案中，在制品的环境阻挡涂层的粘合涂层和至少一个基于稀土硅酸盐的气密层之间沉积非 气密层。用于制品的环境阻挡涂层的合适的非气密层的一个实例可包括但不限于包含稀土 硅酸盐的非气密层，该稀土硅酸盐可为但不限于（Ybx，Ylx)2Si207 (其中0 <X< 1)。
[0011] 根据另一方面，本公开提供一种用于生产基于稀土硅酸盐的气密层的热喷雾原 料。所述热喷雾原料包括包含悬浮于液体载体中的稀土硅酸盐和烧结助剂的悬浮液，其中 所述烧结助剂包含一种氧化物或多种氧化物，并且其中所述悬浮液的热喷雾有效得到包含 稀土硅酸盐的基于稀土硅酸盐的气密层，所述稀土硅酸盐具有气密微观结构且密度为其理 论密度的85%或更多。在一个实施方案中，所述热喷雾原料还包含表面活性剂。
[0012] 根据另一方面，本公开提供一种用于制备基于稀土硅酸盐的气密层的方法。该方 法包括以下步骤：提供根据本公开的热喷雾原料；和使所述热喷雾原料经历热喷雾过程， 以产生包含稀土硅酸盐的基于稀土硅酸盐的气密层，所述稀土硅酸盐具有气密微观结构且 密度为其理论密度的85%或更多。
[0013] 根据另一方面，本公开提供一种用于生产具有环境阻挡涂层的基材的方法。该方 法包括以下步骤：提供包含陶瓷基质复合材料的基材；和向基材施用环境阻挡涂层。所述 环境阻挡涂层包括：包含硅的粘合涂层；和至少一个通过热喷雾在粘合涂层上沉积的基于 稀土硅酸盐的气密层。所述基于稀土硅酸盐的气密层包括包含稀土硅酸盐的热喷雾涂层， 所述稀土硅酸盐具有气密微观结构且密度为其理论密度的85%或更多。在该方法的某些实 施方案中，在制品的环境阻挡涂层的粘合涂层和至少一个基于稀土硅酸盐的气密层之间沉 积非气密层。用于制品的环境阻挡涂层的合适的非气密层的一个实例可包括但不限于包含 稀土硅酸盐的非气密层，该稀土硅酸盐可为但不限于（YbxlY1J2Si2O7 (其中0 <X< 1)。
[0014] 如本文提供的，本公开描述了一种允许环境阻挡涂层（EBC)热喷雾至气密状态的 化学组合物。本公开提供降低保护陶瓷基质复合材料（CMC)所需的EBC层的数量，例如从 5个降低至3个。在一个实施方案中，本公开涉及向热喷雾原料材料加入铁氧化物、氧化铝 或用于稀土（例如，￥13、￥、5(：、1^等）硅酸盐的任何其它烧结助剂。这些烧结助剂显著降低 稀土硅酸盐的烧结温度，这允许涂层原位烧结至气密密度（典型地大于理论稀土硅酸盐密 度的85%)。如本文提供的，烧结还可离位进行。
[0015] 如本文描述的，本公开提供一种用于降低稀土硅酸盐材料例如（Yb和/或Y) 2Si207 和（Yb和/或Y)2Si05的烧结温度的手段。因此，使用烧结助剂沉积的热喷雾层消除对于玻 璃质层和分隔层的需求。
[0016] 本发明请求保护以下技术方案： 1. 一种基于稀土硅酸盐的气密层，所述气密层包含： 包含稀土硅酸盐的热喷雾涂层，所述稀土硅酸盐具有气密微观结构且密度为其理论密 度的85%或更多。
[0017] 2.项目1的基于稀土硅酸盐的气密层，其中所述气密微观结构包含封闭的多孔 结构，所述封闭的多孔结构包含小于约15%体积的多孔结构。
[0018] 3.项目1的基于稀土硅酸盐的气密层，其中所述气密微观结构包含致密的稀土 硅酸盐相和任选的玻璃质相。
[0019] 4.项目1的基于稀土硅酸盐的气密层，其中所述热喷雾涂层的厚度为约5微 米-约1，200微米。
[0020] 5.项目1的基于稀土硅酸盐的气密层，其中所述稀土硅酸盐包含选自以下的稀 土元素：镱（Yb)、钇（Y)、钪（Sc)、镥（Lu)、镧（La)、铈（Ce)、镨（Pr)、钕（Nd)、钐（Sm)、镝 (Dy)、钬（Ho)、铒（Er)、镑（Tm)、铕（Eu)、钆（Gd)、铽（Tb)、钷（Pm)和它们的混合物。
[0021] 6.项目1的基于稀土硅酸盐的气密层，其中所述稀土硅酸盐选自： (YbxJ1J2Si2O7其中0彡X彡Uaby-Y1y)2Si05其中0彡y彡1或它们的混合物。
[0022] 7.项目1的基于稀土硅酸盐的气密层，其中所述基于稀土硅酸盐的气密层包括 包含第一稀土硅酸盐的第一层和包含第二稀土硅酸盐的第二层，其中所述第一稀土硅酸盐 为的 ：!，￥1：!)如207其中0彡叉彡1，所述第二稀土硅酸盐为的3 1￥)如05其中0彡7 < 1〇
[0023] 8.项目7的基于稀土硅酸盐的气密层，其中所述第一稀土硅酸盐为 (Yba6Ya4)2Si2O7，所述第二稀土硅酸盐为Y2Si05。
[0024] 9.项目1的基于稀土硅酸盐的气密层，其中所述稀土硅酸盐占所述热喷雾涂层 的约90重量％-约99. 5重量％。
[0025] 10.项目1的基于稀土硅酸盐的气密层，其中所述稀土硅酸盐的气密微观结构通 过使稀土硅酸盐与包含一种氧化物或多种氧化物的烧结助剂原位或离位烧结而形成。
[0026] 11.项目10的基于稀土硅酸盐的气密层，其中所述烧结助剂选自金属铁、A1203、 Fe3O4'Si02、Fe2O3和LiYO20
[0027] 12.项目10的基于稀土硅酸盐的气密层，其中多种烧结助剂氧化物包含金属铁、 Al203、Fe30jPSi02。
[0028] 13?-种环境阻挡涂层，所述涂层包含： 包含硅的粘合涂层；和 至少一个通过热喷雾在粘合涂层上沉积的基于稀土硅酸盐的气密层， 其中所述基于稀土硅酸盐的气密层包括包含稀土硅酸盐的热喷雾涂层，所述稀土硅酸 盐具有气密微观结构且密度为其理论密度的85%或更多。
[0029] 14.项目13的环境阻挡涂层，其中所述气密微观结构包含封闭的多孔结构，所述 封闭的多孔结构包含小于约15%体积的多孔结构。
[0030] 15.项目13的环境阻挡涂层，其中所述粘合涂层包含的厚度