用于高温运行的制品以及制备方法
【专利说明】用于高温运行的制品以及制备方法
[0001 ] 背景
本公开总体上涉及采用热保护性涂层的制品。更具体地，本公开涉及采用由于与灰尘材料的高温相互作用而耐降解的涂层的制品。
[0002]热屏障涂层通常用于在高温下操作或暴露于高温的制品。航空涡轮和陆基涡轮，例如，可包括一个或多个被热屏障涂层保护的部件。在正常的操作条件下，涂布的部件可能易受各种类型的破坏的影响，包括来自环境污染物的腐蚀、氧化和侵蚀。
[0003]对于涡轮部件，特别关注的环境污染物组合物为含有钙、镁、铝、硅，和它们的混合物的氧化物的那些;被燃气轮机发动机吸入的污垢、灰和尘，例如通常由这样的化合物组成。这些氧化物通常组合，以形成包含混合的钙-镁-铝-硅-氧化物系统(Ca-Mg-Al-S1-O)的污染物组合物，下文中称为〃CMAS" ο在高涡轮操作温度下，这些环境污染物可粘附于热的热屏障涂层表面，因此引起热屏障涂层破坏。例如，CMAS可形成在涡轮的操作温度下为液体或熔融的组合物。熔融的CMAS组合物可溶解热屏障涂层，或者通过渗入涂层中的孔、通道、裂纹或其它腔，可填充其多孔结构。冷却后，渗入的CMAS组合物固化并且降低涂层应变耐受，因此引发和传播裂纹，这可引起涂层材料脱层和散裂。这可进一步导致部分或完全失去对部件或组件的下面的金属基材提供的热保护。此外，热屏障涂层的剥落可在金属基材中产生热斑，导致过早部件失效。过早部件失效可导致计划外的维修以及部件更换，导致降低的性能和提尚的操作和运彳丁成本。
[0004]因此，需要改进的涂层系统，其对热屏障涂层提供保护，当在高温下操作或暴露于高温时，免于环境污染物的不利影响。具体地，需要改进的涂层系统，和制备所述涂层的方法，其提供保护，免于沉积的CMAS的不利影响。
[0005]概述
提供本发明的实施方案以满足该要求和其它要求。一种实施方案为包含在基材上布置的涂层的制品。所述涂层包含多个细长的与表面连接的空隙。所述制品还包括在涂层的至少一些空隙内布置的保护剂;所述保护剂包含能与液体标称CMAS起化学反应以形成在所述标称CMAS的结晶范围以外的固体结晶产物的物质。该固体结晶产物的熔融温度大于约1200?C。
[0006]另一种实施方案为用于制备制品(例如上述制品)的方法。所述方法通常包括在涂层的与表面连接的空隙内以有效浓度布置上述保护剂，以基本上防止CMAS材料进入到其中布置保护剂的空隙内。更具体地，所述方法包括在涂层的多个细长的与表面连接的空隙内布置保护剂;其中所述保护剂包含能与标称CMAS起化学反应以形成在所述标称CMAS的结晶范围以外的固体结晶产物的物质，其中所述固体结晶产物的熔融温度大于约1200°C，并且其中所述保护剂以有效浓度存在于涂层中，以基本上防止所述标称CMAS进入到其中布置保护剂的空隙内。
[0007]本发明包含以下方面:
方面1.一种制品(100)，所述制品包含:
在基材(120)上布置的涂层(110)，所述涂层(110)包含多个细长的与表面连接的空隙(130);和
在涂层(110)的至少一些空隙(130)内布置的保护剂(150);
其中所述保护剂(150)包含能与液体标称CMAS起化学反应以形成在所述标称CMAS的结晶范围以外的固体结晶产物的物质，
其中所述固体结晶产物的熔融温度大于约1200°C。
[0008]方面2.方面I的制品(100)，其中所述保护剂(150)以有效浓度存在于涂层(110)中，以基本上防止所述标称CMAS进入到其中布置保护剂(150)的空隙(130)内。
[0009]方面3.方面I的制品(100)，其中所述保护剂(150)包含氮化物、氧化物，或它们的组合。
[0010]方面4.方面I的制品(100)，其中所述保护剂(150)包含稀土氧化物。
[0011]方面5.方面I的制品(100)，其中所述物质具有氟铝镁钠石晶体结构。
[0012]方面6.方面5的制品(100)，其中所述物质包含稀土元素、氧和选自钽和铌的元素。
[0013]方面7.方面I的制品(100)，其中所述保护剂(150)包含具有标称化学式A1-xBxZr4-yDy (PO4)z 的氧化物；
其中A和B选自碱土金属和稀土金属，D为铪或钛，X为0-1的数;y为0-4的数;和z为3或6。
[0014]方面8.方面7的制品(100)，其中所述保护剂(150)包含MZr4(P04)6，其中M包含至少一种碱土金属。
[0015]方面9.方面I的制品(100)，其中所述物质具有钙钛矿晶体结构并且包含(a)稀土元素，(b)钽、铌或钽和铌的组合，和(c)氧。
[0016]方面10.方面I的制品(100)，其中所述物质包含钆、钽和氧。
[0017]方面11.方面I的制品(100)，其中所述物质包含具有白钨矿、褐钇铌矿或黑钨矿晶体结构的化合物，并且具有标称化学式ABX4,其中A包含稀土元素，B包含钽、铌或钽和铌的组合，和X包含氧、氮或氮和氧的组合。
[0018]方面12.方面11的制品(100)，其中A包含钇、钆、镧、钕、镱，或前述中任一种的组入口 ο
[0019]方面13.方面I的制品(100)，其中所述涂层(110)包含多个层(220).方面14.方面I的制品(100)，所述制品还包含在基材(120)和保护剂(150)之间插入的屏障剂(160)。
[0020]方面15.方面14的制品(100)，其中所述屏障剂(160)包含少于34原子％的稀土元素。
[0021]方面16.方面4的制品，其中所述氧化物包含镧、钕、铒、铈或钆。
[0022]方面17.方面16的制品，其中所述氧化物还包含锆、铪、钛、钽或铌。
[0023]方面18.方面6的制品，其中所述物质具有标称化学式A3BX7,其中A包含稀土金属元素，B包含钽、银或它们的组合，和X包含氧、氟或它们的组合。
[0024]方面19.方面5的制品，其中所述物质具有氟铝镁钠石晶体结构且包括钆、氧和至少一种选自钽和铌的元素。
[0025]方面20.方面8的制品，其中所述保护剂包含CaxSr1-xZr4(P04)6，其中X为0-1的数。
[0026]方面21.方面8的制品，其中所述保护剂包含CaZr4(P04)6、SrZr4(P04)6、Ca0.5SrQ.5Zr4(P04)6，或它们的组合。
[0027]方面22.方面13的制品，其中所述涂层包括包含第一材料的第一层和包含第二材料的第二层，在第二层和基材之间布置第一层，
其中所述第二材料相对于8重量%氧化钇稳定的氧化锆，在1300°C温度下，对于标称CMAS组成渗入更加耐受。
[0028]方面23.方面22的制品，其中所述第二材料包括氧化钇-稳定的氧化锆，氧化钇含量大于约38重量％。
[0029]方面24.方面23的制品，其中所述氧化钇含量为至少约55重量％。
[0030]方面25.方面22的制品，其中所述第二材料包括至少一种过渡金属元素、至少一种稀土元素、硅、铟或它们的组合。
[0031]方面26.—种方法，其包括:
在涂层的多个细长的与表面连接的空隙内布置保护剂；
其中所述保护剂包含能与液体标称CMAS起化学反应以形成在所述标称CMAS的结晶范围以外的固体结晶产物的物质，
其中所述固体结晶产物的熔融温度大于约1200°C，且
其中所述保护剂以有效浓度存在于涂层，以基本上防止所述标称CMAS进入到在其中布置剂的空隙内。
[0032]方面27.方面26的方法，其中布置包括用液体渗入所述空隙。
[0033]方面28.方面27的方法，其中所述液体包括载体流体和在载体流体内悬浮的多个颗粒。
[0034]方面29.方面27的方法，其中所述液体包括溶剂和溶解于溶剂中的溶质。
[0035]方面30.方面29的方法，其中所述溶质包括所述物质的前体。
[0036]方面31.方面30的方法，其还包含使所述前体反应以形成所述物质。
[0037]方面32.方面27的方法，其还包含使所述液体蒸发以形成布