抗蠕變環境屏障涂層的制作方法
【專利摘要】環境屏障涂層體系、施用方法和由此形成的制品，所述制品適合于通過在結合涂層的晶粒間界中結合摻雜材料，以在升高的溫度下經受剪切載荷時抑制EBC體系的蠕變位移而降低蠕變。EBC體系包括在含硅基材上的結合涂層和在結合涂層上的至少一個陶瓷層。結合涂層包括硅和至少一種包括抗蠕變元素的摻雜材料。摻雜材料位于結合涂層內的晶粒間界處，具有足夠的大小和數量，以提高結合涂層的抗蠕變性。
【專利說明】抗蠕變環境屏障涂層
[0001]發明背景
本發明總的涉及適用于保護暴露于高溫環境(例如燃氣渦輪發動機的惡劣熱環境)的部件的涂層體系。更特別地，本發明涉及在部件的含硅區域上的結合涂層，所述含硅區域例如陶瓷基質復合材料(CMC)，以及涉及在結合涂層中結合一種或多種摻雜材料，以在升高的溫度下經受剪切載荷時抑制環境屏障涂層(EBC)的蠕變位移。 [0002]持續尋求用于燃氣渦輪發動機的較高的操作溫度，以提高它們的效率。雖然通過配制基于鐵、鎳和鈷的超合金已實現高溫性能的顯著進展，但是已研究備選的材料。例如，目前考慮復合材料用于這樣的高溫應用，如燃氣渦輪發動機的燃燒器襯里、葉片、罩、翼片和其它熱區部件。特別受關注的是硅基復合材料，例如作為基質和/或增強材料的碳化硅(SiC)。
[0003]在許多高溫應用中，對于含Si材料，保護涂層是有益的或者是所需的。通過在腐蝕性含水環境中抑制含Si材料降解的主要機制，即，形成揮發性一氧化硅(SiO)和氫氧化硅(Si(OH)4)產物，這些涂層應提供環境保護。具有這些功能的涂層體系在以下稱為環境屏障涂層(EBC)體系。涂層材料的重要性質包括與含SiC的材料相容的熱膨脹系數(CTE)、對氧化劑的低滲透性、低傳熱性、穩定性以及與含Si材料和由氧化形成的二氧化硅污垢的化學相容性。
[0004]已研究各種單層和多層EBC體系用于含Si基材上。部分或完全被氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)的涂層作為熱障層呈現優良的環境耐受性。然而，由于CTE不匹配(YSZ為約10 ppm/°C，與之相比，SiC/SiC復合材料為約4.9 ppm/°C )，YSZ與含Si材料(SiC或硅)不良好粘合。已提出富鋁紅柱石(3A1203 S 2Si02)、鋇-鍶-鋁硅酸鹽(BSAS ； (Ba1^xSrx)O-Al2O3-SiO2)和其它堿土鋁硅酸鹽作為含Si材料的保護涂層。例如，Lee等人的美國專利號5，496，644和McCluskey等人的美國專利號5，869，146公開了使用富鋁紅柱石，且Eaton等人的美國專利號6，254，935,6, 365，288,6, 387，456和6，410，148公開了使用BSAS作為含硅基材的外部保護屏障涂層。在Eaton等人的專利中，BSAS屏障涂層描述為與具有中間層(結合涂層)的含硅基材結合，除了其它可能的材料以外，所述中間層可為富鋁紅柱石或富鋁紅柱石和BSAS的混合物。
[0005]Eaton等人還教導，當結合涂層包含硅時，硅優先與氧反應，以形成非氣態產物，以減少形成空隙，否則其劣化含硅基材與EBC之間的結合。此外，所得到的氧化硅(SiO2)呈現低的氧滲透性。因此，結合涂層用作保護屏障，其通過至少兩種機制阻止氧滲透進入基材層。消除氣體產生的來源并且防止空隙，否則其在外部涂層與含硅基材之間的界面處累積。
[0006]在所用結合涂層上形成的期望的無定形SiO2氧化物產物具有相對低的粘度，因此，在剪切載荷下具有高蠕變率。可通過移動部件例如燃氣渦輪發動機的葉槳(葉片)的高頻率旋轉所伴隨的重力施加剪切載荷。EBC氧化物層相對于結合涂層的位移可導致嚴重的EBC損壞和甚至直接損失對下面基材的EBC保護。
[0007]提高結合涂層的抗蠕變性的現有嘗試集中于從機械或化學上改變基質內的結合涂層的組成。雖然這些方法在EBC體系中已顯示提高的抗蠕變性，但仍在開發改進的方法。[0008]鑒于以上，可理解存在與現有技術相關的某些問題、短處或缺點，而且期望可在EBC體系中降低蠕變，以至少部分克服或避免這些問題、短處或缺點。
[0009]發明概述
本發明提供了一種EBC體系、施用方法和由此形成的制品，所述制品適合于通過在結合涂層的晶粒間界中結合一種或多種摻雜材料，以在升高的溫度下經受剪切載荷時抑制環境屏障涂層(EBC)的蠕變位移而降低EBC體系的蠕變。
[0010]根據本發明的第一方面，用于含娃基材的環境屏障涂層體系包括含娃基材上的結合涂層和所述結合涂層上的至少一個陶瓷環境屏障層。結合涂層包括硅和至少一種包括抗蠕變元素的摻雜材料。摻雜材料位于結合涂層內的晶粒間界處，具有足夠的大小和數量，以改進結合涂層的抗蠕變性。
[0011]根據本發明的第二方面，制品包括包含的含硅基材和所述含硅基材上的環境屏障涂層體系。環境屏障涂層體系包括含硅基材上的結合涂層和結合涂層上的至少一個陶瓷層。結合涂層包括硅和至少一種包括抗蠕變元素的摻雜材料。摻雜材料位于結合涂層內的晶粒間界處，具有足夠的大小和數量，以提高結合涂層的抗蠕變性。
[0012]根據本發明的第三方面，在含硅基材上施用環境屏障涂層體系的方法包括:在含硅基材上形成包括硅的結合涂層；用包括抗蠕變元素的摻雜材料摻雜結合涂層，其方式使得摻雜材料位于結合涂層內的晶粒間界處，具有足夠的大小和數量，以提高結合涂層的抗蠕變性；和在結合涂層上施用至少一個陶瓷層。
[0013]本發明的技術效果是能夠產生具有提高的抗蠕變性的EBC體系，其允許較高的操作溫度和較長的制品操作壽命。
[0014]本發明請求保護以下技術方案。
[0015]1.一種用于含硅基材的環境屏障涂層體系，所述環境屏障涂層體系包含:
在含硅基材上的結合涂層，所述結合涂層包含硅和至少一種包含抗蠕變元素的摻雜材料，所述摻雜材料位于所述結合涂層內的晶粒間界處，具有足夠的大小和數量，以提高所述結合涂層的抗蠕變性；和
在所述結合涂層上的至少一個陶瓷環境屏障層。
[0016]2.項目I的環境屏障涂層體系，其中所述抗蠕變元素選自Sb、As、T1、Hf、In和Bi。
[0017]3.項目I的環境屏障涂層體系，其中所述抗蠕變元素以約5-約15重量％的量存在于所述結合涂層中。
[0018]4.項目I的環境屏障涂層體系，其中所述含硅基材包含陶瓷基質復合材料。
[0019]5.項目I的環境屏障涂層體系，其中所述摻雜材料以至少5重量％的量位于所述結合涂層的晶粒間界處。
[0020]6.項目I的環境屏障涂層體系，其中所述含硅基材為燃氣渦輪的部件。
[0021]7.一種制品，所述制品包含:
含娃基材；和
在所述含硅基材上的環境屏障涂層體系，所述環境屏障涂層體系包含:
在所述含硅基材上的結合涂層，所述結合涂層包含硅和至少一種包含抗蠕變元素的摻雜材料，所述摻雜材料位于所述結合涂層內的晶粒間界處，具有足夠的大小和數量，以提高所述結合涂層的抗蠕變性；和在所述結合涂層上的至少一個陶瓷環境屏障層。
[0022]8.項目7的制品，其中所述抗蠕變元素選自Sb、As、T1、Hf、Ir^PBi。
[0023]9.項目7的制品，其中所述抗蠕變元素以約5-約15重量％的量存在于所述結合涂層中。
[0024]10.項目7的制品，其中所述含硅基材包含陶瓷基質復合材料。
[0025]11.項目7的制品，其中所述摻雜材料以至少5重量％的量位于所述結合涂層的晶粒間界處。
[0026]12.項目7的制品，其中所述制品為燃氣渦輪的部件。[0027]13.一種在含硅基材上施用環境屏障涂層體系的方法，所述方法包括:
在所述含娃基材上形成包含娃的結合涂層；
用包含抗蠕變元素的摻雜材料摻雜所述結合涂層,其方式使得所述摻雜材料位于所述
結合涂層內的晶粒間界處，具有足夠的大小和數量，以提高所述結合涂層的抗蠕變性；和 在所述結合涂層上施用至少一個陶瓷層。
[0028]14.項目13的方法，其中所述抗蠕變元素選自Sb、As、T1、Hf、In和Bi。
[0029]15.項目13的方法，其中所述抗蠕變元素以約5-約15重量％的量存在于所述結合涂層中。
[0030]16.項目13的方法，其中所述含硅基材包含陶瓷基質復合材料。
[0031]17.項目13的方法，其中所述摻雜材料以至少5重量％的量位于所述結合涂層的晶粒間界處。
[0032]18.項目13的方法，其中所述摻雜步驟通過離子注入實施。
[0033]19.項目13的方法，其中所述含硅基材為燃氣渦輪的部件。
[0034]由以下詳細說明將更好地理解本發明的其它方面和優點。
[0035]附圖簡述
圖1為根據本發明的一個實施方案，具有環境屏障涂層體系的陶瓷制品的橫截面視圖的示意性說明。
[0036]圖2為根據本發明的一個實施方案，圖1的環境屏障涂層體系的結合涂層的微結構的示意性說明。
【權利要求】
1.一種用于含硅基材的環境屏障涂層體系，所述環境屏障涂層體系包含: 在含硅基材上的結合涂層，所述結合涂層包含硅和至少一種包含抗蠕變元素的摻雜材料，所述摻雜材料位于所述結合涂層內的晶粒間界處，具有足夠的大小和數量，以提高所述結合涂層的抗蠕變性；和 在所述結合涂層上的至少一個陶瓷環境屏障層。
2.權利要求1的環境屏障涂層體系，其中所述抗蠕變元素選自Sb、As、T1、Hf、In和Bi。
3.權利要求1的環境屏障涂層體系，其中所述抗蠕變元素以約5-約15重量％的量存在于所述結合涂層中。
4.權利要求1的環境屏障涂層體系，其中所述含硅基材包含陶瓷基質復合材料。
5.權利要求1的環境屏障涂層體系，其中所述摻雜材料以至少5重量％的量位于所述結合涂層的晶粒間界處。
6.權利要求1的環境屏障涂層體系，其中所述含硅基材為燃氣渦輪的部件。
7.—種制品，所述制品包含: 含娃基材；和 在所述含硅基材上的環境屏障涂層體系，所述環境屏障涂層體系包含:· 在所述含硅基材上的結合涂層，所述結合涂層包含硅和至少一種包含抗蠕變元素的摻雜材料，所述摻雜材料位于所述結合涂層內的晶粒間界處，具有足夠的大小和數量，以提高所述結合涂層的抗蠕變性；和 在所述結合涂層上的至少一個陶瓷環境屏障層。
8.權利要求7的制品，其中所述抗蠕變元素選自51338、11、1^、111和扮。
9.權利要求7的制品，其中所述抗蠕變元素以約5-約15重量％的量存在于所述結合涂層中。
10.權利要求7的制品，其中所述含硅基材包含陶瓷基質復合材料。
【文檔編號】C04B41/89GK103588511SQ201310357334
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年8月16日 優先權日:2012年8月16日
【發明者】R.達斯, R.A.布里廷厄姆 申請人:通用電氣公司