環境阻障涂層及其方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]本發明總體上涉及適于保護暴露于渦輪發動機的惡劣熱環境等高溫環境中的部件的涂層系統和方法。具體來說，本技術涉及部件的含硅區域上的環境阻障涂層(environmental barrier coating，EBC)以及將表面特征并入含娃區域中，以抑制高溫下的剪切載荷時出現的EBC蠕變位移。
[0002]相關領域不斷尋求提高渦輪發動機的工作溫度，以提高效率。盡管已通過形成鐵、鎳和鈷基超合金大幅改進高溫性能，但所屬領域仍在探索代用材料。目前正在開發用于燃燒器襯里、靜葉、防護罩、動葉和渦輪發動機的其他高溫部段部件等高溫應用中的陶瓷復合材料。一些復合材料的實例包括硅基復合材料，例如，硅、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)和/或金屬硅化物用作增強相和/或基體相的復合材料。
[0003]在許多高溫應用中，含硅材料可能需要或者必需保護涂層。該涂層應通過抑制揮發性氫氧化硅(例如，Si (OH)4)產物的形成并且，理想地，防止水蒸氣進入氧化表面來提供環境保護。具有這些功能的涂層系統將在下文稱為環境阻障涂層(EBC)系統。所述涂層的所需性質包括與含硅基底材料相合的熱膨脹系數(CTE)、低氧化劑滲透率、低導熱率、低二氧化硅化學活性以及與下層含硅材料和熱生長的二氧化硅氧化皮(silica scale)的化學相容性。
[0004]含硅粘合層的硅含量在高溫下與氧氣和/或水蒸氣反應以形成氧化物產物，主要是無定形二氧化硅(S12)氧化皮，盡管一部分氧化物產物可能是晶狀二氧化硅或者粘合層的其他成分的(固體或氣體)氧化物。無定形二氧化硅產物呈現低透氧性。因此，在所述粘合層上熱生長的二氧化硅產物能夠形成阻止氧氣滲透到基底中的保護性阻障層。
[0005]
【發明內容】
[0006]在運行過程中形成于含硅粘合層上的無定形二氧化硅產物具有相對較低的粘性，因此在運行溫度的剪切載荷下的蠕變率較高。高剪切載荷可能是由渦輪發動機的動葉(斗葉)等零件旋轉所產生的g力(g force)施加的。該剪切載荷可能導致EBC相對于基底發生蠕變位移，因而導致EBC嚴重損壞，甚至是下層基底的EBC保護層直接脫落。
[0007]本發明提供了一種環境阻障涂層(EBC)系統以及一種在由含硅材料構成的制品上，例如作為增強相和/或基體相的含硅材料中的陶瓷基體復合材料(CMC)0所述EBC系統和方法特別適用于保護暴露于高溫下(包括渦輪發動機的惡劣熱環境中)的含硅制品。
[0008]根據本發明的一個方面，本發明提供了一種制品，所述制品包括:含硅區域，所述含硅區域包括其表面上的表面特征，所述表面特征包括其凹部、突起或它們的組合；至少一個外層，所述至少一個外層覆蓋在所述含硅區域的所述表面上；以及成分層，所述成分層位于所述含硅區域的所述表面上并且位于所述含硅區域與所述至少一個外層之間并且與其接觸，所述成分層由所述含硅區域的成分的氧化形成并且在所述制品的運行環境內易于蠕變，所述表面特征通過所述成分層將所述至少一個外層與所述含硅區域物理互鎖(interlock)。
[0009]根據本發明的另一個方面，本發明提供了一種對制品的含硅區域涂覆方法，所述方法包括:在所述含硅區域的表面上形成表面特征，所述表面特征包括其凹部、突起或它們的組合；形成至少一個外層，所述至少一個外層覆蓋在所述含硅區域的所述表面上；以及在所述含硅區域的所述表面上、所述含硅區域與所述至少一個外層之間形成成分層，所述成分層由所述含硅區域的成分的氧化形成并且在所述制品的運行環境內易于蠕變，所述表面特征通過所述成分層將所述至少一個外層與所述含硅區域物理互鎖。
[0010]通過將所述含硅區域與所述環境阻障涂層系統的第一層互鎖，可以大大抑制由于成分層(例如，在含硅區域上熱生長的二氧化硅層)的蠕變而發生的所述EBC的位移，從而提升環境阻障涂層系統的結構完整性及其在高溫應用中保護所述制品的能力。本發明適用于已知的環境阻障涂層材料，并且所述互鎖特征可以使用各種附加和裁減工藝形成。
[0011]
【附圖說明】
[0012]可參照附圖從以下詳細說明中了解本發明的其他方面和優勢，在附圖中:
圖1是根據本發明的一個實例的含粘合層的EBC系統的示意圖，其中所述粘合層的表面被配置成具有規則分布的表面特征；以及
圖2是根據本發明的另一個實例的含粘合層的EBC系統的示意圖，其中所述粘合層的表面被配置成具有不規則分布的表面特征。
[0013]
【具體實施方式】
[0014]本發明一般適用于在具備高溫、熱循環、熱應力和機械應力以及氧化特征的環境內運行的部件。該部件的實例包括高壓和低壓渦輪靜葉(噴嘴)和動葉(斗葉)、防護罩、燃燒器襯里、增壓器硬件以及渦輪發動機的其他高溫部分，但本發明也適用于其他部件。最值得一提的是，本發明適用于渦輪發動機的旋轉部件，例如動葉(斗葉)。
[0015]圖1和2中示意性地示出了根據本發明多個實例的多層環境阻障涂層(EBC)系統14，用于保護部件或制品10的基底12。基底12可以包括含硅區域。含硅材料的實例包括碳化硅、氮化硅、硅化物(例如，耐火金屬或過渡金屬硅化物，包括，但不限于，例如，Mo、Nb或W硅化物)以及/或者硅作為基體或第二相的材料。其他實例包括陶瓷基體復合材料(CMC)，其含有作為增強相和/或基體相的碳化硅。
[0016]圖1和2中所示的EBC系統14代表各種不同EBC系統中的一個系統，其能夠包含直接涂覆到基底12的表面34上的、圖1和2中所示的含硅粘合層16。例如，含硅粘合層的一個實例在U.S.6，299，988中公開。粘合層16進一步圖示為將第一 EBC層20粘合到基底12，以及可選地粘合到EBC系統14的至少一個額外層22、24、18。EBC系統14用于為下層基底12提供環境保護，以及潛在地降低部件10的運行溫度，從而使得部件10能夠在高于其他設計的較高氣體溫度下運行。盡管圖1和2所示的EBC系統14包括含硅粘合層16，在此情況下，所述第一 EBC層20直接安置在由粘合層16形成的含硅表面區域上，但是本發明也適用于不包括本說明書中所述的粘合層16的EBC系統14，在此情況下，第一 EBC層20直接安置在由基底12形成的含硅表面區域上。應了解，下文進一步詳述的成分層30或者成分層30的一部分可在涂敷第一 EBC層20之前存在。
[0017]含硅材料在燃燒環境中的降級(degradat1n)可導致其與水蒸氣反應形成揮發性氫氧化硅(例如，Si (OH)4)產物。EBC層25，以下稱EBC，可用于抑制由粘合層16和/或基底12與水蒸氣之間的化學反應引起的衰退，提供溫度梯度以減小部件10的運行溫度，或者用于實現這兩者。例如，可用于本發明中的適當EBC包括，但不限于，U.S.6，296，941和U.S.6，410，148中公開的EBC。EBC可以實現密封、反應阻障、抗衰退和/或熱障功能等許多功會K。
[0018]如上所述，粘合層16和基底12各自可限定部件10的含硅的表面區域。例如，粘合層16可以包括或者基本上由元素娃構成。或者，粘合層16可以包含碳化娃、氮化娃、金屬硅化物、元素硅、硅合金或者它們的混合物。粘合層16可以進一步包含氧化物相，例如二氧化硅、稀土硅酸鹽、稀土鋁硅酸鹽和/或堿土鋁硅酸鹽。粘合層16使用含硅成分可改進基底12的抗氧化性并且強化基底12與第一 EBC層20之間的粘合。出于此目的，例如，粘合層16的厚度可為約25 Mm到約350 Mm，例如約50 Mm到約250 Mm，例如約100 Mm到200Mm，例如約125 Mm到175 Mm，例如約150 Mm。粘合層16中的娃在高溫下與氧氣反應，以在其表面32上熱生長主要為無定形二氧化硅(S12)的成分層30，如圖1和2所示。所得的無定形二氧化硅呈現低透氧性。因此，與含硅粘合層16 —起，成分層30能夠阻止氧氣滲透到粘合層16和基底12中。在成分層的生長期間，一些無定形二氧化硅可以結晶成晶狀二氧化硅。
[0019]成分層30可以具有純二氧化硅以外的其他成分，但是包含得自粘合層16的氧化的二氧化硅。例如，成分層30可以包含在溶解狀態中的其他元素，例如，但不限于，硼、鋁和/或氮。成分層30還可以包含其他相，例如釔鋁硅酸鹽(YAS)或稀土二硅酸鹽(REDS)。成分層30的各種可能成分可以至少部分得自粘合層16的成分。
[0020]若沒有含硅粘合層16，EBC 25的第一層20可以直接安置在由基底12限定的部件10的含硅表面區域，在此情況下，基底12成形為含有其硅含量足以在高溫下與氧氣反應并且形成上述保護性二氧化硅成分層30的成分。此外，根據基底12的成分，此層可以為主要是無定形的二氧化硅產物、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。為方便起見，下文將參考包括圖1和2中所示的粘合層16的實施例進行說明，但是本發明應理解為同樣適用于形成于基底12的表面34上的成分層30。
[0021]在高溫運行期間形成于含硅粘合層16 (或者其他含硅表面區域，例如基底12)上的成分層30可以增長到高達約50 Mffl或以上的厚度，具體取決于相關應用。成分層30可以具有相對較低的粘性，因此其在可能由渦輪發動機動葉(斗葉)等旋轉零件中產生的g力所產生的剪切載荷下的蠕變率較高。由于成分層30的蠕變，上覆的EBC 25相對于基底12的位移可能在約1315°C (約2400 °F)下運行25，000小時以上時超出100 mm。如此大的蠕變位移可能導致EBC系統14嚴重損壞并且下層基底12直接喪失環境保護。