含有低熔融溫度相的環境屏障材料及涂層的制作方法

本公開涉及si基陶瓷基復合材料(ceramic?matrix?composite，cmc)上的環境屏障涂層(environmental?barrier?coating，ebc)，其能夠在高溫氧化環境中保護cmc。在示例實施例中，含有低熔融溫度材料的熱噴涂材料原料在高溫涂覆情況下原位熔化、擴散和填充ebc微結構缺陷。由于微結構缺陷減少，與不含低熔融溫度材料的涂層相比，含有低熔融溫度材料的ebc提供增強的屏障以防氧化劑(水蒸氣和氧氣)擴散，而且使得熱生長氧化物(thermally?grown?oxide，tgo)的生長速率慢兩倍以上。例如，在一些優選的實施例中，與不含低熔融溫度材料的ebc涂層相比，含有低熔融溫度材料的ebc涂層中的tgo生長速率慢五倍(或更多倍)。在更優選的實施方案中，與不含低熔融溫度材料的ebc涂層相比，含有低熔融溫度材料的ebc涂層中的tgo生長速率慢10倍(或更多倍)。

背景技術：

1、稀土硅酸鹽和莫來石通常用于涂在si基陶瓷基復合材料(cmc)上的環境屏障涂層(ebc)，以保護cmc免受氧化和水蒸氣侵蝕。常規ebc含有si-粘結涂層和硅酸鐿頂涂層。空氣等離子噴涂(air?plasma?spray，aps)是ebc沉積所常用的工藝。然而，aps處理后的涂層通常至少含有一定程度的孔隙率和微結構缺陷，比如片(splat)邊界和微裂紋。在高溫燃氣渦輪發動機環境中，這些微結構缺陷為氧化劑(水蒸氣和氧氣)到達si-粘結涂層提供了快速擴散路徑而加速了si-粘結涂層氧化。當暴露于燃氣渦輪發動機中的高溫氧化環境時，si-粘結涂層也會被氧化以形成熱生長氧化物(tgo)sio2層。當tgo層達到閾值厚度時，ebc就會剝落。因此，需要新的致密且無裂紋的ebc，以保護si-粘結涂層和cmc基底免受氧化，降低tgo生長速率，并提高涂層耐久性。

技術實現思路

1、本公開的目的是獲得致密且無裂紋的ebc，能夠防止氧化劑(水蒸氣和氧氣)到達下層組件(例如，硅粘結涂層和/或cmc基底)。在一些實施例中，這樣的ebc可以從熱噴涂材料原料獲得，該熱噴涂材料原料包括：包括至少一種熔融溫度小于1500℃的低熔融溫度材料的第一粉末，和包括至少一種環境屏障涂層基體材料(通常為高熔融溫度基體材料)的第二粉末。

2、在一些實施例中，所述至少一種低熔融溫度材料為單一氧化物化合物、二元氧化物、三元氧化物或多元氧化物(multiple?oxides)。例如，在一些實施例中，所述低熔融溫度材料可以包括至少四種熔融溫度小于1300℃的氧化物。

3、在一些實施例中，所述至少一種環境屏障涂層基體材料(通常為高熔融溫度基體材料)包括選自由稀土硅酸鹽、稀土氧化物、莫來石、堿性硅酸鹽、hfo2、hfsio4、hftio4、zrtio4、zrsio4、稀土氧化物穩定的氧化鋯、稀土氧化物穩定的氧化鉿、hfb2、hfc、zrb2、zrc和sic組成的組中的至少一種材料。

4、在一些實施例中，將所述第一粉末和第二粉末混合、附聚、附聚且燒結、等離子體致密化、或熔合且破碎。

5、在一些具體實施例中，所述至少一種低熔融溫度材料包括：cao、mgo、al2o3、sio2、na2o、k2o和fe2o3。在其他實施例中，至少一種低熔融溫度材料為li2o。

6、在一些實施例中，所述ebc可以包括：ebc頂涂層，包括：ebc基體(通常為高熔融溫度基體材料)，所述ebc基體包括選自由稀土硅酸鹽、稀土氧化物、莫來石、堿性硅酸鹽、hfo2、hfsio4、hftio4、zrtio4、zrsio4、稀土氧化物穩定的氧化鋯、稀土氧化物穩定的氧化鉿、hfb2、hfc、zrb2、zrc、sic及其組合組成的組中的材料，和嵌入所述ebc基體中的至少一種熔融溫度小于1500℃的低熔融溫度材料；和si基粘結涂層。

7、在一些實施例中，所述ebc的至少一種低熔融溫度材料可以包括：cao、mgo、al2o3、sio2、na2o、k2o和fe2o3。在其他實施例中，所述ebc的所述至少一種低熔融溫度材料為li2o。

8、在一些實施例中，所述ebc基體包括至少一種稀土硅酸鹽，所述稀土硅酸鹽包括選自由y、la、ce、pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb和lu組成的組中的至少一種稀土元素。在其他實施例中，所述ebc基體包括至少一種稀土氧化物，所述稀土氧化物包括選自由y、la、ce、pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb和lu組成的組中的至少一種稀土元素。

技術特征：

1.一種熱噴涂材料原料，包括：

2.根據權利要求1所述的熱噴涂材料原料，其中，所述至少一種低熔融溫度材料為單一氧化物化合物、二元氧化物、三元氧化物或多元氧化物。

3.根據前述權利要求中任一項所述的熱噴涂材料原料，其中，所述低熔融溫度材料為包括至少四種熔融溫度小于1300℃的氧化物的多元氧化物。

4.根據前述權利要求中任一項所述的熱噴涂材料原料，其中，所述至少一種環境屏障涂層基體材料包括選自由稀土硅酸鹽、稀土氧化物、莫來石、堿性硅酸鹽、hfo2、hfsio4、hftio4、zrtio4、zrsio4、稀土氧化物穩定的氧化鋯、稀土氧化物穩定的氧化鉿、hfb2、hfc、zrb2、zrc和sic組成的組中的至少一種高熔融溫度基體材料。

5.根據前述權利要求中任一項所述的熱噴涂材料原料，其中，將所述第一粉末和所述第二粉末混合、附聚、附聚且燒結、等離子體致密化、或熔合且破碎。

6.根據前述權利要求中任一項所述的熱噴涂材料原料，其中，所述至少一種低熔融溫度材料包括：cao、mgo、al2o3、sio2、na2o、k2o和fe2o3。

7.根據權利要求1、2、4和5中任一項所述的熱噴涂材料原料，其中，所述至少一種低熔融溫度材料為li2o。

8.一種環境屏障涂層(ebc)，包括：

9.根據權利要求8所述的環境屏障涂層，其中，所述至少一種低熔融溫度材料包括：cao、mgo、al2o3、sio2、na2o、k2o和fe2o3。

10.根據權利要求8所述的環境屏障涂層，其中，所述至少一種低熔融溫度材料為li2o。

11.根據權利要求8至10中任一項所述的環境屏障涂層，其中，所述ebc基體包括至少一種稀土硅酸鹽，所述稀土硅酸鹽包括選自由y、la、ce、pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb和lu組成的組中的至少一種稀土元素。

12.根據權利要求8至10中任一項所述的環境屏障涂層，其中，所述ebc基體包括至少一種稀土氧化物，所述稀土氧化物包括選自由y、la、ce、pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb和lu組成的組中的至少一種稀土元素。

13.根據權利要求8至12中任一項所述的環境屏障涂層，其中，基于所述ebc頂涂層的總重量，所述ebc基體中的所述至少一種低熔融溫度材料的濃度在0.1wt％至40wt％的范圍內。

14.根據權利要求8至13中任一項所述的環境屏障涂層，其中，基于所述ebc頂涂層的總重量，所述ebc基體中的所述至少一種低熔融溫度材料的濃度在0.4wt％至10wt％的范圍內。

15.根據權利要求8至14中任一項所述的環境屏障涂層，其中，基于所述ebc頂涂層的總重量，所述ebc基體中的所述至少一種低熔融溫度材料的濃度在0.4wt％至5.0wt％的范圍內。

16.一種在si基cmc上施加ebc的方法，包括：

17.根據權利要求16所述的方法，其中，所述沉積通過空氣等離子噴涂(aps)、高速氧燃料噴涂(hvof)、燃燒噴涂、真空等離子噴涂或懸浮熱噴涂來進行。

18.一種ebc頂涂層，包括：

技術總結
提供了含有低熔融溫度材料的環境屏障材料及涂層。材料及涂層包括高熔融溫度材料，比如稀土硅酸鹽、莫來石、鉿石、鋯石、HfO<subgt;2</subgt;、稀土穩定的ZrO<subgt;2</subgt;、HfB<subgt;2</subgt;、HfC、ZrB<subgt;2</subgt;、ZrC和SiC。低熔融溫度材料的熔融溫度低于1500℃。涂層中的低熔融溫度材料在后熱處理后在原位熔化、擴散和填充微結構缺陷。由于微結構缺陷減少，與不含低熔融溫度材料的涂層相比，含有低熔融溫度材料的EBC提供增強的屏障以防氧化劑擴散，且使TGO生長速率減慢兩倍以上。

技術研發人員：D·陳
受保護的技術使用者：歐瑞康美科（美國）公司
技術研發日：
技術公布日：2024/11/4