CN103588504A - 抗开裂环境屏障涂层 - Google Patents

抗开裂环境屏障涂层 Download PDF

Info

Publication number
CN103588504A
CN103588504A CN201310357768.XA CN201310357768A CN103588504A CN 103588504 A CN103588504 A CN 103588504A CN 201310357768 A CN201310357768 A CN 201310357768A CN 103588504 A CN103588504 A CN 103588504A
Authority
CN
China
Prior art keywords
environment
barrier
section
ebc
edge
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201310357768.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN103588504B (zh
Inventor
张健
H.C.罗伯茨
R.达斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
Publication of CN103588504A publication Critical patent/CN103588504A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103588504B publication Critical patent/CN103588504B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/009—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/52—Multiple coating or impregnating multiple coating or impregnating with the same composition or with compositions only differing in the concentration of the constituents, is classified as single coating or impregnation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81—Coating or impregnation
    • C04B41/89—Coating or impregnation for obtaining at least two superposed coatings having different compositions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/56—After-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/18—After-treatment
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes
    • F05D2240/121—Fluid guiding means, e.g. vanes related to the leading edge of a stator vane
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes
    • F05D2240/122—Fluid guiding means, e.g. vanes related to the trailing edge of a stator vane
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes
    • F05D2240/125—Fluid guiding means, e.g. vanes related to the tip of a stator vane
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/20—Rotors
    • F05D2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05D2240/303—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the leading edge of a rotor blade
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/20—Rotors
    • F05D2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05D2240/304—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the trailing edge of a rotor blade
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/20—Rotors
    • F05D2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05D2240/307—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the tip of a rotor blade
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24777—Edge feature
    • Y10T428/24793—Comprising discontinuous or differential impregnation or bond

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Shaping Of Tube Ends By Bending Or Straightening (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)

Abstract

本发明涉及抗开裂环境屏障涂层。适合于减少环境屏障涂层系统的拐角开裂的方法。该方法包括：至少在构件的第一区域上形成环境屏障涂层系统的第一部分的至少一层，执行第一热处理，在构件的第二区域上形成环境屏障涂层系统的第二部分的至少一层，以及对构件执行第二热处理。第一部分的边缘和第二部分的边缘相对于构件的第一区域的表面形成最多60°的角度。在第二热处理期间，EBC系统的第二部分膨胀，并且EBC系统的第二部分的膨胀至少部分地被EBC系统的第一部分约束，以减小EBC系统中的拉伸界面应力。

Description

抗开裂环境屏障涂层
技术领域
本发明大体涉及陶瓷基质复合材料(CMC)构件和它们的生产过程。更特别地，本发明提供了一种用以减少CMC构件的拐角处的环境屏障涂层(EBC)系统的拐角开裂和层离的方法。
背景技术
用于燃气涡轮发动机的较高操作温度被持续地追求以便提高它们的效率。然而，当操作温度增大时，发动机构件的高温耐久性必须相应地提高。通过铁基、镍基和钴基超合金的配方实现了高温性能的显著进步。虽然发现超合金广泛用于遍及燃气涡轮发动机使用并尤其用于较高温度区段中的构件，但是提出可选的重量较轻的构件材料。
陶瓷基质复合材料(CMC)是一类包括由陶瓷基质相包围的增强材料的材料。这种材料以及某些单一陶瓷(即，不具有增强材料的陶瓷材料)目前用于较高温度应用。这些陶瓷材料与超合金相比重量轻，然而仍可向由其制成的构件提供强度和耐久性。因此，目前为如下许多燃气涡轮构件考虑这些材料，该许多燃气涡轮构件(诸如翼型件(例如，涡轮和静叶)、燃烧器、护罩和其它类似构件)用于燃气涡轮发动机的较高温度区段中，将受益于这些材料可提供的较轻重量和较高温度性能。
CMC和单一陶瓷构件可涂覆有环境屏障涂层(EBC)以保护它们免受高温发动机区段的严酷环境。EBC可提供抵抗热燃烧环境中可使CMC和单一陶瓷中的硅和碳化硅快速氧化的腐蚀性气体的密实的密闭密封。另外，二氧化硅在高温蒸汽中不稳定，而是转化为挥发性(气态)氢氧化硅物质。因此，EBC可有助于防止由于这种氧化和挥发过程而产生的陶瓷构件的尺寸变化。目前，使用标准的工业涂覆过程(诸如等离子喷镀(APS)和气相沉积(即，化学气相沉积CVD和电子束物理气相沉积EBPVD))来施加EBC。此后，可执行热处理以释放在从升高的施加温度冷却期间形成的残余应力。
作为CMC构件的非限制性实例，图1示意性地表示用于发电行业中的类型的基于陆地的燃气涡轮发动机的动叶10。如图1所示，动叶10包括从柄部14延伸的翼型件12。动叶10还表示为装备有形成在其柄部14上的燕尾件16，动叶10由于接收在限定在转子叶轮(未示出)的圆周中的互补槽中而可通过燕尾件16常规地锚定至叶轮。燕尾件16常规地构造成具有轴向进入类型，其中，燕尾件16具有适合于与转子叶轮中的互补形状的燕尾槽匹配的杉树形状。动叶10的翼型件12直接经受燃气涡轮发动机的涡轮区段内的热气体路径。动叶10还表示为具有平台18，平台18形成热气体路径的径向内边界的一部分，并且因此经历非常高的热负荷。动叶10的其它相对常规的特征包括远离柄部14的前端和后端轴向地突出的密封凸缘(天使翼)19。
以上讨论的常规EBC施加过程由于在施加过程之后执行的热处理所诱发的拉伸应变而尤其在拐角处易于诱发诸如贯穿厚度和界面裂纹的缺陷。例如，参考图1，翼型件12的后缘和前缘易于开裂。图2描绘了CMC构件(诸如图1中表示的动叶10)上的EBC的一系列照片，示出了由于拉伸应变而产生的竖直开裂和层离的进展。图3是力图，其表示由于常规EBC施加过程和EBC系统在其拐角处发生开裂的影响而存在的力。EBC系统通常将在一个热处理循环之后沿周向方向和径向方向两者延伸，因此涂层厚度t表示为经历EBC系统的截面上的法向力N和剪切力T、界面法向应力σt和拐角处的环向应力σθ。图3中表示的简单自由体图示出在某些条件下，特别是当拐角变小和变尖锐时，界面应力σt很可能为诱发正(拉伸)环向应力σθ的拉伸应力。该拉伸环向应力σθ和拉伸界面应力σt促进尖锐拐角处的EBC开裂和层离。
解决EBC系统的开裂和层离问题的在前尝试包括形成EBC系统的层之间的互锁特征、形成EBC层中的应力释放凹槽、形成EBC层中的开槽的结合表面、使EBC层形成有增强粒子以及各种其它方法。作为实例，授予Bosshart等人的美国专利No. 4,503,130公开了将分级陶瓷涂层施加于金属基底的过程。在涂覆过程期间，基底的温度在预定程度上控制用于在制造的密封件中建立残余应力和应变模式。基底加热器设置用于该目的。虽然以上现有技术将它们的方法描述为设置用于减少EBC系统的开裂和层离，但是需要改进的方法来解决CMC构件的拐角处的EBC系统的开裂和层离。
鉴于以上情况，存在对能够减小可诱发EBC涂层系统的拐角处的开裂和层离的应力的方法的持续需要。
发明内容
本发明提供了适合于减少CMC构件的拐角处的环境屏障涂层系统的拐角开裂和层离的方法。
根据本发明的第一方面，一种在构件上形成环境屏障涂层系统的方法包括：至少在构件的第一区域上形成环境屏障涂层系统的第一部分的至少一层；对构件执行第一热处理；在构件的第二区域上形成环境屏障涂层系统的第二部分的至少一层；以及对构件执行第二热处理。环境屏障涂层系统的第一部分限定至少一个边缘，而环境屏障涂层系统的第二部分限定至少一个边缘。第一部分的边缘和第二部分的边缘相对于构件的第一区域的表面形成最多60°的角度。在第二热处理期间，EBC系统的第二部分膨胀，并且EBC系统的第二部分的膨胀至少部分地被EBC系统的第一部分约束，以减小EBC系统中的拉伸界面应力。
根据本发明的第二方面，一种在燃气涡轮发动机的构件上形成环境屏障涂层系统的方法包括：至少在构件的第一区域上形成环境屏障涂层系统的第一部分的至少一层；对构件执行第一热处理；在构件的第二区域上形成环境屏障涂层系统的第二部分的至少一层；以及对构件执行第二热处理。环境屏障涂层系统的第一部分限定至少一个边缘，而环境屏障涂层系统的第二部分限定至少一个边缘。第一部分的边缘和第二部分的边缘相对于构件的第一区域的表面形成最多60°的角度。在第二热处理期间，EBC系统的第二部分膨胀，并且EBC系统的第二部分的膨胀至少部分地被EBC系统的第一部分约束，以减小EBC系统中的拉伸界面应力。
本发明的技术效果是如下能力：在不改变EBC系统的结构和化学组分的情况下，减小EBC系统的开裂和层离的影响和/或程度，由此改进其可靠性。特别地，认为，通过使EBC系统构造成包括至少两个相邻的部分以使它们具有抵靠的相邻边缘，可以以减小倾向于促进EBC系统的拐角处的开裂和层离的拉伸环向应力的方式在边缘处诱发压缩界面应力。
一种在构件上形成环境屏障涂层系统的方法，方法包括：至少在构件的第一区域上形成环境屏障涂层系统的第一部分的至少一层，其中，环境屏障涂层系统的第一部分限定至少一个边缘；对构件执行第一热处理；在构件的第二区域上形成环境屏障涂层系统的第二部分的至少一层，其中，环境屏障涂层系统的第二部分限定至少一个边缘，其中，第一部分的边缘和第二部分的边缘相对于构件的第一区域的表面形成最多60°的角度；以及对构件执行第二热处理，其中，EBC系统的第二部分在第二热处理期间膨胀，并且EBC系统的第二部分的膨胀至少部分地被EBC系统的第一部分约束，以减小EBC系统中的拉伸界面应力。
优选地，构件的第一区域包括构件的平坦表面，而构件的第二区域包括构件在其间的至少一个拐角。
优选地，环境屏障涂层系统的第二部分以如下方式形成：在执行构件的第二热处理之前在环境屏障涂层系统的第一和第二部分之间留下间隙。
优选地，环境屏障涂层系统的第一和第二部分之间的间隙具有EBC系统的第二部分的总长度的最多大约1%的宽度。
优选地，构件的第一区域包括平坦表面和构件在其间的至少一个拐角，其中，EBC系统的第一部分以在平坦表面与其间的拐角之间留下间隙的方式形成，并且构件的第二区域包括EBC系统的第一部分之间的间隙。
优选地，环境屏障涂层系统的第一部分的边缘以相对于构件的第一区域的表面的大约20°至大约45°之间的角度形成。
优选地，环境屏障涂层系统的第二部分覆盖环境屏障涂层系统的第一部分的边缘以形成嵌接式接合部。
优选地，环境屏障涂层系统的第二部分覆盖环境屏障涂层系统的第一部分的边缘以形成阶梯式接合部。
一种具有由上述方法形成的环境屏障涂层系统的构件。
优选地，构件是燃气涡轮发动机的构件。
优选地，构件是陶瓷基质复合材料。
一种在燃气涡轮发动机的构件上形成环境屏障涂层系统的方法，方法包括：至少在构件的第一区域上形成环境屏障涂层系统的第一部分的至少一层，其中，环境屏障涂层系统的第一部分限定至少一个边缘；对构件执行第一热处理；在构件的第二区域上形成环境屏障涂层系统的第二部分的至少一层，其中，环境屏障涂层系统的第二部分限定至少一个边缘，其中，第一部分的边缘和第二部分的边缘相对于构件的第一区域的表面形成最多60°的角度；以及对构件执行第二热处理，其中，EBC系统的第二部分在第二热处理期间膨胀，并且EBC系统的第二部分的膨胀至少部分地被EBC系统的第一部分约束，以减小EBC系统中的拉伸界面应力。
优选地，构件的第一区域包括构件的平坦表面，而构件的第二区域包括构件在其间的拐角。
优选地，环境屏障涂层系统的第二部分以如下方式形成：在构件的第二热处理之前在环境屏障涂层系统的第一和第二部分之间留下间隙。
优选地，环境屏障涂层系统的第一和第二部分之间的间隙具有EBC系统的第二部分的总长度的最多1%的宽度。
优选地，构件的第一区域包括平坦表面和构件在其间的至少一个拐角，其中，EBC系统的第一部分以在平坦表面与拐角之间留下间隙的方式形成，并且构件的第二区域包括EBC系统的第一部分之间的间隙。
优选地，环境屏障涂层系统的第一部分的边缘以相对于构件的第一区域的表面的大约20°至大约45°之间的角度形成。
优选地，环境屏障涂层系统的第二部分覆盖环境屏障涂层系统的第一部分的边缘以形成嵌接式接合部。
优选地，环境屏障涂层系统的第二部分覆盖环境屏障涂层系统的第一部分的边缘以形成阶梯式接合部。
优选地，构件是陶瓷基质复合材料。
本发明的其它方面和优点将从下列详细描述被更好地理解。
附图说明
图1是表示基于陆地的涡轮发动机的示例性动叶的透视图。
图2是表示CMC构件上的EBC系统的微结构的截面图的扫描图像，并且示出可在EBC系统的热处理期间发生的开裂和层离的进展。
图3是表示CMC构件的拐角处的EBC系统内的力和应力的图。
图4是表示位于CMC构件的拐角处并且根据本发明的方法施加的EBC系统内的力和应力的图。
图5至7和图10表示根据本发明的方法的为了在CMC构件上施加EBC系统而执行的步骤。
图8A-8B和9A-9B表示根据本发明的某些方面的接合部构型。
部件列表
10  动叶
12  翼型件
14  柄部
16  燕尾件
18  平台
19  凸缘
20  系统
22  部分
24  区域
26  拐角
28  部分
32  间隙
34  接合部
36  边缘
38  边缘。
具体实施方式
本发明大体适用于在以相对高的温度、剧烈的热循环和应力、氧化和腐蚀为特征的环境内操作的构件。这些构件的值得注意的实例包括高压和低压涡轮静叶(喷嘴)和叶片(动叶)、护罩、燃烧器衬套、增压器硬件和涡轮发动机的其它热区段构件，虽然本发明适用于其它构件。为了清楚，将参考如图1所示的用于发电行业中的类型的基于陆地的燃气涡轮发动机的动叶10描述本发明。
根据本发明的实施例，动叶10是基于硅的构件。包含硅的材料的值得注意的实例包括散布有碳化硅、氮化硅、硅化物(例如，耐火金属或过渡金属硅化物)和/或作为金属或非金属基质中的增强材料的硅的这些材料，以及具有碳化硅、氮化硅和/或含硅基质的这些材料，和特别地，使用碳化硅、氮化硅、硅化物和/或作为增强材料和基质材料两者的硅的复合材料。特别感兴趣的是包含作为增强和基质相的碳化硅的陶瓷基质复合材料(CMC)。
图8A表示包括两个平坦区域24和拐角26的来自图1的动叶10的小区段的截面图。在本发明的第一实施例中，动叶10由如图8A所示的环境屏障涂层(EBC)系统20保护。虽然EBC系统20表示为具有多个层，但是对于动叶10而言，包括一个或更多个层的各种不同EBC系统为可预见的。EBC系统20的这些层可包括但不受限于一个或更多个结合涂层、过渡或中间层和/或顶面涂层。EBC系统20意图向动叶10提供环境防护，以及潜在地降低动叶10的操作温度，由此使动叶10能够在比另外可能的更高的温度环境内继续存在。用于EBC系统20的合适材料包括但不受限于用于结合涂层的元素硅或含硅复合材料(SiC、Si3N4等)、硅酸盐、碱土金属铝硅酸盐和/或稀土金属硅酸盐，和特别地用于过渡或中间层的稀土氧化物和硅酸盐的复合物(诸如钡-锶-铝硅酸盐(BSAS))和其它碱土金属铝硅酸盐，以及用于顶面涂层的单独或添加了稀土氧化物的利用氧化钇部分或完全稳定的氧化锆(YSZ)。
在图8A中表示的动叶10的小区段内，EBC系统20包括多个部分，其包括第一部分22和第二部分28。第一部分22和第二部分28分别具有形成接合部34的边缘36和38。虽然边缘36和38表示为以一斜度形成，其中，第一部分22的每个边缘36的厚度朝向拐角26减小，并且第二部分28限定覆盖第一部分22的边缘36的边缘38，但是边缘36和38的斜度颠倒(即，负)在本发明的范围内，其中，第二部分28的每个边缘38的厚度远离拐角26减小，并且第一部分22限定覆盖第二部分28的边缘38的边缘36。边缘36和38的斜度在本文中被称为倾斜角度θ，其中，倾斜角度θ在边缘36和38与垂直于平坦区域24的线之间测量。
EBC系统20可通过本领域已知的任何常规过程施加。例如，合适的过程包括但不受限于大气等离子喷镀(APS)、化学气相沉积(CVD)、等离子增强CVD(PECVD)、浸涂或电泳沉积(EPD)、激光切割或机械研磨。此后，执行热处理以释放在从升高的施加温度冷却期间形成的残余应力。
如先前参考图3讨论的，用于EBC系统20的常规施加过程易于尤其是在位于由EBC系统保护的动叶10的拐角处的EBC系统20的层内诱发诸如贯穿厚度和界面裂纹的缺陷。这些缺陷被认为归因于在施加过程之后的热处理期间诱发的拉伸(正)环向应力σθ。为了限制或防止拉伸环向应力σθ，本发明涵盖在多步骤过程中施加EBC系统20，该多步骤过程意图在动叶10的拐角处的EBC系统20中产生压缩(负)环向应力σθ以便减小贯穿厚度开裂和层离的风险。
根据本发明的优选方面，使用多步骤施加过程，其中，EBC系统20的先前施加的部分优选为用于诱发压缩环向应力σθ并在拐角处产生向上的提升剪切应力T，如图4所示。该压缩环向应力σθ被认为能够抑制(如果不防止的话)EBC系统20内的贯穿厚度开裂和层离。在某些条件下，界面应力σt可诱发压缩环向应力σθ，特别是在倾斜角度θ减小时。由于该多步骤过程而产生的EBC系统20中的压缩环向应力σθ可改进EBC系统20和因此动叶10的耐久性和可靠性。
图5表示根据本发明的非限制性实施例的多步骤过程的初始步骤，其中，EBC系统20的第一部分22沉积在动叶10的平坦区域24上，留下未涂覆的拐角26。这些涂覆的平坦区域限定动叶10的第一区域。虽然第一部分22表示为多个层，但是应当理解，第一部分22中的任一个或每一个可为单层或者构成多层EBC系统的所有层。第一部分22的边缘36以倾斜角度θ的斜度形成。边缘36的斜度可通过任何合适的方法形成，该方法包括但不受限于化学蚀刻、机械研磨和激光切割。
一旦平坦区域24被涂覆，则动叶10可承受第一热处理，从而导致第一部分22优选地膨胀以释放EBC系统20中的应力。热处理的参数将专用于并取决于利用的构件和EBC系统20。
此后，EBC系统20的第二部分28沉积在动叶10的第二区域上，该第二区域在图6中表示为包括先前涂覆的动叶10的平坦区域24之间的拐角26。间隙32表示为留在EBC系统20的第一部分和第二部分28之间。这些间隙32允许EBC系统20空间的第二部分28在随后的热处理期间膨胀。形成间隙32的非限制性方法包括将牺牲体或薄膜放置在第一部分22的边缘36上面，该牺牲体或薄膜可在使第二部分28沉积之后被移除或烧掉。可选地，间隙32可通过在第二部分28利用激光沉积之后切掉第二部分28的区段而形成。间隙32的尺寸可针对每个单独的应用定制，并且可取决于使用的材料和期望的压缩应力。优选地，间隙32具有EBC系统20的第二部分28的总长度的最多1%和更优选地在EBC系统的第二部分的总长度的大约0.5%至1%之间的宽度。一旦第二部分28沉积并且间隙32形成，则执行第二热处理。优选地，第二热处理具有与第一热处理相同的参数；然而，应用为可预见的，其中，不同热处理可为合乎需要的。
在第二热处理期间，EBC系统20的第二部分28优选地膨胀，从而覆盖并接触EBC系统20的第一部分22以形成接合部34，如在图7中表示的。认为，由于EBC系统20的第二部分28被EBC系统20的第一部分22约束，故该膨胀将导致待在接合部34处产生的压缩界面应力σt和优选地压缩环向应力σθ。该压缩环向应力σθ被认为能够抑制(如果不防止的话)EBC系统20内的贯穿厚度开裂和层离，由此提高EBC系统20和因此动叶10的耐久性和可靠性。
作为以上过程的可选方案，第一部分22在单个施加步骤中沉积在动叶10的平坦区域24和其间的拐角26上，从而使用与以上描述相同的方法在它们之间留下间隙32。在第一热处理之后，EBC系统20的第二部分28施加成部分或完全地填充EBC系统20的第一部分22之间的间隙32。接着，优选地执行第二热处理，从而使EBC系统20的第二部分28膨胀并被第一部分22约束以形成接合部34，如在图10中表示的。认为，与以上先前描述的实施例相似，该膨胀将导致待在接合部34处产生的压缩界面应力σt和优选地压缩环向应力σθ。在该实施例中，平坦区域24和拐角26限定动叶10的第一区域，而间隙32限定第二区域。
如先前讨论的，EBC系统20的第二部分28中的压缩界面应力σt更很可能随着角度θ减小而诱发压缩环向应力σθ。因此，第一部分22的边缘26优选地以相对于动叶10的第一区域24的表面小于大约60°的倾斜角度θ形成。然而，倾斜角度还必须足以在接合部34处在第二部分28上诱发前述期望的向上提升的剪切应力，如图4所示。因此，接合部34优选地以大约20°至大约45°之间和更优选地大约30°至大约45°之间的倾斜角度θ形成。虽然这些范围表示用于倾斜角度θ的优选角度，但是倾斜角度θ的大小从构件的尺寸和材料特性确定。因此，对于某些应用而言，可以以0°的角度或甚至负角度形成倾斜角度θ，也就是，该角度朝向拐角26向内形成，如先前讨论的，只要倾斜角度θ产生压缩界面应力σt和优选地压缩环向应力σθ。
接合部34可以以适合于在EBC系统20的第二部分28中诱发界面应力的任何构型形成。图8A、8B、9A和9B表示由图5-7中描述的多步骤过程形成的接合部34的两个优选的接合部构型。图8A和图8B表示嵌接式接合部构型，而图9A和图9B表示阶梯式接合部构型。
虽然已依据具体实施例描述了本发明，但是显而易见的是，本领域技术人员可采用其它形式。例如，构件的被覆盖区域和接合部的构型可与示出的不同，并且可使用除了提到的这些材料和过程之外的材料和过程。因此，本发明的范围将仅由下列权利要求限定。

Claims (10)

1. 一种在构件上形成环境屏障涂层系统的方法，所述方法包括：
至少在所述构件的第一区域上形成所述环境屏障涂层系统的第一部分的至少一层，其中，所述环境屏障涂层系统的第一部分限定至少一个边缘；
对所述构件执行第一热处理；
在所述构件的第二区域上形成所述环境屏障涂层系统的第二部分的至少一层，其中，所述环境屏障涂层系统的第二部分限定至少一个边缘，其中，所述第一部分的边缘和所述第二部分的边缘相对于所述构件的第一区域的表面形成最多60°的角度；以及
对所述构件执行第二热处理，其中，所述EBC系统的第二部分在所述第二热处理期间膨胀，并且所述EBC系统的第二部分的膨胀至少部分地被所述EBC系统的第一部分约束，以减小所述EBC系统中的拉伸界面应力。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构件的第一区域包括所述构件的平坦表面，而所述构件的第二区域包括所述构件在其间的至少一个拐角。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环境屏障涂层系统的第二部分以如下方式形成：在执行所述构件的第二热处理之前在所述环境屏障涂层系统的第一和第二部分之间留下间隙。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述环境屏障涂层系统的第一和第二部分之间的所述间隙具有所述EBC系统的第二部分的总长度的最多大约1%的宽度。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构件的第一区域包括平坦表面和所述构件在其间的至少一个拐角，其中，所述EBC系统的第一部分以在所述平坦表面与其间的所述拐角之间留下间隙的方式形成，并且所述构件的第二区域包括所述EBC系统的第一部分之间的所述间隙。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环境屏障涂层系统的第一部分的边缘以相对于所述构件的第一区域的表面的大约20°至大约45°之间的角度形成。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环境屏障涂层系统的第二部分覆盖所述环境屏障涂层系统的第一部分的边缘以形成嵌接式接合部。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环境屏障涂层系统的第二部分覆盖所述环境屏障涂层系统的第一部分的边缘以形成阶梯式接合部。
9. 一种具有由权利要求1所述的方法形成的环境屏障涂层系统的构件。
10. 根据权利要求9所述的构件，其特征在于，所述构件是燃气涡轮发动机的构件。
CN201310357768.XA 2012-08-17 2013-08-16 抗开裂环境屏障涂层 Expired - Fee Related CN103588504B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/588,051 US9290836B2 (en) 2012-08-17 2012-08-17 Crack-resistant environmental barrier coatings
US13/588051 2012-08-17
US13/588,051 2012-08-17

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103588504A true CN103588504A (zh) 2014-02-19
CN103588504B CN103588504B (zh) 2017-04-12

Family

ID=48979672

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310357768.XA Expired - Fee Related CN103588504B (zh) 2012-08-17 2013-08-16 抗开裂环境屏障涂层

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9290836B2 (zh)
EP (1) EP2698446A3 (zh)
CN (1) CN103588504B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109469517A (zh) * 2017-09-07 2019-03-15 通用电气公司 经涂布的部件和涡轮部件、及其形成方法

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150247245A1 (en) * 2013-09-30 2015-09-03 Honeywell International Inc. Protective coating systems for gas turbine engine applications and methods for fabricating the same
US10934626B2 (en) 2017-04-21 2021-03-02 General Electric Company Segmented environmental barrier coating systems and methods of forming the same
FR3097263B1 (fr) * 2019-06-13 2022-08-12 Safran Aircraft Engines Aube de turbomachine à refroidissement amélioré

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1807357A (zh) * 2005-01-13 2006-07-26 通用电气公司 多层环境隔离涂层及相关的制品和方法
CN1959066A (zh) * 2005-11-03 2007-05-09 通用电气公司 阻尼器密封系统及阻尼内覆环振动的方法
CN102150031A (zh) * 2008-09-15 2011-08-10 西门子能源公司 监测部件磨损的设备和方法
WO2011127896A1 (de) * 2010-04-16 2011-10-20 Forschungszentrum Jülich GmbH Verfahren zur innenbeschichtung von funktionsschichten mit einem vergütungsmaterial.
CN102303981A (zh) * 2011-05-26 2012-01-04 西北工业大学 一种激光熔覆制备陶瓷基复合材料环境屏障涂层的方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4503130A (en) 1981-12-14 1985-03-05 United Technologies Corporation Prestressed ceramic coatings
US4764089A (en) 1986-08-07 1988-08-16 Allied-Signal Inc. Abradable strain-tolerant ceramic coated turbine shroud
US5169689A (en) * 1991-10-02 1992-12-08 General Electric Company Method of producing thermal barrier coatings on a substrate
US6165600A (en) 1998-10-06 2000-12-26 General Electric Company Gas turbine engine component having a thermal-insulating multilayer ceramic coating
US6670046B1 (en) * 2000-08-31 2003-12-30 Siemens Westinghouse Power Corporation Thermal barrier coating system for turbine components
US8357454B2 (en) 2001-08-02 2013-01-22 Siemens Energy, Inc. Segmented thermal barrier coating
AU2003256723A1 (en) 2002-07-25 2004-02-16 University Of Virginia Patent Foundation Method and apparatus for dispersion strengthened bond coats for thermal barrier coatings
US6699607B1 (en) 2002-10-30 2004-03-02 General Electric Company Thermal/environmental barrier coating for silicon-containing substrates
US6984277B2 (en) 2003-07-31 2006-01-10 Siemens Westinghouse Power Corporation Bond enhancement for thermally insulated ceramic matrix composite materials
US6979498B2 (en) 2003-11-25 2005-12-27 General Electric Company Strengthened bond coats for thermal barrier coatings
EP1591561A1 (de) * 2004-04-28 2005-11-02 ALSTOM (Switzerland) Ltd Verfahren zum Aufbringen einer schützenden Beschichtung auf ein thermisch beanspruchtes Bauteil
EP1645653A1 (de) 2004-10-07 2006-04-12 Siemens Aktiengesellschaft Schichtsystem
WO2007005832A2 (en) * 2005-06-30 2007-01-11 University Of Virginia Patent Foundation Reliant thermal barrier coating system and related methods and apparatus of making the same
US7740948B1 (en) 2006-05-31 2010-06-22 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Thermal barrier coatings
US7927714B2 (en) 2008-08-20 2011-04-19 The Trustees Of Princeton University Barium-doped bond coat for thermal barrier coatings

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1807357A (zh) * 2005-01-13 2006-07-26 通用电气公司 多层环境隔离涂层及相关的制品和方法
CN1959066A (zh) * 2005-11-03 2007-05-09 通用电气公司 阻尼器密封系统及阻尼内覆环振动的方法
CN102150031A (zh) * 2008-09-15 2011-08-10 西门子能源公司 监测部件磨损的设备和方法
WO2011127896A1 (de) * 2010-04-16 2011-10-20 Forschungszentrum Jülich GmbH Verfahren zur innenbeschichtung von funktionsschichten mit einem vergütungsmaterial.
CN102303981A (zh) * 2011-05-26 2012-01-04 西北工业大学 一种激光熔覆制备陶瓷基复合材料环境屏障涂层的方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109469517A (zh) * 2017-09-07 2019-03-15 通用电气公司 经涂布的部件和涡轮部件、及其形成方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP2698446A2 (en) 2014-02-19
CN103588504B (zh) 2017-04-12
EP2698446A3 (en) 2017-03-29
US9290836B2 (en) 2016-03-22
US20140050898A1 (en) 2014-02-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10995661B2 (en) Thermally insulated engine components using a ceramic coating
US8511993B2 (en) Application of dense vertically cracked and porous thermal barrier coating to a gas turbine component
EP3063109B1 (en) Methods of manufacturing silica-forming articles having engineered surfaces to enhance resistance to creep sliding under high-temperature loading
EP2053141B1 (en) Alumina-based protective coating for thermal barrier coatings and process for depositing thereof
EP1642993B1 (en) Segmented gadolinia zirconia coatings
US20090274850A1 (en) Low cost non-line-of -sight protective coatings
US9745849B2 (en) Methods for treating field operated components
JP2008095193A (ja) セグメント化された磨耗性コーティングおよび該コーティングの塗布方法
US9139480B2 (en) Protective coatings and coated components comprising the protective coatings
EP3748031B1 (en) Reflective coating and coating process therefor
CN103588504A (zh) 抗开裂环境屏障涂层
US20110086163A1 (en) Method for producing a crack-free abradable coating with enhanced adhesion
CN102203320A (zh) 涂层体系
CN107002214A (zh) 用于为涡轮机叶片涂层的方法
US20140094356A1 (en) Treatment process, oxide-forming treatment composition, and treated component
JP2015067535A (ja) セラミック基複合材部品、タービンシステム、および組立工程
US11332635B1 (en) Protective heat-resistant coating compositions
KR20130095898A (ko) 고온 계면 안정성이 우수한 코팅층을 갖는 니켈기 합금 및 그 제조방법
EP3144408B1 (en) Treatment process, treatment composition
US20140037971A1 (en) Reinforced articles and methods of making the same

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20170412

Termination date: 20200816