CN104908396A - 具有减小的膨胀和密封环境隔离涂层的制品及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

适合用作高温机器组件的制品(200)包括基体(202)和在基体(202)上布置的环境隔离涂层(210)，其中环境隔离涂层(210)包括从包含碱土金属铝硅酸盐和稀土硅酸盐的混合物形成的至少一个密封自封层(212)，并且其中在经受高温热处理时，至少一个密封自封层(212)显示基本没有净剩余或残余膨胀。环境隔离涂层(210)可进一步包括在基体(202)和密封自封层(212)之间布置的粘合涂层(204)、在密封自封层(212)上布置的面涂层(214)和/或在密封自封层(212)和粘合涂层(204)之间布置的中间层(216)。中间层(216)可包括对二氧化硅基本惰性的隔离材料。

Description

具有减小的膨胀和密封环境隔离涂层的制品及其制造方法
本公开涉及适用于高温机器组件的制品。更具体地讲，本公开涉及用于保护机器组件免受暴露于高温环境的涂层系统。本公开还涉及保护制品的方法。
背景
高温材料，例如像陶瓷、合金和金属间化合物，对于为在应用中高温工作而设计的结构提供有吸引力的性质，所述应用例如燃气涡轮机、换热器和内燃机。然而，这些应用的环境特征通常包含反应性物类，例如水蒸气，其在高温可导致材料结构显著劣化。例如，水蒸气已显示导致硅基材料的显著表面凹陷和质量损失。材料损失的速率通常对应用高得不可接受。
将环境隔离涂层(EBC)施用到硅基材料和易受反应性物类(例如，高温水蒸气)侵蚀的其它材料，EBC通过阻止环境和材料表面之间接触提供保护。例如，施用到硅基材料的EBC设计成在高温含水蒸气环境相对化学稳定。一种示例性常规EBC系统，如美国专利6,410,148号中所述，包含施用到硅基基体的硅或二氧化硅粘合层；在粘合层上沉积的包含富铝红柱石或富铝红柱石-碱土金属铝硅酸盐混合物的中间层；和在中间层上沉积的包含碱土铝硅酸盐的面涂层。在另一个实例美国专利6,296,941号中，面涂层为硅酸钇层，而非铝硅酸盐层。
以上涂层系统可在苛刻环境中为制品提供适合保护，但仍存在改善涂层性能以实现较高工作温度的机会。例如，硅酸钇材料，例如二硅酸钇和单硅酸钇，可提供在较高温度操作的能力，但可能倾向于在高温工作期间破裂。目前EBC技术一般用等离子喷涂法沉积涂层，这主要是因为沉积多种材料的方法的灵活性、不需主要方法改进而提供宽范围涂层厚度的能力和相对容易沉积涂层。然而，通过等离子喷涂处理的陶瓷涂层通常包含不期望的细裂纹(“微裂纹”)网络形式的开放孔结构，所述细裂纹与原本封闭的孔和空隙相交。微裂纹网络主要由涂层沉积过程中固有的骤冷和固化裂纹和空隙形成，裂纹通常形成于连续沉积材料层之间和在熔融或部分熔融颗粒喷涂于涂层表面上时形成的单独“板条(splat)”之间。对于EBC应用，涂层中的开放孔结构可能不利。它提供水蒸气和其它气体物类渗透的快速通道，因此，加速下面涂层的局部劣化。
现已实施数种方法缓解陶瓷涂层中的开孔率问题。在一些应用中，涂层用等离子喷涂处理施加到热基体上(T>800℃)。在热基体上沉积减小基体温度和涂料熔融温度之间的差异，因此减小形成骤冷裂纹的倾向。然而，由于高基体温度和与部件和涂覆硬件操作相关的限制，热沉积过程技术扩展到大组件富有挑战性。在其它应用中，使等离子喷涂EBC涂层经过后沉积过程，以用在热处理时产生与涂层基质相容的最终填孔材料的适合材料的前体浸渍非密封涂层结构，所述适合材料例如可溶性有机和无机盐及醇盐。填料堵塞或限制水蒸气渗透的通道。这种方法描述于美国专利7,595,114号。虽然这种方法相对容易实施，但可能需要多个浸渍-烧尽循环实现涂层穿透性改善，并且在某些情况下可能不提供完全密封的涂层结构。
用于保护陶瓷基质复合材料(CMC)组件的很多目前EBC系统结构包括多层涂层结构，所述多层涂层结构包括在CMC上的空气等离子喷涂(APS)硅氧-隔离粘合涂层、然后是稀土二硅酸盐涂层、然后是铝硅酸钡锶(BSAS)、然后是另一种稀土二硅酸盐层，然后是单硅酸钇(YMS)面涂层。已发现，通过APS法施用的稀土硅酸盐涂层在高温空气热处理以使主要非晶的初沉积涂料结晶后显示净膨胀。已确定这种净膨胀是组件凸半径几何特征周围的裂纹和中间层分离的原因。
先前尝试用空气等离子喷涂与高于约800℃的高基体温度控制组合沉积完全或几乎完全结晶的稀土硅酸盐组合物。在大的复杂几何形状CMC组件上极难达到和保持这种高沉积温度。
包括基体和在基体上沉积的自封且基本密封的层的制品已描述于美国专利7,968,217号和美国专利申请公布2011/0052925号。然而，这些制品限于特殊多层EBC结构、组合物和制造方法。
因此，需要由具有改善的能力和简化的结构的稳健涂层系统作为水蒸气和其它有害环境物类的隔离层保护的制品。也进一步需要经济和可再现地制造这些制品的方法。
本公开涉及克服本领域中这些和其它缺陷。
概述
本公开提供适合用作高温机器组件的制品。在一个实施方案中，本公开提供包括基体和在基体上布置的环境隔离涂层的制品。环境隔离涂层包括从包含碱土金属铝硅酸盐和稀土硅酸盐的混合物形成的至少一个密封自封层。在经受高温热处理时，至少一个密封自封层显示基本没有净剩余或残余膨胀。
在一个实施方案中，制品的环境隔离涂层进一步包括在基体和密封自封层之间布置的粘合涂层。
在另一个实施方案中，制品的环境隔离涂层进一步包括在密封自封层上布置的面涂层。
在另一个实施方案中，制品的环境隔离涂层进一步包括在密封自封层和粘合涂层之间布置的中间层，其中中间层包括对二氧化硅基本惰性的隔离材料。
本公开也提供制造适合用作高温机器组件的制品的方法。在一个实施方案中，此方法包括以下步骤：提供基体和在基体上沉积环境隔离涂层，其中环境隔离涂层包括从包含碱土金属铝硅酸盐和稀土硅酸盐的混合物形成的至少一个密封自封层，且其中在沉积后经受高温热处理时，至少一个密封自封层显示基本没有净剩余或残余膨胀。
本公开提供EBC结构、系统和方法，其解决在高温空气热处理以使主要非晶的初沉积APS涂料结晶后的净膨胀问题。如上提到，已确定这种净膨胀是组件凸半径几何特征周围裂纹和中间层分离的原因。根据本公开，为了使此净膨胀最大限度地减小，在不同的实施方案中，可使用包含90%体积稀土硅酸盐至50%体积稀土硅酸盐的稀土硅酸盐和碱土金属铝硅酸盐材料的不同混合物的涂料。对自立涂层的膨胀法测定显示在热暴露期间涂层膨胀相对于整料稀土硅酸盐样品减小。包含小于约90%重量稀土硅酸盐的混合物显示在加热到1350℃和冷却到室温时可忽略的净膨胀。
本发明包括以下方面：
1. 一种制品(200)，所述制品(200)包括：
基体(202)；和
在所述基体(202)上布置的环境隔离涂层(210)，
其中所述环境隔离涂层(210)包括从包含碱土金属铝硅酸盐和稀土硅酸盐的混合物形成的至少一个密封自封层(212)，并且
其中在经受高温热处理时，所述至少一个密封自封层(212)显示基本没有净剩余或残余膨胀。
2. 方面1的制品(200)，其中所述混合物包含混合物中约10%体积-约50%体积的量的碱土金属铝硅酸盐。
3. 方面1的制品(200)，其中所述混合物包含混合物中约50%体积-约90%体积的量的稀土硅酸盐。
4. 方面1的制品(200)，其中所述碱土金属铝硅酸盐包括铝硅酸钡锶(BSAS)。
5. 方面1的制品(200)，其中所述稀土硅酸盐选自稀土单硅酸盐和稀土二硅酸盐。
6. 方面5的制品(200)，其中所述稀土单硅酸盐选自单硅酸钇(YMS)、单硅酸镱(YbMS)、单硅酸镥(LuMS)及它们的组合。
7. 方面5的制品(200)，其中所述稀土二硅酸盐选自二硅酸钇(YDS)、二硅酸镱(YbDS)、二硅酸镥(LuDS)及它们的任何组合，所述组合选自二硅酸镱-钇(YbYDS)、二硅酸镥-钇(LuYDS)和二硅酸镥-镱-钇(LuYbYDS)。
8. 方面1的制品(200)，其中所述环境隔离涂层(210)进一步包括在所述基体(202)和所述密封自封层(212)之间布置的粘合涂层(204)。
9. 方面8的制品(200)，其中所述粘合涂层(204)包括硅或金属硅化物。
10. 方面8的制品(200)，其中所述粘合涂层(204)包括至少一种选自元素硅和硅化物的材料。
11. 方面1的制品(200)，其中所述环境隔离涂层(210)进一步包括在所述密封自封层(212)上布置的面涂层(214)。
12. 方面11的制品(200)，其中所述面涂层(214)包括至少一种选自稀土单硅酸盐和稀土二硅酸盐的材料。
13. 方面1的制品(200)，其中所述环境隔离涂层(210)进一步包括在所述密封自封层(212)和所述粘合涂层(204)之间布置的中间层(216)，其中所述中间层(216)包括对二氧化硅基本惰性的隔离材料。
14. 方面13的制品(200)，其中所述隔离材料包括稀土二硅酸盐。
15. 方面13的制品(200)，其中所述隔离材料选自二硅酸钇和二硅酸镱-钇。
16. 方面1的制品(200)，其中所述基体(202)包括硅。
17. 方面1的制品(200)，其中所述基体(202)包括至少一种选自氮化硅、二硅化钼和碳化硅的材料。
18. 方面17的制品(200)，其中所述基体(202)包括陶瓷基质复合材料。
19. 方面1的制品(200)，其中所述制品(200)包括燃气涡轮机装置的组件。
20. 方面19的制品(200)，其中所述组件为叶轮、叶片、护罩或燃烧器组件。
21. 一种制造制品(200)的方法，所述方法包括：
在基体(202)上沉积环境隔离涂层(210)，其中所述环境隔离涂层(210)包括从包含碱土金属铝硅酸盐和稀土硅酸盐的混合物形成的至少一个密封自封层(212)；并且
使所述至少一个密封自封层(212)经受约800℃至约1350℃高温热处理，经过足以使至少一部分自封层(212)流动的时间，从而形成所述制品(200)，
其中在沉积后经受所述高温热处理时，所述至少一个密封自封层(212)显示基本没有净剩余或残余膨胀。
22. 方面21的方法，其中在所述基体(202)上沉积所述环境隔离涂层(210)包括：
在所述基体(202)上布置粘合涂层(204)；并且
在所述粘合涂层(204)上沉积所述混合物，以在所述基体(202)的粘合涂层(204)上形成至少一个密封自封层(212)。
23. 方面21的方法，其中在所述基体(202)上沉积所述环境隔离涂层(210)包括：
在所述基体(202)上布置粘合涂层(204)；
在所述粘合涂层(204)上沉积所述混合物，以在所述基体(202)的粘合涂层(204)上形成所述至少一个密封自封层(212)；并且
在所述密封自封层(212)上布置面涂层(214)。
24. 方面21的方法，其中在所述基体(202)上沉积所述环境隔离涂层(210)包括：
在所述基体(202)上布置粘合涂层(204)；
在所述粘合涂层(204)上布置中间层(216)，其中所述中间层(216)包括对二氧化硅基本惰性的隔离材料；并且
在所述中间层(216)上沉积所述混合物，以在所述基体(202)的中间层(216)上形成所述至少一个密封自封层(212)。
通过本公开的不同方面的以下详述并结合附图，本公开系统和方法的这些和其它目的、特征和优势将变得更加显而易见。
附图简述
图1为具有基体(202)和在基体上布置的环境隔离涂层(210)的本公开的制品(200)的一个实施方案的示意图。
图2为具有基体(202)和在基体上布置的环境隔离涂层(210)的本公开的制品(200)的一个实施方案的示意图。附图显示环境隔离涂层210的不同层包括粘合涂层204(任选)、密封自封层212、面涂层214(任选)和中间层216(任选)。
图3为根据本公开的方面图示说明用于制造本公开的制品的方法的一个实施方案的流程图。
图4为显示通过APS制造的不同稀土硅酸盐/BSAS复合材料层的伸长性能。
详述
本公开的制品、系统和方法一般有效提供更可靠、无缺陷涂层系统，特别是围绕叶片、叶片桶、护罩或其它复杂陶瓷基质复合材料(CMC)发动机组件的小边缘半径。在一个更具体的实施方案中，本公开也通过有效使两个层组合在一起允许较少功能涂层，从而产生更经济的涂层系统。还通过控制涂层的净膨胀至接近0，本公开进一步允许利用更快的热处理循环，这也可减少总涂层处理时间，而不使涂层有开裂和脱层风险。
根据一个方面，本公开提供适用于高温机器组件的制品。本文所用“高温机器组件”是指设计在高温工作的任何机器组件或子组件，其中高温可以为至少800℃，更具体可为约800℃-约1350℃。设计在高温工作的此类机器的实例可包括但不限于燃气涡轮机、换热器、内燃机等。
在一个实施方案中，制品包括基体和在基体上布置的环境隔离涂层。环境隔离涂层包括从包含碱土金属铝硅酸盐和稀土硅酸盐的混合物形成的至少一个密封自封层。在沉积过程后经受高温热处理时，至少一个密封自封层显示基本没有净剩余或残余膨胀。在具体实施方案中，自封层经受高温热处理是指在至少一个密封自封层沉积后进行的这种热处理。
本文所用“基本没有净剩余或残余膨胀”是指在“第1次”加热到<1350℃温度(优选800℃-1350℃)时通过膨胀计对初沉积的主题涂层自立体测量时，主题涂层(即自封层)的-0.2%至+0.2%膨胀的范围。
本文所用术语“沉积方法”也可称为“沉积”或“沉积过程”。另外，在基体或其它层上“布置”涂层也可以指用沉积方法使一个层“沉积”于另一个层上的范围。
本文所用术语“自封”是指至少一部分涂层由能够在低于涂层本体熔融温度的已知温度(“密封温度”)或该温度以上形成可流动相(例如，液相或玻璃相)的材料(密封材料)制成。这种液相或玻璃相具有在密封温度适用于允许可流动相流入且至少部分填充缺陷(例如裂纹和孔)的粘度，从而提高涂层阻挡有害物类从外部环境移动到基体内的能力。通过这种机制，涂层可自封，即，可不使用例如在孔和裂纹内沉积的单独密封材料而增加对有害物类传输的阻力。因此，在一些实施方案中，密封层基本不含在密封层内表面内布置的任何另外材料，当然，这种限制不排除其中在密封层上布置另外的层的实施方案。本文所用术语“基本上密封”是指涂层显示低于约2×10?14 cm2(约2×10?6达西)的透气率，这是常用测量技术的检测限。
由密封材料制成的密封层部分可根据一些因素选择，包括例如需要密封的缺陷的预期密度和可流动相的预期粘度。在一些实施方案中，此部分为总密封层的至少约1%体积，在具体实施方案中，此部分为至少10%体积。
密封温度一般涉及在密封材料内发生的相变或相转变。例如，对于在密封材料内形成的玻璃相，可选择密封温度高于玻璃化转变温度。或者，对于在密封材料中存在的特定相或组成，可选择密封温度处于或高于熔融温度，例如低共熔温度或固相线温度。在一些实施方案中，密封温度为至少约800℃，在具体实施方案中，密封温度为至少约1350℃。在某些实施方案中，选择制品的操作温度低于密封温度，以使涂层在工作期间不再形成可流动相。然而，在某些应用中在工作期间密封层中具有可流动相是可接受或期望的，因此，本发明的实施方案也包括其中密封温度低于工作温度的那些实施方案。
总的来说，选择密封层的组成，以便在特定选择密封温度下，至少一部分密封层为液相或可流动玻璃相，如上所述。对于很多材料，相转变行为作为组成和温度的函数在本领域熟知，因此，基于本文提供的总体描述，选择用于本发明的实施方案的适合材料的程序对专业人员显而易见。除了上述相转变性质外，选择具体材料用于特定应用时，一般也考虑其它材料性质，例如像环境耐性、制造便利性、与相邻材料的化学相容性及其它性质。
在一些实施方案中，密封层包括陶瓷材料，例如，氧化物。例如，由于其能够作为环境隔离涂层用于诸如涡轮机组件的高温应用，可选择铝硅酸盐材料。在某些实施方案中，密封层包括稀土铝硅酸盐。本文所用术语“稀土铝硅酸盐”可广泛适用于作为至少一种稀土氧化物、氧化硅和氧化铝混合或反应的产物的任何材料，此术语适用于具有以下组成的任何材料：所述组成落入在相应顶点具有稀土氧化物、氧化硅和氧化铝的三元等温区域。应注意到，在一些实施方案中，稀土氧化物组分可包括多于一种稀土元素，从而使总体材料为多于三种氧化物的混合物或产物。例如，通过使(1)两种或更多种稀土氧化物、(2)氧化硅和(3)氧化铝混合和/或反应制备的组合物被认为在本文所用术语“稀土铝硅酸盐”的范围内。在一些实施方案中，稀土铝硅酸盐包含至少一种选自钇、钪、钆、镝、钬、铒、铥、镱和镥的元素。
由于其能形成有效量期望的可流动相(即，液体或玻璃)、对抗高温环境、经济处理，或这些或其它因素的组合，某些稀土铝硅酸盐组合物提供相对优势。二氧化硅、氧化铝和稀土氧化物一般以能够在约900℃以上的温度形成玻璃相或液相的相对比例提供。在一个实施方案中，稀土铝硅酸盐包含最高约62%摩尔二氧化硅。在另一个实施方案中，稀土铝硅酸盐包含最高约60%摩尔氧化铝。在另一个实施方案中，稀土铝硅酸盐包含最高约33%摩尔稀土氧化物。
在一个实施方案中，本公开的制品包括一种混合物，所述混合物包含混合物中约10%体积-约50%体积的量的碱土金属铝硅酸盐。在另一个实施方案中，混合物包含混合物中约50%体积-约90%体积的量的稀土硅酸盐。
在一个实施方案中，碱土金属铝硅酸盐包括铝硅酸钡锶(BSAS)。
用于本公开的适合稀土硅酸盐包括但不限于稀土单硅酸盐和稀土二硅酸盐。适合的稀土单硅酸盐可包括例如单硅酸钇(YMS)、单硅酸镱(YbMS)、单硅酸镥(LuMS)及其组合。
用于本公开的适合稀土二硅酸盐包括但不限于二硅酸钇(YDS)、二硅酸镱(YbDS)、二硅酸镥(LuDS)及其组合，例如但不限于二硅酸镱-钇(YbYDS)、二硅酸镥-钇(LuYDS)、二硅酸镥-镱-钇(LuYbYDS)等。
在本公开的制品的一个实施方案中，环境隔离涂层进一步包括在基体和密封自封层之间布置的粘合涂层。在一个具体实施方案中，粘合涂层包括硅或金属硅化物。在另一个实施方案中，粘合涂层包括至少一种选自元素硅和硅化物的材料。
在本公开的制品的另一个实施方案中，环境隔离涂层进一步包括在密封自封层上布置的面涂层。适合的面涂层可包括至少一种选自稀土单硅酸盐和稀土二硅酸盐的材料。
在本公开的制品的另一个实施方案中，环境隔离涂层进一步包括在密封自封层和粘合涂层之间布置的中间层，其中中间层包括对二氧化硅基本惰性的隔离材料。适合的隔离材料可包括例如稀土二硅酸盐。适合的隔离材料也可包括但不限于二硅酸钇和二硅酸镱-钇或其任何组合。
在一个实施方案中，基体包括硅。在另一个实施方案中，基体包括至少一种选自氮化硅、二硅化钼和碳化硅的材料。在另一个实施方案中，基体包括陶瓷基质复合材料。
本公开的制品可包括燃气涡轮机装置的组件。在具体实施方案中，组件可包括但不限于叶轮、叶片、护罩或燃烧器组件。
本公开也提供制造适合用作高温机器组件的制品的方法。在一个实施方案中，此方法包括以下步骤：在基体上沉积环境隔离涂层，其中环境隔离涂层包括从包含碱土金属铝硅酸盐和稀土硅酸盐的混合物形成的至少一个密封自封层；并且使至少一个密封自封层经受约800℃至约1350℃高温热处理，经过足以使至少一部分自封层流动的时间，从而形成制品，其中在沉积后经受所述高温热处理时，至少一个密封自封层显示基本没有净剩余或残余膨胀。
本文所用术语“高温热处理”是指其中温度足以使本公开的至少一个密封自封层的至少一部分流动的热处理。也在本文中描述用于本公开的“高温热处理”的适合温度，并称为“密封温度”。
本文关于此方法所用术语“沉积”也可称为“沉积过程”、“布置”等。
在另一个实施方案中，在基体上沉积环境隔离涂层的步骤包括：在基体上布置粘合涂层；并且在粘合涂层上沉积混合物，以在基体的粘合涂层上形成至少一个密封自封层。
在另一个实施方案中，在基体上沉积环境隔离涂层的步骤包括：在基体上布置粘合涂层；在粘合涂层上沉积混合物，以在基体的粘合涂层上形成至少一个密封自封层；并且在密封自封层上布置面涂层。
在另一个实施方案中，在基体上沉积环境隔离涂层的步骤包括：在基体上布置粘合涂层；在粘合涂层上布置中间层，其中中间层包括对二氧化硅基本惰性的隔离材料；并且在中间层上沉积混合物，以在基体的中间层上形成至少一个密封自封层。
不旨在限制本公开的范围，在具体实施方案中，方法包括使非膨胀BSAS材料与膨胀稀土硅酸盐材料混合。在加热和冷却热处理循环期间，BSAS有效吸收在加热和稀土硅酸盐材料结晶期间产生的应变。因此，在一个方面，通过产生包含BSAS和稀土硅酸盐的混合物的涂层，以便能够控制所得涂层的膨胀，本公开解决本领域中的缺陷。这用于使在沉积过程后在EBC热处理期间在EBC涂层系统的下面涂层上诱导的应力最大限度地减小或消除。
图1和图2描绘本公开的示例性制品200。在这些具体实施方案中，在基体202上布置环境隔离涂层210。在某些实施方案中，制品200为燃气涡轮机装置的组件，例如像燃烧室衬里、过渡件、护罩、叶轮或叶片。环境隔离涂层210能在高温保护基片210免受暴露于水蒸气侵害，可有利应用于含硅涡轮机组件。应了解，虽然已关于应用于保护不受水蒸气侵害的含硅基体来描述本发明的实施方案应用，但这些参考为示例性，本发明的实施方案包括含硅材料以外的基体材料。
图2图示说明可包括环境隔离涂层210的不同示例层，如下更详细描述。除密封自封层212外，环境隔离涂层210的各描绘层是任选的。
如图2中所示，在某些应用中，环境隔离涂层210进一步包括在基体202和密封自封层212之间布置的粘合涂层204。
如图2中所示，在某些应用中，环境隔离涂层210进一步包括在密封自封层212上布置的面涂层214。面涂层214可用于提供热绝缘(热隔离涂层)、环境保护(环境隔离涂层)或这些功能的组合。选择适合的面涂层材料取决于制品要暴露的环境类型、下面涂层和基体的组成、处理成本和在本领域已知的其它因素。在一些实施方案中，面涂层214为陶瓷材料。已知很多种类陶瓷材料有能力作为热和/或环境隔离涂层，这些材料包括但不限于硅酸盐、铝硅酸盐和氧化钇稳定化的氧化锆。在某些实施方案中，面涂层214包含稀土单硅酸盐和/或稀土二硅酸盐，在特定实施方案中，面涂层214为双层涂层，具有稀土单硅酸盐外层和稀土二硅酸盐内层。在一些实施方案中，与这些单硅酸盐和二硅酸盐材料相关的稀土元素可包括钇、镱、镥和钪中的一个或多个。具体实例为其中外层为单硅酸钇，内层为稀土二硅酸盐。
如图2中所示，在某些应用中，环境隔离涂层210进一步包括在密封自封层212和粘合涂层204之间布置的中间层216，其中中间层216包括对二氧化硅基本惰性的隔离材料。在某些实施方案中，中间层由对氧化硅基本惰性的隔离材料制成，以提高在涂层系统中的化学稳定性。“基本惰性”是指在二氧化硅和隔离材料之间最多只有偶然的相互作用(溶解性或反应性)。稀土二硅酸盐，例如钇、镱、镥、钪和其它稀土元素的二硅酸盐，为适合隔离材料的非限制实例。
一般选择上述任何不同涂层的厚度，以经特定工作时间提供足够保护，同时使热应力保持在可持续水平。另外，通过选择涂覆方法在沉积区域产生连续层的能力，也可确定涂层厚度。关于不同涂层的近似厚度范围的非限制实例包括以下：对于密封层，约25微米至约150微米；对于粘合涂层，约75微米至约125微米；对于中间层，约50微米至约100微米；对于面涂层，约50微米至约250微米。对于上述双层面涂层实施方案，在某些实施方案中，单硅酸钇外层可以为约25微米至约50微米。
可用在本领域已知的涂覆技术沉积上述涂层。在使用一般导致显著量裂纹和内部开放孔结构的涂覆沉积的方法时，本发明的实施方案特别有利。等离子喷涂技术和基于浆料的涂覆方法为产生具有这些特征的涂层的常用涂覆方法的实例。在这些情况下，存在密封层用于显著提高密封性，并因此提高涂层的保护有效性。
为了活化密封层的自封性质，将密封层加热到至少一部分密封层将要流动的密封温度(上述)，由此，可流动部分移动到裂纹和孔中，并且在固化时封住这些缺陷，否则这些缺陷会作为有害物类(例如，水蒸气)从环境达到基体的通道。根据涂层的性质、处理的经济性和其它因素，加热步骤可紧接在沉积密封层后，在所有涂层已沉积后但在成品投入工作之前，或甚至在本身工作期间(如果使工作温度足够高)进行。
将密封温度保持有效时间，以允许有时间使可流动材料达到并且至少部分填充或以其它方式封住缺陷。实现这一点所需的时间长度一般根据要密封的缺陷的数量和性质及在密封层中可利用的可流动材料的量选择。在一个实施方案中，将密封层加热到约800℃至约1350℃的密封温度经历约30分钟至约10小时时间，在特定实施方案中，时间为约30分钟至约4小时。在一些实施方案中，温度在约900℃至1050℃经历约30分钟至4小时时间。在其它实施方案中，温度在约950℃至1050℃经历约30分钟至4小时时间，而在其它实施方案中，温度在约1350℃经历此范围内的时间。至少部分根据加热材料的要求(即，基体和其它涂层，如果存在)，密封涂层的加热步骤可在空气、真空、惰性气氛或其它环境中进行。
如图3中所示，在一个实施方案中，本公开的方法100包括：在基体上沉积环境隔离涂层，其中环境隔离涂层包括从包含碱土金属铝硅酸盐和稀土硅酸盐的混合物形成的至少一个密封自封层(110)。使至少一个密封自封层经受约800℃至约1350℃高温热处理，经过足以使至少一部分自封层流动的时间，从而形成制品(120)。在沉积后经受所述高温热处理时，至少一个密封自封层显示基本没有净剩余或残余膨胀。
实施例
以下实施例旨在说明具体实施方案，但不是要限制本发明系统和技术的范围。
实施例1
涉及本公开制品和/或方法的不同实施方案的试验数据以下在此实施例中提供。
用不同共混混合物比的二硅酸镱-钇和BSAS粉末经空气等离子喷涂约1000-1500微米厚的单独自立整料涂层。粉末用90:10、70:30、60:40和50:50%体积二硅酸镱-钇:BSAS混合物比机械共混。使用以不同模式操作的市售双推杆垂直膨胀计，对用不同混合物比制备的各自立涂层进行膨胀法测定。如图4中所示，在25℃至1350℃空气中一个加热和冷却热处理循环后，对于60:40和50:50混合物，净膨胀接近0%或略负，对于90:10混合物，净膨胀为约0.4%。对于100%二硅酸镱-钇涂层，典型净膨胀为约0.4%-约0.7%。
实施例2
涉及本公开制品和/或方法的不同实施方案的试验数据在此实施例中提供。
通过在氮化硅陶瓷基质复合材料基体上空气等离子喷涂，沉积多层涂层组合体。将一个试件用第一层约100微米硅涂覆，随后用第二层约200微米二硅酸镱-钇涂覆，随后用第三层约50微米单硅酸钇涂覆。将第二试件用第一层约100微米硅涂覆，随后用第二层约50微米二硅酸镱-钇涂覆，随后用约150微米从二硅酸镱-钇:BSAS的60:40混合物产生的第三层涂覆，随后用第四层约50微米单硅酸钇涂覆。涂覆第三试件类似于第二试件，不同之处在于第三层从50:50%体积混合物产生。将三个试件在空气中在1315℃加热10小时。在热处理后，使试件在90%水蒸气/10%氧环境在1315℃暴露于多个2小时暴露循环。在暴露500小时后，将试件切断，进行金相学检验用于微结构评价，并测量在硅粘合层和第二层之间的界面形成的氧化物层(scale)厚度。第一试件的氧化物层厚度高于从第二和第三试件测量的厚度，为约2倍，表明由包含BSAS的混合物改善密封性。
另外，在涂层沉积之前，在角上以约1500微米凸半径制造各试件。只对第一试件，在500小时暴露后，在角处有显著的硅粘合涂层从碳化硅陶瓷基质复合材料基体分离，并且基体严重氧化，表明混合层的接近0的净膨胀改善对凸半径几何学特征的密封性和抗裂性。
虽然在本文中已详细描绘和描述了不同实施方案，但对相关领域的技术人员显而易见的是，各种修改、增加、替代等可在不脱离本发明的精神下作出，因此应认为这些是在以下权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (10)

1. 一种制品(200)，所述制品(200)包括：
基体(202)；和
在所述基体(202)上布置的环境隔离涂层(210)，
其中所述环境隔离涂层(210)包括从包含碱土金属铝硅酸盐和稀土硅酸盐的混合物形成的至少一个密封自封层(212)，并且
其中在经受高温热处理时，所述至少一个密封自封层(212)显示基本没有净剩余或残余膨胀。
2. 权利要求1的制品(200)，其中所述混合物包含混合物中约10%体积-约50%体积的量的碱土金属铝硅酸盐。
3. 权利要求1的制品(200)，其中所述混合物包含混合物中约50%体积-约90%体积的量的稀土硅酸盐。
4. 权利要求1的制品(200)，其中所述碱土金属铝硅酸盐包括铝硅酸钡锶(BSAS)。
5. 权利要求1的制品(200)，其中所述稀土硅酸盐选自稀土单硅酸盐和稀土二硅酸盐。
6. 权利要求5的制品(200)，其中所述稀土单硅酸盐选自单硅酸钇(YMS)、单硅酸镱(YbMS)、单硅酸镥(LuMS)及它们的组合。
7. 权利要求5的制品(200)，其中所述稀土二硅酸盐选自二硅酸钇(YDS)、二硅酸镱(YbDS)、二硅酸镥(LuDS)及它们的任何组合，所述组合选自二硅酸镱-钇(YbYDS)、二硅酸镥-钇(LuYDS)和二硅酸镥-镱-钇(LuYbYDS)。
8. 权利要求1的制品(200)，其中所述环境隔离涂层(210)进一步包括在所述基体(202)和所述密封自封层(212)之间布置的粘合涂层(204)。
9. 权利要求8的制品(200)，其中所述粘合涂层(204)包括硅或金属硅化物。
10. 权利要求8的制品(200)，其中所述粘合涂层(204)包括至少一种选自元素硅和硅化物的材料。
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