CN105683132A - 具有工程表面以加强对高温负载下的蠕变滑动的抵抗性的二氧化硅形成制品 - Google Patents

具有工程表面以加强对高温负载下的蠕变滑动的抵抗性的二氧化硅形成制品 Download PDF

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CN105683132A CN201480059905.4A CN201480059905A CN105683132A CN 105683132 A CN105683132 A CN 105683132A CN 201480059905 A CN201480059905 A CN 201480059905A CN 105683132 A CN105683132 A CN 105683132A
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Abstract

一种制品包括：含硅区域；上覆含硅区域的表面的至少一个外层；以及在含硅区域的表面上且在含硅区域和至少一个外层之间且接触它们的组分层，组分层由含硅区域的组分形成，且易于在制品的操作环境内蠕变，其中含硅区域限定多个通道和多个凸脊，多个凸脊在形成于含硅区域中的多个通道内联锁，以使至少一个外层与含硅区域经由组分层物理地联锁。

Description

具有工程表面以加强对高温负载下的蠕变滑动的抵抗性的二氧化硅形成制品
政府权益
本技术利用由能源部授予的合同号DE-FC26-05NT42643下的政府支持下开发出。政府可能对提出的发明具有一定权利。
相关申请的交叉引用
2012年12月11提交且题为ENVIRONMENTALBARRIERCOATINGSANDMETHODSTHEREFOR的共同转让的美国申请13/711,250的内容通过引用并入本文中。
技术领域
本技术大体上涉及适用于保护暴露于高温环境(诸如涡轮发动机的不利的热环境)的构件的涂层系统和方法。更具体而言，该技术针对构件的含硅区域上的环境阻隔涂层(EBC)，以及将表面特征并入含硅区域中来在升高温度下经历剪切负载时阻止EBC的蠕变位移。
背景技术
不断需求涡轮发动机的较高操作温度以便提高其效率。尽管已经通过基于铁、镍和钴的超级合金实现了高温能力的显著进步，但已经研究出了备选的材料。陶瓷复合材料目前被考虑用于此高温应用中作为燃烧器衬套、导叶、护罩、叶片和涡轮发动机的其它热区段构件。陶瓷复合材料的一些实例包括硅基复合物，例如，其中硅、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)和/或硅化物用作增强相和/或基质相的复合材料。
在许多高温应用中，保护涂层对于含Si材料是有益的或需要的。此涂层应当通过阻止含水环境中的含Si材料的退化的主要机制(即，挥发性氢氧化硅(例如，Si(OH)4)产物的形成)来保护。具有这些功能的涂层系统将在下文中称为环境阻隔(EBC)系统。用于涂层材料的期望的性质包括与含Si基底材料相容的热膨胀系数(CTE)、氧化剂的低渗透性、低导热率、稳定性和与含Si材料的化学相容性。
含硅连结涂层的硅含量在高温下与氧反应，以主要形成无定形二氧化硅(amorphoussilica)(SiO2)结垢，但氧化物产物的一部分可为结晶二氧化硅或连结涂层和/或EBC的其它组分的氧化物。无定形二氧化硅产物呈现出低的透氧性。结果，连同含硅连结涂层，在连结涂层上热增长的二氧化硅产物能够形成保护性阻隔层。
形成在含硅连结涂层上的无定形二氧化硅产物在使用中具有相对低的粘性，且因此在剪切负载下的高蠕变率。高剪切负载(例如，从大约0.1到10MPa)可由移动零件(诸如，涡轮发动机的叶片(轮叶))的高频旋转引起的g力(例如，从大约10,000到大约100,000g的力)施加。此剪切负载可引起EBC关于连结涂层和基底的蠕变位移，这可导致下覆基底的严重EBC破坏和EBC保护的损失。
发明内容
本技术提供了一种环境阻隔涂层(EBC)系统和制造由含硅材料(诸如，陶瓷基质复合物(CMC))形成的制品上的EBC系统的方法，其中含硅材料用作增强相和/或基质相。EBC系统和方法特别良好适用于保护暴露于包括涡轮发动机的不利热环境的高温的含硅制品。
根据该技术的一个实例，一种制品包括：含硅区域；上覆含硅区域的表面的至少一个外层；以及在含硅区域的表面上且在含硅区域和至少一个外层之间并接触它们的组分层(即，热增长氧化物或TGO层)，组分层至少部分地由含硅区域的组分形成，且易于在制品的操作环境内蠕变，其中连结涂层和/或基底限定多个通道和多个凸脊，其在形成于含硅区域中的多个通道内联锁，以使至少一个外层与含硅区域经由组分层物理地联锁。
通过使含硅区域与环境阻隔涂层系统的初始层联锁，可归因于组分层(例如，在含硅区域或层上热增长的二氧化硅层)的蠕变的EBC的位移可基本阻止，由此促进了环境阻隔涂层系统的结构完整性，以及其在高温应用中保护制品的能力。该技术可适用于结合已知的环境阻隔涂层材料使用，且联锁特征可使用各种过程产生。
附图说明
在参照附图阅读以下详细描述时，本技术的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，附图中相似的标号表示附图各处相似的部分，在附图中：
图1示意性地绘出了可涂布有本技术的且根据本技术的方面的涂层的制品或构件；
图2示意性地绘出了根据本技术的实例的包括涂层的图1的制品或构件的区段；
图3示意性地绘出了处于第一状态的根据本技术的一个实例的制品或构件的连结涂层的工程表面；
图4示意性地绘出了处于第二状态的图3的工程表面；
图5示意性地绘出了处于第三状态的图3的工程表面；
图6示意性地绘出了根据本技术的另一个实例的制品或构件的连结涂层的工程表面；
图7示意性地绘出了根据本技术的另一个实例的制品或构件的连结涂层的工程表面；
图8绘出了根据本技术的一个实例的制品或构件的涂层的热增长氧化物层的厚度；
图9示意性地绘出了根据本技术的一个实例的制品或构件的基底的工程表面；
图10绘出了24,000小时周期内在各种温度下抑制较大的蠕变位移所需的连结涂层的表面特征的振幅和波长；以及
图11-22为根据本技术的工程表面的照片。
具体实施方式
本技术大体上适用于在特征为较高温度、应力和氧化的环境内操作的构件。此构件的显著实例包括高压和低压涡轮导叶(喷嘴)和叶片(轮叶)、护罩、燃烧器衬套、增强装置硬件和涡轮发动机的其它热区段构件，但该技术适用于其它构件。
参看图1和2，制品或构件2(例如，涡轮轮叶或叶片)可包括环境阻隔涂层(EBC)系统22，以在高温化学反应性环境中操作时保护制品或构件。构件2可包括从平台6延伸的基底4，例如，翼型件区段。平台6可包括安装和装固结构8，其构造成将构件安装和装固到诸如转子(未示出)的旋转元件上。基底4可包括含硅区域。含硅材料的实例包括具有碳化硅、氮化硅、硅化物(例如，耐火金属和/或过渡金属硅化物，包括但不限于例如Mo、Nb或W硅化物)和/或作为基质相或第二相的硅的那些。其它实例包括陶瓷基质复合物(CMC)，其含有作为增强和/或基质相的碳化硅。
图2的EBC系统22表示示为直接地施加到基底4的表面上的多种不同EBC系统的一种。例如，U.S.6,299,988中公开了一种含硅连结涂层。连结涂层10还表现为将第一EBC层14连结到基底4上，以及可选地EBC系统22的至少一个附加层16,18,20。EBC系统22向下覆的基底4提供环境保护。它还可降低构件2的操作温度，由此允许构件2在高于另外可能的气体温度下操作。尽管图2将构件2呈现为包括含硅连结涂层10，在此情况下，第一EBC层14直接地沉积在由连结涂层10形成的含硅表面区域上，但该技术还适用于不包括如本文所述的连结涂层10的构件2，在此情况下，第一EBC层14可直接地沉积在由基底4形成的含硅表面区域上。应当认识到的是，下文更详细描述的组分层12或组分层12的一部分可在施加第一EBC层14之前提出。
燃烧环境中的含硅材料的退化导致与水蒸气反应来形成挥发性的氢氧化硅(例如，Si(OH)4)产物。EBC系统22可用于抵抗通过连结涂层10和/或基底4与水蒸气的化学反应的衰退，提供温度梯度来降低构件2的操作温度，或以上两者。可结合本技术使用的适合的EBC系统包括但不限于例如在U.S.6,296,941和U.S.6,410,148中公开的那些。EBC系统22可执行大量密封、反应阻隔、抗衰退和/或热阻隔功能。
如上文所述，连结涂层10和基底4中的各个均限定包含硅的构件2的表面区域。例如，连结涂层10可包括元素硅或基本上由元素硅构成。作为备选，连结涂层10可包含碳化硅、氮化硅、金属硅化物、元素硅、硅合金或它们的混合物。连结涂层10还可包含氧化物相，诸如二氧化硅、稀土硅酸盐、稀土硅酸铝和/或碱土硅酸铝。连结涂层10的含硅复合物的使用改善基底4的抗氧化性，且加强了基底4与第一EBC层14之间的连结。连结涂层10的硅与氧在升高温度下反应，以使其表面上的主要无定形的二氧化硅(SiO2)的组分层12热增长，这在图2中示意性呈现。无定形二氧化硅的所得的热增长氧化物呈现出低透氧性。结果，连同含硅连结涂层10，组分层12能够阻止氧渗透到连结涂层10和基底4中。在组分层12的增长期间，无定形二氧化硅中的一些可结晶成结晶二氧化硅，且附加的杂质元素和第二相可并入其中。
在没有含硅连结涂层10的情况下，EBC系统22的第一层14可直接地沉积在由基底4限定的构件2的含硅表面区域上，在此情况下，基底4形成为具有复合物，其硅含量足以在升高温度下与氧反应，且形成上文所述的富二氧化硅的组分层12。此外，取决于基底4的成分，该层可主要为无定形的二氧化硅产物、富二氧化硅玻璃，或更多相混合物，其中至少一个相是富二氧化硅的。为了方便起见，其余公开内容将参照包括图2中表示的连结涂层10的实施例，但本公开内容应当理解为同样用于在基底4的表面上形成的组分层12。
在高温服务期间在含硅连结涂层10或另一含硅表面区域(诸如基底4)上形成的组分层12可取决于应用而增长到达到大约50μm或更大的厚度。组分层12可具有相对低的粘性，且因此剪切负载τ下的高蠕变率，这可由构件(诸如涡轮发动机的叶片(轮叶))的旋转期间发生的g力施加。由于组分层12的蠕变，故上覆的EBC系统22关于基底4的位移可在大约1315℃(大约2400℉)的25,000小时服务内超过100mm。此较大蠕变位移可导致EBC系统22的严重破坏，以及下覆基底4的环境保护的直接失去。
参看图3-7，在含硅连结涂层10(或在没有连结涂层10的情况下，在基底4的表面上)上形成的组分层12的蠕变可通过向连结涂层10的表面提供构造成缓解组分层12的蠕变的表面或特征24来阻止。如图3中所示，表面特征可采用凸脊24的形式，这由共同未决的共同转让的题为"METHODSOFMANUFACTURINGSILICA-FORMINGARTICLESHAVINGENGINEEREDSURFACESTOENHANCERESISTANCETOCREEPSLIDINGUNDERHIGH-TEMPERATURELOADING"美国专利[代理人卷号265028-1]中所述的过程形成，该申请的全部内容通过引用并入本文中。各个凸脊24均可包括前缘26，其形成EBC系统22的第一层14与凸脊24之间的前缘通道28。应当认识到的是，用语"前"和"后"仅出于示范性目的来描述边缘相对于剪切负载τ例如通过制品2的旋转施加到EBC系统22上的方向的相对关系。
各个凸脊24还可包括后缘34，其限定EBC系统22的第一层14与凸脊24之间的后缘通道32。各个凸脊24还可包括顶缘44，其限定凸脊24与EBC系统22的第一层14之间的通道30。应当认识到的是，用语"顶部"的使用仅出于示范性目的，且旨在表示边缘44相对于基底4或构件或制品2的任何特定定向。
组分层12的形成或增长形成连结涂层10与EBC系统22的第一层14之间的通道48。通道48可包括分别形成在EBC系统22的第一层14与凸脊24的前缘26和后缘34之间的前缘通道28和后缘通道32。通道48还可包括从前缘通道28延伸至后缘通道32的连接通道30，其限定在凸脊24的顶面44与EBC系统22的第一层14之间。
如图4中所示，例如通过构件2的旋转至制品2的剪切负载τ的施加可引起组分层12的粘性剪切，组分层12可为无定形二氧化硅产物、富二氧化硅玻璃或更多相混合物，其中一个相为富二氧化硅玻璃。组分层12的粘性剪切导致组分层12沿通道48,28,30,32的流动和凸脊24的前缘26的加速氧化。燃气轮机中的构件的继续操作(即，旋转)导致组分层12的继续增长、粘性剪切和氧化物从前缘26穿过通道48,28,30,32的流动，以及连结涂层10的凸脊24的前缘26的氧化。如图5中所示，凸脊24的氧化的前缘50和EBC系统22的第一层14可在操作之后几乎接触，且使通道变窄来限制EBC系统22的蠕变。
参看图6，连结涂层10的凸脊24可具有一定高度或幅度H，以及波长L。尽管图6中仅示出了一个凸脊，但参看图9，应当认识到的是，连结涂层10可包括在基本垂直于旋转/加速轴线的方向上的高度H和波长L的凸脊24，以缓解连结涂层10和/或基底4上的EBC系统22的蠕变滑动。如进一步所述，凸脊的大小确定成按需要提供足够的滑动阻力，以完成对自旋构件的服务间隔(例如，25,000小时)。
组分层12可具有厚度h，其从前缘厚度hlead变至后缘厚度htrail。组分层12的厚度hcon将在构件的使用期间在连结涂层10在涡轮的操作期间继续氧化时改变。组分层12在操作期间的流动可使用分析模型或有限元分析(FEA)来模拟。在模型中，力的平衡将通道压力关联至施加的剪切应力，且Poiseuille流将通道流速关联至通道压力。体积保持的原理使通道流速关联至EBC系统22的滑动速度。这些原理提供了滑动速度与施加的剪切应力之间的关系。
模型的结果在图8中示出，图8绘出了所示状态和τ=0.25MPa的剪切应力中的组分层12的前缘厚度hlead和后缘厚度htrail，以及EBC系统22的所得滑动位移s(μm)。如图8中所示，EBC系统22的滑动位移s变为与限制的SiO2蠕变速率相反的限制的氧化速率，且滑动紧密地跟踪凸脊壁上的氧化物厚度的差异的大约一半。如图10中所示，组分层上的剪切引起的EBC系统的蠕变需要表面特征24的幅度和波长两者满足最低要求。
参看图9，连结涂层10(或基底)的工程表面可包括多个凸脊24，其提供成基本垂直于剪切负载τ的方向。凸脊24可具有限定W/L的α的波长L和跨度W。α可从大约0.1到大约0.9，例如，从大约0.2到大约0.8，例如，大约0.4到大约0.6。尽管凸脊24示为大体上为正方形截面且基本垂直于剪切负载方向(即，沿基本翼弦方向)延伸，但应当认识到的是，工程表面(即，凸脊24)可具有其它截面形状，例如，矩形、梯形或任何大体上正弦或波形构造。尽管实例示出了垂直于剪切应力的特征24，但特征可提供成与剪切负载方向成角，例如，达到与剪切负载方向成大约45°。还应当认识到的是，尽管工程表面示为周期性且连续的，但表面可为非周期性和/或非连续的。还应当认识到的是，工程表面可提供为成组的交叉表面，例如，钻石形，其可达到45°。
图3-7和9示意性地示出了根据本技术的工程表面。图11-22示出了根据以下公开的过程形成的根据本技术的实际工程表面：题为"METHODSOFMANUFACTURINGSILICA-FORMINGARTICLESHAVINGENGINEEREDSURFACESTOENHANCERESISTANCETOCREEPSLIDINGUNDERHIGH-TEMPERATURELOADING"的共同未决的共同转让的美国专利[代理人卷号265028-1]，其全部内容通过引用并入本文中。
凸脊24可具有从大约10到大约250μm的高度，例如，大约50到大约200μm，例如，大约75到大约1250μm，例如，大约100μm，但大小可取决于组分层12的最大预期厚度和与特定应用相关联的其它因素。凸脊24可具有从大约20到大约10,000μm的波长L，且特别是大约50到大约2,000μm，或例如，大约250到大约1,000μm。组分层厚度hcon可从大约4到大约40μm。
将理解的是，本文所述的所有此类目的或优点不一定可按照任何特定实例实现。因此，例如，本领域的技术人员将认识到，本文所述的系统和技术可以以一种方式体现或执行，使得实现或优化如本文教导的一个优点或优点组合，而不需要实现如本文教导或建议的其它目的或优点。
尽管本文中示出和描述了本技术的仅某些特征，但本领域的技术人员将想到许多改型和变化。因此，将理解的是，所附权利要求旨在覆盖所有此类改型和变化。

Claims (20)

1.一种制品，包括：
含硅区域；
上覆所述含硅区域的表面的至少一个外层；以及
在所述含硅区域的所述表面上且在所述含硅区域与所述至少一个外层之间并接触它们的组分层，所述组分层由所述含硅区域的组分形成，且易于在所述制品的操作环境内蠕变，其中所述含硅区域限定多个通道和多个凸脊，所述多个凸脊在形成于所述至少一个外层中的所述多个通道内联锁，以使所述至少一个外层与所述含硅区域经由所述组分层物理地联锁。
2.根据权利要求1所述的制品，其特征在于，所述凸脊具有从大约10到大约250μm的高度。
3.根据权利要求2所述的制品，其特征在于，所述凸脊具有从大约50到大约200μm的高度。
4.根据权利要求3所述的制品，其特征在于，所述凸脊具有从大约75到大约125μm的高度。
5.根据权利要求2所述的制品，其特征在于，所述凸脊具有从大约20到大约10,000μm的波长。
6.根据权利要求5所述的制品，其特征在于，所述凸脊具有从大约50到大约2,000μm的波长。
7.根据权利要求6所述的制品，其特征在于，所述凸脊具有从大约250到大约1,000μm的波长。
8.根据权利要求5所述的制品，其特征在于，所述凸脊具有大约0.1到大约0.9的各个凸脊的跨度与所述凸脊的波长之比。
9.根据权利要求1所述的制品，其特征在于，所述含硅区域为上覆所述制品的基底的连结涂层，并且所述连结涂层由含以下的材料形成：元素硅；具有一个或更多个附加金属、金属间和/或陶瓷相的硅；以及/或一种或更多种硅合金或化合物。
10.根据权利要求9所述的制品，其特征在于，所述连结涂层基本上由元素硅构成。
11.根据权利要求9所述的制品，其特征在于，所述连结涂层基本上由具有选自碳化硅和氮化硅构成的集合的一个或更多个附加陶瓷相的硅构成。
12.根据权利要求1所述的制品，其特征在于，所述至少一个外层包含硅酸盐。
13.根据权利要求12所述的制品，其特征在于，所述硅酸盐包括稀土硅酸盐和/或硅酸铝。
14.根据权利要求13所述的制品，其特征在于，所述硅酸铝包括多铝红柱石和/或碱土硅酸铝。
15.根据权利要求14所述的制品，其特征在于，所述碱土硅酸铝包括BSAS。
16.根据权利要求1所述的制品，其特征在于，所述含硅区域为所述制品的基底，且包含碳化硅、氮化硅、硅化物和/或硅来作为增强相和/或基质相。
17.根据权利要求16所述的制品，其特征在于，所述基底为陶瓷基质复合材料，其包含作为增强相和/或基质相的碳化硅。
18.根据权利要求16所述的制品，其特征在于，所述硅化物为耐火金属硅化物或过渡金属硅化物。
19.根据权利要求1所述的制品，其特征在于，所述组分层包括无定形二氧化硅或结晶二氧化硅或它们的混合物。
20.根据权利要求1所述的制品，其特征在于，所述制品为涡轮发动机的旋转构件，且所述凸脊沿基本垂直于在所述制品的旋转期间施加至所述制品的剪切负载的方向延伸。
CN201480059905.4A 2013-10-31 2014-08-19 具有工程表面以加强对高温负载下的蠕变滑动的抵抗性的二氧化硅形成制品 Pending CN105683132A (zh)

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