CN106007809A - 组合物和将厚环境阻挡涂层沉积在cmc叶尖上的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了在CMC基材上使用的涂层体系，所述涂层体系可以包括：所述CMC基材表面上的连接涂层；所述连接涂层上的第一稀土硅酸盐涂层；所述至少一个稀土硅酸盐层上的增强稀土硅酸盐基质的牺牲涂层；所述牺牲涂层上的第二稀土硅酸盐涂层；和所述第二稀土硅酸盐涂层上的外层。所述第一稀土硅酸盐涂层包含至少一个稀土硅酸盐层，且所述第二稀土硅酸盐涂层包含至少一个稀土硅酸盐层。所述牺牲涂层具有约4密耳‑约40密耳的厚度。还提供了用于将牺牲涂层带式沉积在CMC基材上的方法。

Description

组合物和将厚环境阻挡涂层沉积在 CMC 叶尖上的方法
技术领域
本发明一般涉及燃气涡轮发动机涡轮。更具体而言，本发明的实施方案一般涉及CMC叶尖上的厚环境阻挡涂层。
背景技术
燃气涡轮发动机的涡轮段包括转轴和一个或多个涡轮级，各个涡轮级具有安装或以其他方式由轴带动的涡轮盘(或转子)和安装到且从盘的外围径向延伸的涡轮动叶(blade)。涡轮组件通常通过使由燃料燃烧产生的热压缩气体膨胀产生转轴功率。燃气涡轮叶片(bucket)或动叶一般具有设计成将流动通道气体的热能和动能转化成转子的机械旋转的机翼形状。
可以通过减小旋转动叶的尖端和固定护罩之间的空间以限制空气在动叶的顶部上方或周围流动来提高涡轮性能和效率，否则空气将绕过动叶。例如，动叶可以构造成在发动机操作期间其尖端紧密地与护罩匹配。因此，出于效率的目的，特别需要产生并保持有效的尖端间隙。
尽管涡轮动叶可以由许多超合金(例如镍基超合金)制备，陶瓷基质复合材料(ceramic matrix composite，CMC)为用于涡轮应用的镍基超合金的有吸引力的替代物，原因是其高温能力和轻重量。然而，在涡轮发动机环境中必须用环境阻挡涂层(environmental barrier coating, EBC)保护CMC部件以避免在高温蒸汽的存在下剧烈氧化和衰退。
因此，在某些部件中，EBC的区域可能易于磨损，这是因为与相邻部件的摩擦事件。例如，对于CMC动叶，叶尖处的EBC易于与金属护罩部件摩擦。如果EBC涂层被磨损掉，那么CMC动叶将暴露到来自高温蒸汽的衰退袭击，高温蒸汽将打开CMC叶尖和金属护罩之间的间隙，由此降低发动机的效率。
因此，在本领域中提供降低由涡轮操作期间的摩擦事件引起的CMC叶尖上的EBC磨损的材料和方法是合乎需要的。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下说明书中部分描述，或可以从说明书显而易见，或可以通过实践本发明来得知。
概括而言，提供在CMC基材上使用的涂层体系。在一个实施方案中，所述涂层体系包括：所述CMC基材表面上的连接涂层；所述连接涂层上的第一稀土硅酸盐涂层；所述至少一个稀土硅酸盐层上的增强稀土硅酸盐基质的牺牲涂层；所述牺牲涂层上的第二稀土硅酸盐涂层；和所述第二稀土硅酸盐涂层上的外层。所述第一稀土硅酸盐涂层包含至少一个稀土硅酸盐层，且所述第二稀土硅酸盐涂层包含至少一个稀土硅酸盐层。所述牺牲涂层具有约4密耳-约40密耳的厚度。
概括而言，还提供动叶，例如涡轮动叶(blade)或定子静叶(stator vane)。在一个实施方案中，所述动叶包括：包含CMC基材并限定具有上述涂层体系的叶尖的机翼。
概括而言，还提供用于将牺牲涂层带式沉积在CMC基材上的方法。在一个实施方案中，所述方法包括：将基质材料施加到膜的表面上；将所述基质材料干燥以除去所述溶剂；和将所述干燥的基质材料从所述膜转移到所述CMC基材。所述基质材料一般包含稀土硅酸盐粉末、烧结助剂和溶剂的混合物。
本发明还提供了以下方面。
第1项. CMC基材上的涂层体系，所述涂层体系包括：
所述CMC基材表面上的连接涂层；
所述连接涂层上的第一稀土硅酸盐涂层，其中所述第一稀土硅酸盐涂层包含至少一个稀土硅酸盐层；
所述至少一个稀土硅酸盐层上的增强稀土硅酸盐基质的牺牲涂层，其中所述牺牲涂层具有约4密耳-约40密耳的厚度；
所述牺牲涂层上的第二稀土硅酸盐涂层，其中所述第二稀土硅酸盐涂层包含至少一个稀土硅酸盐层；和
所述第二稀土硅酸盐涂层上的外层。
第2项. 第1项的涂层体系，其中所述牺牲涂层具有约8密耳-约25密耳的厚度。
第3项. 第1项的涂层体系，其中所述牺牲涂层具有约16密耳-约24密耳的厚度。
第4项. 第1项的涂层体系，其中所述增强稀土硅酸盐基质包含与铝硅酸钡锶的非连续相混合的稀土硅酸盐。
第5项. 第1项的涂层体系，其中所述增强稀土硅酸盐基质包含与硅金属颗粒的非连续相混合的稀土硅酸盐。
第6.项 第1项的涂层体系，其中所述增强稀土硅酸盐基质包含稀土二硅酸盐。
第7项. 第1项的涂层体系，其中所述增强稀土硅酸盐基质包含稀土单硅酸盐。
第8项. 第1项的涂层体系，其中所述增强稀土硅酸盐基质包含稀土单硅酸盐和稀土二硅酸盐的混合物。
第9项. 第1项的涂层体系，其中所述连接涂层为硅连接涂层。
第10项. 第1项的涂层体系，其中所述第一稀土硅酸盐涂层和所述第二稀土硅酸盐涂层具有基本上相同的组成。
第11项. 一种动叶，其包括：
包含CMC基材并限定叶尖的机翼；其中所述叶尖在其上具有权利要求1的涂层体系。
第12项. 第11项的动叶，其中所述动叶为涡轮动叶，其包括：
限定楔形榫的柄；和
将所述机翼与所述柄分离的平台，
其中所述叶尖在其上具有权利要求1的涂层体系。
第13项. 将牺牲涂层带式沉积在CMC基材上的方法，所述方法包括：
将基质材料施加到膜的表面上，其中所述基质材料包含稀土硅酸盐粉末、烧结助剂和溶剂的混合物；
将所述基质材料干燥以除去所述溶剂；和
将所述干燥的基质材料从所述膜转移到所述CMC基材。
第14项. 第13项的方法，其中所述基质材料还包含多个粗糙颗粒，且其中所述粗糙颗粒包括粗糙BSAS颗粒、硅颗粒或其混合物。
第15项. 第14项的方法，其中所述粗糙颗粒具有约5微米-约100微米的平均粒径。
第16项. 第14项的方法，其中所述粗糙颗粒在干燥之后包含约30%-约65体积%的基质材料，余量为稀土硅酸盐粉末和烧结助剂。
第17项. 第14项的方法，其中所述基质材料还包含有机粘合剂和增塑剂。
第18项. 第17项的方法，其中所述有机粘合剂包含聚乙烯基丁缩醛。
第19项. 第17项的方法，其中所述增塑剂包含邻苯二甲酸二丁基酯或二苯甲酸二丙二醇酯。
参考以下描述和随附权利要求，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。结合到本说明书且构成本说明书的一部分的附图阐述了本发明的实施方案，且与说明书一起用于解释本发明的原理。
附图说明
特别指出认为是本发明的主题且在该说明书的结论部分中明确要求保护。然而，通过结合附图参考以下描述将更好理解本发明，其中：
图1为示意地表示由CMC材料形成的类型的例示性涡轮动叶的透视图；
图2显示位于涡轮动叶的叶尖的例示性涂层体系；和
图3显示在叶尖处图2的例示性涂层体系的横截面图。
在本发明的说明书和附图中重复使用参考字符旨在表示本发明的相同或类似的特征或要素。
具体实施方式
现在将详细提及本发明的实施方案，在附图中阐述本发明的一个或多个实施例。提供各个实施例是为了解释本发明，而不是限制本发明。实际上，本领域技术人员将显而易见的是在不偏离本发明的范围或精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和改变。例如，作为一个实施方案的部分说明或描述的特征可以与另一个实施方案一起使用以进一步产生又一个实施方案。因此，本发明旨在涵盖在随附权利要求和其等价物的范围内进行的这些修改和改变。
在本发明的公开中，除非作出相反明确陈述，否则当一个层描述为在另一个层或基材“上”或“上方”时，应当理解该层可以直接彼此接触或在层之间具有另一个层或特征。因此，这些术语仅仅描述层彼此的相对位置且不必表示“在……顶部”，原因是相对位置高或低取决于设备相对于观察者的定向。
在本发明的公开中使用例如通常在元素周期表上找到的常见的化学缩写来讨论化学元素。例如，氢由其常见的化学缩写H表示；氦由其常见的化学缩写He表示；等。“Ln”是指钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)的稀土元素或其混合物。在具体的实施方案中，Ln选自钕、钆、铒、钇和其混合物。
在文中概括地提供用于CMC叶尖的涂层以及其形成方法。用于CMC叶尖的涂层相对厚、致密且对涡轮发动机环境中的剥落和摩擦具有机械抵抗力。通过连接填充有陶瓷颗粒、烧结助剂、有机粘合剂和增塑剂的带来沉积涂层。
一般以与多个其他较薄层组合提供厚的带式沉积牺牲涂层以在CMC基材上形成EBC。当施加到叶尖时，该牺牲涂层提供在叶尖与护罩接触时可以摩擦掉的厚度。因此，该牺牲涂层在摩擦事件期间的牺牲用于保护EBC的下面层，例如相对薄的连接涂层下层(其继而保护CMC免受氧化)和/或相对薄的稀土二硅酸盐下层(其继而保护CMC免受高温蒸汽渗透)。还应当注意到的是牺牲涂层其本身还可以提供抗高温蒸汽渗透的一些保护。
通常，可以如下描述该整个涂层体系：连接涂层；一个或多个致密稀土硅酸盐层；与铝硅酸钡锶(barium strontium aluminosilicate, BSAS)或硅金属颗粒(在文中还称为“增强稀土二硅酸盐基质”)的非连续相混合的稀土二硅酸盐基质的厚层(至少约8密耳且优选至少约15密耳)；和任选的一个或多个稀土硅酸盐外层。在下文针对文中所提供的具体实施方案更详细描述这些层中的每一个。
图1显示燃气涡轮发动机的例示性涡轮动叶10。动叶10一般表示为适用于安装到航空器燃气涡轮发动机的涡轮段内的盘或转子(未示出)。因此，动叶10表示为包括楔形榫(dovetail)12，该楔形榫12用于通过与在盘的圆周中形成的互补楔形榫插槽互锁将动叶10锚接到涡轮盘。如图1中所示，互锁特征包括被称为柄脚14的突出，柄脚14连接由楔形榫插槽限定的凹处。动叶10还示为具有将机翼18与其上限定楔形榫12的柄15分离的平台16。
动叶10包括布置在平台16对面的叶尖19。因此，叶尖19一般限定动叶10的径向最外部分，且因此，可以构造成位于邻近燃气涡轮发动机的固定护罩(未示出)。如上所述，在使用期间，叶尖19可能接触护罩，引起叶尖19和护罩之间摩擦事件。
在一个具体的实施方案中，叶尖19还可以装备有叶尖护罩(未示出)，其与相同级内的相邻动叶的尖端护罩组合限定动叶周围的带，所述带能够降低动叶振荡并改进气流特征。通过结合密封齿，叶尖护罩还能够通过降低在叶尖和叶尖周围的护罩之间的燃烧气体泄露提高涡轮的效率。
因为其在发动机操作期间直接经受热燃烧气体，机翼18、平台16和叶尖19具有非常苛刻的材料要求。平台16和叶尖19还是涡轮动叶的关键区域，原因是其在涡轮段内形成用于热气通道的内和外流动通道表面。另外，平台16形成密封以防止热燃烧气体与柄20、其楔形榫12和涡轮盘所暴露的较低温度气体混合，且叶尖19经受蠕变，原因是其与叶尖19周围的护罩之间的高应变负荷和磨损相互作用。楔形榫12还为关键区域，原因是其经受由其与楔形榫插槽的接合产生的磨损和高负荷以及由动叶10产生的高离心负荷。
来看图2和3，涂层体系20显示在限定叶尖19的CMC基材24上形成厚EBC 22。在所示的例示性实施方案中，连接涂层26位于CMC基材24的表面25上。第一稀土硅酸盐涂层28a在连接涂层26上且由至少一个稀土硅酸盐层形成。增强稀土二硅酸盐基质的牺牲涂层30位于所述至少一个稀土硅酸盐层28a上。牺牲涂层30具有约4密耳-约40密耳(例如约8密耳-约25密耳，例如约16密耳-约24密耳)的厚度。第二稀土硅酸盐涂层28b在牺牲涂层30上且由至少一个稀土硅酸盐层形成。因此，稀土硅酸盐涂层(统称为28a、28b)包围叶尖19处的牺牲涂层30，如在下文更详细讨论。最后，外层32位于第二稀土硅酸盐涂层28b上。在下文更详细讨论这些层中每一个。
如所述，连接涂层26位于CMC基材24中，且在大多数实施方案中直接与CMC表面25接触。连接涂层一般向下面的CMC材料24提供氧化保护。在一个具体的实施方案中，连接涂层26为硅连接涂层。
第一稀土硅酸盐涂层28a一般提供抗高温蒸汽的密闭度。在一个实施方案中，第一稀土硅酸盐涂层28a由浆料沉积的钇镱二硅酸盐(yttrium ytterbium disilicate, YbYDS)层的至少一个层形成。其他硅酸盐层可以存在于第一稀土硅酸盐涂层28a中，以便提供抗高温蒸汽的密闭度，例如YbDS、LuDS、TmDS、LuYDS、TmYDS等(其中Lu=镥，Tm=铥)，尽管可以使用任何稀土二硅酸盐。
增强稀土硅酸盐基质的牺牲涂层30一般通过将至少一个BSAS增强的稀土硅酸盐层带式沉积到需要的厚度例如约4密耳-约40密耳(例如约8密耳-约25密耳，例如约16密耳-约24密耳)来形成。可以采用多个层以形成需要的厚度的牺牲涂层30。牺牲涂层30一般向EBC 22提供可以在通过叶尖19与发动机中的另一个部件(例如静叶)的摩擦事件中牺牲的厚度。针对牺牲涂层30描述的稀土硅酸盐层可以由稀土二硅酸盐(例如YbYDS)、稀土单硅酸盐或其混合物构成。
牺牲涂层30通过厚带式沉积和烧结方法沉积，由于其很难以在动叶的尖端上通过热喷射技术(由于边缘效应导致剥落)或通过浆料沉积方法(由于其将要求多种应用和热处理来构建合乎需要的厚度)构建厚涂层。根据厚带式沉积方法，使带负载基质材料，例如类似于当前用于稀土二硅酸盐的浆料沉积的基质材料。在该实施方案中，采用稀土二硅酸盐粉末和促进涂层在约2300℉-约2500℉的温度下致密化(与在不存在烧结助剂的情况下约2800℉相比)的烧结助剂的混合物。然而，在该方法中，多个粗糙颗粒(例如BSAS颗粒、硅颗粒或其混合物)也包含在带中，从而其水平为约30%-约65体积%的陶瓷材料，余量为细小稀土硅酸盐粉末和烧结助剂。在一个实施方案中，粗糙颗粒具有约5微米-约100微米的平均粒径。粗糙颗粒的加入帮助克服浆料方法的问题，使在热处理之后获得厚的、无裂纹的层。使用BSAS或硅粗糙颗粒还尤其有助于保持层中的孔隙率低(约20体积%或更少，且在一些实施方案中，少至约10%孔隙率或更少)。其他粗糙颗粒，例如ZrO2，可以产生高于20体积%的孔隙率水平。基质材料还包含有机粘合剂(例如聚乙烯基丁缩醛)和增塑剂(例如邻苯二甲酸二丁基酯或二苯甲酸二丙二醇酯)，使得带具有柔性和粘性以连接到CMC叶尖表面。带由包含所有上述组分以及一种或多种溶剂的浆料形成。浆料可以在具有设置成受控厚度的缝隙的刀片(doctor blade)下流延到膜(例如聚合膜)上。随后通过干燥除去溶剂，产生带。在某些实施方案中，干燥温度为约15℃-约50℃，且可以在室温(例如约20℃-约25℃)下干燥。干燥可以以任何合适的持续时间(例如约30分钟-约50小时)实施。因此，带方法的另一个优点为在带连接到叶尖之后不存在干燥过程，而干燥过程导致改变厚尖端的几何形状的干燥缺陷。
可以通过任何合适的方法将带转移到CMC基材。例如可以通过结合带的粘性施加压力或通过结合高温施加压力以使带稍微流到叶尖表面的粗糙处中来将带转移到CMC基材。在这些方法的任一个中，将溶剂另外施加到带表面可以提高其粘性。在一个具体的实施方案中，这些方法可以与浆料(例如稀土二硅酸盐和烧结助剂但无BSAS颗粒)加入一起使用。浆料的加入会在烧结期间形成稳健的连接。
在具体的实施方案中，可以进行多个带转移以将所得的牺牲涂层30构建成需要的厚度。
第二稀土硅酸盐涂层28b还提供抗高温蒸汽的密闭度。在一个实施方案中，第二稀土硅酸盐涂层2b由浆料沉积的钇镱二硅酸盐(YbYDS)层的至少一个层形成。其他硅酸盐层可以存在于第二稀土硅酸盐涂层28b(类似于上述针对第一稀土硅酸盐涂层28a的那些)中，以便提供抗高温蒸汽的密闭度。
在一个具体的实施方案中，第一稀土硅酸盐涂层28a和第二稀土硅酸盐涂层28b在组成方面上基本相同。来看图2，第一稀土硅酸盐涂层28a和第二稀土硅酸盐涂层28b为相同稀土硅酸盐涂层28的延伸，只不过其分别定位于包围叶尖19处的牺牲涂层30。如所示，分离点29用于将稀土硅酸盐涂层28分成围绕牺牲涂层30定位的第一稀土硅酸盐涂层28a和第二稀土硅酸盐涂层28b。在该实施方案中，牺牲涂层30完全包围在第一稀土硅酸盐涂层28a和第二稀土硅酸盐涂层28b内，以便形成抗高温蒸汽的气密密封。另外，第二稀土硅酸盐涂层28b可以为下面的牺牲涂层30(例如由BSAS增强的YbYDS层形成)提供另外的机械稳定性。
第一稀土硅酸盐涂层28a和第二稀土硅酸盐涂层28b两者可以通过浆料沉积形成。在一个实施方案中，沉积第一稀土硅酸盐涂层28a，随后在所需要的位置中进行牺牲涂层30的带式沉积。随后，可以将第二稀土硅酸盐涂层28b沉积(例如通过浆料沉积)到牺牲涂层30和暴露的第一稀土硅酸盐涂层28a上。在不存在牺牲涂层30的地方(例如在前缘、动叶表面、后缘等)，将第二稀土硅酸盐涂层28b与第一稀土硅酸盐涂层28a合并以便形成稀土硅酸盐涂层28的单层。
最后，外层位于第二稀土硅酸盐涂层上。在一个实施方案中，外层包含至少一个浆料沉积的钇单硅酸盐(yttrium monosilicate, YMS)层。外层提供抗蒸汽衰退和熔融灰尘的保护。在外涂层内可以使用非稀土硅酸盐的材料，例如稀土铪酸盐、稀土锆酸盐、稀土镓酸盐(例如单斜晶系型，例如Ln4Ga2O9)、稀土单钛酸盐(例如Ln2TiO5)、稀土铈酸盐(例如Ln2CeO5)、稀土锗酸盐(例如Ln2GeO5)或其混合物。然而，与稀土硅酸盐相比，所有这些材料具有相对高的热膨胀系数(coeffiecient of thermal expansion, CTE)。因此，优选稀土单硅酸盐。二氧化铪、稀土稳定的二氧化铪和稀土稳定的氧化锆而不是CMAS提供抗蒸汽衰退的保护，且还具有比稀土单硅酸盐更高的CTE。
除了叶尖19上的厚涂层之外，EBC 20还可以用作备选方法以在其他部件或CMC部件的区域上(例如在护罩上等)获得厚EBC涂层。
虽然本发明对一个或多个具体实施方案进行描述，显而易见的是本领域技术人员可以采用其他形式。应当理解结合文中所述的涂层组成使用的“包含(comprising)”具体公开和包括其中所述涂层组合物基本上由所指定的组分组成(即包含所指定的组分且不包含明显不良地影响公开的基本和新颖的特征的其他组分)的实施方案，和其中所述涂层组合物由所指定的组分组成(即除了天然且不可避免存在于各种指定组分中的污染物之外，只包含所指定的组分)的实施方案。
该书面说明书使用实施例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够实施本发明，包括制备和使用任何设备或系统并进行任何结合方法。本发明的专利范围通过权利要求限定，且可以包括本领域技术人员想到的其他实施例。这些其他实施例旨在权利要求的范围内，如果其包括不与权利要求的书面语言不同的结构要素，或如果其包括具有与权利要求的书面语言无实质性区别的等价结构要素。

Claims (10)

1. CMC基材上的涂层体系，所述涂层体系包括：
所述CMC基材表面上的连接涂层；
所述连接涂层上的第一稀土硅酸盐涂层，其中所述第一稀土硅酸盐涂层包含至少一个稀土硅酸盐层；
所述至少一个稀土硅酸盐层上的增强稀土硅酸盐基质的牺牲涂层，其中所述牺牲涂层具有约4密耳-约40密耳的厚度；
所述牺牲涂层上的第二稀土硅酸盐涂层，其中所述第二稀土硅酸盐涂层包含至少一个稀土硅酸盐层；和
所述第二稀土硅酸盐涂层上的外层。
2. 权利要求1的涂层体系，其中所述牺牲涂层具有约8密耳-约25密耳的厚度。
3. 权利要求1的涂层体系，其中所述牺牲涂层具有约16密耳-约24密耳的厚度。
4. 权利要求1的涂层体系，其中所述增强稀土硅酸盐基质包含与铝硅酸钡锶的非连续相混合的稀土硅酸盐。
5. 权利要求1的涂层体系，其中所述增强稀土硅酸盐基质包含与硅金属颗粒的非连续相混合的稀土硅酸盐。
6. 权利要求1的涂层体系，其中所述增强稀土硅酸盐基质包含稀土二硅酸盐。
7. 权利要求1的涂层体系，其中所述增强稀土硅酸盐基质包含稀土单硅酸盐。
8. 权利要求1的涂层体系，其中所述增强稀土硅酸盐基质包含稀土单硅酸盐和稀土二硅酸盐的混合物。
9. 权利要求1的涂层体系，其中所述连接涂层为硅连接涂层。
10. 权利要求1的涂层体系，其中所述第一稀土硅酸盐涂层和所述第二稀土硅酸盐涂层具有基本上相同的组成。
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