CN106715362A - 包括环境阻隔涂层的物品 - Google Patents

Abstract

一种物品，其包括：基底，设置在基底上的大致气密性的密封层，以及设置在基底上在密封层与基底之间的多孔过渡层。该物品还包括经由基底延伸至多孔过渡层的一个或多个开口。

Description

包括环境阻隔涂层的物品

技术领域

本发明涉及包括环境阻隔涂层(EBC)的物品，例如，高温机器零件。更具体而言，本发明涉及涂层系统和包括其来保护机器零件免于暴露于高温环境的物品。本发明还涉及一种用于制作和保护物品的方法。

背景技术

高温材料(诸如例如，陶瓷、合金和金属间化合物)提供吸引人的性质来用于设计成在应用(诸如例如，燃气涡轮发动机、换热器和内燃机)中的高温下服务的结构。然而，这些应用的环境特征通常包含反应性种类(如，水蒸气)，其在高温下可引起材料结构的显著退化。例如，水蒸气示为引起载硅材料中的显著表面凹入和质量损失。水蒸气在高温下与结构材料反应，以形成可挥发的含硅种类，这通常导致不可接受的高凹入率。

环境阻隔涂层(EBC)施加到载硅材料和易于由反应种类(如，高温水蒸气)冲击的其它材料。EBC通过阻止环境与材料表面之间的接触来提供保护。例如，施加到载硅材料上的EBC设计成在高温含水蒸气的环境中相对化学稳定。如美国专利第6, 410, 148号中所述，一个示例性常规EBC系统包括施加到载硅基底上的硅或二氧化硅连结层；包括沉积在连结层上的多铝红柱石或多铝红柱石碱土铝硅酸盐混合物的中间层；以及包括沉积在中间层上的碱土铝硅酸盐的顶层。在另一个实例美国专利第6, 296, 941号中，顶层为硅酸钇层，而非铝硅酸盐。美国专利第6, 299, 988号和美国公开案第2011/0052925号也描述了EBC。

发明内容

以上涂层系统可在需要的环境中提供对物品的适合的保护，但存在改善涂层性能的机会。EBC中的不同材料的实施提供了用于扩展系列的应用和环境的机会，但不同材料的使用还可导致新的技术问题，这可不利地影响EBC和/或包括EBC的物品的完整性。

因此，所需的是由改善的涂层系统保护的物品，其提供扩展应用中的效用，而不牺牲EBC和/或物品的完整性。还需要经济地且可重复生产地生产这些物品的方法。

在一方面，本发明提供了一种物品，其包括基底、设置在基底上的大致气密性的密封层，以及设置在基底上在密封层与基底之间的多孔过渡层，其中该物品包括经由基底延伸穿过多孔过渡层的一个或多个开口。

在第二方面，本发明提供了一种用于制作物品的方法。该方法包括：将连结涂层设置在基底上，将多孔过渡层设置在连结涂层上，将密封层设置在多孔过渡层上，其中密封层包括稀土硅酸盐或碱土铝硅酸盐，以及形成一个或多个开口，开口经由基底和连结涂层延伸至多孔过渡层。在不包括连结涂层的实施例中，该方法不包括将连结涂层设置在基底上。

在一些实施例中，该方法还包括：将中间层设置在多孔过渡层上，中间层包括相对于二氧化硅大致惰性的阻隔材料，以及可选将顶部涂层设置在密封层上。

附图说明

在参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些及其它特征、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为本发明的一个示例性实施例的示意性截面图。

图2为本发明的另一个示例性实施例的简化示意性截面图。

具体实施方式

如本文中使用的那样，可在本文中称为"密封层"的大致气密性的密封层是指可防止环境中的气体从涂布侧接近基底的层/涂层或多个层/涂层。如本文使用的用语"大致气密性"意思是涂层具有低于大约2x10^-14cm²(大约2x10^-6Darcy)的气体透过率，这是常用测量技术的检测极限。在一些非限制性实施例中，密封层包括能够在处于或高于涂层的散料的熔化温度以下的已知温度("密封温度")下形成可流动相(如，液相或玻璃相)的材料("密封材料")。该液相或玻璃相在适于允许可流动相流入且至少部分地填充缺陷(如裂纹或孔隙)的密封温度下具有一定粘性，从而加强了涂层阻挡不利的种类从外部环境移入基底中的能力。例如，美国公开案第2011/0052925号中描述了可用于本发明的非限制性密封层的实例。

图1绘出了本发明的示例性物品200。在该特定实施例中，密封层210设置在基底202上。基底202可由任何适合的材料制成，如，陶瓷、金属合金或金属间材料。在一些实施例中，基底包括陶瓷，例如，氧化物、氮化物或碳化物。基底202可包括含硅的材料，如，氮化硅、二硅化钼或碳化硅。在某些实施例中，该材料为陶瓷基质复合材料，如，由基质相和增强相制成的材料；在特定实施例中，基质相和增强相包括碳化硅(SiC)。在某些实施例中，物品200为燃气轮机组件的构件，诸如例如，燃烧衬套、过渡件、护罩、导叶或叶片。在一些实施例中，密封层保护基底202免于暴露于高温下的水蒸气的能力可有利于其应用于载硅的涡轮构件。将理解的是，尽管本发明的实施例的应用可参照载硅基底上的应用描述为用于保护免受水蒸气的冲击，但此引用是示例性的，且本发明的实施例包括除载硅材料之外的基底材料。

在一些实施例中，连结涂层204设置在基底202上，在密封层210与基底202之间。例如，连结涂层204可用于减轻热应力，或阻止例如基底202与密封层210之间的化学反应。在一些实施例中，连结涂层204是非氧化物层，其用作阻止和/或防止基底的氧化的吸氧剂。

在一些实施例中，诸如例如，在基底202为载硅材料的情况下，连结涂层204可包括硅。例如，在一些实施例中，连结涂层204包括元素硅或硅化物。在一些实施例中，连结涂层204包括碳化硅和/或氮化硅。在一些实施例中，连结涂层204包括碳化物、氮化物和/或硅化物。

在各种应用中，用于基底(例如，基于碳化硅的陶瓷基质复合物)的物品(例如，包括环境阻隔涂层(EBC)的物品)使用硅作为连结涂层(即，硅连结涂层)。然而，这可将例如EBC/CMC系统的温度应用限于低于硅的熔点。因此，在一些实施例中，连结涂层包括比硅更耐高温的材料。此实施例提供的效用在于，它们允许物品(例如，例如在热区段部分上使用陶瓷基质复合物(CMC)的涡轮)受益于较高的焚烧温度。

用于耐高温连结涂层的许多潜在选择在氧化时生成了气态反应产物。例如，碳化物氧化来释放一氧化碳或二氧化碳，氮化物氧化来释放氮气，且一些硅化物氧化来释放金属氧化物，其在一些情况下可为气态。这些气态反应产物引起传统EBC中的剥落，因为它们包括气密性层，且因此不允许这些气态产物的穿透。结果，气泡累积在气密层下方，这在一定时间内导致EBC的剥落。因此，尽管扩展的非硅连结涂层提供了优点(如，扩展的温度应用)，但它们还可引入新问题，如，气态反应产物引起的气泡造成的潜在物品剥落，从而需要新的EBC/CMC设计。

本发明尤其通过包括设置在基底202上在密封层210与基底202之间的多孔过渡层208和通过包括经由基底202延伸至多孔过渡层208的一个或多个开口212解决了其它反应产物引起的气泡造成的剥落问题。如图1中所示的实施例中，在连结涂层204存在的情况下，一个或多个开口212还延伸穿过连结涂层。

多孔过渡层208的孔隙度允许了气态反应产物的再分布。多孔过渡层包括氧化物或非氧化物陶瓷或它们的组合，其与基底和密封层在热和化学上相容。例如，在基底由基于碳化硅的CMC构成且多孔层旁边的密封层内的构件由稀土硅酸盐构成的情况中，一些实施例中的多孔层可为稀土硅酸盐。在另一个实施例中，其可为碳化硅。本领域的普通技术人员将容易认识到，多孔过渡层的期望孔隙度可取决于本发明的物品的预期应用和物品中使用的其它材料的性质来改变(例如，取决于连结涂层的性质，在存在的情况下)。尽管多孔过渡层可具有实现层的预期目的的任何孔隙度，但在一些实施例中多孔过渡层具有10%到90%的孔隙度(例如，10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%,75%, 80%, 85%或90%)，包括任何和所有范围和其中的子范围(例如，15%到85%，12%到75%等)，优选20%到50%。在一些实施例中，多孔过渡层将具有指定的且可选的预定的平均孔隙直径，其也可取决于本发明的物品的应用和性质改变。在一些实施例中，多孔过渡层具有0.1μm到100μm的平均孔隙直径(例如，0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9,1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80,85, 90, 95或100μm)，包括任何和所有范围和其中的子范围(例如，0.1到20μm、0.1到15μm，等)。

如上文所述的多孔层的化学成分和物理特征在物品的使用期间经历变化，且因此可转移出上文指定的范围。例如，烧结和粗化可发生，这导致减小的孔隙度和增大的孔隙直径。在碳化硅用于形成多孔层的情况中，氧化将该层部分地或完全地转化成基于二氧化硅的层。用于制作多孔层的材料可以以其纯净形式施加，或与第二相混合，或作为具有少量掺杂剂的合金，以根据特定应用要求来加强层的性质。

物品200包括开口212，其经由基底202延伸至多孔过渡层208。开口212用作气态种类的散逸孔，其首先经由多孔过渡层208再分配。开口212可以以任何期望或技术/可接受的方式产生。例如，在一些实施例中，开口212通过钻穿多孔过渡层208之前的层来产生(例如，钻穿基底202和连结涂层204)。在一些实施例中，开口212延伸到多孔过渡层208中。一个或多个开口212可具有等同或不同的直径，且直径可取决于物品的性质和应用来选择。在一些实施例中，一个或多个开口具有1到1000μm的平均直径(例如，1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8,9, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700,800, 900或1000μm)，包括任何和所有范围和其中的子范围(例如，1到20μm，20到40μm等)。尽管上文提到了平均直径，但开口的截面可为任何形状，包括但不限于圆形、椭圆形、正方形、矩形、三角形或任何其它规则或不规则的几何形状。开口之间的间距可为周期性或随机的，且可取决于应用要求而为从10μm到100mm的范围。在纵向上，开口可穿过基底和涂层为直的或曲折的。

例如，在连结涂层氧化时，气态产物经由多孔过渡层208传导至开口212，气态产物从开口212散逸。

图2绘出了本发明的另一个示例性物品300。在这个特定实施例中，物品包括基底腔214，且开口212进入腔214中。在一些实施例中(未示出)，腔214为开口室，其可选压力等于外部环境(例如，燃烧环境)，且可选由干空气的通流保护。在其它实施例中(例如，图2中所示的实施例中)，腔214为独立的封闭室，其与外部(例如，燃烧)环境隔离开。在此实施例中，在长时间使用时，生成气体的反应(例如，氧化)可引起腔214内的气体压力累积，这可升高到可威胁物品和/或EBC完整性的水平。在此情况中，来自腔214的气体的定期放出是期望的，且可通过可选的通风口216实现。在一些实施例中，通风口216为受控的阀，或允许热膨胀的密封件，其在高温下闭合且在低温下开启，使得例如腔214内的压力可在使用周期期间释放。

在一些实施例中，中间层(未示出)可设置在密封层210与连结涂层204之间(例如，在密封层210与多孔过渡层208之间，或在多孔过渡层208与连结涂层204之间)。在一些实施例中，连结涂层204包括硅或二氧化硅，且中间层包括阻隔材料，其相对于二氧化硅大致惰性，以促进涂层系统中的化学稳定性。"大致惰性"意思是氧化硅与隔层材料之间仅存在最多附带相互作用(可溶性或反应性)。稀土二硅酸盐(如钇、镱、镏、钪和其它稀土元素的二硅酸盐)是适合的阻隔材料的非限制性实例。

如图1中所示，在一些实施例中，顶部涂层206设置在密封层210上。顶部涂层206可用于提供绝热(热障涂层)、环境保护(环境阻隔涂层)或这些功能的组合。适合的顶部涂层材料的选择将取决于物品经历的环境的类型，下覆涂层和基底的成分、处理的成本和本领域中已知的其它因素。在一些实施例中，顶部涂层206为陶瓷材料。许多类别的陶瓷材料可用作热和/或环境阻隔涂层；这些材料包括但不限于硅酸盐、铝硅酸盐和氧化钇稳定的氧化锆。在某些实施例中，顶部涂层206包含稀土单硅酸盐和/或稀土二硅酸盐；在特定实施例中，顶部涂层206为双层涂层，具有稀土单硅酸盐的外层和稀土二硅酸盐的内层。与这些单硅酸盐和二硅酸盐材料相关联的稀土元素在一些实施例中可包括钇、镱、镏和钪中的一种或多种。特定的实例为外层为单硅酸钇，且内层为稀土二硅酸盐(诸如例如，二硅酸钇)。

上文所述的各种涂层中的任何一个的厚度大体上选择成在给定使用时间内提供足够的保护，同时将热应力保持在可忍受的水平。此外，涂层厚度还可由选择的涂布方法在沉积区域上产生连续层的能力来确定。各种涂层的近似厚度范围的非限制性实例包括以下：对于密封层，从大约25微米到大约1000微米；对于多孔过渡层，从大于25微米到大约1000微米；对于连结涂层，从大约25微米到大约200微米；对于中间层，从大约50微米到大约100微米；对于顶部连结涂层，从大约50微米到大约500微米。对于上文所述的双层顶部涂层的实施例，单硅酸钇外层在某些实施例中可从大约25微米到大约50微米。

上文所述的涂层可使用涂层技术来沉积，这可导致大量开裂和内部开放孔隙度。等离子喷涂技术和基于浆料的涂布过程是生成具有此特征的涂层的涂布方法的实例。在此情况下，密封层的存在用于较大地提高气密性，且因此涂层的保护效力。此外，在一些实施例中，密封层可在密封裂纹或可发生在处理之后的对涂层的其它破坏中有效，包括例如在构件的安装或构件的使用期间产生的破坏。

为了触发密封层的可选的自密封性质，密封层可加热至密封温度(上文所述)，在此温度下，密封层的至少一部分将流动；可流动的部分因此移入裂纹和孔隙中，且在固结时，密封将在其它情况下用于不利种类(如水蒸气)从环境进入基底的通路的这些缺陷。取决于涂层的性质、处理的经济性和其它因素，加热步骤可直接在沉积密封层之后，在所有涂层沉积之后但在将完成的物品投入使用之前，或甚至在其使用期间(如果允许使用温度足够高)执行。

密封温度在有效时间内保持，以允许可流动材料到达且至少部分地填充或另外密封缺陷的时间。实现其所需的时间长度大体上基于待密封的缺陷的数目和性质以及密封层中可用的可流动材料量而选择。在一个实施例中，密封层在大约30分钟到大约10小时的范围的时间内加热至大约950摄氏度到大约1350摄氏度的范围中的密封温度；在特定实施例中，该时间在大约30分钟到大约4小时的范围中。在一些实施例中，温度在从大约30分钟到大约4小时的范围的时间内在从大约950摄氏度到大约1050摄氏度的范围中，而在其它实施例中，温度在大约30分钟到大约4小时的范围中在大约1250摄氏度到大约1350摄氏度。密封该涂层的加热步骤可在空气、真空、惰性气氛或其它环境中执行，这至少部分地取决于加热的材料的要求(即，基底和其它涂层，如果存在)。

应用于沉积多孔层的方法选择成符合如上文所述的几何要求。在一些实施例中，层由热喷涂在选择成针对特定孔隙度的参数下施加，如，控制喷枪能量、平衡距离和粉末进料的颗粒尺寸。在其它实施例中，牺牲相加至粉末进料来提高孔隙度。例如，有机颗粒如但不限于聚苯乙烯颗粒在涂布过程期间加至粉末进料，这可在随后的步骤期间烧光，且在涂层中留下孔隙。在另一个实例中，可溶盐加入且随后溶解来生成孔隙。在又一个实例中，玻璃颗粒可加入粉末进料，在施加层之后，玻璃相通过将部件浸入氢氟酸溶液来滤除，以留下多孔结构。在又一个实例中，玻璃层沉积，且然后后续热处理应用于导致玻璃的局部结晶或相分离，随后涂层浸入酸溶液中，以滤除一个相且留下多孔结构。

相似的技术可应用于浆料涂层，其中控制参数来便于部分烧结，或牺牲相的另外使用可用于达成包含适当的孔隙度的结构。部分烧结可通过低温下紧凑的粗颗粒的固相或液体烧结，或使用粘结剂来便于以最小体积收缩变窄或多峰粉末混合物的烧结来达成。如上文所述的牺牲相可为有机或含碳相，或可侵蚀掉的可溶盐或玻璃相。大体上，制作多孔陶瓷的本领域的技术人员已知的任何技术都可应用于本发明。

本说明书中引用的所有公开案和专利参考文献都在此通过引用并入本文中，如同各个独立公开案具体且独立指出来通过引用而如其完整阐释那样。

通过引用并入的主题不认作是任何权利要求限制的备选方案，除非另外明确指出。

在本说明书中各处提到一个或多个范围的情况下，各个范围均旨在为简化格式来呈现信息，其中范围理解为涵盖如同其完全在本文中阐释的范围内的各个离散点。

将理解的是，以上描述旨在为示范性而非限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可与彼此组合使用。此外，可制作出许多改型来使特定情形或材料适于各种实施例的教导内容，而不脱离其范围。尽管本文所述的材料的大小和类型旨在限定各种实施例的参数，但它们绝不是限制性的，且仅为示例性的。本领域的技术人员在查阅以上描述时将清楚许多其它实施例。因此，各种实施例的范围应当参照所附权利要求连同此权利要求所述的等同方案的完整范围确定。在所附权利要求中，用语"包括(including)"和"其中(in which)"用作相应用语"包括(comprising)"和"其中(wherein)"的通俗英文同义词。此外，在以下权利要求中，用语"第一"、"第二"和"第三"等至用作标记，且不旨在对其对象施加数字要求。此外，以下权利要求的限制并未以装置加功能的格式撰写，且不旨在基于35 U.S.C.§112的第六段理解，除非且直到此权利要求限制明确地使用短语"装置"后接没有另一个结构的功能的声明。将理解的是，本文所述的所有此类目的或优点不一定可根据任何特定实施例实现。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。

尽管仅结合了有限数目的实施例详细描述本发明，但应当理解的是，本发明不限于此公开实施例。相反，本发明可改变以结合迄今未描述的但与本发明的精神和范围相当的任何数目的变型、改型、置换或等同布置。此外，尽管已经描述了本发明的各种实施例，但将理解的是，本公开内容的方面可仅包括一些所述实施例。因此，本发明未看作前述描述限制，但仅由所附权利要求的范围限制。

本书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实施例具有并非不同于权利要求的书面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构元件，则期望此类其它实例在权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种物品，包括：

基底；

设置在所述基底上的大致气密性密封层；以及

设置在所述基底上在所述密封层与所述基底之间的多孔过渡层，

其中，所述物品包括经由所述基底延伸至所述多孔过渡层的一个或多个开口。

2.根据权利要求1所述的物品，其特征在于，所述物品还包括设置在所述基底上的连结涂层，所述多孔过渡层设置在所述密封层与所述连结涂层之间。

3.根据权利要求2所述的物品，其特征在于，所述基底包括陶瓷基质复合材料。

4.根据权利要求3所述的物品，其特征在于，所述基底包括碳化硅(SiC)。

5.根据权利要求3所述的物品，其特征在于，所述复合物包括基质相和增强相，且所述基质相和所述增强相包括碳化硅。

6.根据权利要求1所述的物品，其特征在于，所述连结涂层包括碳化硅和/或氮化硅。

7.根据权利要求2所述的物品，其特征在于，所述密封层包括稀土硅酸盐和/或碱土铝硅酸盐。

8.根据权利要求2所述的物品，其特征在于，所述多孔过渡层包括稀土硅酸盐和/或碳化硅。

9.根据权利要求2所述的物品，其特征在于，所述多孔过渡层具有10%到90%的孔隙度。

10.根据权利要求2所述的物品，其特征在于，所述多孔过渡层具有0.1到100μm的平均孔隙直径。

11.根据权利要求2所述的物品，其特征在于，所述一个或多个开口具有1到1000μm的平均直径。

12.根据权利要求2所述的物品，其特征在于，所述物品包括基底腔，且所述一个或多个开口通向所述腔。

13.根据权利要求2所述的物品，其特征在于，所述物品还包括设置在所述密封层上的顶部涂层。

14.根据权利要求13所述的物品，其特征在于，所述顶部涂层包括选自由硅酸盐、铝酸盐和氧化钇稳定的氧化锆构成的群组的陶瓷材料。

15.根据权利要求13所述的物品，其特征在于，所述顶部涂层包括稀土单硅酸盐、稀土二硅酸盐或它们的组合。

16.根据权利要求2所述的物品，其特征在于，所述物品还包括设置在所述密封层与所述多孔过渡层之间的中间层，所述中间层包括相对于二氧化硅大致惰性的阻隔材料。

17.根据权利要求16所述的物品，其特征在于，所述阻隔材料包括稀土二硅酸盐。

18.根据权利要求17所述的物品，其特征在于，所述阻隔材料包括二硅酸钇。

19.根据权利要求1所述的物品，其特征在于，所述物品包括燃气轮机组件的构件。

20.一种用于制作物品的方法，所述方法包括：

将连结涂层设置在基底上；

将多孔过渡层设置在所述连结涂层上；

将密封层设置在所述多孔过渡层上，其中所述密封层包括稀土硅酸盐或碱土铝硅酸盐；以及

形成一个或多个开口，所述开口经由所述基底和连结涂层延伸至所述多孔过渡层。

21. 根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述基底和所述连结涂层包括碳化硅，所述方法还包括：

将中间层设置在所述多孔过渡层上，所述中间层包括相对于二氧化硅大致惰性的阻隔材料；以及

将顶部涂层设置在所述密封层上。