CN107428623A - 用于陶瓷衬底的热和环境障壁涂层 - Google Patents

用于陶瓷衬底的热和环境障壁涂层 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种由烧结在一起的陶瓷中空微球组成的热和环境障壁涂层。在一个实施例中，所述微球与充当粘合剂的另一材料的粉末一起烧结，或与可与所述中空微球的材料相同的材料的粉末一起烧结，形成在里面嵌入所述中空微球的基质。所述中空微球可由具有高温性能且具有低热膨胀系数的材料组成。

Description

用于陶瓷衬底的热和环境障壁涂层
技术领域
以下描述涉及用于提供热保护的系统，且更确切地说，涉及含有陶瓷中空微球的热障壁涂层。
背景技术
与高温气体相互作用的机械结构，如喷射发动机排气系统、高超音速飞机的外表面和炉衬可由提供强度的金属组件组成，且涂有例如陶瓷涂层以提供热保护，预防金属组件通过加热而弱化。在此类应用中，具有低导热性的涂层可为合意的，以减少向金属组件中的热流动。
某些相关技术陶瓷涂层，如7重量％氧化钇稳定化氧化锆热障壁涂层(TBCs)在室温下的导热性在0.8-1.6W/mK(瓦/米-开尔文)的范围内。此类涂层可使用等离子喷涂处理工艺或电子束物理气相沉积处理工艺涂覆，其可导致10-20％的孔隙率。较低导热性将为有益的。相关技术TBCs聚焦于保护金属组件，但由于其不同热膨胀系数而不与陶瓷组件很好地相容。
因此，需要对于暴露于高温气体的陶瓷组件提供改进的热和环境保护的系统和方法。
发明内容
本发明的实施例的各方面涉及由烧结在一起的陶瓷中空微球组成的热和环境障壁涂层。在一个实施例中，微球与充当粘合剂的另一材料的粉末一起烧结，或与可与中空微球的材料相同的材料的粉末一起烧结，形成在里面嵌入中空微球的基质。热和环境障壁涂层可由于包括中空微球而具有低导电性，并且可由具有高温性能且具有低热膨胀系数(与陶瓷衬底类似)的材料组成。
根据本发明的一个实施例，提供一种物品，其包括：陶瓷衬底，和覆盖陶瓷衬底的表面的热障壁涂层，所述热障壁涂层具有：至少60％的空隙体积分率且空隙体积的主要部分为封闭气孔，热障壁涂层包括多个中空粒子作为主要组分，多个中空粒子中的每一个包括第一材料作为主要组分，多个中空粒子中的每一个具有：小于约1毫米(mm)且大于约5微米的最大内部尺寸，和小于最大内部尺寸的约1/10的最大壁厚度。
在一个实施例中，大部分的多个中空粒子中的每一个具有选自由以下组成的群组的形状：椭球形、杆状、立方体、球体和其组合。
在一个实施例中，大部分的多个中空粒子中的每一个具有直径为小于约1毫米(mm)且大于约5微米的基本上圆形截面。
在一个实施例中，物品包括不同于第一材料的第二材料作为主要组分。
在一个实施例中，多个中空粒子烧结在一起。
在一个实施例中，物品包括陶瓷衬底与热障壁涂层之间的粘合涂层。
在一个实施例中，粘合涂层包括选自由以下组成的群组的材料作为主要组分：SiO2、Al2O3、B2O3和其组合。
在一个实施例中，物品包括覆盖热障壁涂层的表面的一部分的罩盖层，罩盖层具有小于10％的孔隙率和小于热障壁涂层的厚度的约1/10的厚度。
在一个实施例中，物品包括选自由以下组成的群组的物质作为主要组分：二氧化硅、氧化铝、碳氧化硅和其组合；包括纤维的陶瓷基质复合物，纤维包括选自由以下组成的群组的物质作为主要组分：SiC、Si3N4、C、Al2O3、Al6Si2O13和其组合；以及其组合。
在一个实施例中，物品包括二氧化硅作为主要组分。
在一个实施例中，物品包括第二材料作为主要组分，第二材料与第一材料相同。
在一个实施例中，物品包括不同于第一材料的第二材料作为主要组分。
在一个实施例中，第一材料选自由以下组成的群组：稀土硅酸盐、稀土铝酸盐、稀土没食子酸盐、锆酸盐钙钛矿、钛酸铪、钛酸锆、单斜晶氧化铪、钽酸钪、铝硅酸盐玻璃、铝硅酸盐莫来石、碳氧化硅玻璃、硅酸锆、铝酸镁尖晶石、铝酸锌尖晶石、磷酸铝、堇青石、铝酸钙、氮氧化硅铝和其组合。
在一个实施例中，第一材料选自由以下组成的群组：二硅酸钇、单斜晶稀土铝酸盐、稀土没食子酸盐、二铝酸钙和其组合。
在一个实施例中，第二材料选自由以下组成的群组：稀土硅酸盐、稀土铝酸盐、稀土没食子酸盐、锆酸盐钙钛矿、钛酸铪、钛酸锆、单斜晶氧化铪、钽酸钪、铝硅酸盐、莫来石、碳氧化硅、锆石、铝酸镁尖晶石、磷酸铝和其组合。
根据本发明的一个实施例，提供包括多个中空粒子作为主要组分的热和环境屏障材料，多个中空粒子中的每一个包括第一材料作为主要组分，多个中空粒子中的每一个具有：小于约1毫米(mm)且大于约5微米的最大内部尺寸，和小于最大内部尺寸的约1/10的最大壁厚度，第一材料选自以下组成的群组：稀土硅酸盐、稀土铝酸盐、稀土没食子酸盐、锆酸盐钙钛矿、钛酸铪、钛酸锆、单斜晶氧化铪、钽酸钪、铝硅酸盐玻璃、碳氧化硅、锆石、铝酸镁尖晶石、磷酸铝和其组合。
在一个实施例中，大部分的多个中空粒子中的每一个具有选自由以下组成的群组的形状：椭球形、杆状、立方体、球体和其组合。
在一个实施例中，材料包括不同于第一材料的第二材料作为主要组分。
在一个实施例中，材料包括不同于第一材料的第二材料作为主要组分。
在一个实施例中，多个中空粒子的粒子烧结在一起。
根据本发明的一个实施例，提供一种形成物品的方法，所述方法包括：接收陶瓷衬底；在陶瓷衬底上形成热障壁涂层，所述热障壁涂层包括多个中空粒子作为主要组分，多个中空粒子中的每一个包括第一材料作为主要组分，第一材料选自由以下组成的群组：稀土硅酸盐、稀土铝酸盐、稀土没食子酸盐、锆酸盐钙钛矿、钛酸铪、钛酸锆、单斜晶氧化铪、钽酸钪、铝硅酸盐玻璃、碳氧化硅、锆石、铝酸镁尖晶石、磷酸铝和其组合。
在一个实施例中，方法包括不同于第一材料的第二材料作为主要组分。
在一个实施例中，在陶瓷衬底上形成热障壁涂层包括：通过选自由以下组成的群组的处理工艺将多个中空粒子涂覆到衬底：涂刷、喷涂、浸渍、流延成型、刀片刮抹和其组合；和将多个中空粒子的中空粒子烧结在一起。
在一个实施例中，形成热障壁涂层包括通过选择具有适合的热膨胀系数的第一材料而调节热障壁涂层的热膨胀系数。
附图说明
本发明的这些和其它特征以及优点将参看本说明书、权利要求书和附图而理解和了解，在附图中：
图1A为根据本发明的一个实施例的由金属子结构上的陶瓷泡沫材料组成的陶瓷衬底上的热障壁涂层的层示意图；
图1B为根据本发明的一个实施例的由陶瓷泡沫材料组成的陶瓷衬底上的热障壁涂层的层示意图；
图1C为根据本发明的一个实施例的由陶瓷基质复合物组成的陶瓷衬底上的热障壁涂层的层示意图；
图1D为根据本发明的一个实施例的热障壁涂层的层示意图；
图1E为图1D的热障壁涂层的一部分的放大图，其显示根据本发明的一个实施例的热障壁涂层的结构；
图2A为根据本发明的一个实施例的烧结在一起的中空微球的截面图示；
图2B为根据本发明的一个实施例的与粘合剂一起烧结的中空微球的截面图示；
图2C为根据本发明的一个实施例的在基质中烧结在一起的中空微球的截面图示；
图3A为根据本发明的一个实施例的烧结在一起的中空微球的扫描电子显微照片；
图3B为根据本发明的一个实施例的与粘合剂一起烧结的中空微球的扫描电子显微照片；
图3C为根据本发明的一个实施例的在基质中烧结在一起的中空微球的扫描电子显微照片；
图4为根据本发明的一个实施例的若干材料的导热性的图示；
图5A为根据本发明的一个实施例的具有中间粘合层的陶瓷衬底上的热障壁涂层的层示意图；
图5B为根据本发明的一个实施例的陶瓷衬底上的热障壁涂层的层示意图，所述热障壁涂层上具有罩盖层；且
图5C为图5B的一部分的放大视图，其显示根据本发明的一个实施例的热障壁涂层和热障壁涂层上的罩盖层。
具体实施方式
与附图有关的阐述于下文的详细描述意图作为根据本发明提供的用于陶瓷衬底的热和环境障壁涂层的示例性实施例的描述且不意图表示可构建或利用本发明的唯一形式。所述描述阐述与所说明实施例有关的本发明的特征。然而，应了解，可通过也意图涵盖在本发明的精神和范围内的不同实施例实现相同或等效功能和结构。如本文中其它地方所指示，相同元件编号意图指示相同元件或特征。
应理解，虽然本文中可使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种元件、组件、区域、层和/或区段，但是这些元件、组件、区域、层和/或区段不应受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件、组件、区域、层或区段与另一元件、组件、区域、层或区段。因此，下文论述的第一元件、组件、区域、层或区段可在不脱离本发明概念的精神和范围的情况下被称为第二元件、组件、区域、层或区段。
本文可使用例如“以下(beneath)”、“下方(below)”、“下部(lower)”、“下面(under)”、“上方(above)”、“上部(upper)”等空间相对术语以便于描述如图式中所说明的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。应了解，空间相对术语意图涵盖除图中描绘的定向以外的装置在使用或操作中的不同定向。举例来说，如果图中的装置倒过来，那么描述为“在”其它元件或特征“下方”或“以下”或“下面”的元件将定向“在”其它元件或特征“上方”。因此，示例术语“下方”和“下面”可涵盖在上方以及下方的定向。装置可以其它方式定向(例如旋转90度或处于其它定向)，且本文中所用的空间相对描述词应相应地进行解释。此外，还将理解，当层被称作“在两个层之间”时，其可为两个层之间的唯一层，或也可存在一个或多个中间层。
本文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，且并不意图限制本发明概念。如本文所使用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一(a/an)”以及“所述”意图还包括复数形式。应进一步理解，当用于本说明书中时，术语“包含(comprises)”和/或“包含(comprising)”指定存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。如本文中所使用，术语“和/或”包括相关联的所列项中的一个或多个的任何以及所有组合。当在元件列表之前时，例如“中的至少一个”的表述修饰元件的整个列表并且不修饰列表的个别元件。另外，当描述本发明概念的实施例时，使用“可(may)”是指“本发明的一个或多个实施例”。此外，术语“示例性”意图指实例或说明。
应了解，当元件或层被称为“在”另一元件或层“上”、“连接到”、“耦合到”或“邻接于”所述另一元件或层时，其可直接在另一元件或层上、连接到、耦合到或邻接于所述另一元件或层，或可存在一个或多个中间元件或层。相比之下，当元件或层被称为“直接在”另一元件或层“上”、“直接连接到”、“直接耦合到”或“紧邻”所述另一元件或层时，不存在中间元件或层。
如本文所使用，术语“基本上”、“大约”和类似术语用作近似术语且不用作程度术语，且意图考虑将由所属领域的一般技术人员识别的测量或计算值中的固有偏差。如本文所用，术语“主要组分”意指构成组合物的重量的至少一半的组分，且术语“主要部分”当应用于多个项目时意指所述项目的至少一半。“纳米粉末”意指其中大多数粒子的尺寸小于1微米(micrometer/micron)的粉末。
本文中所述的任何数值范围意图包括所述范围内包含的相同数值精度的所有子范围。举例来说，“1.0至10.0”的范围意图包括1.0的所述最小值与10.0的最大值之间(且包括在内)的子范围，也就是说，具有等于或大于1.0的最小值和等于或小于10.0的最大值，如2.4至7.6。本文中所述的任何最大数值限制意图包括其中包含的较低数值限制且本说明书中所述的任何最小数值限制意图包括其中包含的所有较高数值限制。
参看图1A，在一个实施例中，陶瓷衬底100在金属子结构105上方形成保护层且额外热障壁涂层110覆盖陶瓷衬底100，对陶瓷衬底100提供保护。陶瓷衬底100可为例如对金属子结构105提供热保护的陶瓷泡沫材料层。组合件可暴露于高温气体，例如喷射发动机中的热废气。在此实施例中，热障壁涂层110由相比于陶瓷衬底100可耐受更高温度，且可耐受与高温气体接触的材料组成。热障壁涂层110也具有足够低导热性以保护陶瓷衬底100免受热气侵袭。在其它实施例中，在无底层金属子结构的情况下，热障壁涂层110仅保护陶瓷衬底100(图1B)，如在可安装在高超音速飞行器的外部上的高温瓷砖的情况下，或热障壁涂层110可保护作为陶瓷基质复合物的陶瓷衬底100(图1C)。陶瓷基质复合物可基于大多为碳、SiC-或Si3N4的纤维。基于Al2O3-或莫来石-纤维的复合物也可使用热障壁涂层110保护，尽管这些陶瓷基质复合材料的热膨胀系数较高(为大约8×10-6/K)，这可能需要调节热障壁涂层110的热膨胀系数。粘合层可用于陶瓷元件与热障壁涂层110之间，且罩盖层可用于热障壁涂层110的外部上。
参看图1D，在一个实施例中，热障壁涂层110由中空微球120组成，且通过将适合的蜂窝结构引入(通过包括中空微球120)到热障壁涂层110中实现低导热性。由包括中空微球120产生的高分率(fraction)的微米尺度的闭孔气孔可降低热障壁涂层的有效导热性多达100的因数。热障壁涂层110可仅由烧结在一起的中空微球组成，或由中空微球与粘合剂涂层组成以将其更好地粘合在一起，或由嵌入基质中的中空微球组成。在一个实施例中，由于气孔封闭且直径可平均仅为约50微米且占80-90％的体积分率，使用中空微球120在降低导热性中极有效。在一个实施例中，中空球体具有20-100微米的外径，和0.5-3微米的壁厚度。
中空微球可由各种材料组成，关于其耐受高温的能力，和低热膨胀系数(CTE)进行选择。热障壁涂层110的CTE可通过选择具有适合CTE的用于中空微球的材料而调节。低热膨胀系数(CTE)和导致所述涂层的低弹性模量的高气孔体积分率，单独或组合地降低在热循环期间，将在热障壁涂层110或陶瓷衬底中产生足够应力以引起热障壁涂层110或陶瓷衬底中的散裂或微裂缝形成的可能性。低蒸汽衰退率的需要也可为选择材料的因素。
中空微球可例如由一种或多种稀土硅酸盐组成，包括单硅酸钇(Y2SiO5)、二硅酸钇(Y2Si2O7)、单硅酸镱(Yb2SiO5)、二硅酸镱(Yb2Si2O7)和/或Sc2Si2O7。其可由以下各者组成：稀土铝酸盐和衍生物，如铝酸钇(Y4Al2O9)，铝酸钙，如二铝酸钙(CaAl4O7)，硅酸钡锶铝(Ba1- xSrxAl2Si2O8)，和/或钛酸盐，如钛酸铪(HfTiO4)或钛酸锆(ZrTiO4)。在其它实施例中，其可由锆酸盐钙钛矿(zirconate perovskites)，如锆酸钡(BaZrO3)，和/或铪酸钡(BaHfO3)组成。中空微球也可由一种或多种其它化合物组成，包括单斜晶氧化铪(m-HfO2)、钽酸钪(ScTaO4)、铝硅酸盐玻璃、莫来石(Al6Si2O13)、非晶硅碳氧化物(SiOC)、锆石(ZrSiO4)、氮氧化硅铝(SiAlON)、堇青石(Mg2Al4Si5O18)、铝酸锌尖晶石(ZnAl2O4)、没食子酸钇(yttriumgallate)(如Y3Ga5O12)和/或铝酸镁尖晶石(MgAl2O4)，或上列化合物的组合。如本文所用，术语“稀土”是指选自以下列表的元素：钪、钇、镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥。
锆酸盐钙钛矿、钛酸铪、钛酸锆、单斜晶铝酸钇(Y4Al2O9)、钽酸钪和单斜晶氧化铪全部具有相对较低热膨胀系数，具有以ppm/℃计的以下近似值：稀土二硅酸盐：4，稀土单硅酸盐：7，二硅酸钪：5，莫来石：6，铝硅酸盐玻璃：4，非晶硅碳氧化物：3，锆石：6，钛酸铪：6，钛酸锆：6，单斜晶铝酸钇：6，钽酸钪：3，单斜晶氧化铪：3，铝酸镁尖晶石：7，和锆酸钡：7。钛酸铪和钛酸锆被认为具有高温性能。单斜晶铝酸钇、钽酸钪和单斜晶氧化铪被认为具有低蒸汽衰退率。但是，单斜晶氧化铪经历多个相转化，其可能在热循环上引起微裂缝。碳氧化硅具有低热膨胀系数和氧化环境中的良好高温稳定性。铝硅酸盐玻璃具有低CTE。莫来石具有大致6ppm/℃的CTE和中间蒸汽衰退率且可为适合于基于二氧化硅(silica)和氧化铝的衬底的TBC材料。锆石具有大致7ppm/℃的CTE并且因此也更适合于基于氧化铝的衬底。
各种制造方法可用于形成所需材料的中空微球120。在一个实施例中，中空微球120通过涂布球形模板制造，其接着在精心定制的热处理期间热解或其在涂布之后保持原样。球形模板可为可热解的中空或实心聚合物球体，或与各种涂料组合物相容的陶瓷中空球体。在一个实施例中，利用空心微珠，例如FilliteTM空心微珠，其由30％Al2O3和60％SiO2组成，具有高于1400℃的熔融温度和0.4g/cc的容积密度。在其它实施例中，利用具有甚至更高温度性能的中空模板，如具有2070℃的熔融温度的中空氧化铝球体，或具有1800℃的熔融温度的中空磷酸铝(AlPO4)球体。
热障壁涂层110可使用各种适合方法由中空微球120(呈各种适合尺寸)形成。在图2A中所说明的一个实施例中，中空微球120的层涂覆到陶瓷衬底且经烧结。中空微球120的层可通过各种适合方法中的任一种涂覆，例如包含首先形成中空微球120的浆料，且接着利用刷涂或涂刷、喷涂、将陶瓷衬底100浸渍于浆料中或注浆而将所述浆料涂覆至陶瓷衬底100，且允许浆料干燥。粘合剂可添加至浆料以确保涂层在干燥之后的完整性，即预防中空微球120的层在浆料变干时使陶瓷衬底100破碎或剥落。在注浆处理工艺中，陶瓷衬底100在浆料变干时吸收很大一部分浆料的液体。在其它处理工艺中，可利用较浓稠浆料，使得液体吸收至陶瓷衬底100中较不重要。一旦浆料已变干，其可通过加热烧结，例如在1200℃至1400℃范围内的温度下持续2至5小时。
在图2B中所说明的另一实施例中，浆料由中空微球120(呈各种适合尺寸)连同在烧结期间充当粘合剂210的材料的纳米粉末形成。可适用作粘合剂210的材料包括SiO2、具有适于在所选固结温度(例如1000℃)下促进球体的粘着性的软化点的基于SiO2的玻璃，和瞬态液相材料，其在较低温度下熔融且接着与中空微球材料反应以形成充当粘合剂210且在操作温度下稳定的较高熔点相。举例来说，对于由稀土硅酸盐(例如Y2Si2O7)组成的中空微球120，此类粘合剂210可为Na6Si8O19或相关硅酸钠组合物。硅酸钠Na6Si8O19在800℃下熔融且将接着与Y2Si2O7反应以形成较高熔点相，如NaYSi2O6或NaY9Si6O26。少量Na和Si也可溶解到呈固态溶液状的Y2Si2O7中。少量硅酸钠(例如1-7重量％)可以粉末形式或中空稀土硅酸盐球体上的涂层形式添加至所述球体。在将含有中空微球120的浆料涂覆至陶瓷衬底100之后，含有中空微球120的浆料可经干燥且接着热处理，且硅酸钠可在800℃下熔融且开始与稀土硅酸盐反应。液相硅酸钠可帮助所述涂层的致密化且反应产物可接着充当球体之间的粘合剂210。
在图2C中所说明的另一实施例中，浆料由中空微球120(呈各种适合尺寸)连同充当基质220的材料的纳米粉末形成，在所述基质中嵌入中空微球120。用于纳米粉末的材料可根据与选择用于中空微球120的材料类似的标准选择，即可选择具有低热膨胀系数、低弹性模量、高温性能和低蒸汽衰退率的材料。另外，可选择将不与中空微球120的材料反应，且具有类似热膨胀系数以避免具有引起微裂缝的热循环的材料。
选择相同材料作为中空微球120且作为纳米粉末以形成基质220将确保中空微球120和基质220的热膨胀系数匹配，且中空微球120将不与基质220反应。当中空微球120的材料与基质220的材料相同时，中空微球120的中空中心呈现为周围材料中的气泡，除了存在气泡以外，其可为均一的。在一个实施例中，此类结构可如下形成：形成聚合物球体和适合基质材料的纳米粉末的浆料，并且在将浆料涂覆至陶瓷衬底100且使其干燥之后，热解聚合物球体且烧结纳米粉末，以形成具有气泡的基质220。根据本发明的实施例形成的热障壁涂层可具有超过60％的高空隙体积分率(即由材料内部的空隙贡献的材料的总体积分率可超过60％)，例如60％与95％之间的空隙分率。其它实施例可具有超过70％、80％或90％的空隙体积分率。大部分空隙体积(即大于50体积％(或例如在50体积％与99体积％之间))可由封闭气孔空隙(即其中的每一个为无开口的体积的空隙)组成，如封闭中空微球的内部。在其它实施例中，大于60％、70％或80％的空隙体积可由封闭气孔空隙组成。较高体积分率的陶瓷可增加所得涂层的强度。抗“压碎”强度可用作结构完整性的量度且其可通过以下方程式估算：
σpl/σy,s≈0.3(ρ/ρs)1.5，
其中σpl为中空球形材料的平线区或抗压强度，σy,s为实心成分材料的屈服强度，ρ为所述中空球形材料的密度且ρs为实心成分材料的密度。
已通过基于中空玻璃微球的材料展示根据图2A、2B和2C的实施例的热障壁涂层110的形成；所得复合材料(即烧结中空微球120、与粘合剂210一起烧结的中空微球120和在基质220中烧结的中空微球120)的扫描电子显微照片分别显示于图3A、3B和3C中。三种类型的蜂窝结构导致不同的气孔体积分率。这些材料的导热性极低，如通过激光闪光导热性测量证实。
图4显示根据本发明的实施例的Y2Si2O7和SiO2在其致密状态下和在各种相对密度的热障壁涂层110的材料中的导热性。图中的所有数据点表示计算值，除了指定为“经测量”的一个点以外。显示的导热性的计算值是使用以下方程式计算：
其中Vext为外相(空气或粘合剂)的体积分率，λext为外相(空气或粘合剂)的导热性，且λsph为球体(壳层+内部空气)的导热性。此方程式仅考虑通过传导的热传递。由于中空微球120的小尺寸，对流和辐射热传递可忽略。
热障壁涂层110可用于使基于二氧化硅的泡沫材料免遭超过2500℉的温度且展现高耐久性和最小水蒸气热气腐蚀和侵蚀。热障壁涂层110可借助于其蜂窝结构(高孔隙率和闭孔结构)实现极低导热性，这使得有可能选择不适用于相关技术热障壁结构的氧化物(可具有优良耐久性和抗侵蚀性和良好匹配的热膨胀系数的氧化物)。在一个实施例中，热障壁涂层110由具有35微米的直径和1微米的壁厚度的中空二硅酸钇微球组成，所述微球一起烧结到用于喷射发动机的排气系统中的基于二氧化硅的陶瓷泡沫材料上。此类热障壁涂层110可展现0.09W/mK的计算导热性，其比相关技术的基于氧化锆的热屏障低10的因数，但由于热膨胀系数的较低错配且由于较低弹性模量而提供好得多的循环耐久性。所有三种益处可通过有利蜂窝结构提供。
根据本发明的实施例的热障壁涂层110不存在若干相关技术涂层可能具有的缺点。此类相关技术涂层可由7重量％氧化钇稳定化氧化锆(7YSZ)组成，其可通过电子束物理气相沉积或热喷涂沉积而涂覆于基于镍的超合金组件(例如燃烧室、叶片、护罩或喷嘴)上。7YSZ的热膨胀系数(11×10-6K-1)对于用于陶瓷泡沫材料衬底来说较大，其可由于热膨胀系数错配应力而在热循环时引起所述涂层的散裂。此外，7YSZ的相稳定性在高于1200℃时不佳，其可导致相分离且导致氧化钇贫乏相转化为单斜晶氧化锆，伴随着可能使所述涂层破碎的体积膨胀。
参看图5A，粘合涂层510可形成于热障壁涂层110与陶瓷衬底100之间以促进粘着性，或可涂覆阻挡层以缓和热障壁涂层110与陶瓷衬底100之间的任何化学不相容性。此类粘合涂层510可在形成热障壁涂层110之前形成于陶瓷衬底100上。粘合涂层510可如下涂覆：通过在浆料或溶液中浸涂，或通过在浆料或溶液上涂刷或喷涂，使浆料干燥，且使组合件经受烧结或热处理工艺。或者，粘合涂层510可使用热喷涂，如空气等离子喷涂来涂覆。粘合涂层510可例如由SiO2，或Al2O3，或这两种材料的混合物(还可含有B2O3)组成。
参看图5B，在一个实施例中，致密罩盖层520涂覆到热障壁涂层110的顶部以提供致密的平滑表面且使可用于热气侵蚀的区域最小化。罩盖层520可包括与中空球体或基质220相同的材料或由所述材料组成。罩盖层520可由用实心(即非中空)微米粒子的浆料浸渍或涂刷而形成，所述微米粒子足够小以在烧结之后形成致密层，例如微米粒子可具有50微米或更小的尺寸以减小罩盖层520的孔隙率或使其最小化。罩盖层520可在烧结含有中空微球120的层之后涂覆，且在独立的烧结处理工艺中烧结，或其可在用于形成含有中空微球120的层的浆料变干之后涂覆，且接着可在一个烧结处理工艺中同时烧结两个层。
根据本发明的一个实施例形成的热障壁涂层110可具有就热和环境保护而言优于相关技术系统的多种优势。根据本发明的一个实施例形成的热障壁涂层110可具有较低导热性(例如小于1W/mK)；较低热膨胀系数，其可匹配于基于二氧化硅的衬底；较低面内模量(in-plane modulus)(低于可具有非各向同性弹性模量的相关技术系统)，导致热循环时的较低热应力；较高针对水蒸气热气腐蚀的抗性；和较高温度性能。
本发明的实施例可用于向喷射发动机排气系统中的底层陶瓷结构提供保护以免受热量和侵蚀性高速排气流侵袭。本发明的实施例的应用包括超燃冲压发动机燃烧室、高速车辆面积热保护、用于喷射发动机排气结构的热障壁涂层、用于保护包括可再用高超音速攻击机和侦察机的高速飞行器的热障壁涂层、高超音速武器和可再用基于火箭的助推器、用于商用飞机的排气喷嘴的热和环境障壁涂层和商用炉衬。如果组件由具有低热膨胀系数的材料，如SiC/SiC陶瓷基质复合物(具有4-5ppm/℃的热膨胀系数)制造，那么本发明的实施例可另外在商用和军用喷射发动机应用中用作燃烧室、热区段叶片、护罩和喷嘴以及排气结构(例如翼片和衬垫)上的热屏障材料。本发明的实施例可在超燃冲压发动机中具有类似应用。
在一个实施例中，涂层由非晶形铝硅酸盐，例如具有34％-39％Al2O3、55％-65％SiO2和2％Fe2O3的FilliteTM空心微珠或非晶形碳氧化硅的中空微球组成。使用具有一定范围的直径，通常在涂层厚度的2％与20％之间，和直径的2％-10％之间的壁厚度的中空球体。中空球体与适合的陶瓷粘合剂一起烧结，产生具有至少60％空隙体积分率的涂层，借此这些空隙中的大部分为密闭气孔。将此涂层涂覆至陶瓷泡沫材料或陶瓷基质复合衬底。所选非晶形铝硅酸盐或碳氧化硅涂布材料分别确保4或3ppm/℃的低CTE，其很好地匹配衬底的CTE且缓和热应力。此外，两种材料的非晶形性质避免CTE各向异性，CTE各向异性在其它具有低CTE的氧化物中常见且可引起微裂缝。封闭气孔的高体积分率导致约1W/mK或更低的极低导热性和可适应热应力的高面内顺应性。
尽管已在本文中具体描述和说明用于陶瓷衬底的热和环境障壁涂层的示例性实施例，许多修改和变化将为所属领域的技术人员显而易见。举例来说，如所属领域的技术人员将理解，本文所述的化合物的组成可相比于所公开的化学式的组成略微地变化，例如至多3％，但仍提供本发明的实施例的益处中的一些或全部。因此，应理解，根据本发明的原理构建的用于陶瓷衬底的热和环境障壁涂层可不同于如本文具体所述地实施。本发明也定义于所附权利要求书和其等效物中。

Claims (24)

1.一种物品，其包含：
陶瓷衬底，和
覆盖所述陶瓷衬底的表面的热障壁涂层，
所述热障壁涂层具有：
至少60％的空隙体积分率，并且
所述空隙体积的主要部分为封闭气孔，
所述热障壁涂层包含多个中空粒子作为主要组分，所述多个中空粒子中的每一个包含第一材料作为主要组分，所述多个中空粒子中的每一个具有：
小于约1毫米(mm)且大于约5微米的最大内部尺寸，和
小于所述最大内部尺寸的约1/10的最大壁厚度。
2.根据权利要求1所述的物品，其中大部分的所述多个中空粒子中的每一个具有选自由以下组成的群组的形状：椭球形、杆状、立方体、球体和其组合。
3.根据权利要求2所述的物品，其中大部分的所述多个中空粒子中的每一个具有直径小于约1毫米(mm)且大于约5微米的基本上圆形截面。
4.根据权利要求1所述的物品，其中所述多个中空粒子中的每一个的外表面的一部分涂有粘合剂涂层，所述粘合剂涂层将所述中空粒子固定在一起，所述粘合剂涂层包含不同于所述第一材料的第二材料作为主要组分。
5.根据权利要求1所述的物品，其中所述多个中空粒子烧结在一起。
6.根据权利要求1所述的物品，其包含所述陶瓷衬底与所述热障壁涂层之间的粘合涂层。
7.根据权利要求6所述的物品，其中所述粘合涂层包含选自由以下组成的群组的材料作为主要组分：SiO2、Al2O3、B2O3和其组合。
8.根据权利要求1所述的物品，其进一步包含覆盖所述热障壁涂层的表面的一部分的罩盖层，所述罩盖层具有小于10％的孔隙率和小于所述热障壁涂层的厚度的约1/10的厚度。
9.根据权利要求1所述的物品，其中所述陶瓷衬底包含选自由以下组成的群组的材料作为主要组分：
包含选自由以下组成的群组的物质作为主要组分的陶瓷泡沫材料：二氧化硅、氧化铝、碳氧化硅和其组合，
包含纤维的陶瓷基质复合物，所述纤维包含选自由以下组成的群组的物质作为主要组分：SiC、Si3N4、C、Al2O3、Al6Si2O13和其组合，以及
其组合。
10.根据权利要求1所述的物品，其中：
所述多个中空粒子为多个中空球体，
所述多个中空球体的一个球体具有35微米的外径和1微米的壁厚度，
所述多个中空球体的球体烧结在一起，并且
所述陶瓷衬底包含泡沫材料作为主要组分，所述泡沫材料包含二氧化硅作为主要组分。
11.根据权利要求1所述的物品，其中所述多个中空粒子嵌入基质中，所述基质包含第二材料作为主要组分，所述第二材料与所述第一材料相同。
12.根据权利要求1所述的物品，其中所述多个中空粒子嵌入基质中，所述基质包含不同于所述第一材料的第二材料作为主要组分。
13.根据权利要求12所述的物品，其中所述第一材料选自由以下组成的群组：稀土硅酸盐、稀土铝酸盐、稀土没食子酸盐、锆酸盐钙钛矿、钛酸铪、钛酸锆、单斜晶氧化铪、钽酸钪、铝硅酸盐玻璃、铝硅酸盐莫来石、碳氧化硅玻璃、硅酸锆、铝酸镁尖晶石、铝酸锌尖晶石、磷酸铝、堇青石、铝酸钙、氮氧化硅铝和其组合。
14.根据权利要求13所述的物品，其中所述第一材料选自由以下组成的群组：二硅酸钇、单斜晶稀土铝酸盐、稀土没食子酸盐、二铝酸钙和其组合。
15.根据权利要求13所述的物品，其中所述第二材料选自由以下组成的群组：稀土硅酸盐、稀土铝酸盐、稀土没食子酸盐、锆酸盐钙钛矿、钛酸铪、钛酸锆、单斜晶氧化铪、钽酸钪、铝硅酸盐、莫来石、碳氧化硅、锆石、铝酸镁尖晶石、磷酸铝和其组合。
16.一种热和环境障壁材料，其包含多个中空粒子作为主要组分，所述多个中空粒子中的每一个包含第一材料作为主要组分，所述多个中空粒子中的每一个具有：
小于约1毫米(mm)且大于约5微米的最大内部尺寸，和
小于所述最大内部尺寸的约1/10的最大壁厚度，所述第一材料选自由以下组成的群组：稀土硅酸盐、稀土铝酸盐、稀土没食子酸盐、锆酸盐钙钛矿、钛酸铪、钛酸锆、单斜晶氧化铪、钽酸钪、铝硅酸盐玻璃、碳氧化硅、锆石、铝酸镁尖晶石、磷酸铝和其组合。
17.根据权利要求16所述的材料，其中大部分的所述多个中空粒子中的每一个具有选自由以下组成的群组的形状：椭球形、杆状、立方体、球体和其组合。
18.根据权利要求16所述的材料，其中所述多个中空粒子嵌入基质中，所述基质包含不同于所述第一材料的第二材料作为主要组分。
19.根据权利要求16所述的材料，其中所述多个中空粒子的所述粒子中的每一个的外表面的一部分涂有粘合剂涂层，所述粘合剂涂层将所述中空粒子固定在一起，所述粘合剂涂层包含不同于所述第一材料的第二材料作为主要组分。
20.根据权利要求16所述的材料，其中所述多个中空粒子的所述粒子烧结在一起。
21.一种形成物品的方法，所述方法包含：
接收陶瓷衬底；
在所述陶瓷衬底上形成热障壁涂层，所述热障壁涂层包含多个中空粒子作为主要组分，所述多个中空粒子中的每一个包含第一材料作为主要组分，所述第一材料选自由以下组成的群组：稀土硅酸盐、稀土铝酸盐、稀土没食子酸盐、锆酸盐钙钛矿、钛酸铪、钛酸锆、单斜晶氧化铪、钽酸钪、铝硅酸盐玻璃、碳氧化硅、锆石、铝酸镁尖晶石、磷酸铝和其组合。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述中空粒子嵌入基质中，所述基质包含不同于所述第一材料的第二材料作为主要组分。
23.根据权利要求21所述的方法，其中在所述陶瓷衬底上形成所述热障壁涂层包含：
通过选自由以下组成的群组的处理工艺将所述多个中空粒子涂覆到所述衬底：涂刷、喷涂、浸渍、流延成型、刀片刮抹和其组合，和
将所述多个中空粒子的所述中空粒子烧结在一起。
24.根据权利要求21所述的方法，其中形成所述热障壁涂层包含通过选择具有适合的热膨胀系数的第一材料来调节所述热障壁涂层的热膨胀系数。
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