CN111348940A - Ebc和包含吸氧剂相的莫来石粘结涂层 - Google Patents

Ebc和包含吸氧剂相的莫来石粘结涂层 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种涂层部件，以及其形成和使用的方法。涂层部件包括陶瓷基复合材料(CMC)基底，该基底包含碳化硅并且在它的表面上具有莫来石粘结涂层。莫来石粘结涂层包括包含在莫来石相内的吸氧剂相。例如，莫来石粘结涂层可包含60体积％至体积98％的莫来石相。环境屏障涂层在莫来石粘结涂层上。

Description

EBC和包含吸氧剂相的莫来石粘结涂层
技术领域
本发明总体上涉及与陶瓷部件(特别是硅基陶瓷基体部件)上的环境屏障涂层一起使用的粘结涂层(bondcoat)，以及它们的形成和使用方法。
背景技术
一直在寻求更高的燃气涡轮发动机工作温度，以提高其效率。然而，随着工作温度升高，发动机部件的高温耐久性必须相应地提高。通过配制铁、镍和钴基高温合金，实现了高温性能的显著改善。对于许多由高温合金制成的热气通道部件，仍可利用热障涂层(TBC)来对部件进行隔热，并在承重合金与涂层表面之间维持显著温差，从而限制结构部件的热暴露。
尽管高温合金已广泛用于整个燃气涡轮发动机(尤其是高温部分)所使用的部件，但已提出了替代的轻质基底(substrate)材料，例如陶瓷基复合材料(CMC)的材料，特别是碳化硅(SiC)纤维增强的SiC和SiC-Si基复合材料，即所谓的SiC/SiC复合材料。CMC和整体式(monolithic)陶瓷部件可涂覆有环境屏障涂层(EBC)，以保护它们免受高温发动机部分的恶劣环境。EBC可在热燃烧环境中提供针对腐蚀性气体的致密密封。
碳化硅和氮化硅陶瓷在干燥高温环境中经历氧化。此种氧化在材料表面产生钝化二氧化硅氧化皮(scale)。在包含水蒸气的潮湿高温环境中，例如涡轮发动机中，由于形成了钝化二氧化硅氧化皮并且二氧化硅随后转化为气态氢氧化硅，故发生氧化和性能衰退(recession)。为防止潮湿高温环境中的性能衰退，将环境屏障涂层(EBC)沉积在碳化硅和氮化硅材料上。
当前，EBC材料由稀土硅酸盐化合物制成。这些材料杜绝水蒸气，防止它到达碳化硅或氮化硅表面上的二氧化硅氧化皮，从而防止性能衰退。然而，此种材料不能防止氧气渗入，而氧气渗入导致下面的基底氧化。基底的氧化产生钝化二氧化硅氧化皮，并释放碳氧化物或氮氧化物气体。碳氧化物(即CO、CO2)或氮氧化物(即NO、NO2等)气体无法穿过致密的EBC逸出，因此形成气泡，这可能导致EBC的剥落。迄今为止，已使用硅粘结涂层解决了此类起泡问题。硅粘结涂层提供氧化层(在EBC下方形成钝化二氧化硅层)而不释放气态副产物。
然而，硅粘结涂层的存在限制了EBC的最高工作温度，因为硅金属的熔点相对较低。在使用中，硅粘结涂层在约1414℃(其为硅金属的熔点)的涂层温度下熔化。高于这些熔融温度下，硅粘结涂层可从下面的基底上分层剥离(delamination)，有效地去除粘结涂层和粘结涂层上的EBC。因此，需要改进EBC的粘结涂层以实现更高的EBC工作温度极限。
发明内容
本发明的方面和优点将在下文描述中部分地阐述，或者可以通过描述而变得显而易见，或者可以通过实施本发明而获知。
一般提供一种涂层部件，以及其形成和使用的方法。在一个实施方式中，该涂层部件包括陶瓷基复合材料(CMC)基底，该基底包含碳化硅并且在它的表面上具有莫来石粘结涂层。莫来石粘结涂层包括包含在莫来石相内的吸氧剂(oxygen getter)相。例如，莫来石粘结涂层可包含60体积％至98体积％的莫来石相(例如，65体积％至96体积％的莫来石相，例如75体积％至95体积％的莫来石相)。环境屏障涂层在莫来石粘结涂层上。
在某些实施方式中，莫来石相包含比值为3：2的化学计量比的10％以内，例如约3：2至约3.5：2的三氧化二铝和二氧化硅。在其他实施方式中，莫来石相包含比值为2∶1的化学计量比的10％以内，例如约2∶1至约2.25∶1的三氧化二铝和二氧化硅。在特定实施方式中，莫来石相可由三氧化二铝和二氧化硅组成。
在某些实施方式中，吸氧剂相包括硅相(例如，元素硅)。例如，莫来石粘结涂层可包含2体积％至40体积％的元素硅。
环境屏障涂层可包含二氧化铪层、三氧化二铝层、稀土二硅酸盐层、稀土单硅酸盐层中的一层或多层，或者两者。
在一个实施方式中，提供了一种形成涂层部件的方法。例如，该方法可包括：在基底的表面上形成莫来石粘结涂层，在莫来石粘结涂层上形成环境屏障涂层。莫来石粘结涂层包括包含在莫来石相内的硅相，并且莫来石粘结涂层包含60体积％至95体积％的莫来石相。硅相在熔化时被包含在基底的表面与环境屏障涂层的内表面之间的莫来石相内。
参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。包含在本说明书中并构成本说明书一部分的附图显示了本发明的实施方式，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
附图说明
本说明书参考附图，阐述了针对本领域的普通技术人员的本发明的完整且可行的公开，包括其最佳模式，其中：
图1是一个示例性涂层部件的横截面侧视图，该涂层部件包括包含硅的莫来石粘结涂层。
图2是一个示例性的包含硅的莫来石粘结涂层的横截面侧视图，该莫来石粘结涂层具有连续的莫来石相和分散在莫来石相内的离散的硅相。
图3是根据本发明主题各个实施方式的示例性燃气涡轮发动机的示意性横截面图；
图4是形成包含硅的莫来石粘结涂层的示例性方法的图。
图5显示了根据实施例形成的示例性涂层部件的示意图；
图6显示了根据实施例制造的示例性涂层部件的横截面，该涂层部件具有由EBPVD二氧化铪外层覆盖的莫来石和Si的粘结涂层。
图7A显示了根据实施例在2700°F下进行100小时的循环蒸汽测试后的图6的示例性涂层部件的横截面；以及
图7B显示了根据实施例在2700°F下进行500小时的循环蒸汽测试后的图6的示例性涂层部件的横截面。
本说明书和附图中重复使用的附图标记旨在表示本发明的相同或相似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施方式，附图中显示了实施方式的一个以上实施例。提供各个实施例以解释本发明而非限制本发明。实际上，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱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变型。例如，作为一个实施方式的一部分显示或描述的特征可以与另一个实施方式一起使用以产生又一个实施方式。因此，旨在本发明覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这些修改和变型。
如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用，用于将一个部件与另一个部件区分开，并不旨在表示单个部件的位置或重要性。
在本公开中，使用化学元素的常见化学缩写来对它们进行讨论，例如元素周期表中常见的化学缩写。例如，氢以其常见的化学缩写H表示；氦以其常见的化学缩写He表示；等等。如本文所用，“RE”指稀土元素或稀土元素的混合物。更具体地，“RE”指如下稀土元素或它们的混合物：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)。
如本文所用，术语“基本上不含”指存在不超过微痕量且包括完全不含(例如，0摩尔％至0.01摩尔％)。
在本公开中，除非相反地明确说明，当描述一层在另一层或基底“上”或“之上”时，应理解，这些层可以彼此直接接触，或者这些层之间可具有另一层或特征。因此，这些术语仅简单地描述了这些层彼此之间的相对位置，并不一定指“在……上面”(on top of)，因为上方或下方的相对位置取决于器件相对于观看者的方向。
一般提供一种涂层部件，该涂层部件包括其内包含吸氧剂相(例如，硅相)的莫来石粘结涂层。包含吸氧剂相的莫来石粘结涂层一般位于基底的表面和基底上的环境屏障涂层(EBC)之间。
在特定实施方式中，吸氧剂相内的吸氧剂可具有与基底和莫来石的最小热膨胀系数失配(例如，不超过约2-3ppm/℃)，以避免基体破裂。不过，本领域技术人员知晓可通过减小吸氧剂相的体积分数来适应更大的膨胀系数失配。在另一个具体实施方式中，吸氧剂经氧化后应具有最小的体积增加(例如，不超过150％，优选不超过100％，更优选经氧化后体积减小而非体积膨胀)，以减少莫来石层中的应力和它的破裂。可能有许多吸氧剂相的实施方式满足氧化后膨胀系数失配和体积变化的要求。在一个实施方式中，吸氧剂是纯硅。在另一个实施方式中，吸氧剂是硅合金或硅化物。在吸氧剂相包括硅相(例如，元素硅)的实施方式中，莫来石粘结涂层可被称为“莫来石/Si粘结涂层”。硅氧化在形成无定形二氧化硅时导致体积膨胀约115％至约130％，而在形成结晶二氧化硅时，导致体积膨胀约为85％。不过，氧化产物首先始终是无定形的，然后随着时间的推移会变成结晶。
吸氧剂的其他实施方式可包括但不限于：镍、钴、铬或它们的混合物。在特定实施方式中，这些吸氧剂也可与硅、硅合金和/或硅化物一起使用。例如，镍与基底和莫来石的膨胀失配高很多(几乎8ppm/℃)。因此，可容忍的镍的最大体积分数将低于失配小于1ppm/℃的硅的最大体积分数。但是，镍氧化后的体积膨胀为约65％，相比之下，硅转化为无定形二氧化硅的体积膨胀为约115％至约130％。另一方面，铬与基底和莫来石的膨胀失配低于镍的。与硅(1410℃)和镍(1455℃)相比，铬的熔融温度(1907℃)也更高。
在一个特定实施方式中，莫来石粘结涂层由包含在莫来石相内的元素硅(作为硅相)形成。如下文更详细地描述，在涂层部件工作期间，莫来石内的元素硅可能熔化，同时仍保留在莫来石相内并保持粘结涂层的功能。莫来石粘结涂层的此种功能可包括但不限于：将基底粘结到莫来石粘结涂层上的EBC上，以及吸收氧气而不释放气体以防止下面的基底氧化，否则会导致气态副产物。因此，在涂层部件的工作期间(例如，在燃气涡轮发动机内)，可利用莫来石粘结涂层内的液态硅相。由于莫来石粘结涂层在高于硅相的熔点时继续起作用，故可在高于硅相的熔点的温度下操作涂层部件。
尽管硅未由SiC氧化形成气体(例如CO)，但它的确形成了氢氧化硅气态物种(species)。然而，氢氧化硅气态物种的分压太低以至于它们不会形成气泡。此外，这些分压不会导致性能衰退，除非存在到外部气体表面的连通孔隙。因此，希望孔隙率为最小，几乎没有或没有到外部的连通孔隙。
参考图1，图1显示了示例性的涂层部件100，该涂层部件100由具有表面103的基底102和基底102上的涂覆系统106形成。基底102由陶瓷基复合材料(“CMC”)的材料形成，例如硅基非氧化物陶瓷基复合材料。如本文所用，“CMC”指含硅基体和增强材料。如本文所用，“整体式陶瓷”指无纤维增强的材料(例如，仅具有基体材料)。在本文中，CMC和整体式陶瓷统称为“陶瓷”。在特定实施方式中，CMC基底102包括在其陶瓷基体和纤维(若存在)内的碳化硅(SiC)。
通常，涂层系统106包括在基底的表面103上的莫来石粘结涂层104和在莫来石粘结涂层104上的EBC 108。在所示实施方式中，莫来石粘结涂层104直接在表面103上，它们之间没有任何层。
在图2的示例性实施方式中，莫来石粘结涂层104具有连续的莫来石相112，其中莫来石相112内分散有离散的硅相110。尽管显示为离散的硅相110，但只要液态硅不导致涂层的剥落，硅相的一些连续性是可接受的。无论莫来石粘结涂层104的构造如何，硅相110在熔化时均被包含在基底102的表面103和环境屏障涂层108的内表面107之间的莫来石相112内。换言之，莫来石相112可以形成跨越莫来石粘结涂层104的厚度且被粘结到基底102的表面103和环境屏障涂层108的内表面107的3维网络。如此，莫来石相112与基底102的表面103和环境屏障涂层108一起工作，以在莫来石相112内包含熔融的硅相，同时保持莫来石粘结涂层104的完整性而不与基底102的表面103分层剥离。
在所有目标温度下，甚至高达约1650℃(例如，约1200℃至约1650℃)下，莫来石一般具有相对较慢的氧气扩散速率。在超过约1200℃的温度下，据信氧气扩散速率低于莫来石的唯一其他结晶氧化物是三氧化二铝，与基底相比，三氧化二铝具有非常高的膨胀系数且不能沉积成不剥落的致密涂层。尽管莫来石的热膨胀系数(“CTE”)与SiC CMC基底102的热膨胀系数相似，但莫来石的CTE与SiC并不完全匹配。如果莫来石粘结涂层104太厚，则莫来石和SiC的CTE的轻微失配可能导致与热膨胀有关的问题，例如破裂和/或分层剥离。例如，据信在反复暴露于工作温度后，厚度为20密耳(即508μm)的莫来石粘结涂层104将导致与CTE失配有关的问题。另一方面，据信最大厚度为10密耳以下，例如1密耳至10密耳(即254μm以下，例如25.4μm至254μm)的莫来石粘结涂层104能经受住此种工作温度，而不会因CTE失配造成重大问题。在一个特定实施方式中，莫来石粘结涂层104的最大厚度为5密耳，例如3密耳至5密耳(即127μm，例如76.2μm至127μm)。
莫来石相112以一定的量包含在莫来石粘结涂层104中，以提供莫来石粘结涂层104结构完整性，同时硅相110在高于元素硅的熔点的工作温度(即，约1414℃)下熔化。如此，莫来石粘结涂层104的至少60％可以为莫来石。在特定实施方式中，莫来石粘结涂层104可包含60体积％至98体积％的莫来石，例如65体积％至96体积％的莫来石(例如，75体积％至95体积％的莫来石)。
相反，硅相110以足以用作吸氧剂的量包含在莫来石粘结涂层104中。在一个特定实施方式中，硅相110可由硅金属(即，元素硅)、硅合金(例如，硅共晶合金(a siliconeutectic alloy))、熔点为约1500℃以下的硅化物或它们的混合物形成。如此，硅相110可在约1400℃至约1500℃(取决于硅相110的组成)的温度下熔化，从而变得熔融。例如，硅相110的熔融温度可以为约1414℃(即，元素硅的熔点)至约1485℃。在特定实施方式中，硅相110可以由在粘结涂层温度为1415℃、1425℃、1450℃、1475℃和/或1500℃下熔融的硅材料形成。
例如，在某些实施方式中，莫来石粘结涂层104可包含2体积％至40体积％的硅相110，例如4体积％至35体积％的硅相110(例如，5体积％至25体积％的硅相110)。在特定实施方式中，例如，硅相110可包含5体积％至40体积％的元素硅，例如约7重量％至35重量％的元素硅(例如，5体积％至25体积％的元素硅)。元素硅的熔点约为1414℃。如本文所用，“元素硅”指在偶然的杂质之外不存在任何合金材料的硅。
在某些实施方式中，熔点为约1500℃以下(例如，约1400℃至约1500℃)的硅化物也可能存在于硅相110中。使用Si相图可以轻松地确定特定硅化物的熔点。
在特定实施方式中，莫来石相112由熔融温度高于硅相110的结晶莫来石形成。在特定实施方式中，莫来石的熔融温度为约1825℃至1860℃(例如，约1840℃)，并且莫来石一般不与硅相110的硅材料(例如，元素硅)反应。
莫来石是三氧化二铝和二氧化硅的化学混合物，其中，三氧化二铝(Al2O3)和二氧化硅(SiO2)之比为约3：2(例如，三氧化二铝和二氧化硅之比为3：2的10摩尔％以内)。还报道了比率为约2∶1(例如，三氧化二铝和二氧化硅之比为2∶1的10摩尔％以内)。在一个实施方式中，莫来石层可包含过量的三氧化二铝，至多约10摩尔％的过量三氧化二铝。例如，莫来石相可包含化学计量比为约3：2至约3.5：2或化学计量比为约2：1至约2.25：1的三氧化二铝和二氧化硅。在另一个实施方式中，莫来石层可包含过量的二氧化硅。如果二氧化硅过量，优选二氧化硅是不连续的。如本文所用，“三氧化二铝(alumina)”指Al2O3形式的三氧化二铝(aluminum oxide)。如本文所用，“二氧化硅(silica)”指SiO2形式的二氧化硅(silicon oxide)。
在一个实施方式中，在部件100暴露于氧气期间(例如，在制造和/或使用期间)，热生长氧化物(“TGO”)层可直接形成于粘结涂层104内的Si相的外表面，例如二氧化硅层上(有时称为“二氧化硅(siliconoxide)氧化皮”或“二氧化硅(silica)氧化皮”)。
如上所述，基底102可由CMC材料形成，例如硅基非氧化物陶瓷基复合材料。适用于本文的CMC的一些实例可包括但不限于具有包含非氧化物硅基材料(例如，碳化硅、氮化硅、碳氧化硅、氮氧化硅及它们的混合物)的基体的材料。适用于本文的CMC的一些实例包括但不限于具有包含碳纤维的增强纤维和/或非氧化物硅基材料(例如，碳化硅、氮化硅、碳氧化硅、氮氧化硅及它们的混合物)的材料。其实例包括但不限于：具有碳化硅基体和碳化硅纤维的CMC；Si-SiC基体和碳化硅纤维；碳化硅基体和碳纤维；氮化硅基体和碳化硅纤维；碳化硅/氮化硅基体混合物和碳化硅纤维。
如上所述，莫来石粘结涂层104可与EBC 108结合使用以形成涂层部件100，与仅使用硅粘结涂层的涂层部件(无莫来石相)相比，该涂层部件100的工作温度增加。EBC 108可包括由选自典型EBC或热障涂层(“TBC”)化学成分的材料形成的一层或多层的任何组合，该材料包括但不限于：稀土硅酸盐(例如，单硅酸盐和二硅酸盐)、铝硅酸盐(例如，莫来石、钡锶铝硅酸盐(BSAS)、稀土铝硅酸盐等)、二氧化铪、氧化锆、稳定的二氧化铪、稳定的氧化锆、稀土铪酸盐、稀土锆酸盐、稀土氧化镓等。
EBC 108可以由多个单个的层114形成。在所示实施方式中，EBC 108包括直接位于莫来石粘结涂层104上的密封层116，以便在熔化时将硅相110包裹在莫来石粘结涂层104内。在一个实施方式中，该密封层为莫来石，至多为2密耳厚，例如优选为约0.1密耳至约1密耳厚(例如，约0.1密耳至约0.5密耳厚)。在工作温度下，由于硅相110与氧气反应形成二氧化硅，故部件100暴露于氧气时产生的气态氧化物(例如碳氧化物)最少。因此，无需穿透莫来石粘结涂层104的气体逸出层，并且密封层可包含在EBC 108内。甚至期望具有密封层以防止水蒸气进入粘结涂层。在一个实施方式中，密封层116可直接位于莫来石粘结涂层104上，但也可位于EBC 108内的其他地方。
涂层部件100特别适合用作高温环境中发现的部件，例如存在于燃气涡轮发动机中的部件，例如燃烧器部件、涡轮叶片、护罩、喷嘴、防热罩和轮片。特别地，涡轮机部件可以为位于燃气涡轮机的热气流动通道内的CMC部件100，使得涂层系统106形成下面的基底102的环境屏障，以在暴露于热气流动通道时保护燃气涡轮机内的部件100。在某些实施方式中，配置莫来石粘结涂层104，使得涂层部件100能暴露于约1475℃至约1650℃的工作温度。
图3是根据本公开的示例性实施方式的燃气涡轮发动机的示意性横截面图。更特别地，对于图3的实施方式，燃气涡轮发动机是高旁路涡扇喷气发动机10，在本文中称为“涡扇发动机10”。如图3所示，涡扇发动机10限定轴向方向A(平行于所提供的供参考的纵向中心线12延伸)和径向方向R。通常，涡扇发动机10包括风扇部分14和设置在风扇部分14下游的核心涡轮发动机16。尽管下文参考涡扇发动机10进行描述，但是本发明一般适用于涡轮机械，包括涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴燃气涡轮发动机，包括工业和船用燃气涡轮发动机以及辅助动力单元。它也适用于其他的气相中包含水蒸气的高温应用，例如由烃类燃料燃烧产生的高温应用。
所示的示例性核心涡轮发动机16一般包括限定环形入口20的基本上管状的外壳18。外壳18以串行流关系(in serial flow relationship)封装(encase)如下部分：包括增压或低压(LP)压缩机22和高压(HP)压缩机24的压缩机部分；燃烧部分26；包括高压(HP)涡轮28和低压(LP)涡轮30的涡轮部分；以及喷射排气喷嘴部分32。高压(HP)轴或线轴34将HP涡轮机28驱动连接至HP压缩机24。低压(LP)轴或线轴36将LP涡轮机30驱动连接至LP压缩机22。
对于所示实施方式，风扇部分14包括变距风扇38，该变距风扇38具有多个以间隔开的方式连接至盘42的风扇叶片40。如所示地，风扇叶片40大体上沿径向方向R从盘42向外延伸。由于风扇叶片40可操作地连接至合适的致动构件44(该致动构件44被配置为共同一致地改变风扇叶片40的螺距(pitch))，故各个风扇叶片40可相对于盘42绕俯仰轴P(apitch axis)旋转。通过穿过可选的动力齿轮箱46的LP轴36，风扇叶片40、盘42和致动构件44可一起绕纵向轴线12旋转。动力齿轮箱46包括多个齿轮，将LP轴36的转速降低至更有效的风扇转速。
仍然参考图3的示例性实施方式，盘42被可旋转前机舱48覆盖，该可旋转前机舱48具有空气动力学轮廓以促进气流通过多个风扇叶片40。此外，示例性风扇部分14包括环形风扇壳体或外机舱50，环形风扇壳体或外机舱50周向围绕风扇38和/或核心涡轮发动机16的至少一部分。优选地，机舱50可被配置为相对于核心涡轮发动机16由多个周向间隔的出口导向叶片52支撑。此外，机舱50的下游部分54可以在核心涡轮发动机16的外部上延伸，以限定它们之间的旁路气流通道56。
在涡扇发动机10的运行期间，一定量的空气58通过机舱50和/或风扇部分14的相关入口60进入涡扇发动机10。随着一定量的空气58穿过风扇叶片40，箭头62所示的空气58的第一部分被引导或导向到旁路气流通道56中，箭头64所示的空气58的第二部分被引导或导向到LP压缩机22中。第一部分空气62和第二部分空气64之间的比率是通常所称的旁通比(bypass ratio)。然后，随着第二部分空气64被引导通过高压(HP)压缩机24并进入燃烧部分26，第二部分空气64的压力增加；在燃烧部分26处，第二部分空气64与燃料混合并燃烧以提供燃烧气体66。
燃烧气体66被引导通过HP涡轮机28；在HP涡轮机28中，一部分来自燃烧气体66的热能和/或动能经由顺序级联(sequential stages)的HP涡轮机定子叶片68(其被连接至外壳18和连接HP轴或线轴34的HP涡轮机转子叶片70)被抽出，因而使HP轴或线轴34旋转，从而支持HP压缩机24的运行。然后，燃烧气体66被引导通过LP涡轮机30；在LP涡轮机30中，第二部分热能和动能经由顺序级联的LP涡轮机定子叶片72(其被连接至外壳18和连接LP轴或线轴36的LP涡轮机转子叶片74)从燃烧气体66中抽出，因而使LP轴或线轴36旋转，从而支持LP压缩机22的运行和/或风扇38的旋转。
随后，燃烧气体66被引导通过核心涡轮发动机16的喷射排气喷嘴部分32，以提供推进力。同时，在第一部分空气62从涡扇发动机10的风扇喷嘴排气部分76排出之前，随着第一部分空气62被引导通过旁路气流通道56，第一部分空气62的压力显著增加，这也提供了推进力。HP涡轮机28、LP涡轮机30和喷射排气喷嘴部分32至少部分地限定了引导燃烧气体66通过核心涡轮发动机16的热气通道78。
一般还提供了涂覆陶瓷部件的方法。例如，图4显示了在基底的表面上形成涂层系统的示例性方法400的图。在402处，在基底的表面上形成莫来石粘结涂层，该涂层包括包含在莫来石相内的硅相，例如如上所述关于莫来石粘结涂层104的内容。
在一个实施方式中，通过空气等离子喷涂来形成莫来石粘结涂层。在另一个实施方式中，通过悬浮等离子喷涂来形成莫来石粘结涂层，其中，将所需化学物质的液体悬浮液用于空气等离子喷涂。在又一个实施方式中，通过低压等离子喷涂来形成涂层。在又一个实施方式中，可以通过浆料涂覆工艺来形成一个以上的涂覆的层，然后对该层进行烧结。可以通过这些方法中的一种或多种来形成不同的涂层。
在404处，在莫来石粘结涂层上形成环境屏障涂层(EBC)。如上所述，硅相在熔化时被包含在基底的表面与环境屏障涂层的内表面之间的莫来石相内。
实施例
图5显示了基底502上的涂层系统500的示意图，其中，该涂层系统500由粘结涂层504和致密的外层506构成，其中粘结涂层504为莫来石和硅的双相结构。在粘结涂层504中，硅是吸氧剂，它氧化形成二氧化硅。在该实施方式中，硅相或二氧化硅氧化产物相均不需要连续。在使用温度下，硅相可为液体。外层可包含几个氧化物子层。
图6显示了根据图5所示结构形成的示例性涂层。通过浆液等离子喷涂来涂覆莫来石-Si粘结涂层，通过电子束物理气相沉积(EBPVD)来涂覆外层并且外层由二氧化铪形成。在该实施方式中，尽管外层的密度显著高于通过浆液等离子喷涂产生的柱状结构的密度，但外层仍保持柱状结构，因此外层不完全致密。设计此种结构的外层以提高耐腐蚀性，同时保持对由CTE失配产生的热应力的一些耐受性。
在2700°F(约1482℃)下对图6所示涂层进行循环蒸汽测试。样品在测试中幸存了500至1000个小时而未剥落。如图7A(100小时后)和7B(500小时后)所示，粘结涂层显示出改善的抗氧化性。该涂层还具有优异的耐腐蚀性。与使用浆液等离子喷涂的三氧化二铝外涂层(top coat)代替EB-PVD的HfO2外涂层的类似样品相比，该涂层样品在热气腐蚀测试中的幸存(时间)是其5倍。
图6和7中的样品具有莫来石-Si/HfO2的涂层结构。具有莫来石-硅粘结涂层的涂层系统的其他实例为：莫来石-Si/Al2O3/HfO2、莫来石-Si/REDS(稀土二硅酸盐)/REMS(稀土单硅酸盐)、莫来石-Si/HfO2/REDS/REMS、莫来石-Si/HfSiO4/REDS/REMS和莫来石-Si/Al2O3/REDS/REMS。涉及稀土(RE)的结构可能具有或可能不具有稀土单硅酸盐的外层。一些具体的目标稀土金属是镱和镥。
本发明的进一步方面通过以下条项的主题提供：
1.一种涂层部件，其中，所述涂层部件包括：
包含碳化硅且具有表面的陶瓷基复合材料基底即CMC基底；
在基底表面的莫来石粘结涂层，所述莫来石粘结涂层包括包含在莫来石相内的吸氧剂相，并包含60体积％至98体积％的莫来石相；以及
在莫来石粘结涂层上的环境屏障涂层。
2.根据任何在前条项的涂层部件，其中，所述莫来石粘结涂层包含65体积％至96体积％的莫来石相。
3.根据任何在前条项的涂层部件，其中，所述莫来石粘结涂层包含75体积％至95体积％的莫来石相。
4.根据任何在前条项的涂层部件，其中，所述莫来石相包含三氧化二铝和二氧化硅，三氧化二铝和二氧化硅之比是比值为3：2的化学计量比的10％以内。
5.根据任何在前条项的涂层部件，其中，所述莫来石相包含三氧化二铝和二氧化硅，三氧化二铝和二氧化硅之比是比值为2：1的化学计量比的10％以内。
6.根据任何在前条项的涂层部件，其中，所述莫来石相由三氧化二铝和二氧化硅组成。
7.根据任何在前条项的涂层部件，其中，所述莫来石相包含化学计量比为约3：2至约3.5：2的三氧化二铝和二氧化硅。
8.根据任何在前条项的涂层部件，其中，所述莫来石相包含化学计量比为约2∶1至约2.25∶1的三氧化二铝和二氧化硅。
9.根据任何在前条项的涂层部件，其中，所述吸氧剂相包括硅相。
10.根据任何在前条项的涂层部件，其中，所述硅相包含元素硅。
11.根据任何在前条项的涂层部件，其中，所述莫来石粘结涂层包含2体积％至40体积％的元素硅。
12.根据任何在前条项的涂层部件，其中，所述莫来石相是连续相，所述吸氧剂相在所述莫来石相内形成多个离散的颗粒相。
13.根据任何在前条项的涂层部件，其中，所述莫来石相跨越所述莫来石粘结涂层的厚度，直接粘结到所述基底的表面和所述环境屏障涂层的内表面。
14.根据任何在前条项的涂层部件，其中，所述环境屏障涂层包括多个层，所述环境屏障涂层的所述多个层中的至少一层包含密封层。
15.根据任何在前条项的涂层部件，其中，所述密封层与所述莫来石粘结涂层相邻，定义所述环境屏障涂层的内表面。
16.根据任何在前条项的涂层部件，其中，所述莫来石粘结涂层被配置为能经受暴露于约1475℃至约1650℃的工作温度。
17.根据任何在前条项的涂层部件，其中，所述吸氧剂相包含元素硅，所述环境屏障涂层包含二氧化铪层、三氧化二铝层或两者。
18.根据任何在前条项的涂层部件，其中，所述吸氧剂相包含元素硅，所述环境屏障涂层包含稀土二硅酸盐层、稀土单硅酸盐层或两者。
19.根据任何在前条项的涂层部件，其中，所述环境屏障涂层还包含二氧化铪层。
20.一种形成涂层部件的方法，所述方法包括：
在基底表面形成莫来石粘结涂层，所述莫来石粘结涂层包括包含在莫来石相内的硅相，所述莫来石粘结涂层包含60体积％至95体积％的莫来石相；以及
在莫来石粘结涂层上形成环境屏障涂层，使硅相在熔化时被包含在位于基底表面与环境屏障涂层内表面之间的莫来石相内。
本说明说使用实施例来揭示本发明(包括最佳实施方式)，以使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何器件或系统以及进行本发明中所包含的方法。本发明的专利范围由权利要求书限定，可包括本领域技术人员想得到的其他实施例。如果这些其他实施例包含与权利要求的字面语言并无不同的结构元素，或者如果它们包含与权利要求的字面语言并无实质性差异的等同结构元素，则它们落在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种涂层部件，其中，所述涂层部件包括：
包含碳化硅且具有表面的陶瓷基复合材料基底即CMC基底；
在基底表面的莫来石粘结涂层，所述莫来石粘结涂层包括包含在莫来石相内的吸氧剂相，并包含60体积％至98体积％的莫来石相；以及
在莫来石粘结涂层上的环境屏障涂层。
2.根据权利要求1所述的涂层部件，其中，所述莫来石粘结涂层包含65体积％至96体积％的莫来石相。
3.根据权利要求1所述的涂层部件，其中，所述莫来石粘结涂层包含75体积％至95体积％的莫来石相。
4.根据权利要求1所述的涂层部件，其中，所述莫来石相包含三氧化二铝和二氧化硅，三氧化二铝和二氧化硅之比是比值为3：2的化学计量比的10％以内。
5.根据权利要求1所述的涂层部件，其中，所述莫来石相包含三氧化二铝和二氧化硅，三氧化二铝和二氧化硅之比是比值为2：1的化学计量比的10％以内。
6.根据权利要求1所述的涂层部件，其中，所述莫来石相由三氧化二铝和二氧化硅组成。
7.根据权利要求1所述的涂层部件，其中，所述莫来石相包含化学计量比为约3：2至约3.5：2的三氧化二铝和二氧化硅。
8.根据权利要求1所述的涂层部件，其中，所述莫来石相包含化学计量比为约2∶1至约2.25∶1的三氧化二铝和二氧化硅。
9.根据权利要求1所述的涂层部件，其中，所述吸氧剂相包括硅相。
10.根据权利要求9所述的涂层部件，其中，所述硅相包含元素硅。
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