CN113522707A - 保护高温部件免受粉尘沉积物损害的易耗涂层和方法 - Google Patents

保护高温部件免受粉尘沉积物损害的易耗涂层和方法 Download PDF

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Abstract

涂层部件可具有易耗涂层，该易耗涂层保护部件免受粉尘损害。涂层部件可包括：限定基底表面的含硅基底；在基底表面上的阻挡涂层，其中该阻挡涂层限定阻挡表面；以及在该阻挡表面上的易耗涂层。易耗涂层可以包括包含硅酸盐的陶瓷氧化物。诸如涡轮机的部件之类的部件可以通过在部件上施加易耗涂层来保护其免受粉尘的损害。

Description

保护高温部件免受粉尘沉积物损害的易耗涂层和方法
技术领域
本发明的实施方式大体上涉及用于保护在诸如涡轮机之类的高温系统中使用的部件上的阻挡涂层的易耗涂层，以及配制和施加这种易耗涂层以保护这类部件免受粉尘沉积物损害的方法。
背景技术
为了提高涡轮机的效率，一直在寻求涡轮机的更高的运转温度。然而，随着运转温度升高，发动机部件的高温耐久性必须相应地提高。通过铁、镍和钴基高温合金的配方，已经实现了高温性能的显著进步。此外，对于许多由高温合金制成的热气通道部件，可以使用隔热涂层(TBC)来使这些部件绝缘，并且可以在承重合金和涂层表面之间维持明显的温差，从而限制了结构部件的热暴露。
尽管高温合金已广泛用于整个涡轮机的部件中，尤其是在高温部件中，但是已经提出了替代的轻质基体材料，例如陶瓷基复合材料(CMC)。可以在CMC和整体式陶瓷部件上涂环境防护涂层(EBC)，以保护它们免受高温发动机部件的恶劣环境的影响，例如，通过在热燃烧环境中提供致密的气密密封来抵御腐蚀性气体。
当碳化硅和氮化硅陶瓷在干燥的高温环境中经受氧化时，在材料的表面上形成保护性氧化硅垢。在含有水蒸气的潮湿高温环境中，例如涡轮机中，由于氧化硅垢向气态氢氧化硅的转化而发生氧化和凹入(recession)，这导致材料的尺寸损失。对于涡轮机中硅基基底的部件应用，这种材料损失会打开间隙，减小壁厚并导致效率降低。
可以将EBC施加到陶瓷的表面上，以帮助保护下面的部件免受高温和水蒸气的影响。EBC常用的材料包括稀土硅酸盐和钡锶铝硅酸盐(BSAS)。与CMC相比，EBC在蒸汽中相对稳定，并且如果以致密涂层的形式存在，则可以防止蒸汽渗透到CMC中。
然而，已知的EBC材料对环境污染物具有不同的抵抗力，特别是包含钙、镁、铝、硅的氧化物以及它们的混合物的那些。例如，涡轮机摄入的污垢、灰分和粉尘通常由此类化合物组成，这些化合物通常会结合在一起形成污染物成分，包括混合的钙镁铝硅氧化物体系(Ca-Mg-Al-Si-O)，在本文中称为“CMAS”。在涡轮机的运转温度下，摄入的环境污染物可沉积并粘附在热的EBC表面上，粘附的污染物沉积物可至少部分融化，在涡轮的运转温度下形成熔融粉尘。包括熔融粉尘(例如CMAS)在内的沉积物可以与阻挡涂层相互作用，或者可以通过渗入涂层中的孔、通道、裂缝或其他空腔来填充其多孔结构。冷却后，渗透的沉积物固化，可能导致涂层脱层和/或剥落。类似地，未熔化的污染物沉积物可能会渗入涂层中的此类孔、通道、裂缝或其他空腔，并类似地导致涂层脱层和/或剥落。在本说明书中，如上所述的任何环境污染物沉积物，例如堆积的固体粉尘、部分熔融的粉尘、完全熔融的粉尘和CMAS，都将被称为“粉尘沉积物”或有时简称为“粉尘”。
因此，需要一种涂层，其相对于现有技术的阻挡涂层提供改善的抵抗粉尘沉积损害的保护，以及针对随后的气体侵蚀、颗粒侵蚀和颗粒撞击的改进的防护。
发明内容
本发明的各方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可以从描述中变得显而易见，或者可以通过实践本发明主题来学习。
一方面，本本发明内容包括涂层部件，并且更具体地，包括具有易耗涂层的涂层部件。示例性的涂层部件可包括可能暴露于粉尘沉积物的涡轮机的部件，或者其他部件。本发明的涂层部件包括易耗涂层，其保护该部件免受粉尘沉积物的损害。示例性的涂层部件可以包括：限定基底表面的含硅基底；在基底表面上的阻挡涂层，其中该阻挡涂层限定阻挡表面；以及在该阻挡表面上的易耗涂层。易耗涂层可以包括包含硅酸盐的陶瓷氧化物。
在另一方面，本发明内容包括保护部件例如涡轮机的部件免受粉尘沉积物损害的方法。一种示例性方法可以包括在部件上施加易耗涂层，该部件具有限定基底表面的含硅基底和在基底表面上的阻挡涂层，其中阻挡涂层限定阻挡表面。易耗涂层可施加在阻挡表面的至少一部分上，并且易耗涂层可包括包含硅酸盐的陶瓷氧化物。示例性方法可以另外包括使用具有沉积在涂层部件上的粉尘的涂层部件，例如，在如下的情况下使涡轮机运转：安装于涡轮机内的涂层部件具有粉尘沉积物，并由一些粉尘沉积物和易耗涂层的一些形成硅酸盐反应产物。
在另一方面，本发明内容包括其内安装有一个或多个涂层部件的涡轮机或其他设备。示例性涡轮机可包括一种或多种涂层部件，其中一种或多种涂层部件具有限定基底表面的基底和施加在基底表面上的涂层系统，该涂层系统可包括：在基底表面上的粘结涂层，粘结涂层表面上的热生长氧化物(TGO)层，TGO层表面上的阻挡涂层，其中该阻挡涂层限定了阻挡表面，并且易耗涂层位于该阻挡表面上。易耗涂层可以包括包含硅酸盐的陶瓷氧化物。
参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解这些和其他特征、方面和优点。结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了示例性实施方式，并且与说明书一起用于解释本发明主题的某些原理。
附图说明
结合附图，在说明书中为本领域普通技术人员进行完整和达到足以使本领域普通技术人员能够实施的程度的发明公开，包括发明的最佳实施方式。其中：
图1示意性地描绘了示例性的其上施加有易耗涂层的部件；
图2示意性地描绘了示例性的部件，该部件具有包括阻挡涂层和在该阻挡涂层上的易耗涂层的涂层系统；
图3A-3E示意性地描绘了可包括在图2的涂层系统中的易耗涂层的示例性实施方式；和
图4示出了描述保护部件免于粉尘沉积物例如熔融粉尘损害的示例性方法的流程图。
在本说明书和附图中附图标记的重复使用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
下面详细说明本发明主题的示例性实施方式，附图中示出了其一个或多个实施例。各实施例是用来解释本发明，而不应被解释为是对本发明的限制。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实质的情况下，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示出或描述的特征可以与另一实施方式一起使用以产生又一个实施方式。因此，本发明覆盖这些落入所附权利要求及其等同形式的范围内的修改和变型。
本发明总体上提供可施加于涡轮机的部件以保护部件免受粉尘沉积物损害的易耗涂层，以及包括这种易耗涂层的部件，以及保护部件免受粉尘沉积物损害的方法。更特别地，本发明的易耗涂层旨在保护阻挡涂层或部件下面的基底免受粉尘沉积物损害。
本发明的易耗涂层对于其中可能形成熔融粉尘的高温环境(例如，约1,000℃至约1800℃的运转温度)中的陶瓷部件、超合金部件或其他部件的施加特别有用，例如在涡轮机的热气路径中，尤其是在多尘或多沙的运转环境中，例如靠近沙漠或其他多尘或多沙的地形的环境(可能普遍存在粉尘沉积物(例如形成CMAS)水平较高的环境)。可在其上施加易耗涂层的示例性涡轮机部件包括位于压缩机部分(例如，压缩机叶片、刀片和/或护罩)，燃烧部分(例如，燃烧器、衬套和/或隔热罩)内的那些部件，或涡轮机部分(例如，涡轮机叶片、刀片和/或护罩)。具有易耗涂层的部件通常可用于涡轮机械，包括高旁通涡扇喷气发动机(“turbofan”)、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机或涡轮轴燃气涡轮发动机，以及工业和船用燃气涡轮发动机，和辅助动力装置。
粉尘沉积物，包括熔融的粉尘，特别是CMAS，可与EBC强烈相互作用。特别是，某些稀土硅酸盐(例如，包括钆、铒和钇在内的稀土硅酸盐)与包括熔融粉尘和CMAS在内的粉尘沉积物相互作用，形成高度难熔的“钙稀土硅酸盐”相，例如钙稀土环硅酸盐(例如，Ca3Ln2Si6O26)、钙稀土硅钒钾铀矿(例如，Ca3Ln2Si3O12)、钙稀土枪晶石(例如，Ca2Ln2Si2O9)和/或磷灰石(基于Ca2Ln8Si6O26的固溶体)。形成的特定的钙稀土硅酸盐相及其各自的数量和相对比例可取决于例如粉尘沉积物的组成。示例性的钙稀土硅酸盐相可包括钙-钆硅酸盐、钙-铒硅酸盐和钙-钇硅酸盐。
与试图通过使涂层更耐粉尘沉积物侵蚀来防止或限制反应产物例如磷灰石形成的其他涂层相反，本发明的易耗涂层通过改变熔融或固化的粉尘沉积物的化学组成来减少或减轻粉尘沉积物破坏部件中的阻挡涂层、或底层涂层或基底的趋势。粉尘沉积物中氧化钙成分(例如CaO、CaSO4、CaCO3)的存在往往会影响EBC的损坏程度。例如，钙稀土硅酸盐形成(例如，磷灰石形成)的程度可以直接与粉尘沉积物中的氧化钙成分的浓度和/或活性成比例地增加。另外地或可替代地，形成的特定的钙稀土硅酸盐相可以取决于粉尘沉积物中氧化钙成分的浓度和/或活性。本发明的易耗涂层可通过例如通过以下途径中的一种或两种(以及其他)来改变熔融或固体粉尘沉积物的化学组成，来减少或减轻粉尘沉积物对部件中的阻挡涂层或底层涂层或基底的损害：在一些实施方式中，易耗涂层可降低粉尘沉积物中氧化钙成分的浓度和/或活性。附加地或替代地，易耗涂层的一种或多种组分可以与粉尘沉积物中的氧化钙成分结合和/或反应，从而去除可与阻挡涂层相互作用的氧化钙成分。除上述内容外，应理解的是，易耗涂层可以存在其他路径来改变熔融或固体粉尘沉积物的化学组成。不管具体的路径如何，可以通过提供易耗涂层来改变熔融或固化的粉尘的化学组成，所述易耗涂层包括一种或多种能够在涡轮机运转温度下与粉尘沉积物结合或相互作用的陶瓷氧化物成分。另外，在阻挡涂层脱层或剥落的情况下，易耗涂层可以例如通过降低来自基底材料(例如，SiC-SiC CMC基底材料)的二氧化硅的挥发速率来对下面的基底提供保护。
如本文所用，术语“阻挡涂层”可指代并包括EBC和/或TBC，包括其一层或多层，以及一层或多层其他层，例如粘结层和/或热生长氧化物(TGO)层。包含EBC的阻挡涂层特别令人感兴趣，尤其是包括一种或多种稀土硅酸盐的那些，因为粉尘沉积物与稀土硅酸盐的相互作用可能会导致形成钙稀土硅酸盐(例如磷灰石)层，这些层很容易在典型的发动机运转条件下发生脱层或剥落。
底层基底可以包括高温合金材料以及陶瓷材料，例如CMC材料和整体式陶瓷材料。易耗涂层可以以各种方式施加，包括以浆料悬浮液的形式或以粉末的形式施加，并且易耗涂层可以在将部件安装到涡轮机中之前和/或在部件已经安装之后施加到部件上。例如，易耗涂层可施加于被安装在已投入服务的涡轮机中的各种部件上，而无需完全拆卸，在某些情况下，甚至无需部分拆卸涡轮机，包括最初的易耗涂层以及再次施加易耗涂料，例如在先前施加的易耗涂层暴露于一定的服务间隔之后。本文中有时将在部件处于至少部分组装好的状态下将易耗涂层施加到一个或多个部件上称为“原位”、“实地”或“机上(on-wing)”施涂，并且可以根据运转环境、粉尘和其他污染物的发生率，易耗涂层的消耗率等以任何期望的频率进行这种施涂。
如本文所用，术语“CMC”是指陶瓷基底材料，其包括含硅的或氧化物-氧化物的基体和增强材料。如本文所用，“整体陶瓷”是指没有纤维增强的陶瓷基底材料(例如，仅具有基质材料)。这种CMC材料和整体陶瓷在本文中统称为“陶瓷基底”。
如本文所用，术语“涂层”是指以连续或不连续的方式设置在下层表面的至少一部分上的材料。此外，术语“涂层”并不一定意味着所设置的材料的厚度均匀，所设置的材料可以具有均匀或可变的厚度。术语“涂层”可以指单层涂层材料或者多层涂层材料。涂层材料在多个层中可以相同或不同。
如本文所用，术语“硅酸盐”包括具有通式[SiO(4-2x)- 4-x]n(其中0≤x<2并且n≥1)的组成基团的任何化合物，包括任何离子或非离子化合物。此类硅酸盐包括原硅酸盐(x＝0)、偏硅酸盐(x＝1)、焦硅酸盐(x＝0.5，n＝2)和二氧化硅(SiO2)(x＝2)。术语“硅酸盐”还包括这种硅酸盐的任何盐以及包含这种硅酸盐的任何酯。
本发明中，当将层描述为在另一层或基底“上”或“之上”时，应当理解，除非明确相反地说明，否则这些层可以彼此直接接触或在层之间具有另一层或特征。因此，这些术语只是简单地描述了层彼此之间的相对位置，并且不一定意味着“在上面”，因为上方或下方的相对位置取决于设备相对于观看者的取向。
本发明中，使用它们的常见化学缩写来讨论化学元素，例如在元素周期表中常见的化学缩写。例如，氢由其常见的化学缩写H表示；氦以其常见的化学缩写He表示；等等。如本文所用，“Ln”是指稀土元素或稀土元素的混合物。更具体地说，稀土元素Ln是指钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)或镥(Lu)及其混合物。
还应理解，诸如“顶部”，“底部”，“向外”，“向内”等术语是方便的用语，并且不应解释为限制性术语。如本文所使用的，术语“第一”，“第二”和“第三”可以互换地使用以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。术语“一种”不表示数量限制，而是表示存在至少一个所引用的项目。
在此以及整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换，并且除非上下文或语言另有指示，否则范围被识别并且包括其中包含的所有子范围。例如，本文公开的所有范围包括端点，并且端点可彼此独立地组合。
如在整个说明书和权利要求书中在本文中所使用的，近似语言用于修饰可以允许变化而不会导致与其相关的基本功能的变化的任何定量表示。因此，由诸如“大约”、“近似地”和“基本上”的一个或多个术语修饰的值不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量该值的仪器的精度，或用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可以指在10％的范围内。
下面结合附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。图1示出了示例性部件100，其中易耗涂层102被施加在部件100的外表面104上。部件100可以包括基底106和施加到基底106的基底表面110上的涂层系统108。涂层系统108可包括阻挡涂层112和施加在阻挡涂层112上的易耗涂层102，阻挡涂层可包括一个或多个涂层，例如EBC和/或TBC。在一些实施方式中，易耗涂层102可以以喷雾114的形式由与涂层配制源(未示出)连通的涂层施加器116施加。由涂层施加器116喷涂的涂层制剂可以呈浆料悬浮液或干粉的形式，并且涂层施加器116可以包括一个或多个喷嘴118，喷嘴118构造成递送喷雾114，以将易耗涂层102适当地施加在部件100的外表面104上。然而，所描述的涂层施加器116仅以示例的方式提供，其不是限制性的，并且应当理解，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，可以使用任何合适的涂层施加器116或涂覆技术来施加易耗涂层102。
基底106可以由陶瓷材料例如整体陶瓷材料或CMC材料形成。可接受用于本文的CMC材料的一些示例可以包括但不限于具有基质和增强纤维的材料，增强纤维包括非氧化物硅基材料，例如碳化硅、氮化硅、碳氧化硅、氮氧化硅及其混合物。该材料的例子包括但不限于具有碳化硅基质和碳化硅纤维的CMC材料；氮化硅基质和碳化硅纤维；以及碳化硅/氮化硅基质混合物和碳化硅纤维。此外，CMC材料可以具有基质和包括例如氧化物陶瓷的增强纤维。具体地，氧化物-氧化物CMC材料可包括基质和由基于氧化物的材料例如氧化铝或矾土(例如，Al2O3)、二氧化硅或硅石(例如，SiO2)，铝硅酸盐及其混合物形成的增强纤维。示例性的CMC材料可以包括具有SiC纤维的Si-SiC基质。硅铝酸盐可包括结晶材料，例如莫来石(例如3Al2O3·2SiO2或2Al2O3·SiO2)，以及玻璃状硅铝酸盐。
示例性涂层系统108通常包括任何阻挡涂层112，例如EBC或TBC，以及施加在阻挡涂层112上的易耗涂层102。将参照图2进一步详细描述示例性阻挡涂层112，并且将参照图3A-3E更详细地描述示例性易耗涂层102。如图2所示，阻挡涂层112可以包括一个或多个阻挡层200，该阻挡层可以包括选自任何典型的EBC材料和/或任何典型的TBC材料的材料。阻挡涂层112可以可选地包括粘结涂层202。粘结涂层202可以直接施加在基底表面110上，而其间没有任何层。然而，在其他实施方式中，可以将一层或多层设置在粘结涂层202(如果存在)与基底表面110之间。在其他实施方式中，可以在基底表面110上直接形成一个或多个阻挡层200。
当存在时，粘结涂层202可以包括元素硅或硅基材料(例如硅化物等)，当施加于陶瓷基底时，它们是有用的。通常，粘结涂层202较薄，例如具有约25微米(μm)至约275μm，例如约25μm至约150μm(例如约25μm至约100μm)的厚度。
在一些实施方式中，阻挡涂层112可以可选地包括在粘结涂层202的表面上的热生长氧化物(TGO)层204。举例来说，TGO层204可以作为在制造和/或使用过程中暴露于氧气的天然产物而在硅基粘结涂层202的表面上形成，并且可以被设计成通过热处理使其变厚。TGO层204可以是氧化硅，其有时可以被称为“氧化硅垢”或“硅石垢”，并且通常具有高达约20μm(例如，约0.01μm至约6μm)的厚度。TGO层204可能不具有均匀的厚度，这取决于下面的粘结涂层202、处理方法和暴露条件。
在各种实施方式中，可将一个或多个阻挡层200施加在基底表面110上、粘结涂层202的表面上或TGO层204的表面上。一个或多个阻挡层200的组成，例如一层或多层是否将包括EBC材料和/或TBC材料，可取决于部件100的具体应用以及基底106的组成。例如，当基底106包括陶瓷材料(例如，CMC材料)时，一个或多个阻挡层200可以包括一种或多种EBC材料。替代地或另外地，当基底106包括诸如超合金的金属合金时，一个或多个阻挡层200可以包括一种或多种TBC材料。这样的EBC材料和TBC材料可以单独使用或彼此组合使用。
通常，EBC材料被配置为提供增强的环境保护，例如通过增强的水蒸气阻隔优先级，并且通常，TBC材料被配置为提供增强的热绝缘性能。然而，将认识到，取决于材料的特定组成，EBC材料和TBC材料均可以不同程度地提供环境保护以及隔热。出于本发明的目的，通常，术语EBC和TBC可以互换使用，以大体上指代在阻挡涂层112的阻挡层200中的材料，该材料为下层的基底106和/或阻挡涂层112的下层提供环境阻隔和/或热阻隔。
合适的EBC材料可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、稀土铝硅酸盐、BSAS等)，等等，以及这些的组合。在示例性实施方式中，EBC材料可以包括一种或多种稀土硅酸盐，例如一种或多种具有式Ln2SiO5的稀土单硅酸盐，和/或一种或多种具有式Ln2Si2O7的稀土二硅酸盐。举例来说，EBC材料可以包括硅酸镱(例如，YbSiO5和/或Yb2Si2O7)。
合适的TBC材料可以包括但不限于各种类型的氧化物，例如氧化铪、氧化锆、稳定化的氧化铪、稳定化的氧化锆、稀土铪酸盐、稀土锆酸盐、稀土氧化镓等以及这些的组合。稳定化的氧化锆的例子可包括氧化钇稳定的氧化锆、氧化铈稳定的氧化锆、氧化钙稳定的氧化锆、氧化钪稳定的氧化锆、氧化镁稳定的氧化锆、氧化铟稳定的氧化锆、氧化钇稳定的氧化锆、氧化镧稳定的氧化锆或氧化钆稳定的氧化锆，以及这些的组合。类似的稳定化的氧化铪组合物是本领域已知的，并且适合用于本文所述的实施方式中。
一个或多个阻挡层200的总厚度可为约25微米(μm)至约2,000μm，例如约25μm至约1,500μm(例如，约25μm至约1,000μm)。
可以使用任何一种或多种合适的涂覆技术，例如等离子体喷涂、热喷涂、化学气相沉积、离子等离子体沉积、物理气相沉积等，来涂覆包括一个或多个阻挡层200以及可选的粘结涂层202的阻挡涂层112。阻挡涂层112也可以通过浆料或其他“湿”工艺施加。在阻挡涂层112的各个层之间和/或在可选的粘结涂层202和阻挡涂层112之间，涂层施加方法可以不同。
现在参考图3A-3E，描述示例性易耗涂层102。如图3A所示，涂层系统108包括涂覆在基底106的基底表面110上的阻挡涂层112(其可以包括一个或多个阻挡层200)，以及涂覆在阻挡涂层112的阻挡表面300上的一层或多层易耗涂层102。易耗涂层102可直接涂覆在阻挡表面300上，而其间没有任何层。然而，在其他实施方式中，可将一层或多层设置在易耗涂层102和阻挡表面300之间。例如，部件100可包括易耗涂层102的一个或多个预先存在的层，并且易耗涂层102的一个或多个新的层可以在其上施加。例如，可以将易耗涂层102的一个或多个新的层涂覆在预先存在的易耗涂层102上，以补充先前存在的易耗涂层102，并且新的易耗涂层102的组成可以与先前存在的易耗涂层102的组成相同或不同。涂层系统108可具有在涂层系统108的一层或多层上积累的粉尘沉积物。例如，在存在粉尘沉积物301a的情况下，粉尘沉积物301a可至少部分地渗透到阻挡涂层112中，该粉尘沉积物在涂覆易耗涂层102之前存在或在易耗涂层102牺牲性消耗之后累积。另外地或替代地，粉尘沉积物301b可至少部分地与易耗涂层102混合，例如在牺牲性消耗易耗涂层102的过程中。进一步附加地或替代地，粉尘沉积物301c可至少部分地累积在易耗涂层102的表面上，例如当在施加了易耗涂层102之后粉尘沉积物301c累积时。不管粉尘沉积物301的位置在何处，并且无论粉尘沉积物301何时累积，易耗涂层102都可以保护部件100免受本文所述的粉尘沉积物301的影响。
可以使用任何一种或多种合适的涂覆技术来涂覆易耗涂层102，例如浆料喷涂、刷涂、辊涂或等离子喷涂、热喷涂、化学气相沉积、离子等离子体沉积和/或物理气相沉积。实地或机上涂层应用中，简单的环境涂层应用技术可能是优选的，例如喷涂、刷涂、辊涂等。在一个示例性实施方式中，易耗涂层102可使用涂层施加器116施加，该涂层施加器116被配置为通过一个或多个喷嘴118排出喷雾114，如图1所示。涡轮机的部件100可通过涡轮机壳体中的一个或多个进入端口进入，例如管道镜端口、点火器端口、燃料喷嘴端口等。
如所提及的，易耗涂层可以通过至少两个路径来改变熔融或固体粉尘沉积物的化学组成。在一些实施方式中，根据第一路径，易耗涂层102可包括一种或多种陶瓷氧化物成分，其在涡轮机运转温度下可变得熔融并与粉尘沉积物结合或相互作用。一种或多种陶瓷氧化物成分可由此通过改变熔融或固态状态的粉尘沉积物的化学组成来减少或减轻粉尘沉积物损坏部件100的阻挡涂层112或下面的涂层或基底106的趋势。易耗涂层102中用于稀释粉尘沉积物的陶瓷氧化物成分可以包括与基于污染物的粉尘沉积物相同或相似的成分，除了不存在氧化钙成分以外。例如，易耗涂层102可以包括一种或多种硅酸盐成分(例如，硅石/SiO2)，一种或多种氧化铝成分(例如，矾土/Al2O3)，一种或多种氧化镁成分(例如，镁砂/MgO)，和/或一种或多种莫来石氧化物成分。莫来石氧化物成分在本文中可以被称为“莫来石”，其可以包括约40mol％的Al2O3-60 mol％的SiO2至约60mol％的Al2O3-40 mol％的SiO2。举例来说，莫来石可以以3Al2O3·2SiO2和/或2Al2O3·SiO2的形式存在。通过降低粉尘沉积物中氧化钙成分的浓度和/或活性，可以降低形成磷灰石(例如Ca2Ln8(SiO4)6O2)的驱动力，和/或可以减少物理上可与阻挡涂层112相互作用的氧化钙成分的量。
另外地或可替代地，根据第二路径，易耗涂层102可包括一种或多种能与粉尘沉积物中的氧化钙成分相互作用的陶瓷氧化物成分(例如在高温下)，从而去除可用于与阻挡涂层112相互作用的氧化钙成分。例如，易耗涂层102可包括一种或多种稀土氧化物，例如一种或多种稀土硅酸盐，其可与粉尘沉积物中的氧化钙成分相互作用。在一些实施方式中，易耗涂层102中的一种或多种稀土氧化物可与粉尘沉积物中的氧化钙成分相互作用以形成磷灰石相(例如，Ca2Ln8(SiO4)6O2)，从而防止或减轻直接在阻挡涂层112的阻挡表面300上和/或阻挡涂层112的微结构内形成磷灰石。另外地，或替代地，一种或多种稀土氧化物可与粉尘沉积物中的氧化钙成分相互作用，从而优先于磷灰石相形成一种或多种钙稀土硅酸盐晶体相，这不利于磷灰石相的形成，和/或在物理上阻挡了阻挡涂层112中的通道，否则磷灰石可能会渗透到阻挡涂层112的微观结构中。在一些实施方式中，易耗涂层102可以被去除并补充。这样，一种或多种陶瓷氧化物成分(例如硅酸盐、稀土氧化物、稀土硅酸盐等)可能会牺牲性地与粉尘沉积物发生相互作用或结合，甚至允许在易耗涂层中形成磷灰石，但随后以选定的运转间隔对易耗涂层102进行补充，使得易耗涂层102将具有足够的可用陶瓷氧化物成分，以保护阻挡涂层112免受粉尘沉积物的损害。
易耗涂层102中的一种或多种陶瓷氧化物成分可以另外地或可替代地包括一种或多种硅酸盐。在示例性实施方式中，易耗涂层102可包括硅石。另外地或替代地，易耗涂层102可包括一种或多种硅酸盐，其中硅石存在于至少一些相域中。举例来说，硅石相域可以存在于稀土硅酸盐材料中，例如在过量硅石的存在下形成的稀土硅酸盐材料中。易耗涂层102中的一种或多种硅酸盐，例如硅石可与粉尘沉积物中的氧化钙成分相互作用。一种或多种硅酸盐，例如硅石，可以例如在高温下与氧化钙成分相互作用，并且来自这种相互作用的反应产物可以包括一种或多种硅酸钙(例如，2CaO·SiO2、3CaO·SiO2、3CaO·2SiO2、CaO·SiO2、CaSiO3、Ca3SiO5、Ca2SiO4和/或Ca3Si2O7)。这种硅酸钙的形成可以除去可用于形成磷灰石相的氧化钙成分。这样的硅酸钙通常还表现出低的堆积密度，这可以在粉尘沉积物和阻挡涂层112之间提供一定的柔韧性。以这种方式，粉尘沉积物中硅酸钙的存在可以使粉尘灵活地适应阻挡涂层112的热膨胀或收缩，从而减少了粉尘沉积物引发和传播裂纹的趋势，否则可能由减小的涂层应变容限和/或阻挡涂层112和粉尘沉积物之间的热膨胀系数不匹配引起。
在示例性实施方式中，本发明的易耗涂层102可以包括一种或多种硅石、矾土和/或莫来石氧化物成分，以及一种或多种稀土氧化物(例如，稀土硅酸盐)。例如，易耗涂层102可以包括硅酸盐和稀土硅酸盐。可以将一种或多种硅石、矾土和/或莫来石氧化物组分与一种或多种稀土氧化物(例如一种或多种稀土硅酸盐)结合以形成均质的易耗涂层。在一些实施方式中，易耗涂层中的硅酸盐可以包括硅石。另外地或可替代地，易耗涂层可以包括稀土氧化物和/或矾土。例如，易耗涂层可以包括硅石以及稀土氧化物和/或矾土。作为另一示例，易耗涂层可以附加地或替代地包括硅酸盐，以及稀土氧化物和/或矾土。在一些实施方式中，易耗涂层可以附加地或替代地包括稀土硅酸盐。例如，易耗涂层可以包括硅石和稀土硅酸盐。作为另一示例，易耗涂层可以附加地或替代地包括硅酸盐，以及稀土氧化物和/或矾土。在一些实施方式中，易耗涂层可以附加地或替代地包括莫来石。例如，易耗涂层可以包括硅石和莫来石。作为另一个例子，易耗涂层可以附加地或替代地包括硅酸盐和莫来石。在一些实施方式中，易耗涂层中的硅酸盐可以包括铝硅酸盐，诸如莫来石。例如，易耗涂层可以包括铝硅酸盐，例如莫来石，而没有另一种硅酸盐的存在。
如图3A所示，易耗涂层102可以包括施加在阻挡表面300上的一个或多个均质层。可替代地，如图3B-3E所示，易耗涂层102可以包括具有不同组成的多个层。例如，一种或多种硅石、矾土和/或莫来石氧化物成分可以形成易耗涂层102中的第一易耗涂层302，并且一种或多种稀土氧化物(例如，一种或多种稀土硅酸盐)可以形成易耗涂层102中的第二易耗涂层304。不管易耗涂层是否包括一个或多个均质层(图3A)和/或具有不同组成的多个层(图3B-3E)，该易耗涂层可以均匀地分布在各个层上和/或在多个异质域中。
在一些实施方式中，如图3B中所示，可以将包括一种或多种硅石、矾土和/或莫来石氧化物成分的第一易耗涂层302施加在阻挡涂层112的阻挡表面300上，并且将包括该一种或多种稀土氧化物(例如，一种或多种稀土硅酸盐)的第二易耗涂层304施加在第一易耗涂层302上。或者，在其他实施方式中，如图3C中所示，可以将包括一种或多种稀土氧化物(例如，一种或多种稀土硅酸盐)的第二易耗涂层304施加在阻挡表面300上，并且包括一种或多种硅石、矾土和/或莫来石氧化物成分的第一易耗涂层302可以被施加在第二易耗涂层304上。第一易耗涂层可包括含量为约40wt％至约100wt％的硅石，例如40wt％至约90wt％，例如约60wt％至约80wt％，例如至少约60wt％，例如至少约70wt％，例如至少约80wt％。第二易耗涂层可包括含量为约40wt％至约90wt％的稀土氧化物(例如，稀土硅石)，例如约60wt％至约80wt％，例如至少60wt％，例如至少70wt％，例如至少80wt％。
在一些实施方式中，易耗涂层102可以包括陶瓷氧化物，该陶瓷氧化物包括诸如硅石的有机硅衍生物材料。有机硅衍生物材料可以衍生自有机硅粘合剂或易耗涂层102浆料中包括的其他材料。有利地，当暴露于高温运转条件例如涡轮机中典型的那些条件下时，至少一部分有机硅粘合剂或其他材料可以转化为有机硅衍生物材料，例如硅石。然后，有机硅衍生物材料，例如由有机硅粘合剂或其他材料得到的硅石，可以降低粉尘沉积物中的氧化钙成分的浓度和/或活性，和/或硅石可以与粉尘沉积物中的氧化钙成分相互作用。
包括有机硅材料的示例性易耗涂层102也可以包括一种或多种陶瓷氧化物成分。然而，在一些实施方式中，如图3D所示，易耗涂层102可包括粘合剂层306，该粘合剂层306包括旨在在高温下转变成有机硅衍生物材料(例如硅石)的有机硅材料，并且所得的硅石可以是易耗涂层102中的唯一陶瓷氧化物成分。然后，有机硅衍生物材料，例如由有机硅粘合剂或其他材料得到的硅石，可以降低粉尘沉积物中的氧化钙成分的浓度和/或活性，和/或硅石可以与粉尘沉积物中的氧化钙成分相互作用。替代地，在其他实施方式中，有机硅粘合剂或其他材料可以与一种或多种陶瓷氧化物成分(例如一种或多种硅石、矾土和/或莫来石氧化物成分和/或一种或多种稀土氧化物(例如，一种或多种稀土硅酸盐))组合以形成均质的易耗涂层102，该涂层包括有机硅衍生物材料。例如，第一易耗涂层302和/或第二易耗涂层304可以包括有机硅衍生物材料。
在一些实施方式中，如图3E所示，易耗涂层102可包括多个层，使得易耗涂层102中的第三易耗涂层308可包括有机硅衍生物材料，易耗涂层102中第四易耗涂层310可包括一种或多种硅石、矾土和/或莫来石氧化物成分和/或一种或多种稀土氧化物(例如一种或多种稀土硅酸盐)。如图3E所示，可以将包括有机硅衍生物材料的第三易耗涂层308施加在阻挡表面300上，并且可以将包括一种或多种硅石、矾土和/或莫来石氧化物成分和/或一种或多种稀土氧化物(例如一种或多种稀土硅酸盐)的第四易耗涂层310涂覆在第三易耗涂层308上。除了有机硅衍生物材料之外，易耗涂层102中的第三易耗涂层308还可包括一种或多种硅石、矾土和/或莫来石氧化物成分和/或一种或多种稀土氧化物(例如一种或多种稀土硅酸盐)。例如，易耗涂层102中的第三易耗涂层308可包括一种或多种硅石、矾土和/或莫来石氧化物成分和有机硅衍生物材料，易耗涂层102中的第四易耗涂层310可包括一种或多种稀土氧化物(例如一种或多种稀土硅酸盐)。作为另一示例，易耗涂层102中的第三易耗涂层308可包括一种或多种稀土氧化物(例如，一种或多种稀土硅酸盐)和有机硅衍生物材料，并且第四易耗涂层310可包括一种或多种硅石、矾土和/或莫来石氧化物成分。第四易耗涂层310也可以包括有机硅衍生物材料。
除了阻挡涂层112之外，本发明的易耗涂层102可以保护其他涂层或涂层免受粉尘沉积物的损害，其包括粘结涂层202以及下面的基底106。因此，应当理解，通过实例而非限制的方式描述了将易耗涂层102涂覆在阻挡表面300上以及阻挡涂层112所得的保护。实际上，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，本发明的易耗涂层102可以被施加到任何涂层系统108或基底106上并提供对其的最终保护。
可包含在易耗涂层102中的示例性陶瓷氧化物包括氧化硅成分、氧化铝成分和/或莫来石氧化物成分，以及稀土氧化物，包括本文中参照阻挡涂层112讨论的任何材料(EBC和TBCs)。氧化硅成分可包括但不限于硅石以及任何其他硅酸盐。
如本文所用，术语“稀土氧化物”是指包括稀土元素作为其组成元素之一的氧化物化合物。示例性的稀土氧化物包括稀土元素的氧化物以及稀土硅酸盐。这种稀土元素的氧化物包括：Sc2O3、Y2O3、La2O3、CeO2、Pr2O3、Nd2O3、Pm2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3、Tm2O3、Yb2O3、或Lu2O3、以及这些的组合。示例性稀土氧化物还包括复合氧化物，其包括稀土元素和过渡金属元素，例如锆、铪、钛或铌、以及这些的组合。这样的复合氧化物包括例如氧化钇稳定的氧化锆和氧化钇稳定的氧化铪。
示例性的稀土硅酸盐包括具有式Ln2SiO5的稀土单硅酸盐和具有式Ln2Si2O7的稀土二硅酸盐，以及这些的组合。合适的稀土硅酸盐包括但不限于以下的单硅酸盐和/或二硅酸盐：镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、钇(Y)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)或钪(Sc)，以及它们的组合。举例来说，稀土硅酸盐包括：硅酸钇(例如，Y2SiO5和/或Y2Si2O7)、硅酸钆(例如，Gd2SiO5和/或Gd2Si2O7)、硅酸镱(例如，Yb2SiO5和/或Yb2Si2O7)、硅酸铒(Er2SiO5和/或Er2Si2O7)以及这些的组合。
易耗涂层可以包括一种或多种稀土硅酸盐。举例来说，易耗涂层可以包括：硅酸镧(例如，La2SiO5和/或La2Si2O7)、硅酸铈(例如，Ce2SiO5和/或Ce2Si2O7)、硅酸镨(例如，Pr2SiO5和/或Pr2Si2O7)、硅酸钕(例如Nd2SiO5和/或Nd2Si2O7)、硅酸钐(例如Sm2SiO5和/或Sm2Si2O7)、硅酸铕(例如Eu2SiO5和/或Eu2Si2O7)、硅酸钆(例如Gd2SiO5和/或Gd2Si2O7)、硅酸铽(Tb2SiO5和/或Tb2Si2O7)、硅酸镝(例如Dy2SiO5和/或Dy2Si2O7)、硅酸钬(例如Ho2SiO5和/或Ho2Si2O7)、硅酸钇(例如Y2SiO5和/或Y2Si2O7)或硅酸铒(例如，Er2SiO5和/或Er2Si2O7)，以及这些的组合。
据信，在一些实施方式中，当粉尘沉积物在高温下与稀土硅酸盐相互作用时形成的晶相可取决于稀土硅酸盐的稀土元素的离子半径。特别是具有离子半径相对较小的稀土元素的稀土硅酸盐可能会与粉尘沉积物中的氧化钙成分发生相互作用，从而优先于磷灰石形成其他钙-稀土硅酸盐晶相(例如Ca2Ln8(SiO4)6O2)，而具有相对较大的离子半径稀土元素的硅酸盐很容易由粉尘沉积物中的氧化钙成分形成磷灰石。
表1示出了+3价态、配位数为6的各个稀土元素的离子半径。在示例性实施方式中，稀土硅酸盐可包括离子半径为约
Figure BDA0003020352430000131
至约
Figure BDA0003020352430000132
例如约
Figure BDA0003020352430000133
至约
Figure BDA0003020352430000134
或例如约
Figure BDA0003020352430000135
至约
Figure BDA0003020352430000136
的稀土元素。
表1稀土元素的离子半径
稀土元素 离子半径(埃),+3/CN6
镧(La) 1.032
铈(Ce) 1.010
镨(Pr) 0.990
钕(Nd) 0.983
钐(Sm) 0.958
铕(Eu) 0.947
钆(Gd) 0.938
铽(Tb) 0.923
镝(Dy) 0.912
钬(Ho) 0.901
钇(Y) 0.900
铒(Er) 0.890
铥(Tm) 0.880
镱(Yb) 0.868
镥(Lu) 0.861
钪(Sc) 0.745
在一些实施方式中，易耗涂层102可以包括稀土硅酸盐，其中稀土元素的离子半径大于或等于铒(Er)的离子半径。这种稀土硅酸盐可包含在易耗涂层102中，以便当稀土硅酸盐与粉尘沉积物中的氧化钙成分相互作用时优先形成磷灰石。以这种方式，磷灰石可以容易地由与易耗涂层102的相互作用而不是由与阻挡涂层112的相互作用形成。例如，这种稀土硅酸盐可以包括硅酸镧(例如，La2SiO5和/或La2Si2O7)、硅酸铈(例如Ce2SiO5和/或Ce2Si2O7)、硅酸镨(例如Pr2SiO5和/或Pr2Si2O7)、硅酸钕(例如Nd2SiO5和/或Nd2Si2O7)、硅酸钐(例如Sm2SiO5和/或Sm2Si2O7)、硅酸铕(例如，Eu2SiO5和/或Eu2Si2O7)、硅酸钆(例如Gd2SiO5和/或Gd2Si2O7)、硅酸铽(例如Tb2SiO5和/或Tb2Si2O7)、硅酸镝(例如Dy2SiO5和/或Dy2Si2O7)、硅酸钬(例如Ho2SiO5和/或Ho2Si2O7)、硅酸钇(例如Y2SiO5和/或Y2Si2O7)或硅酸铒(例如Er2SiO5和/或Er2Si2O7)以及它们的组合。
可选地，在一些实施方式中，易耗涂层102可包括稀土硅酸盐，其中稀土元素具有镱(Yb)的离子半径或更小。这种稀土硅酸盐可包含在易耗涂层102中，以便当稀土硅酸盐与粉尘沉积物中的氧化钙成分相互作用时使磷灰石的形成最小化或消除磷灰石的形成。例如，这样的稀土硅酸盐可以包括硅酸镱(例如，Yb2SiO5和/或Yb2Si2O7)、硅酸镥(例如，Lu2SiO5和/或Lu2Si2O7)或硅酸钪(例如，Sc2SiO5和/或Sc2Si2O7)，以及这些的组合。在一些实施方式中，可以在正常运转的一段时间内去除包含此类其他晶相的易耗涂层102或使其逐渐磨损，从而牺牲性地保护阻挡涂层112免受由粉尘沉积物形成的磷灰石的有害影响。此后，可根据需要补充易耗涂层102。
当易耗涂层102包括有机硅，例如有机硅粘合剂时，有机硅粘合剂可以包括任何低聚物或聚合物，该低聚物或聚合物包括硅氧烷(即，Si-O-Si主链或键)和/或甲硅烷氧基(即R3SiO-)官能团。在干燥和部分热分解的条件下，有机硅可以将强度赋予给易耗涂层102，同时在完全分解的条件下有利地形成硅灰。例如，有机硅可以包括聚硅氧烷，例如但不限于聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)、聚乙烯基硅氧烷(PVS)和聚(酰亚胺-共-硅氧烷)(PIS)，以及这些的组合。
当以浆料悬浮液的形式施加易耗涂层102时，浆料悬浮液可包括各种有机加工助剂，例如有机溶剂，分散剂，表面活性剂，增塑剂，用于受控分散的添加剂，增稠剂，有机硅粘合剂等等。示例性有机溶剂可包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇、庚醇、辛醇、丙酮、双丙酮醇、甲基异丁基酮(MIBK)、甲基乙基酮(MEK)、酮(例如二烷基酮，如戊酮)、甲苯、庚烷或二甲苯，以及这些的组合。示例性的分散剂可以包括聚丙烯酸、聚丙烯酸-聚环氧乙烷共聚物、聚甲基丙烯酸、聚乙烯亚胺、聚丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸铵、磺化萘甲醛缩合物或聚乙烯磺酸，以及它们的组合。示例性增塑剂可包括乙二醇、二甘醇、三甘醇、四甘醇甘油、甘油、聚乙二醇或二甘醇单丁醚，以及这些的组合。示例性的表面活性剂可包括碳氟化合物、二甲基硅氧烷或炔二醇化学物质，以及这些的组合。用于受控分散的示例性添加剂可包括柠檬酸、甘氨酸、右旋糖、蔗糖、甘露糖、酒石酸或草酸，以及这些的组合。示例性的增稠剂可包括黄原胶、聚环氧乙烷、瓜尔胶、甲基纤维素和其他可溶性纤维、聚丙烯酸或聚乙烯吡咯烷酮，以及它们的混合物。另外，或作为有机硅粘合剂的替代，易耗涂层102可以包括其他粘合剂，包括乳胶粘合剂，例如聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯丁醇、苯乙烯-丁二烯共聚物、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、丙烯酸聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯/聚丙烯酸丁酯、聚乙酸乙烯酯，聚苹果酸乙烯酯、天然乳胶及它们的混合物。通常，这些有机加工助剂可以包括碳和其他元素，这些元素在加工和/或暴露于运转环境期间会挥发，因此它们不会永久存在于易耗涂层102中。
在一个实施方式中，浆料悬浮液可以通过将主要易耗涂层材料(例如，一种或多种陶瓷氧化物，例如硅石，矾土和/或莫来石氧化物成分、稀土氧化物、稀土硅酸盐等)与液体载体混合，并混合至充分分散来形成。任选地，可以使用一种或多种有机加工助剂，包括溶剂，分散剂，表面活性剂，增塑剂等。示例性的液体载体可以包括水和/或有机溶剂，例如醇和/或酮。另外，可以使用混合介质，例如矾土或氧化锆混合介质。可以使用本领域技术人员已知的常规技术混合该混合物，包括摇动，球磨，磨碎机研磨，行星球磨或机械混合或搅拌，任选地同时施加超声能量。混合介质或超声能量可以使浆料中的任何团聚陶瓷颗粒破碎。例如，随后可以通过过滤除去存在的任何混合介质。
浆料可以包括任何合适的固体负载，其可以取决于例如涂覆的类型(例如，辊涂，喷涂等)、易耗涂层的期望厚度以及易耗涂层将要涂覆到其上的部件。在一些实施方式中，以最终浆料制剂的重量为基准计，固体负载量可以为约5重量％至约40重量％，例如约10wt％至约30wt％，例如约15wt％至约40wt％，例如约15wt％至约25wt％，或例如约18wt％至约25wt％。浆料可以包括粘合剂，例如有机硅或胶乳材料，以最终浆料制剂的重量为基准计，其量为约0.1wt％至约5wt％，例如约1wt％至约4wt％，例如约1.5wt％至约2.5wt％。易耗涂层浆料中的固体的中值粒径可以为约0.1微米(μm)至约8μm，例如约0.2μm至约6μm，例如约1μm至约4μm，例如约0.5μm至2.5μm。
如果需要，可以将增稠剂添加到浆料悬浮液中，并且可以通过诸如机械搅拌，辊压，共混，摇动和其他类似方法之类的方法来搅拌所得的混合物。一旦增稠剂完全溶解，就可以根据需要添加任何用于可控分散的辅助添加剂，并且可以使用以上列出的任何方法再次混合制得的浆料，直到辅助添加剂溶解为止。
可通过缓慢滚动，缓慢机械混合或其他类似方法来混合浆料，以避免在浆料中截留气泡。该轻度混合可以无限期地继续进行，或者可替代地，一旦混合，就可以将浆料搁置一旁直到需要涂覆。
本领域技术人员将理解，先前的实施方式是用于制备本文所述的浆料组合物的一种方法，并且其他方法也是可接受的。
如果需要，可以在施加浆料悬浮液之前对部件100或其他附近的部件进行遮蔽，以防止涂覆部件100或此类附近的部件的特定区域。可以使用本领域技术人员已知的常规技术来完成掩蔽，包括但不限于胶带，保形掩蔽剂，模版和涂漆掩蔽剂。一旦完成所有期望的掩蔽，就可以喷涂浆料悬浮液以用易耗涂层102涂覆部件100。例如，在实地服务期间，可以使用适当的导入工具(access tooling)，将易耗涂层喷涂到涡轮机械部件的表面。
可以以足够的量施加易耗涂层102以提供具有合适厚度的一层或多层。举例来说，易耗涂层102和/或易耗涂层102的层可具有约10微米至约250微米的厚度，例如约10微米至约125微米，例如约10微米至约75微米，或例如约5微米至约30微米。
一旦将浆料悬浮液施加到部件100上，并且当浆料仍然湿润时，可以将其整平以去除过量的浆料材料。可以使用常规技术来进行整平，例如但不限于回旋、旋转或悬吊部件100，在施加或不施加振动的情况下进行滴落，或使用气刀，刮刀等，以去除多余的浆料材料。与浆料涂覆相似，整平可以手动进行，也可以自动进行，并且可以在潮湿的环境中进行，因为如果浆料干燥太快，会导致整平过程中涂层的缺陷。
接下来，可以干燥部件100。干燥可以在环境温度或受控的温度和湿度条件下进行。在一个实施方式中，可利用受控的温度和湿度来帮助维持所施加的浆料涂层的完整性。更特别地，在一个实施方式中，可以在约5℃至约150℃的温度下进行干燥，在另一实施方式中，在约20℃至约30℃的温度下进行干燥。在“机上”应用中涂覆了易耗涂层102之后，干燥也可能在发动机环境中发生。
干燥后，可以通过剥离胶带和粘合剂，烧掉胶带和粘合剂或通过移除多用途工具来去除存在的任何掩蔽。去除掩蔽后残留的任何粗糙边缘均可使用常规方法刮擦或切掉。
在一些实施方式中，可以通过将部件100暴露于高温环境中来进行有机加工助剂的烧尽，从而可以烧掉有机加工助剂。当在实地或机上施加涂层时，可以例如通过根据烧尽时间表来使包括涂层部件100的涡轮机运转来进行烧尽过程。可替代地，可以允许正常涡轮机运转固有地发生烧尽。在一个实施方式中，当将涂层部件100加热到约400℃至约1400℃(例如，约600℃至约800℃)并将部件100保持在此温度下约0.05至约2小时时，可以完成有机加工助剂的烧尽。
现在参考图4，将描述保护部件100免受粉尘沉积物损害的示例性方法。部件100可以包括安装在涡轮机或任何其他高温环境中的一个或多个部件100。示例性方法400可包括在步骤402处将易耗涂层102施加在涡轮机的部件100上。该部件可以包括：限定基底表面110的含硅基底106；在基底表面110上的阻挡涂层112，其中阻挡涂层112限定阻挡表面300；以及易耗涂层102，其施加在阻挡表面300的至少一部分上。易耗涂层可包括陶瓷氧化物，并且该陶瓷氧化物可包括硅酸盐。
在步骤402处，易耗涂层102可以施加在涡轮机的部件100上，而部件100设置在完全或部分组装的涡轮机中。在一些实施方式中，易耗涂层可以“实地”或“机上”施加。易耗涂层102可以在不需要拆卸涡轮机的情况下被施加，并且因此不需要停机时间来完全或甚至部分拆卸涡轮机。例如，在步骤402处，易耗涂层可至少部分地通过使用涂层施加器116将易耗涂层102喷涂到涡轮机的部件100上来施加，该涂层施加器可通过涡轮机壳体中的一个或多个进入端口(例如管道镜端口、点火器端口、燃料喷嘴端口等)进行访问。在一些实施方式中，可期望在涡轮机被部分地拆卸时，例如在其他维修活动期间，额外地或替代地施加易耗涂层。
在一些实施方式中，方法400可以进一步包括，在步骤404处，使涡轮机运转，其中粉尘沉积在安装在涡轮机中的涂层部件100上，并且由易耗涂层102的一些粉尘沉积物形成硅酸盐反应产物。粉尘沉积物可能来自多尘或多沙的运转环境，例如靠近沙漠或其他多尘或多沙的地形的环境，在这些环境中，高水平的粉尘和其他污染物可能很普遍。
方法400可以进一步包括，在步骤406处，降低粉尘沉积物中的氧化钙成分的浓度和/或活性。步骤406可以包括使粉尘沉积物中的氧化钙成分与易耗涂层102的至少一部分结合和/或反应。步骤406可以附加地或替代地包括使来自易耗涂层102的硅酸盐与粉尘沉积物中的氧化钙成分结合和/或反应。步骤406可以进一步另外地或可替代地包括通过使易耗涂层中的一些硅石与粉尘沉积物中的一些氧化钙结合和/或反应，优先形成一种或多种硅酸钙。步骤406可以进一步另外地或可替代地包括通过使易耗涂层中的一些稀土氧化物与粉尘沉积物中的一些氧化钙结合和/或反应，优先形成一种或多种钙稀土硅酸盐。在一些实施方式中，稀土氧化物可以包括稀土硅酸盐。降低粉尘沉积物中氧化钙成分的浓度和/或活性的步骤406可以减少磷灰石的形成。附加地或替代地，作为步骤406的结果，可以减少物理上可用于与阻挡涂层112相互作用的氧化钙成分的量。任选地，一种或多种硅酸钙可以包括：2CaO·SiO2、3CaO·SiO2、3CaO·2SiO2、CaO·SiO2、CaSiO3、Ca3SiO5、Ca2SiO4或Ca3Si2O7，以及这些的组合。这种硅酸钙的形成可以除去可用于形成磷灰石相的氧化钙成分(例如，CaO)。
在其他实施例中，结合和/或反应步骤406可以另外或可替代地包括通过使来自易耗涂层102的一些稀土氧化物与来自粉尘沉积物中的氧化钙成分结合和/或反应，优先形成钙-稀土硅酸盐。例如，稀土氧化物可以包括稀土硅酸盐，其包括离子半径等于或小于铕(Eu)的离子半径的稀土元素，使得磷灰石可以更容易地至少部分地形成，这是因为稀土元素的离子半径更紧密地匹配钙的离子半径。替代地，结合和/或反应步骤406可以包括通过使来自易耗涂层102的一些稀土氧化物与来自粉尘沉积物的氧化钙成分结合和/或反应来最小化磷灰石的形成。例如，稀土氧化物可以包括稀土硅酸盐，稀土硅酸盐包括稀土元素，该稀土元素的离子半径大于铕(Eu)的离子半径，使得可以最小化或消除磷灰石的形成。
在另外的实施方式中，易耗涂层102可以额外地或可替代地包括至少部分地源自有机硅材料的硅酸盐，并且示例性方法400可以包括在使涡轮机运转时将有机硅材料的至少一部分转化成硅石。另外，示例性方法400可以包括使源自有机硅材料的一些硅石与来自粉尘沉积物的氧化钙成分结合和/或反应。
在一些实施方式中，示例性方法400可以包括，在步骤408处，例如，在使涡轮机运转一段时间之后，将易耗涂层重新涂覆在涡轮机的部件上。可以以与步骤402描述的相同或相似的方式来重新涂覆易耗涂层102，包括例如“实地”或“机上”重新涂覆易耗涂层102。在这些情况下，无需拆卸涡轮机即可进行重新涂覆。然而，在一些实施方式中，可能期望在涡轮机被部分地拆卸时额外地或替代地施加易耗涂层102。例如，易耗涂层可结合包括至少对涡轮机进行一些拆卸的维修或修理活动来涂覆。可以以任何期望的运转间隔重新涂覆易耗涂层，该间隔例如可以至少部分地基于所观察到的或预期的运转环境的性质和/或在运转一个或多个运转间隔之后可观察到的或期望的易耗涂层的状况来选择。
在一些实施方式中，可至少部分地基于所观察到的或预期的已经发生的结合和/或反应的程度(例如，在步骤406处)和/或至少部分地基于所观察到的或预期的已经发生的结合和/或反应的程度(例如，在步骤406处)，在步骤408处重新施加易耗涂层。在一些实施方式中，易耗涂层可以被施加和/或重新施加到具有阻挡涂层的部件上，该部件具有至少一个脱层区域。脱层区域中的阻挡涂层可能会部分缺失和/或完全缺失。例如，脱层区域可能已发生脱层或剥落。在一些实施方式中，部件的整个表面可以基本上没有阻挡涂层材料。然而，易耗涂层可以为部件中的其余的阻挡涂层和/或部件的下面的基底提供保护。例如，即使在阻挡涂层可能发生脱层或剥落的区域中，易耗涂层也可以通过降低硅石从基底材料(例如，SiC-SiC CMC基底材料)的挥发速率来保护下面的基底。
实施例
制备了包括硅酸盐的各种浆料悬浮液，并将其用于在基底上形成易耗涂层102。示例性的浆料悬浮液包含分散在乙醇中的硅石，以固形物重量计为20％。另一示例性浆料悬浮液包含硅石和硅酸钆。将得到的浆料悬浮液施加到试样的表面上，该试样包括在碳化硅基底上的稀土-二硅酸盐阻挡涂层，在稀土-二硅酸盐阻挡涂层的表面上提供1-mil厚的易耗涂层。还形成了两层易耗涂层。示例性的两层易耗涂层包括包含硅石的第一层和包含硅酸钆的第二层。在一些实施例中，将第一层施加在试样上，并且将第二层施加在第一层上，在一些实施例中，将第二层施加在试样上，并且将第一层施加在第二层上。一种示例性的易耗涂层包括硅石，稀土硅酸盐，矾土，莫来石和有机硅材料，其中值粒径为约0.1微米(μm)至约4μm的固体分散在包含乙醇和戊酮的溶剂中。
对包括易耗涂层的试样和不具有易耗涂层的试样进行循环热梯度测试，以获得用于比较的基线。
在每个热循环之后测量来自热梯度测试的阻挡涂层体积损失的量，表明在观察到阻挡涂层损失之前，每个示例性易耗涂层显著延长了热循环的次数。
以下给出本发明主题的其他方面：
1.一种涂层部件，包括：限定基底表面的含硅基底；基底表面上的阻挡涂层，该阻挡涂层限定阻挡表面；以及在阻挡表面上的易耗涂层，该易耗涂层包括包含硅酸盐的陶瓷氧化物。
2.根据前述任一项所述的涂层部件，其中所述硅酸盐包括硅石。
3.根据前述任一项所述的涂层部件，其中，所述易耗涂层包括稀土氧化物和/或矾土。
4.根据前述任一项所述的涂层部件，其中，所述稀土氧化物包括：Sc2O3、Y2O3、La2O3、CeO2、Pr2O3、Nd2O3、Pm2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3、Tm2O3、Yb2O3和/或Lu2O3。
5.根据前述任一项所述的涂层部件，其中，所述易耗涂层包括稀土硅酸盐。
6.根据前述任一项所述的涂层部件，其中，所述稀土硅酸盐包含以下元素的单硅酸盐和/或二硅酸盐：钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和/或镥(Lu)。
7.根据前述任一项所述的涂层部件，其中，所述稀土硅酸盐包括：硅酸镧(例如，La2SiO5和/或La2Si2O7)、硅酸铈(例如，Ce2SiO5和/或Ce2Si2O7)、硅酸镨(例如，Pr2SiO5和/或Pr2Si2O7)、硅酸钕(例如Nd2SiO5和/或Nd2Si2O7)、硅酸钐(例如Sm2SiO5和/或Sm2Si2O7)、硅酸铕(例如Eu2SiO5和/或Eu2Si2O7)、硅酸钆(例如Gd2SiO5和/或Gd2Si2O7)、硅酸铽(例如Tb2SiO5和/或Tb2Si2O7)、硅酸镝(例如Dy2SiO5和/或Dy2Si2O7)、硅酸钬(例如Ho2SiO5和/或Ho2Si2O7)、硅酸钇(例如Y2SiO5和/或Y2Si2O7)或硅酸铒(例如，Er2SiO5和/或Er2Si2O7)。
8.根据前述任一项所述的涂层部件，其中，所述易耗涂层包括第一易耗涂层和第二易耗涂层，所述第一易耗涂层包括硅石，所述第二易耗涂层包括稀土氧化物(例如，稀土硅酸盐)。
9.根据前述任一项所述的涂层部件，其中：所述第一易耗涂层施加在所述阻挡涂层上，并且所述第二易耗涂层施加在所述第一易耗涂层上；或者第二易耗涂层施加在阻挡涂层上，并且第一易耗涂层施加在第二易耗涂层上。
10.根据前述任一项所述的涂层部件，其中，所述易耗涂层包含硅石和硅酸钆。
11.根据前述任一项所述的涂层部件，其中，所述易耗涂层包括：硅石、矾土、镁砂、莫来石和/或稀土氧化物。
12.根据前述任一项所述的涂层部件，其中，所述易耗涂层包括：铝硅酸盐，例如莫来石；或矾土和/或莫来石。
13.根据前述任一项所述的涂层部件，其中，所述易耗涂层包括包含有机硅衍生物材料的陶瓷氧化物。
14.根据第1项所述的涂层部件，其中，所述易耗涂层的厚度为10微米至75微米。
15.根据前述任一项所述的涂层部件，其中，所述易耗涂层包含硅石和稀土硅酸盐，所述稀土硅酸盐包含离子半径等于或小于铕(Eu)的离子半径的稀土元素；和/或所述易耗涂层包括硅石和稀土硅酸盐，所述稀土硅酸盐包含离子半径大于铕(Eu)的离子半径的稀土元素。
16.根据前述任一项所述的涂层部件，其中，所述易耗涂层包含硅石、稀土硅酸盐、矾土、莫来石和有机硅材料，所述易耗涂层已经通过施加浆料而被施加至所述部件上，所述浆料具有分散在包含乙醇和戊酮的溶剂中的中值粒径为约0.1微米(μm)至约4μm的固体。
17.一种保护涡轮机的部件免受粉尘沉积物损害的方法，所述方法包括：在涡轮机的部件上施加易耗涂层，所述部件包括：限定基底表面的含硅基底；在所述基底表面上的阻挡涂层，该阻挡涂层限定阻挡表面；以及施加在阻挡表面的至少一部分上的易耗涂层，该易耗涂层包括陶瓷氧化物，该陶瓷氧化物包括硅酸盐。
18.根据前述任一项所述的方法，其中，来自所述易耗涂层的硅酸盐包括硅石和/或稀土氧化物(例如稀土硅酸盐)。
19.根据前述任一项所述的方法，其中，所述易耗涂层以包含在液体载体中的固体颗粒的浆料的形式施加。
20.根据前述任一项所述的方法，其中，所述固体颗粒的中值粒径为约0.1微米至约8微米。
21.根据前述任一项所述的方法，其中，所述浆料的固体含量为约15wt％至约40wt％。
22.根据前述任一项所述的方法，其中，所述液体载体包括有机硅材料。
23.根据前述任一项所述的方法，其中，所述有机硅材料占所述浆料总含量的约1wt％至约4wt％。
24.根据前述任一项所述的方法，包括：使涡轮机运转，将至少一部分所述有机硅材料转化为有机硅衍生物材料。
25.根据前述任一项所述的方法，其中，所述液体载体包括醇和/或酮。
26.根据前述任一项所述的方法，包括：通过以下方式来降低所述粉尘沉积物中的氧化钙成分的浓度和/或活性：使所述粉尘沉积物中的氧化钙成分与易耗涂层的至少一部分结合和/或反应；和/或使易耗涂层中的硅酸盐与粉尘沉积物中的氧化钙成分结合和/或反应；和/或通过使易耗涂层中的一些硅石与粉尘沉积物中的一些氧化钙结合和/或反应，形成一种或多种硅酸钙；和/或通过使易耗涂层中的一些稀土氧化物与粉尘沉积物中的一些氧化钙结合和/或反应，形成一种或多种钙稀土硅酸盐。
27.根据前述任一项所述的方法，包括：通过使来自所述易耗涂层的一些稀土氧化物与来自所述粉尘沉积物的氧化钙成分结合和/或反应，优先形成磷灰石，所述稀土氧化物包括稀土硅酸盐，其包括离子半径等于或小于铕(Eu)的离子半径的稀土元素；或通过使易耗涂层中的一些稀土氧化物与粉尘沉积物中的氧化钙成分结合和/或反应来减少磷灰石的形成，稀土氧化物包括稀土硅酸盐，稀土硅酸盐包括离子半径大于铕(Eu)的离子半径的稀土元素。
28.根据前述任一项所述的方法，其中，所述易耗涂层包括至少部分源自有机硅材料的硅酸盐。
29.根据前述任一项所述的方法，包括：当使所述涡轮机运转时，将所述有机硅材料的至少一部分转化成硅石；以及将所述硅石的一些与粉尘沉积物中的氧化钙成分结合和/或反应。
30.根据前述任一项所述的方法，其中，所述部件包括至少一个脱层区域，所述阻挡涂层在所述脱层区域中部分或完全缺失。
31.根据前述任一项所述的方法，其中，在所述部件上施加所述易耗涂层包括：在所述部件放置在完全或部分组装好的涡轮机中时，在所述部件上施加所述易耗涂层。
32.根据前述任一项所述的方法，包括：通过施加浆料，在所述部件上施加所述易耗涂层，所述浆料包含分散在包含乙醇和戊酮的溶剂中的中值粒径为约0.1微米(μm)至约4μm的固体，其中所述易耗涂层包括硅石、稀土硅酸盐、矾土、莫来石和有机硅衍生物材料。
33.根据前述任一项所述的方法，包括：在如下情况下使所述涡轮机运转：安装于涡轮机中的涂层部件具有粉尘沉积物，并且由一些粉尘沉积物和易耗涂层中的一些形成硅酸盐反应产物。
34.一种涡轮机，其包括：一个或多个涂层部件，所述一个或多个涂层部件包括：限定基底表面的基底和施加在所述基底表面上的涂层系统，所述涂层系统包括：在所述基底表面上的粘结涂层；粘结涂层表面上的TGO层；在TGO层的表面上的阻挡涂层，该阻挡涂层限定阻挡表面；以及在阻挡层表面上的易耗涂层，该易耗涂层包括包含硅酸盐的陶瓷氧化物。
35.根据前述任一项所述的涡轮机，其包括前述任一项所述的涂层部件。
36.根据前述任一项所述的涡轮机，所述涡轮机包括已经经受了前述任一项所述的方法的涂层部件。
该书面描述使用示例性实施方式来描述本发明的主题，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践这种主题，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何合并的方法。本发明主题的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则意图将这些其他示例包括在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种涂层部件，包括：
限定基底表面的含硅基底；
基底表面上的阻挡涂层，所述阻挡涂层限定阻挡表面；和
阻挡表面上的易耗涂层，所述易耗涂层包括包含硅酸盐的陶瓷氧化物。
2.根据权利要求1所述的涂层部件，其中，所述硅酸盐包括硅石。
3.根据权利要求2所述的涂层部件，其中，所述易耗涂层还包括稀土氧化物和/或氧化铝。
4.根据权利要求2所述的涂层部件，其中，所述易耗涂层还包括稀土硅酸盐。
5.根据权利要求4所述的涂层部件，其中，所述稀土硅酸盐包括：
硅酸镧(例如，La2SiO5和/或La2Si2O7)、硅酸铈(例如，Ce2SiO5和/或Ce2Si2O7)、硅酸镨(例如，Pr2SiO5和/或Pr2Si2O7)、硅酸钕(例如Nd2SiO5和/或Nd2Si2O7)、硅酸钐(例如Sm2SiO5和/或Sm2Si2O7)、硅酸铕(例如Eu2SiO5和/或Eu2Si2O7)、硅酸钆(例如Gd2SiO5和/或Gd2Si2O7)、硅酸铽(例如Tb2SiO5和/或Tb2Si2O7)、硅酸镝(例如Dy2SiO5和/或Dy2Si2O7)、硅酸钬(例如Ho2SiO5和/或Ho2Si2O7)、硅酸钇(例如Y2SiO5和/或Y2Si2O7)，和/或硅酸铒(例如，Er2SiO5和/或Er2Si2O7)。
6.根据权利要求1所述的涂层部件，其中，所述易耗涂层包括第一易耗涂层和第二易耗涂层，所述第一易耗涂层包含硅石，所述第二易耗涂层包含稀土硅酸盐。
7.根据权利要求1所述的涂层部件，其中，所述易耗涂层包括莫来石。
8.根据权利要求2所述的涂层部件，其中，所述易耗涂层包括含有机硅衍生物材料的陶瓷氧化物。
9.根据权利要求1所述的涂层部件，其中，所述易耗涂层的厚度为10微米至75微米。
10.一种保护涡轮机的部件免受粉尘沉积物损害的方法，其中，所述方法包括：
在涡轮机的部件上施加易耗涂层，所述部件包括：限定基底表面的含硅基底；在所述基底表面上的阻挡涂层，所述阻挡涂层限定阻挡表面；和施加在所述阻挡表面的至少一部分上的易耗涂层，所述易耗涂层包括陶瓷氧化物，所述陶瓷氧化物包括硅酸盐。
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