[發明專利]具有含硅陶瓷基體的抗腐蝕復合材料部件

有效

• 申請號: 200780040429.1
• 申請日: 2007-12-06
• 公開（公告）號: CN101528641A
• 公開（公告）日: 2009-09-09
• 發明（設計）人: C·盧謝-普耶瑞;H·他因;E·布永
• 申請（專利權）人: 斯奈克瑪動力部件公司
• 主分類號: C04B41/89
• 分類號: C04B41/89;F01D5/28;F23R3/00
• 代理公司: 北京戈程知識產權代理有限公司
• 代理人: 程 偉;王錦陽

技術領域

本發明涉及提供含硅陶瓷基體復合(CMC)材料部件，特別是具有至少部分由碳化硅(SiC)構成的基體的CMC材料部件以腐蝕防護。本發明申請的特定應用領域為用于燃氣輪機的熱端部件，如燃燒室壁、渦輪機環(turbine?ring)或渦輪機噴嘴，用于航空發動機或用于工業渦輪機。?

背景技術

對于所述燃氣輪機，對提高效率和降低污染排放的需要引起設想燃燒室中甚至更高的溫度。?

因此提出用CMC材料代替金屬材料，特別是對于燃燒室壁或渦輪機環。已知CMC材料具有使其能夠用于結構元件的機械性能，以及在高溫下保持這些性能的能力。CMC材料包括由耐火纖維，通常是碳或陶瓷纖維組成的纖維增強件，并由陶瓷基體，通常是由SiC組成的陶瓷基體致密化。?

在腐蝕性氣氛中(氧化氣氛，特別是在濕氣的存在下和/或在含鹽氣氛中)且當使用具有SiC基體的CMC材料時，觀察到表面退化(retreating)現象，這是由于通過CMC材料表面的氧化所形成的二氧化硅(SiO₂)被揮發掉。?

已建議應在CMC材料的表面形成環境阻擋層。在SiC基體CMC材料基材的一種已知的這種阻擋層中，由堿土金屬的鋁硅酸鹽型化合物(如公知通常縮寫為BSAS的化合物BaO_0.75·SrO_0.25·Al₂O₃(SiO₂)₂)所組成的層提供抗腐蝕功能。將由BSAS和富鋁紅柱石的混合物所形成的混合的化學阻擋層置于基材和抗腐蝕層之間以避免抗腐蝕層的BSAS與由基材的最末SiC層的氧化所形成的二氧化硅之間的化學反應。在基材上形成硅層以使得混合的富鋁紅柱石加BSAS化學層能夠粘附。這種環境阻擋層極概要地顯示在圖1中并特別在美國專利No.6?866897和No.6787195中進行描述。將少量BSAS引入到混合的化學阻擋層中起到顯著降低所述層對破裂的靈敏度(相比于單獨由富鋁紅柱石形成的化學阻擋層)的作用。各種層通常通過物理沉積，特別是通過熱等離子沉積形成。?

在高至約1200℃的溫度下已經觀察到該環境阻擋層令人滿意的性能，但是當溫度超過1300℃時觀察到明顯的降解。發現在約1310℃下發生混合的化學阻擋層的BSAS與由硅粘合層的氧化所形成的二氧化硅之間的化學反應，從而導致環境阻擋層的非常迅速的分離。還發現由環境阻擋層的層之間不同的熱行為引起的內應力使得硅粘合層對破裂特別靈敏。?

在法國專利申請06/51180中，申請人提出由顯示基材的純硅和與混合的化學阻擋層接觸的富鋁紅柱石之間的組成梯度的層代替硅粘合層，如圖2極概要地所示。這種組成梯度使得能夠調節熱引起的內應力，并因此顯著降低對由純硅組成的內部和由純富鋁紅柱石組成的外部的破裂的靈敏度。因此盡管具有有限的厚度，富鋁紅柱石仍能有效履行其化學阻擋層的功能，并且也可以在1300℃以上令人滿意地使用。?

然而，這導致組成環境阻擋層的沉積物數目的增加。因此延長了加工過程。此外，總厚度變得相當大，特別是因為抗腐蝕層對其表面退化現象靈敏，所述表面退化現象源于抗腐蝕層所含有的二氧化硅的揮發，該現象除了通過增加抗腐蝕層的厚度之外無法補償。?

發明內容

本發明設法提出使用有限數目的組分層而在含硅CMC材料基材上形成環境阻擋層的方法，所述環境阻擋層在超過1300℃的溫度下在腐蝕性氣氛中以持久的方式顯示良好的性能。?

該目標通過包括形成抗腐蝕防護層的方法實現，所述抗腐蝕防護層含有堿金屬或堿土金屬或稀土元素的鋁硅酸鹽型化合物，在所述方法中將形成化學阻擋層的氮化鋁層置于基材和抗腐蝕防護層之間。?

有利地，所述氮化鋁層直接在基材上形成，且抗腐蝕防護層直接在氮化鋁層上形成。?

值得注意地，本申請人發現，在具有含硅基體的CMC基材和BSAS?型抗腐蝕防護層之間的氮化鋁(AlN)單層，例如，不僅起到提供環境阻擋層和基材之間的粘合的作用，還起到履行基材和抗腐蝕層之間的化學阻擋層功能的作用，并同時具有接近基材和抗腐蝕層的熱膨脹系數，從而避免產生導致破裂的強內應力。?

所述AlN層需要足夠厚以使其能夠履行其化學阻擋層功能，但無需非常厚。所述AlN層的厚度優選為大約10微米(μm)至100微米。因此有可能得到增加抗腐蝕層的厚度的顯著余地以補償由于其含有的二氧化硅的揮發而引起的退化，而不會導致與具有許多層的現有技術環境阻擋層相比厚度和總重量的顯著增加。?