[發(fā)明專利]環(huán)境阻障涂層及其方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201380064866.2
• 申請日: 2013-11-13
• 公開（公告）號: CN104838039A
• 公開（公告）日: 2015-08-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: P.J.梅施特;C.A.約翰遜;S.森達拉姆;J.萬;D.M.利普金
• 申請（專利權(quán)）人: 通用電氣公司
• 主分類號: C23C28/04
• 分類號: C23C28/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 徐晶;林森

背景技術(shù)

本發(fā)明總體上涉及適于保護暴露于渦輪發(fā)動機的惡劣熱環(huán)境等高溫環(huán)境中的部件的涂層系統(tǒng)和方法。具體來說，本技術(shù)涉及部件的含硅區(qū)域上的環(huán)境阻障涂層（environmental?barrier?coating，EBC）以及將表面特征并入含硅區(qū)域中，以抑制高溫下的剪切載荷時出現(xiàn)的EBC蠕變位移。

相關(guān)領(lǐng)域不斷尋求提高渦輪發(fā)動機的工作溫度，以提高效率。盡管已通過形成鐵、鎳和鈷基超合金大幅改進高溫性能，但所屬領(lǐng)域仍在探索代用材料。目前正在開發(fā)用于燃燒器襯里、靜葉、防護罩、動葉和渦輪發(fā)動機的其他高溫部段部件等高溫應(yīng)用中的陶瓷復(fù)合材料。一些復(fù)合材料的實例包括硅基復(fù)合材料，例如，硅、碳化硅（SiC）、氮化硅（Si₃N₄）和/或金屬硅化物用作增強相和/或基體相的復(fù)合材料。

在許多高溫應(yīng)用中，含硅材料可能需要或者必需保護涂層。該涂層應(yīng)通過抑制揮發(fā)性氫氧化硅（例如，Si(OH)₄）產(chǎn)物的形成并且，理想地，防止水蒸氣進入氧化表面來提供環(huán)境保護。具有這些功能的涂層系統(tǒng)將在下文稱為環(huán)境阻障涂層（EBC）系統(tǒng)。所述涂層的所需性質(zhì)包括與含硅基底材料相合的熱膨脹系數(shù)（CTE）、低氧化劑滲透率、低導(dǎo)熱率、低二氧化硅化學(xué)活性以及與下層含硅材料和熱生長的二氧化硅氧化皮（silica?scale）的化學(xué)相容性。

含硅粘合層的硅含量在高溫下與氧氣和/或水蒸氣反應(yīng)以形成氧化物產(chǎn)物，主要是無定形二氧化硅（SiO₂）氧化皮，盡管一部分氧化物產(chǎn)物可能是晶狀二氧化硅或者粘合層的其他成分的（固體或氣體）氧化物。無定形二氧化硅產(chǎn)物呈現(xiàn)低透氧性。因此，在所述粘合層上熱生長的二氧化硅產(chǎn)物能夠形成阻止氧氣滲透到基底中的保護性阻障層。

發(fā)明內(nèi)容

在運行過程中形成于含硅粘合層上的無定形二氧化硅產(chǎn)物具有相對較低的粘性，因此在運行溫度的剪切載荷下的蠕變率較高。高剪切載荷可能是由渦輪發(fā)動機的動葉（斗葉）等零件旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的g力（g?force）施加的。該剪切載荷可能導(dǎo)致EBC相對于基底發(fā)生蠕變位移，因而導(dǎo)致EBC嚴重損壞，甚至是下層基底的EBC保護層直接脫落。

本發(fā)明提供了一種環(huán)境阻障涂層（EBC）系統(tǒng)以及一種在由含硅材料構(gòu)成的制品上，例如作為增強相和/或基體相的含硅材料中的陶瓷基體復(fù)合材料（CMC）。所述EBC系統(tǒng)和方法特別適用于保護暴露于高溫下（包括渦輪發(fā)動機的惡劣熱環(huán)境中）的含硅制品。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種制品，所述制品包括：含硅區(qū)域，所述含硅區(qū)域包括其表面上的表面特征，所述表面特征包括其凹部、突起或它們的組合；至少一個外層，所述至少一個外層覆蓋在所述含硅區(qū)域的所述表面上；以及成分層，所述成分層位于所述含硅區(qū)域的所述表面上并且位于所述含硅區(qū)域與所述至少一個外層之間并且與其接觸，所述成分層由所述含硅區(qū)域的成分的氧化形成并且在所述制品的運行環(huán)境內(nèi)易于蠕變，所述表面特征通過所述成分層將所述至少一個外層與所述含硅區(qū)域物理互鎖（interlock）。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明提供了一種對制品的含硅區(qū)域涂覆方法，所述方法包括：在所述含硅區(qū)域的表面上形成表面特征，所述表面特征包括其凹部、突起或它們的組合；形成至少一個外層，所述至少一個外層覆蓋在所述含硅區(qū)域的所述表面上；以及在所述含硅區(qū)域的所述表面上、所述含硅區(qū)域與所述至少一個外層之間形成成分層，所述成分層由所述含硅區(qū)域的成分的氧化形成并且在所述制品的運行環(huán)境內(nèi)易于蠕變，所述表面特征通過所述成分層將所述至少一個外層與所述含硅區(qū)域物理互鎖。

通過將所述含硅區(qū)域與所述環(huán)境阻障涂層系統(tǒng)的第一層互鎖，可以大大抑制由于成分層（例如，在含硅區(qū)域上熱生長的二氧化硅層）的蠕變而發(fā)生的所述EBC的位移，從而提升環(huán)境阻障涂層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性及其在高溫應(yīng)用中保護所述制品的能力。本發(fā)明適用于已知的環(huán)境阻障涂層材料，并且所述互鎖特征可以使用各種附加和裁減工藝形成。

附圖說明

可參照附圖從以下詳細說明中了解本發(fā)明的其他方面和優(yōu)勢，在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實例的含粘合層的EBC系統(tǒng)的示意圖，其中所述粘合層的表面被配置成具有規(guī)則分布的表面特征；以及

圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一個實例的含粘合層的EBC系統(tǒng)的示意圖，其中所述粘合層的表面被配置成具有不規(guī)則分布的表面特征。

具體實施方式