[發明專利]高溫陶瓷復合材料的預處理

在審

• 申請號: 201811424363.2
• 申請日: 2018-11-27
• 公開（公告）號: CN109851397A
• 公開（公告）日: 2019-06-07
• 發明（設計）人: K.L.盧思拉
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: C04B41/89
• 分類號: C04B41/89
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 初明明;林毅斌

本申請提供了涂層部件及其形成方法。涂層部件可包括具有圍繞陶瓷核心的Si?處理層的陶瓷基質和在陶瓷基質的Si?處理層上的環境屏障涂層。陶瓷核心可包括碳化硅，并且Si?處理層可經預處理以使其表面性質適合于在Si?處理層暴露于氧時，抑制或延緩碳氧化物的形成。

技術領域

本發明一般涉及陶瓷部件上的環境屏障涂層的用途，及其形成和使用方法。

背景技術

為了提高燃氣渦輪發動機的效率，正不斷尋求燃氣渦輪發動機的更高的工作溫度。然而，隨著工作溫度增加，發動機部件的高溫耐久性必須相應地提高。通過基于鐵、鎳和鈷的超級合金的配方，在高溫能力方面已取得重大進展。盡管如此，對于很多從超級合金構造的熱氣體路徑部件，熱屏障涂層(TBC)可被用來使部件絕熱，并可在承重合金與涂層表面之間維持一個可觀的溫差，因而限制結構部件的熱暴露。

盡管超級合金已發現廣泛用于整個燃氣渦輪發動機使用的部件，且特別是在較高溫度部分中，但已提議了替代的重量較輕的基質材料，例如陶瓷基體復合材料(CMC)。CMC和單片陶瓷部件可用環境屏障涂層(EBC)涂布，以保護它們免受高溫引擎部分的惡劣環境。EBC可在高溫燃燒環境中提供針對腐蝕性氣體的保護。

碳化硅和氮化硅陶瓷在干燥、高溫環境中經受氧化。這種氧化在材料表面產生鈍態的氧化硅銹皮。在含有水蒸氣的潮濕、高溫環境(例如渦輪發動機)中，由于形成鈍態的氧化硅銹皮和隨后氧化硅轉化為氣態氫氧化硅，氧化和衰退同時發生。為防止在潮濕、高溫環境中的衰退，環境屏障涂層(EBC)被沉積在碳化硅和氮化硅材料(包括碳化硅纖維增強的碳化硅基體(SiC/SiC)復合材料)上。

目前，EBC材料由稀土硅酸鹽化合物制得。這些材料密封水蒸氣，防止其到達碳化硅或氮化硅表面上的氧化硅銹皮，從而防止衰退。然而，這樣的材料不能阻止氧氣滲透，這導致下層基質的氧化。基質的氧化產生鈍態的氧化硅銹皮，伴隨著含碳或含氮氧化物氣體的釋放。含碳(即，CO、CO₂)或含氮(即，NO、NO₂等)氧化物氣體不能通過致密的EBC逸出，因而形成氣泡。迄今為止，使用硅粘結涂層已經解決了這個起泡的問題。硅粘結涂層提供了一個層，其氧化(形成在EBC下的鈍態氧化硅層)，而不釋出氣體副產物。

然而，硅粘結涂層的存在限制了EBC的較高工作溫度，因為硅金屬的熔點相對較低。在使用中，硅粘結涂層在約1414℃的涂布溫度下熔化，該溫度是硅金屬的熔點。在這些熔化溫度之上，硅粘結涂層可從下層基質脫層，有效去除粘結涂層及其上面的EBC。因此，理想的是，消除對EBC中硅粘結涂層的需要，以達到對EBC的更高工作溫度極限。

發明內容

本發明的各方面和優點將在下面的描述中部分闡述，或者可從描述中顯而易見，或者可通過實踐本發明而得知。

一般提供涂層部件，其在一個實施方案中可包括具有圍繞陶瓷核心的Si-處理層的陶瓷基質和在陶瓷基質的Si-處理層上的環境屏障涂層。陶瓷核心可包括碳化硅，和Si-處理層可經預處理以使其表面性質適合于在Si-處理層暴露于氧時，抑制或延緩碳氧化物的形成。

在一個實施方案中，Si-處理層經預處理以使環境屏障涂層直接涂布于其上，而在這兩者之間沒有硅粘結涂層。例如，環境屏障涂層可直接在陶瓷基質的Si-處理層上。

在特定的實施方案中，陶瓷核心包含具有第一比例的硅與碳的碳化硅，Si-處理層包含具有第二比例的硅與碳的碳化硅，其中相對于第一比例，第二比例具有更大量的硅。

在一個特定的實施方案中，Si-處理層是陶瓷核心構成整體所需要的，并具有從Si-處理層的外表面向陶瓷核心延伸至陶瓷基質約750 μm或更少的深度(如，25 μm-約260μm的深度)。

在一個實施方案中，Si-處理層可以是陶瓷核心上的施加層，例如具有約1 μm-約250 μm的厚度。在這樣的實施方案中，屏障層可在陶瓷核心和Si-處理層之間，例如包含稀土二硅酸鹽的屏障層。