[发明专利]抗气蚀性环境隔离涂层

说明书

技术领域

本发明一般涉及适用于保护暴露于高温环境(例如燃气涡轮发动机的有害热环境)的组件的涂层系统。更具体地讲，本发明涉及在例如陶瓷基质复合材料(CMC)的组件的含硅区域上的粘合涂层，并且涉及在粘合涂层的晶粒间界中加入掺杂剂，以提高环境隔离涂层系统(EBC，environmental barrier coating)的抗脱层性和抗气蚀性。

背景技术

不断寻求燃气涡轮发动机的较高操作温度以提高其效率。虽然已通过形成铁、镍和钴基超合金显著提高高温能力，但一直研究替代材料。例如，目前正考虑复合材料用于此类高温应用，如燃烧器衬垫、轮叶、护罩、翼片和燃气涡轮发动机的其它热段组件。特别关注基于硅的复合材料，例如碳化硅(SiC)作为基质和/或增强材料。

在很多高温应用中，保护性涂层对含硅材料有益，或者是含Si材料所需要的。这类涂层应通过抑制含Si材料在腐蚀性含水环境中降解的主要机制来提供环境保护，即，形成挥发性一氧化硅(SiO)和氢氧化硅(Si(OH)₄)产物。具有这些功能的涂层系统以下被称为环境隔离涂层(EBC)系统。关于涂层材料的重要性质包括与含SiC材料相容的热膨胀系数(CTE)、对氧化剂的低渗透性、低热导率、稳定性和与含Si材料和从氧化形成的二氧化硅鳞皮(scale)的化学相容性。

已研究在含Si基底上使用的多种单层和多层EBC系统。用氧化钇部分或完全稳定化的氧化锆(YSZ)涂层作为热障层显示极佳的环境耐性。然而，由于CTE不匹配(与SiC/SiC复合材料的约4.9ppm/℃相比，对于YSZ为约10ppm/℃)，YSZ不良地粘合到含Si材料(SiC或硅)。已提出将富铝红柱石(3Al₂O₃2SiO₂)、钡-锶-铝硅酸盐(BSAS；(Ba1-xSrx)O-Al₂O₃-SiO₂)和其它碱土铝硅酸盐作为保护性涂层用于含Si材料。例如，颁予Lee等的美国专利No. 5,496,644和颁予McCluskey等的美国专利No. 5,869,146公开了使用富铝红柱石，颁予Eaton等的美国专利No. 6,254,935、6,365,288、6,387,456和6,410,148公开了用BSAS作为外部保护性隔离涂层用于含硅基底。在Eaton等的专利中，描述了BSAS隔离涂层是用中间层(粘合涂层)粘合到含硅基底的，除了其它可能的材料外，中间层可以为富铝红柱石或富铝红柱石与BSAS的混合物。然而，随着涂层厚度增加，由于单独涂层和基底之间CTE不匹配导致的应变能也增加，这可导致涂层系统脱粘和散裂。

另外，在粘合涂层包含硅时，硅优先与氧反应成非气态产物。得到的氧化硅(SiO₂)层虽然有时合乎需要，但可能降低EBC系统的抗气蚀性，甚至由于与其它EBC层的CTE不匹配而导致脱层或散裂。因此，减小氧化硅层生长的方法和系统对于某些应用合乎需要。

鉴于上述，可以理解，存在与现有技术相关的某些问题、缺点或不利，并且如果研发具有提高的抗脱层性和抗气蚀性的改进的EBC系统，以至少部分克服或避免这些问题、缺点或不利，将是合乎需要的。

发明内容

本发明提供适合用于保护暴露于高温环境的组件，具有提高的抗脱层性和抗气蚀性的环境隔离涂层、其施加方法和由其制备的制品。

根据本发明的第一方面，用于含硅基底的环境隔离涂层系统包括在含硅基底上的粘合涂层和在粘合涂层上的至少一个陶瓷环境隔离层。粘合涂层包括硅和至少一种包括元素钛的掺杂材料。掺杂材料以足够提高粘合涂层的抗脱层性和抗气蚀性的量位于粘合涂层内的晶粒间界处。

根据本发明的第二方面，制品包括含硅基底和在含硅基底上的环境隔离涂层系统。环境隔离涂层系统包括在含硅基底上的粘合涂层和在粘合涂层上的至少一个陶瓷环境隔离层。粘合涂层包括硅和至少一种包括元素钛的掺杂材料。掺杂材料以足够提高粘合涂层的抗脱层性和抗气蚀性的量位于粘合涂层内的晶粒间界处。

根据本发明的第三方面，在含硅基底上施加环境隔离涂层系统的方法包括：在含硅基底上形成包括硅的粘合涂层；以使得掺杂材料以足够提高粘合涂层的抗脱层性和抗气蚀性的量位于粘合涂层内的晶粒间界处的方式，用包括元素钛的掺杂材料掺杂粘合涂层；并且在粘合涂层上施加至少一个陶瓷层。

具体而言，本发明提供如下方面：

1. 一种用于含硅基底的环境隔离涂层系统，所述环境隔离涂层系统包含：