[发明专利]环境阻障涂层及其方法

说明书

背景技术

本发明总体上涉及适于保护暴露于涡轮发动机的恶劣热环境等高温环境中的部件的涂层系统和方法。具体来说，本技术涉及部件的含硅区域上的环境阻障涂层（environmental barrier coating，EBC）以及将表面特征并入含硅区域中，以抑制高温下的剪切载荷时出现的EBC蠕变位移。

相关领域不断寻求提高涡轮发动机的工作温度，以提高效率。尽管已通过形成铁、镍和钴基超合金大幅改进高温性能，但所属领域仍在探索代用材料。目前正在开发用于燃烧器衬里、静叶、防护罩、动叶和涡轮发动机的其他高温部段部件等高温应用中的陶瓷复合材料。一些复合材料的实例包括硅基复合材料，例如，硅、碳化硅（SiC）、氮化硅（Si₃N₄）和/或金属硅化物用作增强相和/或基体相的复合材料。

在许多高温应用中，含硅材料可能需要或者必需保护涂层。该涂层应通过抑制挥发性氢氧化硅（例如，Si(OH)₄）产物的形成并且，理想地，防止水蒸气进入氧化表面来提供环境保护。具有这些功能的涂层系统将在下文称为环境阻障涂层（EBC）系统。所述涂层的所需性质包括与含硅基底材料相合的热膨胀系数（CTE）、低氧化剂渗透率、低导热率、低二氧化硅化学活性以及与下层含硅材料和热生长的二氧化硅氧化皮（silica scale）的化学相容性。

含硅粘合层的硅含量在高温下与氧气和/或水蒸气反应以形成氧化物产物，主要是无定形二氧化硅（SiO₂）氧化皮，尽管一部分氧化物产物可能是晶状二氧化硅或者粘合层的其他成分的（固体或气体）氧化物。无定形二氧化硅产物呈现低透氧性。因此，在所述粘合层上热生长的二氧化硅产物能够形成阻止氧气渗透到基底中的保护性阻障层。

发明内容

在运行过程中形成于含硅粘合层上的无定形二氧化硅产物具有相对较低的粘性，因此在运行温度的剪切载荷下的蠕变率较高。高剪切载荷可能是由涡轮发动机的动叶（斗叶）等零件旋转所产生的g力（g force）施加的。该剪切载荷可能导致EBC相对于基底发生蠕变位移，因而导致EBC严重损坏，甚至是下层基底的EBC保护层直接脱落。

本发明提供了一种环境阻障涂层（EBC）系统以及一种在由含硅材料构成的制品上，例如作为增强相和/或基体相的含硅材料中的陶瓷基体复合材料（CMC）。所述EBC系统和方法特别适用于保护暴露于高温下（包括涡轮发动机的恶劣热环境中）的含硅制品。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种制品，所述制品包括：含硅区域，所述含硅区域包括其表面上的表面特征，所述表面特征包括其凹部、突起或它们的组合；至少一个外层，所述至少一个外层覆盖在所述含硅区域的所述表面上；以及成分层，所述成分层位于所述含硅区域的所述表面上并且位于所述含硅区域与所述至少一个外层之间并且与其接触，所述成分层由所述含硅区域的成分的氧化形成并且在所述制品的运行环境内易于蠕变，所述表面特征通过所述成分层将所述至少一个外层与所述含硅区域物理互锁（interlock）。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种对制品的含硅区域涂覆方法，所述方法包括：在所述含硅区域的表面上形成表面特征，所述表面特征包括其凹部、突起或它们的组合；形成至少一个外层，所述至少一个外层覆盖在所述含硅区域的所述表面上；以及在所述含硅区域的所述表面上、所述含硅区域与所述至少一个外层之间形成成分层，所述成分层由所述含硅区域的成分的氧化形成并且在所述制品的运行环境内易于蠕变，所述表面特征通过所述成分层将所述至少一个外层与所述含硅区域物理互锁。

通过将所述含硅区域与所述环境阻障涂层系统的第一层互锁，可以大大抑制由于成分层（例如，在含硅区域上热生长的二氧化硅层）的蠕变而发生的所述EBC的位移，从而提升环境阻障涂层系统的结构完整性及其在高温应用中保护所述制品的能力。本发明适用于已知的环境阻障涂层材料，并且所述互锁特征可以使用各种附加和裁减工艺形成。

附图说明

可参照附图从以下详细说明中了解本发明的其他方面和优势，在附图中：

图1是根据本发明的一个实例的含粘合层的EBC系统的示意图，其中所述粘合层的表面被配置成具有规则分布的表面特征；以及

图2是根据本发明的另一个实例的含粘合层的EBC系统的示意图，其中所述粘合层的表面被配置成具有不规则分布的表面特征。

具体实施方式