[发明专利]耐高温陶瓷基质复合材料及环境障碍涂层

说明书

背景

为了提高燃气涡轮发动机的效率，人们持续探寻用于燃气涡轮发动机的更高的工作温度。然而，当工作温度升高时，必须相应提高发动机部件的耐高温性能。通过铁、镍和钴基超合金的制剂，已获得了高温性能的显著进展。虽然已发现超合金广泛应用于整个燃气涡轮发动机所用的部件，特别是在更高温的部分中，但已经提出可供选择的更轻质、且具有甚至更高的温度性能的基材。

陶瓷基质复合材料(CMC)是一类提供良好替代的材料。CMC包括由耐火纤维制成、且用陶瓷基材致密化的纤维增强件。其被广泛认为用于航天工业中。这类复合材料的一个实例是SiC-SiC复合材料，其包括Si-SiC基质及SiC纤维，其中该基质通过硅熔体浸渗致密化。然而，目前体系的使用温度上限限于约2400F。人们期望提高这类复合材料的温度限制至更高的温度。

可以采用环境障碍涂层(EBC)和/或热障碍涂层(TBC)涂覆CMC，以保护CMC免受高温发动机部分的苛刻环境。将环境障碍涂层(EBC)涂敷于含硅材料及易受反应性物类(例如高温水蒸汽)攻击的其它材料。EBC通过防止环境与材料表面的接触来提供保护。例如，涂敷于含硅材料的EBC被设计为在高温、含水蒸气环境下相对化学稳定。另一方面，热障碍涂层(TBC)通常用于通过保持贯穿TBC厚度的温度梯度来降低基材温度。在一些情况下，EBC也可起到TBC的作用。EBC体系一般包含粘合涂层，该粘合涂层包括元素硅或硅合金。

该基材的硅包含杂质，该杂质可降低CMC和EBC及因此降低CMC/EBC体系的寿命和温度性能。由此，在该领域需要具有提高的寿命和温度性能的CMC。

概述

本公开的各方面提高CMC/EBC部件寿命和温度性能。本公开的发明人教导了改进的CMC/EBC体系。

本公开的一个方面是一种可高温工作的陶瓷基质复合材料，其包括：含硅的陶瓷基材；包括含硅粘合涂层的环境障碍涂层；及碳化物或氮化物的扩散阻碍层，该扩散阻碍层位于基材及环境障碍涂层的硅粘合涂层之间；其中该扩散阻碍层选择性地防止或减小硼及其它不期望的杂质从基材向环境障碍涂层体系的硅粘合涂层扩散。

在一个实施方案中，该基材包括由硅熔体浸渗制得的SiC-SiC陶瓷基质复合材料。在另一个实施方案中，在基材中的硅是高纯的。用于熔体浸渗的硅可包含其它元素，这些元素可以是有意加入的或作为污染物进入的。例如，向熔体浸渗所用的硅中有意加入硼，同时其它降低硅熔融温度的杂质可小于1％(即除硼以外)。在一个实施方案中，通过化学气相沉积或通过等离子喷涂或通过电子束物理气相沉积(EB-PVD)来沉积粘合涂层的硅。在一个实施方案中，该可高温工作陶瓷基质复合材料进一步包括环境障碍涂层，该环境障碍涂层具有至少一种稀土焦硅酸盐(RE₂Si₂O₇)的至少一个层，所述稀土焦硅酸盐包括Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和/或Lu。

在一个实施方案中，该扩散阻碍层是碳化硅或氮化硅，且该碳化硅或氮化硅可以是结晶的、无定形的或混合物，并且其中将基材与环境障碍涂层分隔的碳化硅或氮化硅的层是约1微米至约150微米厚。在另一实施方案中，该陶瓷基质复合材料可在至高约2550F温度下工作，且该粘合涂层可在至高约2570F的温度下工作。

在一个实施方案中，基材的热膨胀系数和环境障碍涂层的热膨胀系数之间的差异不超过约20％。在另一实施方案中，该基材是陶瓷基质复合材料，该粘合涂层具有约10μm至约500μm的厚度，且该扩散阻碍层的厚度为从约1μm至约150μm。

在一个方面，本公开涉及一种用于制造可高温工作的涡轮发动机部件的方法，所述方法包括：提供具有第一热膨胀系数的含硅基材，其中已基本上从该基材中除去除硼以外的杂质；及将粘合涂层粘合至该部件的外表面的至少一部分；其中该粘合涂层包括硅层，且其中该粘合涂层具有第二热膨胀系数；并且在该含硅基材和EBC体系之间提供碳化物或氮化物的扩散阻碍层，以限制不期望的物类/元素在该基材和该EBC体系之间连通。