[发明专利]含硼的硅基材料

说明书

提供一种陶瓷组件，其包括包含含硅材料的硅基层(例如，硅金属和/或硅化物)和掺杂硼的耐火化合物，例如，按体积计约0.001％至约85％的掺杂硼的耐火化合物(例如，按体积计约1％至约60％的掺杂硼的耐火化合物)。还提供一种涂覆的组件，其包括：限定表面的CMC组件；直接在CMC组件表面上的粘合涂层，粘合涂层包括含硅材料和掺杂硼的耐火化合物(例如，约0.1％至约25％的掺杂硼的耐火化合物)；粘合涂层上的热生长氧化物层；以及热生长氧化物层上的环境障涂层。

技术领域

本发明总体涉及在硅组合物中包含硼(B)化合物。在特定实施方案中，一般性地提供包含含硼化合物的硅基涂层(例如，硅粘合涂层)用于陶瓷组件的环境障涂层。

背景技术

为了提高燃气涡轮发动机的效率，不断寻求更高的燃气涡轮发动机工作温度。然而，随着工作温度的增加，发动机部件的高温耐久性必须相应地增加。通过形成铁、镍和钴基超合金，已经实现了高温性能的显著进步。尽管如此，由于许多热气路径部件由超合金构成，热障涂层(TBC)可用于使部件绝缘，并且可以在承载合金与涂层表面之间维持明显的温差，因此限制了结构部件的热暴露。

虽然已经发现超合金被广泛用于在燃气涡轮发动机整体中使用的部件，特别是在高温部分中使用的部件，但已经提出了替代的轻质基底材料，例如陶瓷基质复合物(CMC)材料。CMC和单片陶瓷组件可涂覆环境障涂层(EBC)，以保护它们免受高温发动机部分恶劣环境的影响。EBC可以在热燃烧环境中提供致密的气密密封以抵抗腐蚀性气体。

碳化硅和氮化硅陶瓷在干燥的高温环境中会氧化。这种氧化在材料表面上产生钝化的硅氧化皮。在含有水蒸气的潮湿的高温环境中，例如，涡轮发动机，由于形成钝化的硅氧化皮以及随后的氧化硅到气态氢氧化硅的转化而发生氧化和凹陷(recession)。为了防止在潮湿的高温环境中的凹陷，将环境障涂层(EBC)沉积在碳化硅和氮化硅材料上。

目前，EBC材料由稀土硅酸盐化合物制成。这些材料杜绝(seal out)水蒸气，防止水蒸气到达碳化硅或氮化硅表面上的硅氧化皮，从而防止凹陷。然而，这种材料不能防止氧渗透，这导致下面的基底的氧化。基底的氧化产生钝化的硅氧化皮，伴随碳氧化物或氮氧化物气体的释放。碳氧化物(即CO、CO₂)或氮氧化物(即NO、NO₂等)气体不能通过致密的EBC逸出，因此起泡。迄今为止，使用硅粘合涂层是这种起泡问题的解决方案。硅粘合涂层提供了氧化时(在EBC下方形成钝化的氧化硅层)不释放气态副产物的层。

然而，硅粘合涂层的存在限制了EBC的工作温度的上限，因为硅金属的熔点相对较低。在使用中，在多层EBC系统的硅金属粘合涂层的顶面上形成氧化硅的热生长氧化物(TGO)层。该硅氧化皮在1200℃以下的温度下保持非晶态，有时甚至在1315℃以下的温度下保持非晶态，尽管该性质还取决于粘合涂层暴露在该温度下的时间。在较高温度下，或当少量蒸汽渗透EBC到达粘合涂层时，硅氧化皮结晶(例如，成为方石英)，其经历相变，伴随着冷却时的大量体积变化。体积变化导致EBC涂层剥落。

因此，希望改善EBC中硅粘合涂层的性质，以实现更高的EBC的工作温度极限。

发明内容

本发明的方面和优点将部分地在以下描述中阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过实施本发明来掌握。

一般性地提供一种陶瓷组件，其包括包含含硅材料的硅基层(例如，硅金属和/或硅化物)和掺杂硼的耐火化合物，例如，按体积计约0.001％至约85％的掺杂硼的耐火化合物(例如，按体积计约1％至约60％的掺杂硼的耐火化合物)。

还一般性地提供涂覆的组件，其包括：定义表面的CMC组件；直接在CMC组件表面上的粘合涂层，粘合涂层包括含硅材料和掺杂硼的耐火化合物(例如，约0.1％至约25％的掺杂硼的耐火化合物)；粘合涂层上的热生长氧化物层；以及热生长氧化物层上的环境障涂层。