[发明专利]EBC和包含非氧化物硅陶瓷的莫来石粘结涂层

说明书

本发明提供了一种涂层部件及其制备和使用方法。该涂层部件包括：包含碳化硅且具有表面的陶瓷基复合材料基底即CMC基底；在基底表面的莫来石/NOSC粘结涂层；以及在莫来石/NOSC粘结涂层上的环境屏障涂层。该莫来石/NOSC粘结涂层包括包含于莫来石相内的非氧化物硅陶瓷相即NOSC相，该莫来石/NOSC粘结涂层包含60体积％至95体积％的莫来石相，例如65体积％至93体积％的莫来石相。

技术领域

本发明总体上涉及与陶瓷部件(特别是硅基陶瓷基体部件)上的环境屏障涂层一起使用的粘结涂层(bondcoat)，以及它们的形成和使用方法。

背景技术

一直在寻求更高的燃气涡轮发动机工作温度，以提高其效率。然而，随着工作温度升高，发动机部件的高温耐久性必须相应地提高。通过配制铁、镍和钴基高温合金，实现了高温性能的显著改善。对于许多由高温合金制成的热气通道部件，仍可以利用热障涂层(TBC)来对部件进行隔热，并在承重合金与涂层表面之间维持显著温差，从而限制结构部件的热暴露。

尽管高温合金已广泛用于整个燃气涡轮发动机(尤其是高温部分)所使用的部件，但已提出了替代的轻质基底(substrate)材料，例如陶瓷基复合材料(CMC)的材料，特别是碳化硅(SiC)纤维增强的SiC和SiC/Si基复合材料，即所谓的SiC/SiC复合材料。CMC和整体式(monolithic)陶瓷部件可涂覆有环境屏障涂层(EBC)，以保护它们免受高温发动机部分的恶劣环境。EBC可在热燃烧环境中提供针对腐蚀性气体的致密密封。

碳化硅和氮化硅陶瓷在干燥高温环境中经历氧化。此种氧化在材料表面产生钝化二氧化硅氧化皮(scale)。在包含水蒸气的潮湿高温环境中，例如涡轮发动机中，由于形成了钝化二氧化硅氧化皮并且二氧化硅随后转化为气态氢氧化硅，故发生氧化和性能衰退(recession)。为了防止潮湿高温环境中的性能衰退，将环境屏障涂层(EBC)沉积在碳化硅和氮化硅材料上。

当前，EBC材料由稀土硅酸盐化合物制成。这些材料杜绝水蒸气，防止它到达碳化硅或氮化硅表面上的二氧化硅氧化皮，从而防止性能衰退。然而，此种材料不能防止氧气渗入，而氧气渗入导致下面的基底氧化。基底的氧化产生钝化二氧化硅氧化皮，并释放碳氧化物或氮氧化物气体。碳氧化物(即CO、CO₂)或氮氧化物(即NO、NO₂等)气体无法穿过致密的EBC逸出，因此形成气泡，这可能导致EBC的剥落。迄今为止，已使用硅粘结涂层解决了此类起泡问题。硅粘结涂层提供氧化层(在EBC下方形成钝化二氧化硅层)而不释放气态副产物。

然而，硅粘结涂层的存在限制了EBC的最高工作温度，因为硅金属的熔点相对较低。在使用中，硅粘结涂层在约1414℃(其为硅金属的熔点)的涂层温度下熔化。高于这些熔融温度下，硅粘结涂层可从下面的基底上分层剥离(delamination)，有效地去除粘结涂层和粘结涂层上的EBC。因此，需要改进EBC的粘结涂层以实现更高的EBC工作温度极限。

发明内容

本发明的方面和优点将在下文描述中部分地阐述，或者可以通过描述而变得显而易见，或者可以通过实施本发明而获知。

一般提供一种涂层部件，以及其制造和使用方法。在一个实施方式中，涂层部件包括：包含碳化硅且具有表面的陶瓷基复合材料(CMC)基底；在基底表面上的莫来石/NOSC粘结涂层；莫来石/NOSC粘结涂层上的环境屏障涂层。莫来石/NOSC粘结涂层包括包含在莫来石相内的非氧化物硅陶瓷(NOSC)相，其中莫来石/NOSC粘结涂层包含60体积％至95体积％的莫来石相，例如65体积％至93体积％的莫来石相(例如，75体积％至90体积％的莫来石相)。

在某些实施方式中，莫来石相包含比值为3：2的化学计量比的10％以内，例如约3：2至约3.5：2的三氧化二铝和二氧化硅。在其他实施方式中，莫来石相包含比值为2∶1的化学计量比的10％以内，例如约2∶1至约2.25∶1的三氧化二铝和二氧化硅。在特定实施方式中，莫来石相可由三氧化二铝和二氧化硅组成。