用于包含硅的耐火衬底的环境屏障制造技术

通过一种环境屏障(20)保护一种包括衬底(10)的部件，邻近该衬底的表面的至少一部分衬底由一种包含硅的耐火材料制成，该环境屏障在所述衬底的表面上形成并且具有包含稀土硅酸盐的至少一个自愈层(22)。至少90mol％的该自愈层(22)由一种包括30mol％到最多80mol％的至少一种稀土硅酸盐RE2Si2O7(RE是稀土)以及至少20mol％到70mol％的氧化锰(MnO)的体系形成；以及最多10mol％的该自愈层(22)由除MnO之外的一种或多种氧化物形成，所述一种或多种氧化物与SiO2的共晶点小于或等于1595℃，该自愈层(22)在至少从1200℃到1400℃的整个温度范围中呈现具有自愈功能的液相，同时保存主要固相。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
本专利技术涉及提供一种包括衬底的部件，在所述衬底中与表面相邻的至少一部分由一种包含硅的耐火材料制成，在所述部件在高温下在氧化介质中使用时具有保护，通过在所述衬底的表面上形成一个环境屏障获得所述保护。本专利技术特别地涉及由耐火复合材料制成的保护部件，耐火复合材料为诸如包含硅的陶瓷基复合(CMC)材料，特别地一种具有由陶瓷纤维制成的纤维增强物的CMC，如碳化硅(SiC)纤维或基于碳化硅的纤维，以及一种至少局部地由碳化硅制成的基质。本专利技术应用的特定领域是保护形成燃气轮机的热部的CMC部件，诸如用于航空发动机以及用于工业涡轮机的燃烧室壁，或涡轮环，或涡轮喷嘴，或涡轮叶片。文献WO2010/072978描述了形成一种具有基于氧化物体系的至少一个自愈层的环境屏障，该氧化物体系由至少一种稀土氧化物、二氧化硅和氧化铝形成。选择该自愈层的成分以使之在达到至少约1400℃时保存主要固相，同时在等于或高于约1400℃的温度下呈现至少一个液相，足够数量下的该液相在这种温度下实施自愈功能。然而，需要保护在维护中暴露到位于低于1400℃的温度范围内的温度的CMC部件。当该CMC材料的纤维增强物由SiC纤维或基于SiC的纤维制成时，这特别地适用，该基于SiC的纤维具有在1400℃变得明显退化的属性，但其成本比无损害地能够承受1400℃或以上的温度的碳化硅纤维明显更少。专利技术目的和内容在第一方面，本专利技术提供了一种包括衬底和环境屏障的部件，在所述衬底中与所述衬底的表面相邻的至少一部分由一种包含硅的耐火材料制成，所述环境屏障在所述衬底的表面上形成并且具有包含稀土硅酸盐的至少一个自愈层，在所述部件中，所述自愈层的：·至少90的摩尔百分数(mol％)由一种体系形成，该体系由30mol％到最多80mol％的至少一种稀土硅酸盐RE2Si2O7以及至少20mol％到70mol％的氧化锰(MnO)构成，RE是稀土；以及·最多10mol％由除MnO之外的一种或多种氧化物形成，该一种或多种氧化物与SiO2的共晶点小于或等于1595℃；所述自愈层至少在1200℃到1400℃的温度范围中呈现具有自愈功能的液相，同时保存主要固相。在本文中使用术语“具有自愈功能的液相”是指存在的液相数量足以有效封闭可能出现在所述环境屏障中的裂缝，即在所述成分中，所述自愈层至少5mol％但不超过40mol％，从而保存良好的抗吹走性能。所述稀土可从钇、钪和镧系元素(例如镱和铒)中选择。所述环境屏障也可包括一种插入在所述衬底的表面和所述自愈层之间的衬层，并且从以下选择：·基本上由至少一种稀土硅酸盐RE2Si2O7构成的衬层；·基本上由沉积在硅涂层上的至少一种稀土硅酸盐RE2Si2O7构成的衬层，所述硅涂层形成在所述衬底上；·基本上由莫来石构成的衬层；·基本上由沉积在硅涂层上的莫来石构成的衬层，所述硅涂层形成在所述衬底上；以及·基本上具有硅-莫来石成分梯度的衬层，所述成分梯度从所述衬底旁边的硅开始并以所述自愈层旁边的莫来石结束。在一个实施方式中，所述自愈层插入在所述衬底和一个如由耐火材料或耐磨材料制成的外层之间。在第二方面，本专利技术提供了一种提供衬底的方法，在所述衬底中与表面相邻的至少一部分由一种包含硅的耐火材料制成，通过在如上所限定的衬底的表面上形成环境屏障，当所述衬底在高温下在氧化介质中使用时具有保护。附图说明在阅读通过非限制性表示给出的以下描述后，可以更好地理解本专利技术。参考附图，其中：·图1是由包含硅的复合材料制成的部件的非常图解的视图，该部件提供有本专利技术的一个实施方式中的环境屏障；以及·图2至17是通过扫描电子显微镜获得的照片，示出了根据本专利技术以及不根据本专利技术的环境屏障的表面状态。具体实施方式在以下的详细描述中，环境屏障在一种包含硅的CMC材料的衬底上形成。然而应该记住的是，本专利技术适用于由包含硅的单片耐火材料制成的衬底，以及更通常地适用于与表面相邻的至少一部分由包含硅的耐火材料(该材料为复合或单片的)制成的衬底。图1是一种在本专利技术的一个实施方式中具有环境屏障20的衬底10的高度图解视图。衬底10由一种包含硅的CMC材料制成并且包括可由碳(C)纤维或陶瓷纤维制成的纤维增强物，所述碳(C)纤维或陶瓷纤维为例如SiC纤维或基本由SiC制成的纤维，包括Si-C-O或Si-C-O-N纤维，即还包含氧以及可能地氮。这种纤维由日本供应商NipponCarbon以“Nicalon”或“HiNicalon”或“Hi-NicalonTypeS”商品名生产，或由日本供应商UbeIndustries以“Tyranno-ZMI”商品名生产。陶瓷纤维可被涂敷有热解碳(PyC)、氮化硼(BN)或硼掺杂碳(BC，具有5到20个原子百分比(at％)的B，余量为C)的薄的相间层。该纤维增强物由一种基质强化，该基质全部或至少在外基质相中由一种包含硅的材料构成，诸如硅化合物，如SiC，或例如三元Si-B-C体系。使用术语“外基质相”是指最后形成的基质相，所述相距离该纤维增强物最远。在这种情况下，该基质可由不同种类的多个层组成，例如：混合的C-SiC基质(该SiC在外侧上)；一种具有SiC和低刚度的基质相的交替相的顺序基质，如热解碳(PyC)、氮化硼(BN)或硼掺杂碳(BC)的，该基质的终端相由SiC制成；或一种自愈基质，具有由碳化硼(B4C)制成的或由Si-B-C三元系统制成的基质相，可能具有自由碳(B4C+C，Si-B-C+C)，以及具有Si-B-C或SiC的终端相。特别地是在以下文件中描述了这种CMC材料：US5246736、US5965266、US6291058以及US6068930，该基质相通过化学气相渗透(CVI)形成。该基质也可至少局部地通过引入粉末形成，特别地引入碳粉末以及可能还有陶瓷的粉末，并且也可通过用基于熔融状态的硅的金属成分渗透，从而形成SiC-Si类型的基质。这种过程是已知的并且通常称为熔体渗透(MI)。环境屏障20在该衬底10的整个外表面上或仅在该表面的一部分(例如当该表面的仅一部分需要保护时)上形成。该环境屏障20包括自愈层22。内层或衬层24可插入在衬底10和自愈层22之间。外层26可在自愈层上形成。该自愈层22基本上为一种以下体系的形式，即在该示例中为至少90mol％含量的该体系，该体系由30mol％到80mol％以上的至少一种硅酸盐RE2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括衬底和环境屏障的部件，在所述衬底中与所述衬底的表面相邻的至少一部分由一种包含硅的耐火材料制成，所述环境屏障在所述衬底的表面上形成并且具有包含稀土硅酸盐的至少一个自愈层，所述部件的特征在于，所述自愈层的：·至少90mol％由一种体系形成，该体系由30mol％到最多80mol％的至少一种稀土硅酸盐RE2Si2O7以及至少20mol％到70mol％的氧化锰MnO构成，RE是稀土；以及·最多10mol％由除MnO之外的一种或多种氧化物形成，该除MnO之外的一种或多种氧化物与SiO2的共晶点小于或等于1595℃；所述自愈层至少在1200℃到1400℃的整个温度范围中呈现具有自愈功能的液相，同时保存主要固相。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.06.13 FR 13554851.一种包括衬底和环境屏障的部件，在所述衬底中与所述衬底的表面相邻
的至少一部分由一种包含硅的耐火材料制成，所述环境屏障在所述衬底的表面上
形成并且具有包含稀土硅酸盐的至少一个自愈层，所述部件的特征在于，所述自
愈层的：
·至少90mol％由一种体系形成，该体系由30mol％到最多80mol％的至少一
种稀土硅酸盐RE2Si2O7以及至少20mol％到70mol％的氧化锰MnO构成，RE
是稀土；以及
·最多10mol％由除MnO之外的一种或多种氧化物形成，该除MnO之外的
一种或多种氧化物与SiO2的共晶点小于或等于1595℃；
所述自愈层至少在1200℃到1400℃的整个温度范围中呈现具有自愈功能的
液相，同时保存主要固相。
2.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，RE从钇、钪和镧系元素中选
择，镧系元素特别地为镱和铒。
3.根据权利要求1或2所述的部件，其特征在于，所述环境屏障进一步包
括一种插入在所述衬底的表面和所述自愈层之间的衬层，该衬层选自：
·一种基本上由至少一个稀土硅酸盐RE2Si2O7构成的衬层；
·一种由沉积在硅涂层上的至少一种稀土硅酸盐RE2Si2O7构成的衬层，所述
硅涂层在所述衬底上形成；
·一种基本上由莫来石构成的衬层；
·一种基本上由沉积在硅涂层上的莫来石构成的衬层，所述硅涂层在所述衬
底上形成；以及
·一种基本上具有硅-莫来石成分梯度的衬层，所述成分梯度从所述衬底旁边
的硅开始并以所述自愈层旁边的莫来石结束。
4.根据权利要求1到3任一所述的部件，其特征在于，所述自愈层插入在
所述衬底和耐火材料的外层之间。
5.根据权利要求1到3任一所述的部件，其特征在于，所述自愈层插入在
所述衬底和耐磨材料的外...

【专利技术属性】
技术研发人员：卡罗琳·罗切特，埃米莉·科尔科特，弗朗西斯·瑞布莱特，阿诺德·德勒霍泽，
申请(专利权)人：海瑞克里兹，波尔多大学，
类型：发明
国别省市：法国;FR