抗衰退陶瓷基质复合材料和环境阻挡涂层制造技术

总体而言，本发明专利技术涉及包含含硅基材的抗衰退燃气涡轮发动机制品和相关的涂层和方法。特别是，本发明专利技术涉及包含涂有化学稳定的多孔氧化物层的硅基材的发动机制品。本发明专利技术还涉及包含基材和在顶部的粘结涂层的制品，所述粘结涂层包含互相连接的硅和互相连接的氧化物的两相层，随后是硅层。本发明专利技术还涉及包含在含硅基材中的氧化物的抗衰退制品，使得含硅基材的组分与分散在基材中的氧化物互相连接且形成抗衰退含硅制品的主体。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】抗衰退陶瓷基质复合材料和环境阻挡涂层 背景 总体而言，本专利技术涉及陶瓷基质复合材料。更具体而言，在文中的实施方案总体上描述 在燃气祸轮和航空工业中使用的抗衰退（recession resistant)陶瓷基质复合材料、涂层 和相关的制品以及方法。 不断地探索燃气涡轮发动机的更高操作温度，以便提高它们的效率。但是，由于操 作温度提高，发动机的制品的高温耐用性必须相应地提高。通过铁、镍和钴基超合金的配制 已经获得了在高温能力中的相当大的进步。尽管已经发现超合金对于在整个燃气涡轮发动 机（且尤其在更高温度的工段中）中使用的制品的广泛用途时，替代的更轻重量的基材材 料已经被提议。 陶瓷基质复合材料为由被陶瓷基质相包围的增强材料组成的一类材料，且目前被 提议用于更高温度的应用。陶瓷基质复合材料可以降低重量，然而保持在燃气涡轮发动机 的更高温度工段中使用的涡轮制品的强度和耐用性，所述涡轮制品例如为螺旋桨（静叶和 动叶）、燃烧器、遮蔽物和将从这些材料可以提供的更轻重量受益的其他类似制品。 公知的是在使用碳化硅陶瓷中的关键问题之一为陶瓷基质复合材料（"CMC"）的 厚度的损失，其由陶瓷与在燃烧气体中的水分的反应造成。因此，环境障碍涂层（"EBCs"） 用于保护CMCs免受陶瓷通过挥发的厚度损失或衰退。发展至今的EBCs为具有硅或含硅材 料的粘结涂层（bond coat)的多层涂层，所述娃或含娃材料氧化后形成氧化娃。 至今的经验显示环境障碍涂层常常具有例如由外来物品损坏或操作损坏引起的 局部剥落。这被认为对于大多数高温阶段部件，这将在剥落的区域中导致局部很高的挥发 速度，导致在CMC部件中孔的形成。具体而言，当EBCs剥落时，将下面基材暴露到含水分的 燃烧气体，且在一些其他情况下（例如，当EBC为多孔或破裂时），水分能扩散穿过多孔/ 破裂的层以氧化下面基材且引起基材的衰退。这被认为是在CMCs的商品化中的主要问题 之一，且陶瓷界已经致力于解决这个问题。因此，需要提高CMC基材的抗衰退。还需要提高 EBC体系的稳健性，以便当局部EBC剥落出现时体系的抗衰退仍然可以接受。 而且，有强大的驱动力来研发在高达2700 F的温度下应用的陶瓷基质复合材料。 硅以硅氢氧化物形式挥发为这种复合材料的主要问题之一，因为其导致厚度随时间损失。 环境障碍涂层（EBCs)用于减轻这个问题。但是，许多EBCs在CMCs的表面上使用硅粘结 涂层，而硅在约2550 F的温度下熔化。因此，硅基涂层目前在超过约2550 F的温度下不实 用。因此，不仅在本领域中对抗衰退CMCs有需要，而且在本领域中对能在更高温度下操作 的新的EBCs有需要。还对稳健的EBCs有需要，以便甚至当EBC层局部剥落时陶瓷基材的 装退可以接受。fg]而目之，在本领域中对于提尚的抗装退CMCs、EBCs、制品和用于制备它们 的方法有需要。 概沭 本专利技术的方面显著地提高了 CMC制品的寿命。本专利技术的另一方面涉及包含在含硅基材 中的氧化物的抗衰退制品，其中含硅基材的组分与分散在基材中的氧化物互相连接且形成 抗衰退含硅制品的主体。在一个实施方案中，含硅基材和氧化物相两者为互相连接的独立 网络。在另一个实施方案中，所述基材包含SiC--SiC陶瓷基质复合材料。 在一个实施方案中，所述氧化物具有约5 ppm/°C的膨胀系数；其中所述氧化物在 含有水分的环境中化学稳定和/或表现出与水蒸气反应相关的最小负体积变化（例如不 超过30%)。在另一个实施方案中，所述氧化物与氧化硅化学稳定。在一个实施方案中，所 述制品为燃气涡轮发动机的部件且其中所述部件包含约10体积％_60体积％、优选约20体 积％-40体积％的含稀土娃酸盐氧化物的化合物（compound)。 在一个实施方案中，所述氧化物为具有一种或多种选自Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、 Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu的元素的氧化物的稀土二娃酸盐。在一个实施例中， 所述氧化物为具有元素 Y和/或Yb和/或Lu的氧化物的稀土二硅酸盐。在另一个实施例 中，所述氧化物为氧化铪。在一个实施方案中，所述氧化物为包含Ba、Sr、Ca和Mg的一种或 多种元素的碱土硅酸盐的碱土铝硅酸盐。 在一个实施方案中，所述制品还包含位于基材顶部的粘结涂层。在一个实施方案 中，所述基材为陶瓷基质复合材料，且所述粘结涂层包含相互连接的硅和氧化物层，随后是 另一个硅层。在一个实施方案中，所述制品还包含在基材和该两相硅和氧化物层之间的硅 层。在一个实施例中，本专利技术的抗衰退制品还包含在粘结涂层的顶部的环境阻挡涂层。在 一个实施方案中，所述基材涂有约2密耳-约50密耳厚的环境阻挡涂层。 在另一个实施方案中，所述基材通过聚合物浸渍热解、化学蒸气渗透、熔融渗透、 烧结和其组合的方法来制备。在一个相关的实施方案中，所述基材通过硅熔融渗透的方法 来制备。在一个实施方案中，所述制品包含燃气涡轮组件的部件。在另一个实施方案中，所 述抗衰退制品为选自燃烧器部件、涡轮静叶、遮蔽物、喷嘴、隔热罩和动叶的燃气涡轮发动 机部件。 本专利技术的一方面涉及抗衰退燃气涡轮部件，其包含具有氧化物在其内的含硅基 材，其中所述含娃基材的组分与氧化物互相连接和/或彼此交织（interwoven)。在一个实 施例中，所述氧化物具有约5 ppm/°C的膨胀系数；其中所述氧化物在含有水分的环境中化 学稳定和/或表现出不超过约30%的与水蒸气反应相关的负体积变化；且其中所述氧化物 与氧化硅化学稳定。 本专利技术的另一方面涉及制备用于熔融渗透的预制品的方法，其包括：a)提供陶瓷 基质前体浆料；b)将一种或多种稀土二硅酸盐（RE2Si2O7)和/或一种或多种碱土铝硅酸 盐（RE2SiO5)结合到所述基质前体楽;料中；c)将所述楽:料灌注到碳遮蔽材料（carbon veil material)中或带式浇铸所述浆料以产生基质前体的薄片；d)将所述片安置在所述陶瓷 基质复合材料预制品的表面上以形成含有所述氧化物颗粒的表面层；和e)使用真空装袋 和层压或压缩模制来将所述片固结到所述预制品上。 在一个实施方案中，所述方法还包含将含有所述氧化物的表面层连同陶瓷基质复 合材料预制品的其余部分用熔融硅或含硅合金熔融渗透以形成含有所述氧化物颗粒的表 面层。在一个实施方案中，将含氧化物的浆料涂布到陶瓷基质复合材料预制品上。在另一 个实施方案中，所述涂布通过喷涂或浸涂进行，随后进行熔融渗透。 本专利技术的一方面涉及制备用于熔融渗透的预制品的方法，其包括：a)提供陶瓷基 质前体浆料；b)将一种或多种氧化物结合到所述基质前体浆料中，其中所述氧化物为一种 或多种稀土二硅酸盐（RE2Si2O7)和/或一种或多种碱土铝硅酸盐（RE 2SiO5);其中将所述氧 化物颗粒加入到所述基质前体浆料且随后用浆料预浸渍复合材料带，将所述浸渍的带搁置 且固结到复合材料预制品中，且随后用硅或硅合金熔融渗透所述预制品。 本专利技术的另一方面涉及在含硅基材上制备表面涂层的方法，其中所述涂层通过制 备硅陶瓷前体聚合物和氧化物颗粒的混合物、将所述混合物涂布到含硅基材的表面上、热 处理涂好的表面以将聚合物转化为陶瓷来制备。在一个实施方案中，在沉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抗衰退制品，其包含在含硅基材中的氧化物，其中含硅基材的组分与分散在基材中的氧化物互相连接且形成抗衰退含硅制品的主体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：KL卢思拉，GS科尔曼，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US