具有含铪阻隔层的硅基基材制造技术

一种制品，其包含含硅基材和阻隔层，该阻隔层起环境阻隔涂层的作用，更具体地是包含硅酸铪和任选地硅酸锆的阻隔层，以及用于形成作为阻隔涂层的硅酸铪的方法。

Silicon based substrate with hafnium barrier

An article comprising a substrate and a barrier layer, the barrier layer which functions as an environmental barrier coating, particularly a barrier layer comprising hafnium silicate and optionally zirconium silicate, and method for forming the hafnium silicate as a barrier coating.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种制品，其包含基材，该基材包含硅和阻隔层，该阻隔层起环境阻隔涂层的作用，并且更具体地这样一种阻隔层，其包含硅酸铪和任选地硅酸锆。本专利技术进一步包括作为阻隔涂层形成硅酸铪的方法。
技术介绍
已经提出了将含硅陶瓷材料和含硅金属合金用于在高温应用中使用的结构，例如燃气轮机、换热器、内燃机等等。含硅陶瓷具有有吸引力的物理和机械性能，并且特别可用于气轮机高温段，其在高温、高压和富含高速蒸汽的环境下操作。已经发现，这些含硅材料易于受到蒸汽的侵蚀，因为当暴露于在气轮机应用中遇到的高温、含水环境时会形成挥发性的硅物质，特别是Si(OH)x和SiO。含硅物质从含硅基材中挥发导致基材凹陷，这在长期应用中显然是不希望的。已经将环境阻隔涂层(EBCs)应用于硅基陶瓷上，以防止基材凹陷和延长气轮机部件的寿命。对于EBC涂层，在基材上使用一个或多个层，例如阻隔层、粘合层、中间层等等，也是常见的。在选择阻隔层/粘合层/中间层中一个重要的标准是层的热膨胀系数(CTE)。为了使各种涂层和基材之间的热应力积累最小化，重要的是涂层系统的各种成分的CTE接近于基材的CTE。邻近的涂层和/或基材之间CTE的不匹配可能导致非保护性涂层，因为在气轮机操作中遇到的热周期期间涂层出现剥落和/或龟裂。因此，本专利技术的主要目的是提供一种制品，其包含含硅基材和至少一个阻隔层，其中阻隔层具有的热膨胀系数是与基材相容的，如果阻隔层邻近于基材，并且与是任何其他的相邻层相容的。本专利技术的阻隔层还可以用于具有低热膨胀系数的其他陶瓷基材的热和环境保护。本专利技术的进一步目的和优点在下文中是显而易见的。
技术实现思路
本专利技术的制品包含基材和阻隔层，该阻隔层起环境阻隔涂层的作用，其中所述阻隔层包含硅酸铪。按照本专利技术，硅酸铪作为阻隔层中的组分是特别有用的，因为硅酸铪具有高熔点，大约1750℃，并且在蒸汽中是稳定的。此外，从室温到1200℃，硅酸铪的热膨胀系数是大约4.5到4.6ppm/℃，这使其与陶瓷和CTE在3-7ppm/℃范围内的复合材料相容。这些综合性能使含硅酸铪的阻隔层特别可用于环境阻隔涂层系统，用于含碳化硅和氮化硅的基材。所述基材可以包括任何适合的材料，例如含硅基材(即含硅陶瓷、含硅金属合金等等)和氧化物-氧化物基材。适合的含硅陶瓷包括，但是不局限于，氮化硅、碳化硅、碳化硅复合材料、氮化硅复合材料、氮氧化硅、氧氮化硅铝、氮化硅陶瓷基质复合材料等等。适合的含硅金属合金包括，但是不局限于，钼硅合金、铌硅合金、铁硅合金、钴硅合金、镍硅合金、钽硅合金、耐熔金属硅化物等等。适合的氧化物-氧化物基材包括，但是不局限于，纤维增强氧化物基质复合材料，其中纤维增强材料包括碳化硅、氮化硅、氧化铝、富铝红柱石等等，并且基质包括氧化铝、氧化锆和类似的耐热氧化物。按照本专利技术，阻隔层包含硅酸铪和任选地硅酸锆。在优选的实施方案中，本专利技术的阻隔层包含硅酸铪和硅酸锆两者。除上述之外，如有必要，阻隔层可以进一步包括热膨胀系数(CTE)控制添加剂。本专利技术的阻隔层适合作为热和环境阻隔涂层。本专利技术的阻隔层还可以被用作中间层，以防止在已知的环境阻隔涂层系统(例如Si/HfO2体系)中邻近的反应性层之间的相互作用。本专利技术还涉及在表面上产生阻隔涂层的方法。按照本专利技术，优选的方法包括制备二氧化铪和硅源的混合物，用该混合物涂覆表面，和其后将涂层暴露于升高的温度达到足够的时间，以使二氧化铪与氧化性硅反应，产生致密的硅酸铪涂层。根据以下详细说明能够明确本专利技术的其他目的和优点。附图说明附图比较了在90％蒸汽的环境中、在1315℃的温度下，作为相对重量损失的函数的BSAS涂层与单块硅酸铪涂层的凹陷速率。详细说明本专利技术涉及一种制品，其包含基材和阻隔层，其中阻隔层抑制在制品暴露于高温、燃烧环境时从基材中形成气态硅物质。本专利技术还涉及产生上述的涂层制品的方法。此外，应该理解，虽然阻隔层被称作环境阻隔层，该阻隔层还起热障层的作用，并且因此本专利技术广泛地包括在含硅基材上和在具有类似的热膨胀系数的基材上环境阻隔层/热障层的用途。按照本专利技术，含硅基材可以是含硅陶瓷基材或者含硅金属合金。在优选的实施方案中，含硅基材是含硅陶瓷材料，例如碳化硅、氮化硅、硅碳氮化物、铝硅酸盐/富铝红柱石、氮氧化硅、氧化物/氧化物陶瓷基质复合材料和硅铝氧氮化物和其混合物。按照本专利技术特定的实施方案，含硅陶瓷基材包括具有增强材料的含硅基质，例如纤维、粒子等等，并且更具体地纤维增强的硅基基质。特别适合的陶瓷基材是单块氮化硅、碳化硅涂覆的碳化硅纤维-增强的碳化硅粒子和硅基质、碳纤维-增强的碳化硅基质和碳化硅纤维-增强的氮化硅基质。用作用于本专利技术制品的基材的特别有用的硅-金属合金包括钼-硅合金、铌-硅合金、及其他含硅合金，其具有与本专利技术阻隔层相容的热膨胀系数。阻隔层还可以为氧化物-氧化物基材提供环境和热保护，所述基材包括但不限于纤维增强的氧化物基质复合材料，其中纤维增强材料包括碳化硅、氮化硅、氧化铝、富铝红柱石等等，并且基质包括氧化铝、氧化锆和类似的耐热氧化物。本专利技术的特别有用的阻隔层包括硅酸铪，并且优选地硅酸铪和硅酸锆的混合物。当阻隔层包括硅酸铪而没有硅酸锆时，阻隔层应该包含至少50体积％的硅酸铪。优选地，阻隔层包含50到100体积％的硅酸铪，理想地60到100体积％硅酸铪。当阻隔层包含硅酸铪及硅酸锆时，硅酸铪和硅酸锆的总体积百分数在50到100体积％之间，并且优选在65到100％之间。在优选的实施方案中，硅酸铪和硅酸锆以1∶49到49∶1、优选1∶19到19∶1的体积比存在。按照本专利技术优选的实施方案，阻隔层可以包括热膨胀系数(CTE)控制添加剂，其量足以使阻隔层和任何相邻层和/或基材之间保持相容。CTE控制添加剂选自TaOx、NbOx、MgO、CaO、SrO、BaO、SiO2、HfO2、TiO2、ZrO2、Al2O3、Y2O3、La2O3、稀土氧化物和其混合物，其中x＝1到3(例如NbO、NbO2、Nb2O3、Nb2O5)。按照本专利技术优选的实施方案，CTE控制添加剂被加入到层材料中，用于调节该层的CTE，以便使该层与基材和可能被使用的任何其他相邻层相容。CTE控制添加剂应该以足以在其本身和相邻层和基材之间保持相容性的量存在于该层中。当将例如HfO2加入如上所述的阻隔层时，其应该以至少5体积％、优选10到50体积％、理想地10到40体积％的量存在。本专利技术的一个重要特征是保持含硅基材和所述层和/或相邻层的热膨胀系数之间的相容性。按照本专利技术，已经发现，所述层的CTE应该在含硅基材和/或相邻层的CTE的±3.0ppm/℃、优选±2.0ppm/℃和理想地1ppm/℃范围内。阻隔层应该以大于或等于大约0.05密耳(0.00005英寸)、优选大约0.1到大约300密耳和理想地大约0.1到大约10密耳的厚度存在于制品中。本专利技术的阻隔层可以通过以下方法施加浆液涂布技术、浆液涂漆、空气等离子体喷涂、气刷、溶胶-凝胶途径、溶胶-凝胶、热喷涂、化学蒸汽沉积、物理蒸汽沉积、电泳沉积、静电沉积、浸渍和溅射。通过浆液涂覆进行施加是挑战性的，因为硅酸铪和硅酸锆具有耐熔本性，并且它们具有缓慢的烧结速度。如果所述涂层通过浆液涂覆方法施加，则可以将添加剂例如二氧化硅、氧化铝、二氧化钛以及钠、锂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制品，其包含：含硅基材；和含硅酸铪的阻隔层。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：T巴蒂亚，JG斯梅吉尔，WK特雷维，WR施米德特，VC纳尔多内，
申请(专利权)人：联合工艺公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]