高温陶瓷复合材料的预处理制造技术

本申请提供了涂层部件及其形成方法。涂层部件可包括具有围绕陶瓷核心的Si‑处理层的陶瓷基质和在陶瓷基质的Si‑处理层上的环境屏障涂层。陶瓷核心可包括碳化硅，并且Si‑处理层可经预处理以使其表面性质适合于在Si‑处理层暴露于氧时，抑制或延缓碳氧化物的形成。

Pretreatment of High Temperature Ceramic Composites

This application provides a coating component and its forming method. The coating component may include a ceramic matrix having a Si treatment layer surrounding the ceramic core and an environmental barrier coating on the Si treatment layer of the ceramic matrix. Ceramic cores may include silicon carbide, and the Si treatment layer may be pretreated to suit its surface properties to inhibit or delay the formation of carbon oxides when the Si treatment layer is exposed to oxygen.

【技术实现步骤摘要】
高温陶瓷复合材料的预处理
本专利技术一般涉及陶瓷部件上的环境屏障涂层的用途，及其形成和使用方法。
技术介绍
为了提高燃气涡轮发动机的效率，正不断寻求燃气涡轮发动机的更高的工作温度。然而，随着工作温度增加，发动机部件的高温耐久性必须相应地提高。通过基于铁、镍和钴的超级合金的配方，在高温能力方面已取得重大进展。尽管如此，对于很多从超级合金构造的热气体路径部件，热屏障涂层(TBC)可被用来使部件绝热，并可在承重合金与涂层表面之间维持一个可观的温差，因而限制结构部件的热暴露。尽管超级合金已发现广泛用于整个燃气涡轮发动机使用的部件，且特别是在较高温度部分中，但已提议了替代的重量较轻的基质材料，例如陶瓷基体复合材料(CMC)。CMC和单片陶瓷部件可用环境屏障涂层(EBC)涂布，以保护它们免受高温引擎部分的恶劣环境。EBC可在高温燃烧环境中提供针对腐蚀性气体的保护。碳化硅和氮化硅陶瓷在干燥、高温环境中经受氧化。这种氧化在材料表面产生钝态的氧化硅锈皮。在含有水蒸气的潮湿、高温环境(例如涡轮发动机)中，由于形成钝态的氧化硅锈皮和随后氧化硅转化为气态氢氧化硅，氧化和衰退同时发生。为防止在潮湿、高温环境中的衰退，环境屏障涂层(EBC)被沉积在碳化硅和氮化硅材料(包括碳化硅纤维增强的碳化硅基体(SiC/SiC)复合材料)上。目前，EBC材料由稀土硅酸盐化合物制得。这些材料密封水蒸气，防止其到达碳化硅或氮化硅表面上的氧化硅锈皮，从而防止衰退。然而，这样的材料不能阻止氧气渗透，这导致下层基质的氧化。基质的氧化产生钝态的氧化硅锈皮，伴随着含碳或含氮氧化物气体的释放。含碳(即，CO、CO2)或含氮(即，NO、NO2等)氧化物气体不能通过致密的EBC逸出，因而形成气泡。迄今为止，使用硅粘结涂层已经解决了这个起泡的问题。硅粘结涂层提供了一个层，其氧化(形成在EBC下的钝态氧化硅层)，而不释出气体副产物。然而，硅粘结涂层的存在限制了EBC的较高工作温度，因为硅金属的熔点相对较低。在使用中，硅粘结涂层在约1414℃的涂布温度下熔化，该温度是硅金属的熔点。在这些熔化温度之上，硅粘结涂层可从下层基质脱层，有效去除粘结涂层及其上面的EBC。因此，理想的是，消除对EBC中硅粘结涂层的需要，以达到对EBC的更高工作温度极限。
技术实现思路
本专利技术的各方面和优点将在下面的描述中部分阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过实践本专利技术而得知。一般提供涂层部件，其在一个实施方案中可包括具有围绕陶瓷核心的Si-处理层的陶瓷基质和在陶瓷基质的Si-处理层上的环境屏障涂层。陶瓷核心可包括碳化硅，和Si-处理层可经预处理以使其表面性质适合于在Si-处理层暴露于氧时，抑制或延缓碳氧化物的形成。在一个实施方案中，Si-处理层经预处理以使环境屏障涂层直接涂布于其上，而在这两者之间没有硅粘结涂层。例如，环境屏障涂层可直接在陶瓷基质的Si-处理层上。在特定的实施方案中，陶瓷核心包含具有第一比例的硅与碳的碳化硅，Si-处理层包含具有第二比例的硅与碳的碳化硅，其中相对于第一比例，第二比例具有更大量的硅。在一个特定的实施方案中，Si-处理层是陶瓷核心构成整体所需要的，并具有从Si-处理层的外表面向陶瓷核心延伸至陶瓷基质约750µm或更少的深度(如，25µm-约260µm的深度)。在一个实施方案中，Si-处理层可以是陶瓷核心上的施加层，例如具有约1µm-约250µm的厚度。在这样的实施方案中，屏障层可在陶瓷核心和Si-处理层之间，例如包含稀土二硅酸盐的屏障层。在一个实施方案中，涂层部件可包括具有围绕陶瓷核心的Si-处理层的陶瓷基质，其中陶瓷核心包含具有第一比例的硅与碳的碳化硅，且其中Si-处理层包含具有第二比例的硅与碳的碳化硅，其中相对于第一比例，第二比例具有更大量的硅。涂层部件还可包括在陶瓷基质的Si-处理层上的环境屏障涂层。一般还提供在陶瓷部件的外表面上涂布陶瓷部件的方法，其中陶瓷部件包含碳化硅。在一个实施方案中，该方法包括使陶瓷部件的外表面暴露于温度约1400℃-约1800℃的硅蒸气，以形成Si-处理层。本专利技术的这些和其它特征、方面和优点在参考以下描述和所附权利要求书时将变得更好理解。附图，其结合到本说明书中并构成本说明书的一部分，说明了本专利技术的实施方案，并与描述一起用来解释本专利技术的原理。附图说明提供给本领域普通技术人员的本专利技术的全面和可实现的公开内容，包括其最佳模式，在参考附图的说明书中提出，其中：图1是示例性涂层部件的横截面侧视图，所述涂层部件具有从硅-处理层形成的陶瓷基质，所述硅-处理层是陶瓷核心构成整体所需要的；图2是陶瓷基质的横截面侧视图，所述陶瓷基质暴露于硅蒸气，以形成Si-处理层，所述Si-处理层是陶瓷核心构成整体所需要的；图3是图2的陶瓷基质在硅蒸气处理后的横截面侧视图；图4是示例性涂层部件的横截面示意图，所述涂层部件具有从施加到陶瓷核心上的硅-处理层形成的陶瓷基质；和图5是陶瓷基质的横截面侧视图，所述陶瓷基质暴露于硅蒸气，以形成Si-处理层，所述Si-处理层施加到陶瓷核心上。在本说明书和附图中重复使用参考字符，旨在表示本专利技术的相同或相似的特征或要素。具体实施方式现在将详细提及本专利技术的实施方案，其中一个或多个实例在附图中说明。每个实例通过解释本专利技术，而非限制本专利技术来提供。事实上，本领域技术人员将显而易见的是，在不背离本专利技术的范围或精神的情况下，可以对本专利技术进行各种修饰和修改。例如，作为一个实施方案的一部分说明或描述的特征可与另一个实施方案一起使用以产生又一个实施方案。因此，本专利技术意在涵盖落入所附权利要求书及其等同方案的范围内的这样的修饰和修改。如本文所用的，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用，以区分一个组件和另一个组件，而不是打算表示各个部件的位置或重要性。在本公开内容中，当一个层被描述为在另一个层或基质"上"或"上面"时，要理解所述层可彼此直接接触，或者在所述层之间有另一个层或特征，除非有相反的明确规定。因此，这些术语仅描述了各层彼此的相对位置，并不一定是指“在上面”，因为相对位置上面或下面取决于装置对观察者的朝向。在本公开内容中，化学元素使用其常用的化学缩写，例如在元素周期表中通常存在的化学缩写来讨论。例如，氢以其常见的化学缩写H表示；氦以其常见的化学缩写He表示等等。如本文所用的，“稀土元素”涵盖元素钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)或其混合物。一般提供涂层部件，其包含陶瓷基质，所述陶瓷基质经预处理以使其表面性质适合于可将环境屏障涂层(EBC)直接涂布于其上，而在这两者之间没有硅粘结涂层。例如，EBC下面的材料可经预处理，以使碳活性保持低于在工作温度下暴露于氧时形成碳氧化物(如，CO和/或CO2)气泡所需的碳活性。预处理经设计以在使用过程中延缓碳氧化物气体的形成，从而延长寿命。在一个实施方案中，陶瓷基质可具有围绕陶瓷核心的硅-处理(Si-处理)层，其中Si-处理层经预处理以使其表面性质适合于在Si-处理层暴露于氧时，抑制碳氧化物的形成。例如，陶瓷核心和Si-处理层二者可包括碳化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1. 一种涂层部件，其包含：具有围绕陶瓷核心的Si‑处理层的陶瓷基质，其中陶瓷核心包含碳化硅，其中Si‑处理层经预处理以使其表面性质适合于在Si‑处理层暴露于氧时，抑制或延缓碳氧化物的形成；和在陶瓷基质的Si‑处理层上的环境屏障涂层。

【技术特征摘要】
2017.11.27 US 15/8227561.一种涂层部件，其包含：具有围绕陶瓷核心的Si-处理层的陶瓷基质，其中陶瓷核心包含碳化硅，其中Si-处理层经预处理以使其表面性质适合于在Si-处理层暴露于氧时，抑制或延缓碳氧化物的形成；和在陶瓷基质的Si-处理层上的环境屏障涂层。2.权利要求1的涂层部件，其中Si-处理层经预处理以使环境屏障涂层直接涂布于其上，而在这两者之间没有硅粘结涂层。3.权利要求1的涂层部件，其中环境屏障涂层直接在陶瓷基质的Si-处理层上。4.权利要求1的涂层部件，其中陶瓷核心包含具有第一比例的硅与碳的碳化硅，和其...

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