具有非晶结构的硅粘合涂层及其形成方法技术

提供了涂层部件及其形成和使用方法。涂层部件包括：具有表面的基底；位于基底表面上的硅基粘合涂层；和位于硅基粘合涂层上的隔离涂层。硅基粘合涂层包含非晶硅相，该非晶硅相中分布有(例如，平均尺寸为约0.03μm至约3μm的)晶体硅晶粒。非晶硅相可以由纯硅金属形成，或者可以由其中分散有硼、氧和/或氮的硅金属形成。

Silicon adhesive coating with amorphous structure and its forming method

【技术实现步骤摘要】
具有非晶结构的硅粘合涂层及其形成方法
本专利技术总体涉及与陶瓷部件上的环境隔离涂层(environmentalbarriercoating)一起使用的粘合涂层，以及它们的形成和使用方法。
技术介绍
为了提高燃气涡轮发动机的效率，不断寻求更高的燃气涡轮发动机工作温度。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增加。通过形成铁、镍和钴基超合金，已经实现了高温性能的显著进步。尽管如此，由于许多热气路径部件由超合金构成，热障涂层(TBC)可用于使部件绝缘，并且可以在承载合金与涂层表面之间维持明显的温差，因此限制了结构部件的热暴露。虽然已经发现超合金广泛用于整个燃气涡轮发动机中使用的部件，特别是在较高温度部分使用的部件，但已经提出了替代的更轻重量的基底材料，例如陶瓷基质复合(CMC)材料。CMC和单片陶瓷部件可使用环境隔离涂层(EBC)涂覆，以保护它们免受高温发动机部分的恶劣环境的影响。EBC可以在热燃烧环境中提供致密的气密密封以抵抗腐蚀性气体。碳化硅和氮化硅陶瓷在干燥的高温环境中会氧化。这种氧化在材料表面上产生钝化的硅氧化皮(oxidescale)。在含有水蒸气的潮湿、高温环境中，例如涡轮发动机，由于形成钝化的硅氧化皮并随后氧化硅转化为气态氢氧化硅而发生氧化和凹陷(recession)。为了防止在潮湿、高温环境中的凹陷，将环境隔离涂层(EBC)沉积在碳化硅和氮化硅材料上。目前，EBC材料由稀土硅酸盐化合物制成。这些材料杜绝(sealout)水蒸气，防止水蒸气到达碳化硅或氮化硅表面上的硅氧化皮，从而防止凹陷。然而，这种材料不能防止氧渗透，这导致下面的基底的氧化。基底的氧化产生钝化的硅氧化皮，伴随碳氧化物或氮氧化物气体的释放。碳氧化物(即，CO、CO2)或氮氧化物(即NO、NO2等)气体不能通过致密的EBC逸出，因此起泡。迄今为止，使用硅粘合涂层已成为这种起泡问题的解决方案。硅粘合涂层提供了氧化时(在EBC下方形成钝化的氧化硅层)不释放气态副产物的层。如果硅粘合涂层经由制造工艺或在使用期间包含线性缺陷(例如裂缝)，特别是跨越整个层厚度的线性缺陷，则硅粘合涂层可能无法在该位置提供氧化保护。这种缺口可能导致基底的局部氧化和气体的释放，其可能使上覆的EBC起泡和破裂，或者在最坏的情况下，导致大部分EBC脱层。在任何一种情况下，缺失的EBC允许高温蒸汽渗透并腐蚀性地侵蚀下面的基底。经由空气等离子体喷涂(APS)制造的硅粘合涂层往往含有微结构特征，这可导致粘合涂层的低粘结强度。此外，经由化学气相沉积(CVD)制造的硅粘合涂层在EBC系统中可具有大的晶粒尺寸。由于上覆的稀土硅酸盐层在高于CVD硅处理温度的温度下被处理，因此发生晶粒生长并且可以产生包含粘合涂层的整个厚度的晶粒。根据Hall-Petch关系，众所周知，材料中的巨大晶粒相对于具有细晶粒的相同材料产生机械性能的下降。因此，需要改进具有CMC基底的粘合涂层以与EBC一起使用。
技术实现思路
方面和优点将部分地在以下描述中阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过实施本专利技术来掌握。总体上提供涂层部件及其形成和使用方法。在一个实施方式中，涂层部件包括：具有表面的基底；基底表面上的硅基粘合涂层；和硅基粘合涂层上的隔离涂层。硅基粘合涂层通常包括非晶硅相，该非晶硅相中分布有晶体硅晶粒(例如，平均尺寸为约0.03μm至约3μm)。例如，非晶硅相可以由纯硅金属形成，或者可以由其中分散有硼、氧和/或氮的硅金属形成。在特定实施方式中，晶体硅晶粒形成硅基粘合涂层的约0.1％至约99％的体积(例如，硅基粘合涂层的约1％至约65％的体积，例如硅基粘合涂层的约1％至约40％的体积)。形成涂层部件的方法可包括：在基底的表面上形成硅基粘合涂层，以及在硅基粘合涂层上形成隔离涂层。硅基粘合涂层包括非晶硅相，该非晶硅相中分布有晶体硅晶粒。例如，在基底表面上形成硅基粘合涂层通过以下步骤实现：在沉积温度下化学气相沉积含硅前体，该沉积温度防止在硅基粘合涂层的沉积期间硅材料的结晶；以及在高于沉积温度的处理温度下热处理硅基粘合涂层，形成分布在非晶硅相内的晶体硅晶粒。在特定实施方式中，沉积温度为约300℃至约700℃，例如约700℃至约1000℃，和/或处理温度为约1000℃至约1400℃。总体上还提供一种涡轮部件。例如，涡轮部件可包括：基底，该基底包括陶瓷基质复合物；基底表面上的硅基粘合涂层；以及硅基粘合涂层上的隔离涂层。硅基粘合涂层包括非晶硅相，该非晶硅相中分布有晶体硅晶粒。参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解这些和其他特征、方面和优点。包含在本说明书中并构成其一部分的附图示出了本专利技术的实施方式，并与说明书一起用于解释本专利技术的某些原理。附图说明在说明书中结合所附的附图对本领域普通技术人员就包括最佳实施方式在内的本专利技术作了充分且可实施的公开，其中：图1是示例性涂层部件的横截面侧视图，该涂层部件包括硅基粘合涂层；图2是示例性涂层部件的另一横截面侧视图，该涂层部件包括其上具有热生长氧化物层的硅基粘合涂层；图3是示例性硅基粘合涂层的横截面侧视图，该硅基粘合涂层具有分散在非晶硅相内的晶体硅晶粒；图4是另一种示例性硅基粘合涂层的横截面侧视图，该硅基粘合涂层具有分散在非晶硅相内的晶体硅晶粒；图5是根据本主题的各种实施方式的示例性燃气涡轮发动机的示意性横截面视图；和图6是形成硅基粘合涂层的示例性方法的示意图，该硅基粘合涂层具有分散在非晶硅相内的晶体硅晶粒。在本说明书和附图中重复使用的附图标记旨在表示本专利技术的相同或类似的特征或元件。具体实施方式现在将详细参考本专利技术的实施方式，其中一个或多个示例在附图中示出。提供每个实施方式是为了解释本专利技术，而不是限制本专利技术。事实上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本专利技术的范围或精神的情况下，可以在本专利技术中进行各种修改和变化。例如，作为一个实施方式的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施方式一起使用，以产生又一个实施方式。因此，本专利技术旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这些修改和变化。如本文所使用的，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。在本公开中使用化学元素的常见化学缩写来讨论化学元素，例如通常在元素周期表中找到的化学缩写。例如，氢以其常见的化学缩写H表示；氦以其常用的化学缩写He表示；等等。如本文所用，“Ln”是指稀土元素或稀土元素的混合物。更具体地，“Ln”是指稀土元素：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)，或它们的混合物。如本文所用，术语“基本上不含”是指存在不超过微不足道的痕量，并且包括完全不含(例如，0摩尔％至0.01摩尔％)。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涂层部件，其中，所述涂层部件包括：/n基底，所述基底具有表面；/n硅基粘合涂层，所述硅基粘合涂层位于所述基底的表面上，其中，所述硅基粘合涂层包含其中分布有晶体硅晶粒的非晶硅相；和/n隔离涂层，所述隔离涂层位于所述硅基粘合涂层上。/n

【技术特征摘要】
20180731 US 16/050,3101.一种涂层部件，其中，所述涂层部件包括：
基底，所述基底具有表面；
硅基粘合涂层，所述硅基粘合涂层位于所述基底的表面上，其中，所述硅基粘合涂层包含其中分布有晶体硅晶粒的非晶硅相；和
隔离涂层，所述隔离涂层位于所述硅基粘合涂层上。


2.根据权利要求1所述的涂层部件，其中，所述非晶硅相包括纯硅金属。


3.根据权利要求1所述的涂层部件，其中，所述非晶硅相包括其中分散有硼、氧和/或氮的硅金属。


4.根据权利要求1所述的涂层部件，其中，所述晶体硅晶粒形成所述硅基粘合涂层的约0.1％至约99％的体积。


5.根据权利要求1所述的涂层部件，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：格伦·哈罗德·柯比，贾斯汀·迈克尔·纳吉，约翰·塔姆·阮，杰弗里·艾伦·布罗斯，布莱恩·哈维·比尔森纳，罗伯特·马丁·费克，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US