包括具有渐变组成的保护涂层的部件制造技术

本发明专利技术涉及一种由复合材料制成的部件，该部件具有陶瓷基质并且包括保护装置，该保护装置具有组成渐变的涂层。上述组成渐变涂层包括至少一个硅相和至少一个铝相，该至少一个硅相和至少一个铝相的占比根据层的高度而变化，其中组成渐变涂层的第一高度对应于无硅的组成，而第二高度对应于无铝的组成。本发明专利技术还涉及一种用于生产这种保护装置的方法和一种用于执行该方法的装置。

Including parts with protective coating of gradual change composition

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括具有渐变组成的保护涂层的部件总的
和
技术介绍

本专利技术总体上涉及应用于机械部件的表面处理，特别是当这些机械部件需要承受苛刻的使用条件时。本专利技术的应用领域特别是保护材料层的应用领域，该保护材料层沉积在用于飞机发动机，更尤其是燃烧室、高压涡轮和发动机排气零件中的包括陶瓷基复合材料的部件上。然而，本专利技术可应用于包括由陶瓷基复合材料制成的部分的任何部件类型。
技术介绍
陶瓷基复合材料(CMC)由于其优良的结构性能、低密度以及在高达在1000℃的区域内的温度下具有优良的抗氧化性而在航空工业中得到越来越广泛的应用。为了能承受长时间暴露于这种条件下(例如在飞机发动机的燃烧室中)，通常在由陶瓷基材料制成的部件上涂覆硅层，以保护部件免受氧化，氧化会产生二氧化硅(SiO2)。SiO2层形成在硅层的表面上，由于随着SiO2层变厚，SiO2的形成速率降低，因此形成了阻挡层，该阻挡层减慢了氧化并限制了复合材料基中存在的硅Si的消耗。在用于潮湿的腐蚀环境中的情况下，在包含氢氧化物OH(g)的物质存在下，二氧化硅层从1100℃的温度开始以通式SiOx(OH)4-2x的硅酸形式，诸如原硅酸Si(OH)4(g)或偏硅酸SiO(OH)2(g)迅速挥发。该现象导致二氧化硅SiO2的净生长速率降低，其厚度趋于极限值，并且加速了复合材料基中存在的硅的衰退。为了应对这种现象，在现有技术中已知沉积设置为阻碍氢氧化物OH扩散的陶瓷层，其中，该氢氧化物加速了具有低导热率并可抵抗由固体颗粒引起的侵蚀的部件的退化。然而，这些解决方案具有局限性，特别是在表面陶瓷层剥落，由于冲击热循环而产生裂缝的情况下，其中，该冲击热循环在具有非常不同的膨胀系数的材料之间产生应变梯度。以此方式，硅层再次暴露于潮湿的腐蚀气氛中，从而导致其结构的加速退化和部件寿命的缩短。在现有技术中还已知如何使用镍和/或钴超合金在燃烧室的热障系统或高压涡轮的零件中制造包含铝的子层。这些子层的氧化会产生氧化铝层，由于氧化铝对水蒸气具有良好的化学稳定性，因此该氧化铝层能保护部件免受进一步氧化，特别是在潮湿的腐蚀性介质中。此外，氧化铝具有比硅更低的形成速率，这可以延长保护寿命，因为对供应给反应所需的材料量的需求减少。氧化铝还具有与陶瓷热障良好的物理化学相容性的优点，并且具有与陶瓷热障的热膨胀系数接近的热膨胀系数。然而，由于各种基底的热膨胀系数之间存在巨大差异，因此限制了使用这种产生氧化铝的子层来保护富含硅的材料，诸如具有陶瓷基体或硅化物(氮化硅Si3N4、硅化钼MoSix、硅化铌NbSi，……)的复合材料。此外，富硅的陶瓷基复合材料部件和富铝的氧化铝产生层的交叉扩散现象导致形成延展性低的不良相，这削弱了保护层与部件之间的界面，并可能导致保护层剥落，从而使部件易于腐蚀。因此，在当前的现有技术中，没有有效的解决方案来连接在高温下机械效率高但抗氧化性差的硅化物类材料和在高温下抗氧性良好但机械性能适中的氧化铝形成材料。本专利技术提出弥补该缺点。
技术实现思路
专利技术概述本专利技术的一个目的是提高由陶瓷基复合材料制成的部件在潮湿环境中的耐腐蚀性。另一个目的是延长由陶瓷基复合材料制成的部件的寿命。另一个目的是确保主要包括铝复合材料的涂层对主要包括硅复合材料的部件的机械和化学黏合性。本专利技术能够实现以下规格：·具有在高温(<1100℃)下稳定的涂层；·具有与碳化硅基底SiC/SiC和陶瓷热障的膨胀系数接近的膨胀系数的涂层；·在富含铝的一侧形成氧化铝；·在富含硅的一侧不与SiC/SiC基底相互作用；·在铝/硅过渡区中不形成弱金属间相。本专利技术提出使用某些MAX相材料，这些MAX相材料的晶体结构、热物理性质和抗氧化性与这些规格兼容。术语“MAX相材料”是指通式为Mn+1AXn的材料，其中n为1至3的整数，M为过渡金属(选自硒、钛、钒、铬、锆、铌、钼、铪和钽)，A是选自铝、硅、磷、镓、锗、砷、镉、铟、锡和铅中的A族元素，而X是选自碳和氮中的元素。在第一方面，本专利技术提出了一种机械部件，该机械部件至少部分地包括陶瓷基复合材料，所述复合材料至少局部涂覆有防止环境退化的至少一个保护层，所述保护层包括组成渐变涂层，所述组成渐变层包括至少一种硅MAX相材料和至少一种铝MAX相材料，该组成渐变涂层在保护层内在相对于机械部件的第一高度和相对于机械部件的第二高度之间延伸，在第一高度处该组成渐变层的组成不含铝，在第二高度处该组成渐变层的组成不含硅，在第一高度和第二高度之间的中间高度具有包含铝和硅的组成，硅部分和铝部分随着中间高度的位置的变化而在组成渐变层中逐渐演变，当中间高度接近第二高度时，铝部分增加。有利地，这种装置通过以下被单独采用或结合采用的不同特征来完成：铝部分和硅部分随着中间高度的变化而以线性方式在组成渐变层中演变；无论中间高度的位置如何，在组成渐变层中硅的摩尔占比和铝的摩尔占比之和是可变的；组成渐变层包括Ti3AlC2和Ti3SiC2MAX相材料；该装置可以包括：○基本上包含硅的子层，该子层的厚度可以在10μm至100μm之间；○组成渐变层，该组成渐变层的厚度在50μm至500μm之间，并且沿远离部件的方向以0.1at％/μm至0.4at％/μm的速率用Al代替Si；○产生层，该产生层的厚度在10μm至300μm之间，并基本上由Ti2AlC组成，使得该产生层在被氧化时会在表面上产生氧化铝，以增加在潮湿环境中的抵抗性；○氧化铝层；○由陶瓷制成的环境障或热障，该环境障或热障的厚度在50μm至1000μm之间，设置为限制外部环境与部件之间的转移；该装置可以包括：○基本上由硅组成的子层，该子层的厚度在10μm到100μm之间；○组成渐变层，该组成渐变层的厚度在50μm至500μm之间，并且沿远离部件的方向以0.1at％/μm至0.4at％/μm的速率用Al代替Si；○产生层，该产生层的厚度在50μm至300μm之间，并基本上由Ti2AlC组成，使得该产生层在被氧化时会在表面上产生氧化铝，以增加在潮湿环境中的抵抗性；○氧化铝层；该装置可以包括：○组成渐变层，该组成渐变层的厚度在50μm至500μm之间，并且沿远离部件的方向以0.1at％/μm至0.4at％/μm的速率用Al代替Si；○产生层，该产生层的厚度在50μm至300μm之间，基本上由Ti3AlC2组成，设置为在该产生层被氧化时在表面上产生氧化铝，以增加在潮湿环境中的抵抗性；○氧化铝层(7)。在另一方面，本专利技术还提出了一种用于在机械部件上沉积至少一个保护层的方法，该保护层包括至少一个组成渐变层，该方法包括以下步骤：在沉积之前优化表面处理条件；通过热喷涂构成所述组成渐变层的物质来实现组成渐变层；所述组本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机械部件(1)，所述机械部件至少部分地包括陶瓷基复合材料，所述复合材料至少局部涂覆有防止环境退化的至少一个保护层(2)，其特征在于，所述保护层(2)包括组成渐变涂层(3)，所述组成渐变层(3)包括至少一种硅MAX相材料和至少一种铝MAX相材料，所述组成渐变层(3)在所述保护层(2)内在相对于所述机械部件(1)的第一高度(h3)和相对于所述机械部件(3)的第二高度(h4)之间延伸，在所述第一高度(h3)处所述组成渐变层(3)的组成不含铝，在所述第二高度(h4)处所述组成渐变层(3)的组成不含硅，在所述第一高度(h3)和所述第二高度(h4)之间的中间高度(h)具有包含铝和硅的组成，硅部分和铝部分随着所述中间高度(h)的位置的变化而在所述组成渐变层(3)中逐渐演变，当所述中间高度(h)接近所述第二高度(h4)时，所述铝部分增加。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171026 FR 17600891.一种机械部件(1)，所述机械部件至少部分地包括陶瓷基复合材料，所述复合材料至少局部涂覆有防止环境退化的至少一个保护层(2)，其特征在于，所述保护层(2)包括组成渐变涂层(3)，所述组成渐变层(3)包括至少一种硅MAX相材料和至少一种铝MAX相材料，所述组成渐变层(3)在所述保护层(2)内在相对于所述机械部件(1)的第一高度(h3)和相对于所述机械部件(3)的第二高度(h4)之间延伸，在所述第一高度(h3)处所述组成渐变层(3)的组成不含铝，在所述第二高度(h4)处所述组成渐变层(3)的组成不含硅，在所述第一高度(h3)和所述第二高度(h4)之间的中间高度(h)具有包含铝和硅的组成，硅部分和铝部分随着所述中间高度(h)的位置的变化而在所述组成渐变层(3)中逐渐演变，当所述中间高度(h)接近所述第二高度(h4)时，所述铝部分增加。


2.根据权利要求1所述的机械部件(1)，其特征在于，所述铝部分和所述硅部分随着所述中间高度(h)的变化而以线性方式在所述组成渐变层(3)中演变。


3.根据权利要求1或2所述的机械部件(1)，其特征在于，无论所述中间高度(h)在所述组成渐变层(3)中的位置如何，硅和铝的摩尔占比之和是可变的。


4.根据前述权利要求中任一项所述的机械部件(1)，其特征在于，所述组成渐变层(3)包括Ti3AlC2和Ti3SiC2MAX相材料。


5.根据前述权利要求中任一项所述的机械部件(1)，其特征在于，所述机械部件包括：
基本上包含硅的子层(4)，所述子层的厚度能够在10μm至100μm之间；
组成渐变层(3)，所述组成渐变层的厚度在50μm至500μm之间，并且沿远离部件的方向以0.1at％/μm至0.4at％/μm的速率用Al代替Si；
产生层(6)，所述产生层的厚度在10μm至300μm之间，并基本上由Ti2AlC组成，使得所述产生层在被氧化时会在表面上产生氧化铝，以增加在潮湿环境中的抵抗性；
氧化铝层(7)；
由陶瓷制成的环境障(8)，所述环境障的厚度在50μm至1000μm之间，并设置为限制外部环境与所述部件(1)之间的转移。


6.根据权利要求1至4中任一项所述的机械部件(1)，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢克·比安基，皮埃尔·萨洛，
申请(专利权)人：赛峰集团，
类型：发明
国别省市：法国;FR