含环境隔离涂层体系的制品及其制造方法技术

本发明专利技术提供了可在高温环境中使用的制品以及用来在这样的环境中保护制品的方法。制品（１０）包含含有硅的基质（２０）；沉积在基质（２０）上的含硅粘结层（３０）；沉积在粘结层（３０）上的中间隔离层（４０），该隔离层含至少一层（７０），其中该至少一层（７０）包含稀土硅酸盐和基本上不含莫来石；和沉积在中间隔离层（４０）上的顶层（５０），该顶层（５０）包含稀土单硅酸盐。该方法包括提供基质（２０），该基质（２０）包含硅；使含硅粘结层（３０）沉积在基质（２０）上；使中间隔离层（４０）沉积在粘结层（３０）上，该隔离层含至少一层（７０），其中该至少一层（７０）包含稀土硅酸盐和基本上不含莫来石；和使顶层（５０）沉积在中间隔离层（４０）上，该顶层（５０）包含稀土单硅酸盐。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高温机械组件。更具体而言，本专利技术涉及用来防护机械组件免受高温环境影响的涂层体系。本专利技术还涉及用来保护制品的方法。
技术介绍
含硅材料，举例来说，例如陶瓷，合金和金属间化合物具有可用于设计成能在高温下工作的结构这种有利的特性，举例来说，可应用于诸如燃气涡轮发动机，热交换器，和内燃机之类。可是，这类应用的环境特征常常包含水蒸汽，众所周知在高温下水蒸汽会对含硅材料造成显著的表面劣化(recession)和质量损失。水蒸汽在高温下与结构材料发生反应，形成挥发性含硅产物，从而常常导致不可接受的高劣化速率。环境隔离涂层(EBC)适用于易受高温水蒸汽浸蚀的含硅材料，通过阻止水蒸汽和该材料表面相接触的方法来提供保护。EBC被设计成在高温下，含有水蒸汽的环境中仍是比较地化学稳定的，和被设计成使连通孔隙和垂直裂缝降至为最少，这些孔隙和裂缝在材料表面和环境之间会形成外露通道。通过使EBC和底层材料之间的热膨胀失配达到最小的方法能部分地使裂缝减至最少，并可通过应用由不同材料形成多层涂层的方法达到改善粘附力和环境抵抗性。一种典型的常规EBC体系，正如在US 6,410,148中所述，它包含施加在含硅基质上的硅或二氧化硅粘结层，沉积在粘结层上的包含莫来石或莫来石-碱土金属硅铝酸盐混合物的中间层，和沉积在中间层上的包含碱土金属硅铝酸盐的顶层。在US 6,296,941中，采用了上述粘结层和中间层，但顶层不是硅铝酸盐而是硅酸钇。虽然上述涂层体系能在温度高达约1200℃下对基质提供合适的保护，但是，燃气轮机和其它高温设备的设计的发展要求有能够在长期处于更高温度下工作的材料。所以，需要提供采用环境隔离涂层体系保护措施的制品，这种环境隔离涂层体系具有能抵抗长期处于带有水蒸汽的高温环境影响的能力。此外，还进一步需要提供用来保护制品免受上述高温环境影响的方法。
技术实现思路
本专利技术提供了用来满足上述和其它需要的若干实施方案。一种实施方案是可在高温环境中使用的制品。该制品包含含有硅的基质；沉积在基质上的含硅粘结层；沉积在粘结层上的中间隔离层，该隔离层含至少一层，其中该至少的一层包含稀土硅酸盐和基本上不含莫来石；和沉积在中间隔离层上的顶层，该顶层包含稀土单硅酸盐(monosilicate)。本专利技术的第二种实施方案是用来保护制品免受上述高温环境影响的方法。该方法包含提供基质，该基质包含硅；使含硅粘结层沉积在基质上；使中间隔离层沉积在粘结层上，该隔离层含至少一层，其中该至少的一层包含稀土硅酸盐和基本上不含莫来石；和使顶层沉积在中间隔离层上，该顶层包含稀土单硅酸盐。附图说明当参考附图阅读了下面的详述之后，就将能更好地理解本专利技术的这些和其它一些特征，方面和优点，在整个附图中，相同的数字符号代表相同的元件，这些附图是图1，2和3均是本专利技术的实施方案的横剖面示意图。具体实施例方式燃气轮机和其它高温设备的先进设计要求组件能在超过1300℃的温度下经受住成千上万小时，此温度显示出比最初设计常规EBC体系的环境的侵蚀性要显著地增加。本专利技术者已发现，常规EBC体系暴露在这些较高温度下会使其性能发生不可接受的降低。在等于或高于1300℃温度下引起性能下降的已确定了的原因包括1在硅铝酸盐顶层和气体环境中所含水蒸汽之间的高的反应速率，从而导致不可接受的顶层的高劣化速率；和2在莫来石一硅铝酸盐中间层和硅粘结层之间的基本的化学相互作用，从而导致粘结层加速消耗和在粘结层/中间层界面上发生膨胀和形成裂缝。本专利技术的实施方案至少论及了造成性能下降的这二个根源。参见图1，本专利技术的一个实施方案是一种可在高温环境中使用的包含含有硅的基质20的制品10。在某些实施方案中，基质20包含氮化硅，二硅化钼和碳化硅之中的至少一种。一种特别合适的基质材料是陶瓷基体复合材料，这种材料包含用含有碳化硅的纤维增强的碳化硅基体，但是含硅陶瓷基体材料和纤维增强材料的其它组合也是适合的。在本专利技术的特定的一些实施方案中，基质20包括燃气涡轮发动机的组件，举例来说，例如燃烧衬套，外壳或翼型构件如喷管或叶片。含硅的粘结层30被沉积在基质20上，以便提高EBC体系60的粘附性能和隔离性能。在某些实施方案中，粘结层30包含元素硅(举例来说，例如基本上是纯硅层)，二氧化硅和硅化物之中的至少一种。粘结层30选用的厚度取决于多个因素，包括诸如要加以保护的特定的基质材料、所要承受的温度和其它环境条件、涂层的预期使用寿命。在特定的一些实施方案中，粘结层30具有的厚度为约25微米～约200微米。含至少一层70的中间隔离层40被沉积在粘结层30上。中间隔离层40提高了涂层体系的性能，这是由于采用了隔离层，阻止了基质20暴露于水蒸汽，和由于在基质20与顶层50之间提供了一种化学组成和热膨胀系数方面的过渡。中间隔离层40的各层70包含稀土硅酸盐，和在一些实施方案中，各层70基本上由稀土硅酸盐组成。本文中所采用的“稀土硅酸盐”意指这样的化合物，这类化合物包括任何的硅酸盐种类，举例来说，例如单硅酸盐，二硅酸盐(disilicate)，原硅酸盐，硅酸盐(metasilicate)，聚硅酸盐，磷灰石相，等等，以及一种或多种稀土元素。本文中所采用的“稀土元素”包括钪，钇，和镧系(原子序数57～71)中的任一种元素或多种元素。另外，中间隔离层40的各层70基本上不含莫来石。从各层70中除去莫来石提高了涂层体系在高温下的稳定性。在这些制品所要求的温度范围内，与一些稀土硅酸盐，举例来说，例如单硅酸钇相接触的莫来石是化学不稳定的。此外，从稀土硅酸盐涂层中除去莫来石降低了该涂层中的二氧化硅的活性，从而降低了该涂层与水蒸汽发生反应的倾向和降低了该涂层与硅粘结层相互作用的倾向。在某些实施方案中，稀土硅酸盐是一种(意指至少一种)稀土单硅酸盐(RE2SiO5，式中RE表示至少一种稀土元素)，一种(意指至少一种)稀土二硅酸盐(RE2Si2O7)，或它们的组合。适用的稀土单硅酸盐的实例包括单硅酸镥，单硅酸镱，单硅酸钇和它们的组合。适用的稀土二硅酸盐的实例包括二硅酸镥，二硅酸镱，二硅酸钇和它们的组合。在特定的一些实施方案中，隔离层40为单层。在某些实施方案中，该单层的组成呈梯度变化。在该类型的典型实施方案(图2)中，在单层206中，稀土单硅酸盐的含量作为沿从A点到B点移动方向200上的距离的函数而增加，也就是，该方向通常为由基质202和粘结层203向顶层204移动的方向。该特定的“梯度层”实施方案使热膨胀系数形成逐渐过渡，借此降低了体系中不同层之间的热应力。在特定的一些实施方案中，涂层206进一步包含稀土二硅酸盐。在中间隔离层为单层的实施方案的替代方案中，隔离层300为多层302，304(图3)。在某些实施方案中，隔离层300包含沉积在粘结层306上的第一层302和沉积在第一层302上和顶层308下面的第二层304。第一层302包含稀土二硅酸盐，和在一些实施方案中，第一层302基本上由稀土二硅酸盐组成。在使用条件下，在粘结层306上形成一层氧化硅层。稀土二硅酸盐在存在有这种氧化硅层的情况下是热力学稳定的，所以，该实施方案由于有了与粘结层306接触的二硅酸盐而促进了高温化学稳定性。第二层304包含稀土单硅酸盐和稀土二硅酸盐，和在一些实施方案中，第二层30本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可在高温环境中使用的制品（１０），它包含：含硅的基质（２０）；含硅粘结层（３０），所述粘结层（３０）沉积在所述基质（２０）上；沉积在所述粘结层（３０）上的中间隔离层（４０），所述隔离层含至少一层（７０），其中所述至少一层（７０）包含稀土硅酸盐和基本上不含莫来石；和沉积在所述中间隔离层（４０）上的顶层（５０），所述顶层（５０）包含稀土单硅酸盐。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：J苏萨克，PJ梅施特，KL卢思拉，R萨拉菲诺尔，R迪多米兹奥，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[]