用于沉积稀土钽酸铪基涂层的悬浮液等离子喷涂组合物和工艺制造技术

提供了在基底的表面上形成涂层的方法。该方法可以包括：对基底的表面进行预热；将浆料悬浮液喷涂到基底的表面上，形成涂层，浆料组合物包含稀土化合物、烧结剂和溶剂，所述稀土化合物具有下式：A1‑

【技术实现步骤摘要】
用于沉积稀土钽酸铪基涂层的悬浮液等离子喷涂组合物和工艺


[0001]本专利技术的实施方式总体上涉及用于陶瓷部件的环境屏障涂层及其制造方法。

技术介绍

[0002]不断寻求燃气涡轮发动机的更高运行温度以提高发动机效率。然而，随运行温度升高，发动机的部件的高温耐久性必须相应提高。通过铁基、镍基和钴基超合金的配方，在高温性能方面已取得了重大进展。尽管如此，对于许多由超合金构成的热气路径部件，热障涂层(TBC)可用于阻隔部件，并可在承重合金和涂层表面之间维持明显的温差，从而限制结构部件的热暴露。
[0003]尽管已发现超合金广泛用于整个燃气涡轮发动机(尤其是较高温度部分)中使用的部件，但是已提出了替代的更轻质基底材料，例如陶瓷基复合材料(CMC)材料。CMC和单片陶瓷(monolithic ceramic)部件可以涂有环境屏障涂层(EBC)以保护它们免受高温发动机部分的恶劣环境的影响。EBC可以提供针对高温燃烧环境中腐蚀性气体的致密气密密封。
[0004]碳化硅和氮化硅陶瓷在干燥的高温环境中会经历氧化。此种氧化会在材料表面产生钝化的氧化硅垢(scale)。在含有水蒸气的潮湿高温环境(例如涡轮发动机)中，由于形成钝化的氧化硅垢、氧化硅随后被转化为气态氢氧化硅，因此会发生氧化和凹陷，这会导致材料的尺寸损失。对于涡轮发动机中硅基基底的部件应用，此种材料损失会打开间隙并可能导致效率损失，最终可能导致部件穿孔。
[0005]因此，环境屏障涂层(EBC)被施加到陶瓷的表面上以帮助保护下面的部件。目前通常用于CMC上的环境屏障涂层的材料包括钡长石相的钡锶铝硅酸盐(BSAS)和稀土硅酸盐。与CMC相比，所有这些材料均在蒸汽中相对稳定，并且如果作为致密涂层存在，则可以防止蒸汽渗透到CMC中。
[0006]然而，这些材料对熔融环境污染物组合物(特别是含钙、镁、铝、硅的氧化物及它们的混合物的那些)具有不同的耐受性。例如，燃气涡轮发动机吸入的污泥、灰烬和粉尘通常由此类化合物组成，此类化合物通常结合形成包含混合的钙
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镁
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铝
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硅
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氧化物体系(Ca
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Mg
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Al
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Si
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O)的污染物组合物，以下称为“CMAS”。在高涡轮运行温度下，这些环境污染物会粘附在热障涂层表面，从而对EBC造成损坏。例如，CMAS可以形成在涡轮的运行温度下为液体或熔融的组合物。熔融CMAS组合物可溶解屏障涂层，或者可通过渗入涂层中的孔、通道、裂缝或其他空腔来填充其多孔结构。冷却后，浸渗的CMAS组合物固化并降低涂层的应变容限，从而引发和扩散可能导致涂层材料分层和剥落的裂纹。
[0007]特别地，熔融粉尘与BSAS强烈反应，形成低温共熔物和在蒸汽中不稳定的相。熔融粉尘对稀土硅酸盐的腐蚀性较小。一些稀土硅酸盐(例如包含钆、铒和钇的那些)与熔融粉尘反应，形成高度耐火的“磷灰石”相。其他稀土硅酸盐允许CMAS浸渗，但不会遭受熔点抑制。然而，所有稀土硅酸盐均因与熔融粉尘相互作用而在机械上被削弱，使得随后的侵蚀和冲击事件可以更容易地使涂层脱落。
blade)、护罩、喷嘴、隔热罩和轮叶(vane)。
[0020]本公开中使用化学元素的常见化学缩写来进行讨论，例如元素周期表中的常见缩写。例如，氢由其常用化学缩写H表示、氦由其常用化学缩写He表示等。如本文所用，“Ln”指稀土元素或稀土元素的混合物。更具体地，“Ln”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。
[0021]总体上提供了悬浮液等离子喷涂(“SPS”)沉积工艺，用于在基底的表面上形成涂层。SPS沉积工艺通常涉及喷涂浆料悬浮液，所述浆料包含分散在溶剂中的稀土化合物。例如，基于稀土钽酸铪的材料显示出高度耐火性、耐凹陷性、耐侵蚀性和耐熔融粉尘性。因此，这些材料显示出用作EBC的层(例如最外层)以提高在高温恶劣的发动机环境中(例如在涡轮机的热气路径中)的耐久性的潜力。特别地，这些稀土化合物与基于莫来石的粘合涂层相容，而目前的稀土硅酸盐与莫来石不相容。
[0022]现在参照附图，图1显示了具有基底102的示例性涂层部件100，基底102上具有使用SPS工艺形成的涂层体系106。通常，涂层体系106包括在基底的表面103上的可选粘合涂层104和在可选粘合涂层104上的EBC 108。在所示实施方式中，粘合涂层104直接在表面103上，其间没有任何层。然而，在其他实施方式中，一个以上层可以设置在粘合涂层104(当存在时)和表面103之间。在其他实施方式中，EBC 108可以直接形成在基底102的表面103上。
[0023]EBC 108可以包括由选自典型EBC或热障涂层(“TBC”)层化学物质的材料形成的一个以上层110的任何组合，所述材料包括但不限于稀土硅酸盐(例如单硅酸盐和二硅酸盐)、铝硅酸盐(例如莫来石、钡锶铝硅酸盐(BSAS)、稀土铝硅酸盐等)、氧化铪、氧化锆、稳定氧化铪、稳定氧化锆、稀土铪酸盐、稀土锆酸盐、稀土氧化镓等。
[0024]根据一个具体实施方式，可通过SPS沉积来施加稀土化合物(例如，如下文在式1中所讨论的)以形成EBC 108的层110中的至少一层。在SPS沉积工艺中，将浆料悬浮液施加在基底的表面103(以及其上的任何层，例如粘合涂层104或EBC 108的外层110)上以在其上形成涂层，所述浆料悬浮液包含分散在溶剂或溶剂体系中的稀土化合物和烧结助剂。例如，溶剂可以包括水、醇、有机溶剂或它们的混合物。
[0025]SPS工艺利用分散成悬浮液(在液体介质中)并通过等离子喷炬(有时称为等离子喷枪)的预期涂层材料或其前体的细颗粒，将材料沉积在部件的表面上。在一个实施方式中，可以对基底进行预热以应用等离子喷涂以及清洁基底。例如，可以将基底的表面预热至200℃至1000℃的预热温度。
[0026]在等离子喷涂期间，可以使用等离子炬(例如Mettech、9MB、SG100等)。在一个实施方式中，在SPS工艺期间，等离子炬的安培范围为150至200安培。在具体实施方式中，在SPS工艺期间，等离子炬具有等离子气体，该等离子气体包含氩气(或另一种惰性气体)、氮气、氢气、氦气或它们的混合物。例如，等离子气体可以具有包含75％氩气、10％氮气和15％氢气的组成，或者可以包含100％氦气，或者可以包含氦气和氩气(或另一种惰性气体)的混合物。在SPS工艺期间，等离子气体的总气体流量可以为200lpm(升每分钟)至250lpm。等离子炬的喷涂距离(测量从等离子炬尖端到基底表面的距离)可以为60mm至165mm，以按照指示制造具有不同微结构的涂层(例如75mm至150mm)。浆料可以以1mL/min(毫升每分钟)至70mL/min(例如10mL/min至7本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.在基底的表面上形成涂层的方法，所述方法包括：将基底的表面预热至预热温度，所述基底包含陶瓷基复合材料；此后，将浆料悬浮液喷涂到基底的表面上，形成涂层，浆料组合物包含稀土化合物、烧结剂和溶剂，所述稀土化合物具有下式：A1‑
b
B
b
Z1‑
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D
d
MO6，式中，A为Al、Ga、In、Sc、Y、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Fe、Cr、Co、Mn、Bi或它们的混合物；b为0至0.5；Z为Hf、Ti或它们的混合物；D为Zr、Ce、Ge、Si或它们的混合物；d为0至0.5；以及M为Ta、Nb或它们的混合物；以及此后，在烧结温度下对涂层进行热处理，使涂层从初始孔隙率致密化为烧结孔隙率。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预热温度为200℃至1000℃，所述烧结温度为1300℃至1600℃。3.根据...

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