[发明专利]具有含硅陶瓷基体的抗腐蚀复合材料部件

说明书

技术领域

本发明涉及提供含硅陶瓷基体复合(CMC)材料部件，特别是具有至少部分由碳化硅(SiC)构成的基体的CMC材料部件以腐蚀防护。本发明申请的特定应用领域为用于燃气轮机的热端部件，如燃烧室壁、涡轮机环(turbine ring)或涡轮机喷嘴，用于航空发动机或用于工业涡轮机。 

背景技术

对于所述燃气轮机，对提高效率和降低污染排放的需要引起设想燃烧室中甚至更高的温度。 

因此提出用CMC材料代替金属材料，特别是对于燃烧室壁或涡轮机环。已知CMC材料具有使其能够用于结构元件的机械性能，以及在高温下保持这些性能的能力。CMC材料包括由耐火纤维，通常是碳或陶瓷纤维组成的纤维增强件，并由陶瓷基体，通常是由SiC组成的陶瓷基体致密化。 

在腐蚀性气氛中(氧化气氛，特别是在湿气的存在下和/或在含盐气氛中)且当使用具有SiC基体的CMC材料时，观察到表面退化(retreating)现象，这是由于通过CMC材料表面的氧化所形成的二氧化硅(SiO₂)被挥发掉。 

已建议应在CMC材料的表面形成环境阻挡层。在SiC基体CMC材料基材的一种已知的这种阻挡层中，由碱土金属的铝硅酸盐型化合物(如公知通常缩写为BSAS的化合物BaO_0.75·SrO_0.25·Al₂O₃(SiO₂)₂)所组成的层提供抗腐蚀功能。将由BSAS和富铝红柱石的混合物所形成的混合的化学阻挡层置于基材和抗腐蚀层之间以避免抗腐蚀层的BSAS与由基材的最末SiC层的氧化所形成的二氧化硅之间的化学反应。在基材上形成硅层以使得混合的富铝红柱石加BSAS化学层能够粘附。这种环境阻挡层极概要地显示在图1中并特别在美国专利No.6 866897和No.6787195中进行描述。将少量BSAS引入到混合的化学阻挡层中起到显著降低所述层对破裂的灵敏度(相比于单独由富铝红柱石形成的化学阻挡层)的作用。各种层通常通过物理沉积，特别是通过热等离子沉积形成。 

在高至约1200℃的温度下已经观察到该环境阻挡层令人满意的性能，但是当温度超过1300℃时观察到明显的降解。发现在约1310℃下发生混合的化学阻挡层的BSAS与由硅粘合层的氧化所形成的二氧化硅之间的化学反应，从而导致环境阻挡层的非常迅速的分离。还发现由环境阻挡层的层之间不同的热行为引起的内应力使得硅粘合层对破裂特别灵敏。 

在法国专利申请06/51180中，申请人提出由显示基材的纯硅和与混合的化学阻挡层接触的富铝红柱石之间的组成梯度的层代替硅粘合层，如图2极概要地所示。这种组成梯度使得能够调节热引起的内应力，并因此显著降低对由纯硅组成的内部和由纯富铝红柱石组成的外部的破裂的灵敏度。因此尽管具有有限的厚度，富铝红柱石仍能有效履行其化学阻挡层的功能，并且也可以在1300℃以上令人满意地使用。 

然而，这导致组成环境阻挡层的沉积物数目的增加。因此延长了加工过程。此外，总厚度变得相当大，特别是因为抗腐蚀层对其表面退化现象灵敏，所述表面退化现象源于抗腐蚀层所含有的二氧化硅的挥发，该现象除了通过增加抗腐蚀层的厚度之外无法补偿。 

发明内容

本发明设法提出使用有限数目的组分层而在含硅CMC材料基材上形成环境阻挡层的方法，所述环境阻挡层在超过1300℃的温度下在腐蚀性气氛中以持久的方式显示良好的性能。 

该目标通过包括形成抗腐蚀防护层的方法实现，所述抗腐蚀防护层含有碱金属或碱土金属或稀土元素的铝硅酸盐型化合物，在所述方法中将形成化学阻挡层的氮化铝层置于基材和抗腐蚀防护层之间。 

有利地，所述氮化铝层直接在基材上形成，且抗腐蚀防护层直接在氮化铝层上形成。 

值得注意地，本申请人发现，在具有含硅基体的CMC基材和BSAS 型抗腐蚀防护层之间的氮化铝(AlN)单层，例如，不仅起到提供环境阻挡层和基材之间的粘合的作用，还起到履行基材和抗腐蚀层之间的化学阻挡层功能的作用，并同时具有接近基材和抗腐蚀层的热膨胀系数，从而避免产生导致破裂的强内应力。 

所述AlN层需要足够厚以使其能够履行其化学阻挡层功能，但无需非常厚。所述AlN层的厚度优选为大约10微米(μm)至100微米。因此有可能得到增加抗腐蚀层的厚度的显著余地以补偿由于其含有的二氧化硅的挥发而引起的退化，而不会导致与具有许多层的现有技术环境阻挡层相比厚度和总重量的显著增加。