[发明专利]防热腐蚀涂层和由其保护的元件

说明书

发明背景

本发明涉及适合用于保护暴露于高温环境(比如通过燃气涡轮发动机的热气体流路)的元件的涂层系统。更具体地讲，本发明涉及能够保护下面的涂层或基底免于由熔盐引发的热腐蚀的涂层。

持续寻求用于燃气涡轮发动机的较高操作温度以增大发动机效率。已经发现镍基、钴基和铁基超合金在包括航空器和发电产业的各种产业中作为燃气涡轮发动机的元件材料的广泛用途。当操作温度增大时，发动机元件的高温耐久性必须相应地增大。为此，热阻挡涂层(TBC)通常用于元件比如燃烧器、高压涡轮(HPT)叶片(blade)和轮叶(vane)上。TBC的隔热使得由超合金和其它高温材料形成的元件能够幸存于较高的操作温度、增大元件耐久性和提高发动机可靠性。TBC通常包含隔热陶瓷材料，其沉积在环境保护性粘合涂层上以形成所谓的TBC系统。广泛用于TBC系统的粘合涂层材料包括抗氧化覆盖涂层比如MCrAlX(其中M为铁、钴和/或镍，和X为钇、稀土金属和/或另一种反应性金属)和可含有化合物比如铝化物金属间化合物的抗氧化扩散涂层。因为其高温能力、低导热率和相对容易沉积，氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)广泛用作TBC系统的隔热陶瓷材料。

为了对于燃气涡轮发动机获得较高的操作温度并因此增大其效率，已提出备选材料替代超合金。具体地说，硅基非氧化物陶瓷，最著名的是碳化硅(SiC)、氮化硅(Si₃N₄)和/或用作强化相和/或基质相的硅化物，为高温应用比如燃气涡轮发动机的燃烧器衬里、轮叶、护罩、翼面及其它高温段元件的候选材料。然而，当暴露于高温、富含水蒸汽的燃烧气氛中比如在燃气涡轮发动机中时，由于形成挥发性氢氧化硅(Si(OH)₄)，由Si-基陶瓷形成的元件失去质量并回退(recede)。在燃气涡轮发动机环境中由于挥发或腐蚀的回退速率(recession rate)足够高，需要环境保护性涂层，通常指的是环境阻挡涂层(EBC)。

对于旨在保护由Si-基材料形成的燃气涡轮发动机元件的EBC的关键要求包括稳定性、低导热率、与Si-基陶瓷材料相容的热膨胀系数(CTE)、对氧化剂的低渗透性，和与Si-基材料以及通过氧化Si-基材料形成的二氧化硅皮(silica scale)或其可存在以促进EBC粘附于Si-基陶瓷材料的(如以下所讨论的)Si-基保护性粘合涂层的化学相容性。硅酸盐，并且特别是钡锶铝硅酸盐(BSAS；(Ba_1xSr_x)O-Al₂O₃-SiO₂)及其它碱土铝硅酸盐，鉴于其环境保护性能及低导热率，已被提出作为EBC。例如，Eaton等的美国专利第6254935、6352790、6365288、6387456和6410148号公开了BSAS和碱土铝硅酸盐作为用于Si-基基底的外保护涂层的用途，化学计量的BSAS(摩尔比：075BaO·025SrO·Al₂O₃·2SiO₂，摩尔百分比：18,75BaO·6.25SrO·25Al₂O₃·50SiO₂)通常为优选的碱土铝硅酸盐组成。也已提出使用稀土(RE)硅酸盐比如RE₂Si₂O₇和RE₂SiO₅作为保护性EBC涂层材料，如在美国专利第6296941、6312763、6645649、6759151和7595114中所报导的那样。作为具体实例，EBC在美国6759151中被公开为包含稀土硅酸盐，该稀土硅酸盐为式RE₂SiO₅、RE₄Si₃O₁₂或RE₂Si₂O₇，其中RE为Sc、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Eu、Tb或其组合。配置在含硅基底及其保护性EBC层之间的中间层(比如莫来石(3Al₂O₃·2SiO₂))和粘合涂层(比如硅)，已被提出以促进EBC粘附于基底、限制层间反应和防止氧化剂渗透进入基底。例如，Wang等的共同受让的美国专利第6299988和6630200号公开了硅和含硅材料作为合适的粘合涂层材料，特别用于含有SiC或氮化硅的基底。如果特殊元件将受到超过约2500°F(约1370℃)的表面温度，EBC可根据Spitsberg等共同受让的美国专利第5985470号用上覆的热阻挡涂层(TBC)而热保护。组合起来，这些层形成所谓的热/环境阻挡涂层(T/EBC)系统。如上所述，用于燃气轮机应用的最常用TBC材料为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。TBC与下面的EBC之间可提供过渡层，例如YSZ与氧化铝、莫来石和/或碱土金属铝硅酸盐的混合物，如在Wang等共同受让的美国专利第6444335号中教导的那样。