[发明专利]具有减小的膨胀和密封环境隔离涂层的制品及其制造方法

说明书

适合用作高温机器组件的制品(200)包括基体(202)和在基体(202)上布置的环境隔离涂层(210)，其中环境隔离涂层(210)包括从包含碱土金属铝硅酸盐和稀土硅酸盐的混合物形成的至少一个密封自封层(212)，并且其中在经受高温热处理时，至少一个密封自封层(212)显示基本没有净剩余或残余膨胀。环境隔离涂层(210)可进一步包括在基体(202)和密封自封层(212)之间布置的粘合涂层(204)、在密封自封层(212)上布置的面涂层(214)和/或在密封自封层(212)和粘合涂层(204)之间布置的中间层(216)。中间层(216)可包括对二氧化硅基本惰性的隔离材料。

本公开涉及适用于高温机器组件的制品。更具体地讲，本公开涉及用于保护机器组件免受暴露于高温环境的涂层系统。本公开还涉及保护制品的方法。

背景

高温材料，例如像陶瓷、合金和金属间化合物，对于为在应用中高温工作而设计的结构提供有吸引力的性质，所述应用例如燃气涡轮机、换热器和内燃机。然而，这些应用的环境特征通常包含反应性物类，例如水蒸气，其在高温可导致材料结构显著劣化。例如，水蒸气已显示导致硅基材料的显著表面凹陷和质量损失。材料损失的速率通常对应用高得不可接受。

将环境隔离涂层(EBC)施用到硅基材料和易受反应性物类(例如，高温水蒸气)侵蚀的其它材料，EBC通过阻止环境和材料表面之间接触提供保护。例如，施用到硅基材料的EBC设计成在高温含水蒸气环境相对化学稳定。一种示例性常规EBC系统，如美国专利6,410,148号中所述，包含施用到硅基基体的硅或二氧化硅粘合层；在粘合层上沉积的包含富铝红柱石或富铝红柱石-碱土金属铝硅酸盐混合物的中间层；和在中间层上沉积的包含碱土铝硅酸盐的面涂层。在另一个实例美国专利6,296,941号中，面涂层为硅酸钇层，而非铝硅酸盐层。

以上涂层系统可在苛刻环境中为制品提供适合保护，但仍存在改善涂层性能以实现较高工作温度的机会。例如，硅酸钇材料，例如二硅酸钇和单硅酸钇，可提供在较高温度操作的能力，但可能倾向于在高温工作期间破裂。目前EBC技术一般用等离子喷涂法沉积涂层，这主要是因为沉积多种材料的方法的灵活性、不需主要方法改进而提供宽范围涂层厚度的能力和相对容易沉积涂层。然而，通过等离子喷涂处理的陶瓷涂层通常包含不期望的细裂纹(“微裂纹”)网络形式的开放孔结构，所述细裂纹与原本封闭的孔和空隙相交。微裂纹网络主要由涂层沉积过程中固有的骤冷和固化裂纹和空隙形成，裂纹通常形成于连续沉积材料层之间和在熔融或部分熔融颗粒喷涂于涂层表面上时形成的单独“板条(splat)”之间。对于EBC应用，涂层中的开放孔结构可能不利。它提供水蒸气和其它气体物类渗透的快速通道，因此，加速下面涂层的局部劣化。

现已实施数种方法缓解陶瓷涂层中的开孔率问题。在一些应用中，涂层用等离子喷涂处理施加到热基体上(T>800℃)。在热基体上沉积减小基体温度和涂料熔融温度之间的差异，因此减小形成骤冷裂纹的倾向。然而，由于高基体温度和与部件和涂覆硬件操作相关的限制，热沉积过程技术扩展到大组件富有挑战性。在其它应用中，使等离子喷涂EBC涂层经过后沉积过程，以用在热处理时产生与涂层基质相容的最终填孔材料的适合材料的前体浸渍非密封涂层结构，所述适合材料例如可溶性有机和无机盐及醇盐。填料堵塞或限制水蒸气渗透的通道。这种方法描述于美国专利7,595,114号。虽然这种方法相对容易实施，但可能需要多个浸渍-烧尽循环实现涂层穿透性改善，并且在某些情况下可能不提供完全密封的涂层结构。

用于保护陶瓷基质复合材料(CMC)组件的很多目前EBC系统结构包括多层涂层结构，所述多层涂层结构包括在CMC上的空气等离子喷涂(APS)硅氧-隔离粘合涂层、然后是稀土二硅酸盐涂层、然后是铝硅酸钡锶(BSAS)、然后是另一种稀土二硅酸盐层，然后是单硅酸钇(YMS)面涂层。已发现，通过APS法施用的稀土硅酸盐涂层在高温空气热处理以使主要非晶的初沉积涂料结晶后显示净膨胀。已确定这种净膨胀是组件凸半径几何特征周围的裂纹和中间层分离的原因。

先前尝试用空气等离子喷涂与高于约800℃的高基体温度控制组合沉积完全或几乎完全结晶的稀土硅酸盐组合物。在大的复杂几何形状CMC组件上极难达到和保持这种高沉积温度。