[发明专利]致密环境屏障涂层组合物

说明书

提供一种有涂层的基材，其包括基材(例如，陶瓷基质复合物)的表面上(例如，直接在其上)的环境屏障涂层。所述环境屏障涂层可包括具有耐火材料相和含硅玻璃相的屏障层。所述含硅玻璃相可为所述屏障层内的连续相(例如，所述屏障层的可透气晶界)，或可为分散在整个所述耐火材料相中的多个不连续层。所述耐火材料相可包括具有第一原子百分比的稀土组分的稀土硅酸盐材料，而所述含硅玻璃相包括小于所述第一原子百分比的第二原子百分比的所述稀土组分。还提供用于在基材上形成屏障层的方法。

优先权信息

本申请案主张Kirby等人于2015年8月18日申请的标题为“致 密环境屏障涂层组合物(Dense Environmental Barrier Coating Compositions)”的美国临时专利申请案第62/206,318号和Kirby等 人于2015年8月18日申请的标题为“致密环境屏障涂层组合物(Dense Environmental Barrier Coating Compositions)”的美国临时专 利申请案第62/206,319号的优先权，所述美国临时专利申请案的公 开内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明的实施例大体上涉及用于陶瓷部件的环境屏障涂层及其 制成方法。

背景技术

持续努力寻求燃气涡轮发动机的较高操作温度以便改进其效 率。然而，随着操作温度增加，发动机的部件的耐高温性必须相应 地增加。已通过铁、镍和钴基超合金配制物(formulation)达成高温 能力的显著进步。但对于由超合金构成的、具有许多热气体路径的 部件，可使用热屏障涂层(thermal barrier coating，TBC)来隔绝部 件并且可维持载荷承载合金与涂层表面之间明显的温度差，因此限 制结构部件的热暴露。

虽然已发现超合金广泛用于在整个燃气涡轮发动机中并且尤其 是在较高温度区段中使用的部件，但已提出替代的较轻重量的基材 材料，例如陶瓷基质复合物(ceramicmatrix composite，CMC)材 料。CMC和单片陶瓷部件可涂布有环境屏障涂层(environmental barrier coating，EBC)以保护其免受高温发动机区段的苛刻环境。 EBC可提供致密的气密密封以免受热燃烧环境中的腐蚀性气体。

碳化硅和氮化硅陶瓷经历干燥高温环境中的氧化。此氧化在材 料表面上产生钝态氧化硅垢。在例如涡轮发动机等含有水汽的潮湿 高温环境中，归因于形成钝态氧化硅垢以及后续氧化硅转化成气态 氢氧化硅而发生氧化和凹陷。为了防止在潮湿高温环境中凹陷，将 环境屏障涂层(EBC)沉积到碳化硅和氮化硅材料上。

目前，EBC材料由例如莫来石、钡长石相(celsian-phase)铝硅 酸钡锶(bariumstrontium aluminosilicate，BSAS)以及最新的稀土硅 酸盐化合物制成。这些材料密封了水汽，从而防止其到达碳化硅或 氮化硅表面上的氧化硅垢，进而防止凹陷。然而，此类材料无法防 止氧气渗透，这将造成下方基材氧化。基材氧化产生钝态氧化硅 垢，以及分别针对基于碳化硅和基于氮化硅的基材的含碳或氮类气 体(例如，氧化亚氮气体)的释放。含碳(即，CO、CO₂)或氮类 气体(即，N₂、NO、NO₂等)氧化物气体无法通过致密EBC逸出， 因此，有气泡形成。迄今对此起泡问题的解决方案是使用硅粘合涂 层。硅粘合涂层提供在不释放气体副产物的情况下氧化(形成EBC 下方的钝态氧化硅层)的层。然而，硅粘合涂层的存在限制EBC的 操作的上限温度，这是因为硅金属的熔点与氧化物相比相对较低。

因而，需要消除在EBC中使用硅粘合涂层以获得EBC的较高操 作温度限值。

发明内容

本发明的各方面和优势将部分地在以下描述中阐述，或可从所 述描述显而易见，或可通过本发明的实践而得知。