專利名稱：硅基襯底的涂層系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及施加到含硅襯底上的粘合層(bond coat)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
硅基單片陶瓷，比如碳化硅和氮化硅，以及復(fù)合材料，比如碳化硅纖維強化的碳化硅基質(zhì)，由于具有高溫機械和物理性質(zhì)以及比金屬低的密度，所以對于在燃氣輪發(fā)動機熱區(qū)中使用而言是有吸引力的材料。但是，這些材料在高溫含水環(huán)境下，比如例如燃氣輪發(fā)動機的燃燒室區(qū)和氣輪機區(qū)，出現(xiàn)了加速氧化和退化。為了降低在這種環(huán)境中用作陶瓷部件的襯底在高溫下的氧化和退化速率，在提供保護硅基襯底的阻擋層上已經(jīng)給予了相當?shù)呐?，以提高這些部件的使用壽命。
圖1a給出了構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)的經(jīng)過保護涂覆的陶瓷制品的一個變體。復(fù)合制品10包括硅基襯底12、包括致密連續(xù)硅金屬層的粘合層或?qū)?4、和包括阻擋層16的環(huán)境阻擋涂層，所述阻擋層16包括基于鋇和/或鍶的堿土鋁硅酸鹽，或者硅酸釔。在所述阻擋層16的頂部，可以采用另一耐火頂層18，比如，例如，氧化鋁、或者氧化鋯、或者氧化釔或者其組合。圖1b示出了現(xiàn)有技術(shù)的另一實施方案，其中包括了中間層20和22，從而賦予所述涂層系統(tǒng)柔性和/或化學(xué)相容性。所述中間層包括，例如，所述阻擋層材料和另外的氧化物比如莫來石的混合物。這些現(xiàn)有技術(shù)涂層系統(tǒng)已經(jīng)證實具有相當?shù)恼澈闲院捅Ｗo性，而且已經(jīng)用于防止硅基襯底12的退化和氧化。但是，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當現(xiàn)有技術(shù)所述的涂層施加到一些含硅襯底比如氮化硅上時，它們的機械性能受損，這通過抗彎強度或抗拉強度的降低得到了證實。相信機械性能的損失是源于粘合層14和含硅襯底12之間的機械不相容性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在粘合層14和含硅襯底12之間的彈性模量和熱膨脹系數(shù)之間的不匹配，導(dǎo)致當所涂覆的系統(tǒng)10承受熱偏差，比如從退火溫度冷卻和/或在燃氣輪發(fā)動機操作過程中的加熱和冷卻循環(huán)時，粘合層14和含硅襯底12中產(chǎn)生熱應(yīng)變。還發(fā)現(xiàn)在這種系統(tǒng)中所儲存的裂紋擴展所需的彈性應(yīng)變能會很高。進一步發(fā)現(xiàn)，由于系統(tǒng)中的高應(yīng)變和應(yīng)力和/或高的彈性存儲能，涂層系統(tǒng)和脆性陶瓷可能失效。由于硅粘合層和含硅襯底的脆性本質(zhì)，熱應(yīng)變和最終的熱應(yīng)力可能導(dǎo)致在粘合層或襯底中出現(xiàn)開裂，或者導(dǎo)致粘合層和襯底之間的界面脫層。熱應(yīng)力高也可以導(dǎo)致出現(xiàn)局部應(yīng)力集中并激活所述粘合層或含硅襯底中的小瑕疵或缺陷，從而導(dǎo)致在遠遠低于典型襯底典型強度下失效。
基于上述內(nèi)容，顯然仍需要針對硅基陶瓷襯底的改進粘合層系統(tǒng)，它不會對襯底的機械行為產(chǎn)生負面影響，比如降低抗彎強度或抗拉強度。所以，本發(fā)明的主要目標是提供這種涂層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
相應(yīng)地，本發(fā)明的主要目標是提供不會對硅基襯底比如氮化硅的機械性能有負面影響的粘合層系統(tǒng)。本發(fā)明的粘合層系統(tǒng)結(jié)合了含硅金屬的粘合層以及施加其上的阻擋涂層所提供的優(yōu)點，并同時克服了上述缺點。

發(fā)明內(nèi)容
通過本發(fā)明實現(xiàn)了上述目標，其中在硅基襯底和吸氧層之間提供了彈性模量為30-130Gpa的柔性層(compliant layer)。在本發(fā)明中，通過在吸氧層和襯底之間提供柔性層使涂層系統(tǒng)具有更大的缺陷容忍度，從而緩解了襯底強度的下降。因此，所述涂層系統(tǒng)保留了現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的優(yōu)點，同時不損失襯底強度。所述對強度損失的緩解源于本發(fā)明的涂層設(shè)計，它包括柔性層、吸氧層和另外的阻擋層，降低了和襯底相鄰的層中的殘余拉伸應(yīng)力和/或減少了涂層系統(tǒng)儲存的彈性應(yīng)變能。而且，所述柔性層起到對襯底中的應(yīng)力集中進行緩沖的作用，因而有助于保持襯底強度。本發(fā)明的粘合層系統(tǒng)和目前所知的現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的提高。
下面將給出本發(fā)明的進一步目標和優(yōu)點。


圖1a和1b是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的復(fù)合制品的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的復(fù)合制品的示意圖；和圖3給出了本發(fā)明在保留涂覆制品強度方面的優(yōu)點。
具體實施例方式
參見圖2，示出了本發(fā)明的復(fù)合制品100，它包括硅基襯底120、吸氧層140、和位于所述硅基襯底和所述含硅金屬的吸氧層之間的柔性層30。應(yīng)該注意到，現(xiàn)有金屬中的粘合層材料大多數(shù)是吸氧劑，比如硅(Si)和耐火金屬硅化物和其組合。盡管含硅吸氧層140是本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，但是可替換地，層140也可以是現(xiàn)有技術(shù)公知的氧化鋁或氧化鉻形成體的高溫金屬合金。
根據(jù)本發(fā)明，柔性層30選自堿土鋁硅酸鹽、單硅酸釔、二硅酸釔、稀土單硅酸鹽和二硅酸鹽、硅酸鉿、硅酸鋯；鉿、鋯、釔、稀土金屬、鈮、鈦、鉭、硅、鋁的氧化物；氮化硅；碳化硅；氧氮化硅；氧碳化硅；氧碳氮化硅；硅耐火金屬氧化物；形成氧化鋁的耐火金屬合金；形成氧化鉻的耐火金屬合金，和其混合物。優(yōu)選柔性層的組成選自氧化釔、氧化鉿、稀土金屬氧化物、單硅酸釔、二硅酸釔、稀土單硅酸鹽和二硅酸鹽、硅酸鉿、和其混合物。柔性層的優(yōu)選彈性模量是30-130GPa。為了確保上述的所需行為性質(zhì)，必須控制柔性層的孔隙率。優(yōu)選柔性層的孔隙率為約2-50％，更優(yōu)選為約5-25％?？紫堵适侵溉嵝詫?0中的空隙分數(shù)。柔性層的厚度優(yōu)選為20-250μm，更優(yōu)選為40-125μm。柔性層和吸氧層的厚度比優(yōu)選是0.1∶1-10∶1。柔性層30可以包括具有上述材料組成的多層。如果需要，柔性層30和吸氧層140可以在環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)中重復(fù)一次或多次。
硅基襯底120包括選自單片氮化硅、單片碳化硅、含氮化硅的復(fù)合材料、含碳化硅的復(fù)合材料、氧氮化硅、氧碳化硅、碳氮化硅、含硅的鉬合金、含硅的鈮合金材料。
本發(fā)明的制品還包括在所述粘合層系統(tǒng)上施加的環(huán)境阻擋層160和180。所述阻擋層提供了在高溫和高壓下的抗高速蒸氣的保護。所述阻擋層可以包括莫來石，包括鋇鍶鋁硅酸鹽(BSAS)和鍶鋁硅酸鹽(SAS)的堿土鋁硅酸鹽，硅酸釔，稀土硅酸鹽，鉿或鋯硅酸鹽，鉿、鋯、鈦、硅、釔、稀土金屬、鉭、鈮、鋁的氧化物，和其混合物。
上述層可以通過現(xiàn)有技術(shù)所知的任何加工方法施加，包括熱噴涂、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、電泳沉積、靜電沉積、先驅(qū)體熱解(preceramic polymer pyrolysis)、溶膠-凝膠、漿料涂覆、浸提、氣刷(air-brushing)、濺射、漿料涂漆或其任何組合。為了在柔性層中獲得所需孔隙率，可以采用犧牲性成孔劑在柔性層中產(chǎn)生孔隙率。犧牲性成孔劑是本領(lǐng)域公知的，包括材料比如聚酯、聚苯乙烯等。
通過采用本發(fā)明的粘合層系統(tǒng)，其中采用了彈性模量為30-130GPa的柔性層并結(jié)合吸氧層，緩解了裂紋形成和/或裂紋從涂層到襯底或者反之的擴展。從而使得涂覆的襯底的保留強度接近基礎(chǔ)襯底的強度，這對于結(jié)構(gòu)應(yīng)用非常重要。涂3示出了具有所述新的環(huán)境阻擋涂層(EBC)粘合層結(jié)構(gòu)的SN282氮化硅的四點彎曲強度，以保留強度和SN282材料(沒有EBC)基準強度相比的分數(shù)形式給出。圖中示出了新的粘合層結(jié)構(gòu)的兩種不同變體。未涂覆的SN282的基準強度范圍用陰影表示。虛線表示采用硅直接施加到氮化硅襯底上的現(xiàn)有技術(shù)EBC結(jié)構(gòu)所保留的一般強度分數(shù)。下面的實施例描述將進一步驗證所述新EBC結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。
實施例1在具有2.5重量％Darvan的10ml去離子水(100ml水中有2.5gm的Darvan)中，加入26.67gm的二硅酸釔(Y2Si2O7)。漿料球磨30分鐘。將六根氮化硅條浸入漿料中并干燥。隨后，所涂覆的條在1350℃燒制5小時。重復(fù)一次所述浸入工藝，將條在1350℃重新燒制5小時。隨后，將試樣放入CVD反應(yīng)器中，涂覆35和70μm的硅。反應(yīng)器維持在850-900℃，經(jīng)由下面的反應(yīng)沉積硅
涂覆試樣的抗彎強度采用四點彎曲法測量，發(fā)現(xiàn)平均強度和未涂覆的氮化硅試樣具有可比性(圖3)。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，未涂覆的氮化硅即使在涂覆后，也維持了高強度。
實施例2在具有2.5重量％Darvan的10ml水(100ml水中有2.5gm的Darvan)中，加入31.33gm的單硅酸釔(Y2SiO5)。漿料球磨30分鐘。將六根氮化硅條浸入漿料中并干燥。隨后，所涂覆的條在1350℃燒制5小時。重復(fù)一次所述浸入工藝，將條在1350℃重新燒制5小時。隨后，將試樣放入CVD反應(yīng)器中，涂覆20μm的硅。反應(yīng)器維持在850-900℃，經(jīng)由下面的反應(yīng)沉積硅
涂覆試樣的抗彎強度采用四點彎曲法測量，發(fā)現(xiàn)平均強度是未涂覆的氮化硅條的90％。
實施例3采用空氣等離子噴涂在氮化硅襯底上沉積125μm的硅。涂覆條的抗彎強度采用四點彎曲法測量，發(fā)現(xiàn)平均強度是未涂覆的氮化硅條的大約50％。
可以理解本發(fā)明不限于本文所述和所示的舉例說明，應(yīng)該認為其僅僅是舉例說明本發(fā)明的最佳實施方式，而且可以對部件的形式、尺寸和排列以及操作細節(jié)進行修改。本發(fā)明更意在包括落在權(quán)利要求所限定的精神和范圍中的所有這種修改。
權(quán)利要求
1.一種制品，包括硅基襯底；吸氧層；位于所述硅基襯底和吸氧層之間的柔性層，其中所述柔性層具有30-130GPa的彈性模量；和在所述吸氧層上的環(huán)境阻擋涂層(EBC)。
2.權(quán)利要求1的制品，其中所述柔性層選自堿土鋁硅酸鹽、單硅酸釔、二硅酸釔、稀土單硅酸鹽和二硅酸鹽、硅酸鉿、硅酸鋯；鉿、鋯、釔、稀土金屬、鈮、鈦、鉭、硅、鋁的氧化物；氮化硅；碳化硅；氧氮化硅；氧碳化硅；氧碳氮化硅；硅耐火金屬氧化物；形成氧化鋁的耐火金屬合金；形成氧化鉻的耐火金屬合金，和其混合物。
3.權(quán)利要求2的制品，其中所述柔性層具有約2-50％的孔隙率。
4.權(quán)利要求2的制品，其中所述柔性層具有約5-25％的孔隙率。
5.權(quán)利要求2的制品，其中所述柔性層具有20-250μm的厚度。
6.權(quán)利要求2的制品，其中所述柔性層具有40-125μm的厚度。
7.權(quán)利要求1的制品，其中所述柔性層和吸氧層具有約0.1∶1-10∶1的柔性層對吸氧層的厚度比。
8.權(quán)利要求2的制品，其中所述柔性層選自氧化釔、氧化鉿、稀土金屬氧化物、單硅酸釔、二硅酸釔、稀土單硅酸鹽和二硅酸鹽、硅酸鉿和其混合物。
9.權(quán)利要求1的制品，其中所述硅基襯底選自單片氮化硅、單片碳化硅、含氮化硅的復(fù)合材料、含碳化硅的復(fù)合材料、氧氮化硅、碳氮化硅、氧碳化硅、含硅的鉬合金、含硅的鈮合金。
10.權(quán)利要求1的制品，其中所述EBC包括選自莫來石、堿土鋁硅酸鹽、鋇鍶鋁硅酸鹽、硅酸釔、稀土硅酸鹽、氧化鉿、氧化鋯、氧化鈦、氧化硅、氧化釔、稀土金屬氧化物、氧化鉭、氧化鈮、氧化鋁和其混合物的至少一層。
11.權(quán)利要求10的制品，其中所述EBC包括多層。
12.權(quán)利要求1的制品，其中所述吸氧層選自硅金屬、硅金屬合金、金屬間硅化物、形成氧化鉻的金屬合金、形成氧化鋁的金屬合金和其混合物。
13.權(quán)利要求1的制品，其中所述柔性層和吸氧層至少重復(fù)一次。
14.權(quán)利要求1的制品，其中所述EBC涂層位于基本全部所述吸氧層上。
15.一種制品，其包括包括涂覆的硅基襯底、吸氧層以及位于之間的柔性層的復(fù)合材料，所述柔性層保留了其初始襯底強度的約70％，更優(yōu)選90％和以上。
16.一種制備權(quán)利要求1的制品的方法，其中所述柔性層、吸氧層和EBC的至少之一采用熱噴涂、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、電泳沉積、靜電沉積、先驅(qū)體熱解、溶膠-凝膠、漿料涂覆、浸提、氣刷、濺射、漿料涂漆或其任何組合沉積。
17.一種制備權(quán)利要求1的制品的方法，其中所述至少一種犧牲性成孔劑被用來控制所述柔性層的孔隙率以及由此控制其模量。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于硅基襯底的粘合層系統(tǒng)，其中在所述硅基襯底和含硅金屬的吸氧層之間提供了彈性模量為30－130GPa的柔性層。
文檔編號C04B41/89GK1868973SQ20061006825
公開日2006年11月29日 申請日期2006年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月23日
發(fā)明者T·巴蒂亞, W·R·施密德特, W·K·特雷維, V·R·韋杜拉 申請人:聯(lián)合工藝公司