專利名稱：防熱腐蝕涂層和由其保護(hù)的元件的制作方法
防熱腐蝕涂層和由其保護(hù)的元件
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及適合用于保護(hù)暴露于高溫環(huán)境(比如通過燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的熱氣體流路)的元件的涂層系統(tǒng)。更具體地講，本發(fā)明涉及能夠保護(hù)下面的涂層或基底免于由熔鹽引發(fā)的熱腐蝕的涂層。持續(xù)尋求用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的較高操作溫度以增大發(fā)動機(jī)效率。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鎳基、鈷基和鐵基超合金在包括航空器和發(fā)電產(chǎn)業(yè)的各種產(chǎn)業(yè)中作為燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的元件材料的廣泛用途。當(dāng)操作溫度增大時，發(fā)動機(jī)元件 的高溫耐久性必須相應(yīng)地増大。為此，熱阻擋涂層(TBC)通常用于元件比如燃燒器、高壓渦輪(HPT)葉片(blade)和輪葉(vane)上。TBC的隔熱使得由超合金和其它高溫材料形成的元件能夠幸存于較高的操作溫度、増大元件耐久性和提高發(fā)動機(jī)可靠性。TBC通常包含隔熱陶瓷材料，其沉積在環(huán)境保護(hù)性粘合涂層上以形成所謂的TBC系統(tǒng)。廣泛用于TBC系統(tǒng)的粘合涂層材料包括抗氧化覆蓋涂層比如MCrAlX (其中M為鐵、鈷和/或鎳,和X為釔、稀土金屬和/或另ー種反應(yīng)性金屬)和可含有化合物比如鋁化物金屬間化合物的抗氧化擴(kuò)散涂層。因為其高溫能力、低導(dǎo)熱率和相對容易沉積，氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)廣泛用作TBC系統(tǒng)的隔熱陶瓷材料。為了對于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)獲得較高的操作溫度并因此増大其效率，已提出備選材料替代超合金。具體地說，硅基非氧化物陶瓷，最著名的是碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)和/或用作強(qiáng)化相和/或基質(zhì)相的硅化物，為高溫應(yīng)用比如燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的燃燒器襯里、輪葉、護(hù)罩、翼面及其它高溫段元件的候選材料。然而，當(dāng)暴露于高溫、富含水蒸汽的燃燒氣氛中比如在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中吋，由于形成揮發(fā)性氫氧化硅(Si (OH)4)，由Si-基陶瓷形成的元件失去質(zhì)量并回退(recede)。在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)環(huán)境中由于揮發(fā)或腐蝕的回退速率(recession rate)足夠高，需要環(huán)境保護(hù)性涂層，通常指的是環(huán)境阻擋涂層(EBC)。對于g在保護(hù)由Si-基材料形成的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)元件的EBC的關(guān)鍵要求包括穩(wěn)定性、低導(dǎo)熱率、與Si-基陶瓷材料相容的熱膨脹系數(shù)(CTE)、對氧化劑的低滲透性，和與Si-基材料以及通過氧化Si-基材料形成的ニ氧化娃皮(silica scale)或其可存在以促進(jìn)EBC粘附于Si-基陶瓷材料的(如以下所討論的)Si-基保護(hù)性粘合涂層的化學(xué)相容性。硅酸鹽，并且特別是鋇鍶鋁硅酸鹽(BSAS ; (BalxSrx) O-Al2O3-SiO2)及其它堿土鋁硅酸鹽，鑒于其環(huán)境保護(hù)性能及低導(dǎo)熱率，已被提出作為EBC。例如，Eaton等的美國專利第6254935、6352790,6365288,6387456和6410148號公開了 BSAS和堿土鋁硅酸鹽作為用于Si-基基底的外保護(hù)涂層的用途，化學(xué)計量的BSAS (摩爾比075Ba0 · 025Sr0 · Al2O3 · 2Si02，摩爾百分比18，75Ba0 · 6. 25Sr0 · 25A1203 · 50Si02)通常為優(yōu)選的堿土鋁硅酸鹽組成。也已提出使用稀土(RE)硅酸鹽比如RE2Si2O7和RE2SiO5作為保護(hù)性EBC涂層材料，如在美國專利第6296941、6312763、6645649、6759151和7595114中所報導(dǎo)的那樣。作為具體實例，EBC在美國6759151中被公開為包含稀土硅酸鹽，該稀土硅酸鹽為式RE2Si05、RE4Si3O12或RE2Si2O7,其中RE為Sc、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Eu、Tb或其組合。配置在含硅基底及其保護(hù)性EBC層之間的中間層(比如莫來石(3A1203 · 2Si02))和粘合涂層(比如硅)，已被提出以促進(jìn)EBC粘附于基底、限制層間反應(yīng)和防止氧化劑滲透進(jìn)入基底。例如，Wang等的共同受讓的美國專利第6299988和6630200號公開了硅和含硅材料作為合適的粘合涂層材料，特別用于含有SiC或氮化硅的基底。如果特殊元件將受到超過約2500° F(約1370°C )的表面溫度，EBC可根據(jù)Spitsberg等共同受讓的美國專利第5985470號用上覆的熱阻擋涂層(TBC)而熱保護(hù)。組合起來，這些層形成所謂的熱/環(huán)境阻擋涂層(Τ/EBC)系統(tǒng)。如上所述，用于燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用的最常用TBC材料為氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)。TBC與下面的EBC之間可提供過渡層，例如YSZ與氧化鋁、莫來石和/或堿土金屬鋁硅酸鹽的混合物，如在Wang等共同受讓的美國專利第6444335號中教導(dǎo)的那樣。已知發(fā)動機(jī)環(huán)境內(nèi)的高溫可引起燃料中的雜質(zhì)腐蝕由鎳-基、鈷-基和鐵-基超合金形成的元件，以及使用于保護(hù)它們的TBC系統(tǒng)腐蝕和失穩(wěn)。該現(xiàn)象稱為熱腐蝕，為由于在元件或其保護(hù)性表面氧化物表面形成熔鹽沉積物的雜質(zhì)比如Na2SO4和V2O5的存在造成的加速腐蝕。由熔鹽沉積物造成的腐蝕性侵蝕可發(fā)生于中等溫度范圍內(nèi)。例如，由熔融Na2SO4沉積物引起的I型鈉熱腐蝕通常發(fā)生于約880°C -約1000°C的溫度范圍，而由熔融V2O5沉 積物引起的釩熱腐蝕通常發(fā)生于約660°C -約1000°C的溫度范圍。盡管熱腐蝕的詳細(xì)機(jī)理隨受到侵蝕的材料性質(zhì)和腐蝕劑性質(zhì)而不同，在所有情況下結(jié)構(gòu)材料或涂層的降解可為快速的，并且取決于表面溫度、熔鹽的沉積速率和燃料中有害陽離子(例如鈉和/或釩)的濃度，元件可在數(shù)十至數(shù)千小時內(nèi)受到嚴(yán)重?fù)p害。該類型的腐蝕，不像氧化，已知快速消耗超合金元件并導(dǎo)致災(zāi)難性故障。Si-基材料比如SiC和Si3N4由Na2SO4和V2O5雜質(zhì)的敏感性已經(jīng)在實驗室實驗中得到證實。另ー方面，EBC材料包括BSAS和RE硅酸鹽對來自Na2SO4和V2O5雜質(zhì)熱腐蝕的敏感性(susceptibility)在很大程度上是未知的。盡管有以上問題和不確定性，在エ業(yè)中要求使用燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)以采用更便宜的低等級燃料，其燃料因此含有較高濃度的鹽雜質(zhì)并因此加劇熱腐蝕問題。減輕熱腐蝕的最常見方法包括僅指定含有低的和相對無害濃度的腐蝕性元素(例如，少于Ippm鈉和少于
O.5ppm V)的燃料，在燃燒之前水洗燃料以除去可溶性Na種類，和注入經(jīng)測量量的合適化合物，該化合物含有反應(yīng)性元素(例如鎂)以與燃料中的釩反應(yīng)并形成高熔化溫度、相對惰性化合物(比如Mg3V2O8)。在燃油價格逐步上升的時代，高度有利的是基于更便宜的含有相對高水平的腐蝕性種類(例如超過IOppm的Na2SO4和/或V2O5)的燃料運(yùn)行渦輪發(fā)動機(jī)。除了使用反應(yīng)性元素和洗滌燃料，允許使用這種燃料的另外措施將是合乎需要的。發(fā)明簡述本發(fā)明主要提供用于超合金和含Si材料的涂層系統(tǒng)，特別是用于暴露于高溫、包括用于航空器和發(fā)電產(chǎn)業(yè)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的惡劣熱環(huán)境的元件的涂層系統(tǒng)。這樣的材料的實例包括金屬組合物比如鎳-基、鈷-基和鐵-基超合金，和含Si材料比如硅、碳化硅、氮化硅、金屬硅化物合金比如鈮和鑰硅化物等。含Si材料的更具體實例包括具有碳化硅、氮化硅、金屬硅化物和/或硅顆粒分散體作為金屬或非金屬基質(zhì)中的強(qiáng)化材料的那些含Si材料，以及具有碳化硅、氮化硅、金屬硅化物和/或含硅基質(zhì)的那些材料，并且特別是采用碳化硅、氮化硅、金屬硅化物和/或硅作為強(qiáng)化材料和基質(zhì)材料兩者的復(fù)合材料(例如SiC/SiC陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料(CMC))。根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，涂層系統(tǒng)覆在由超合金或含硅材料形成的基底上。涂層系統(tǒng)的至少ー個涂層和/或基底對由熔鹽雜質(zhì)促進(jìn)的熱腐蝕敏感。涂層系統(tǒng)進(jìn)一歩包括腐蝕阻擋涂層，其覆在涂層系統(tǒng)上并含有至少ー種含有稀土氧化物的化合物，該化合物與熔鹽雜質(zhì)反應(yīng)形成致密的保護(hù)性阻擋層，該保護(hù)性阻擋層優(yōu)選地限定涂層系統(tǒng)的連續(xù)最外
表面層。根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)元件，其包括由超合金或含硅材料形成的基底和基底上的涂層系統(tǒng)?；谆蛲繉酉到y(tǒng)的至少ー個涂層對由熔鹽雜質(zhì)促進(jìn)的熱腐蝕敏感。腐蝕阻擋涂層覆在涂層系統(tǒng)上并含有至少ー種含有稀土氧化物的化合物，該化合物與熔鹽雜質(zhì)反應(yīng)形成致密的保護(hù)性阻擋層，該保護(hù)性阻擋層優(yōu)選地限定涂層系統(tǒng)的連續(xù)最外表面層。本發(fā)明的技術(shù)效果為，通過與由于雜質(zhì)例如Na2SO4或V2O5而形成的熔鹽沉積物反應(yīng)，腐蝕阻擋涂層的含有稀土氧化物的化合物能夠形成副產(chǎn)物阻擋層，其化學(xué)性質(zhì)通過防止或至少延遲進(jìn)ー步的熔鹽雜質(zhì)滲透而防止下面的基底和/或涂層系統(tǒng)例如熱阻擋涂層或環(huán)境阻擋涂層(TBC和EBC)失穩(wěn)。像這樣，腐蝕阻擋涂層能夠大大提高下面的基底和/或涂層系統(tǒng)對鹽腐蝕(熱腐蝕)的抗性。含有稀土氧化物的腐蝕阻擋涂層的另外的有利條件包括在富含水蒸氣的燃料燃燒氣氛中對揮發(fā)的抗性，和基本上與要保護(hù)的超合金或含Si 基底匹配的熱膨脹系數(shù)，因此促進(jìn)對有害裂縫或散裂的抗性。本發(fā)明適用干與用于熱阻擋和環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)的已知涂層材料一起使用，并且腐蝕阻擋涂層可使用本領(lǐng)域通常已知的各種方法得到沉積。本發(fā)明的其它方面和有利條件將由以下詳細(xì)描述得到更好的理解。附圖
簡述圖I示意性描繪由含Si材料形成和用熱/環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)保護(hù)并進(jìn)一歩提供本發(fā)明的腐蝕阻擋涂層的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)元件的剖視圖。圖2示意性描繪由超合金材料形成和用熱阻擋涂層(TBC)系統(tǒng)保護(hù)并進(jìn)一歩提供本發(fā)明的腐蝕阻擋涂層的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)元件的剖視圖。附圖標(biāo)記10 元件12 基底14 系統(tǒng)16 層18 涂層20 層22 層24 層26 涂層28 層30 元件32 基底34 系統(tǒng)36粘合涂層38外涂層發(fā)明詳述
本發(fā)明提供含有稀土(RE)氧化物的涂層，該涂層適合于保護(hù)超合金元件和含硅元件及其保護(hù)性TBC和EBC系統(tǒng)(包括熱/環(huán)境阻擋涂層(Τ/EBC)系統(tǒng))，使它們免于熔鹽比如由于存在于低等級燃料中的雜質(zhì)而形成的熔鹽的侵蝕和失穩(wěn)化。這樣的鹽的顯著實例包括(但不限于)自Na2SO4和/或V2O5形成的那些鹽。由TBC和EBC系統(tǒng)保護(hù)的超合金元件和含硅元件的實例包括燃燒器元件、渦輪葉片和輪葉以及用于包括航空器和發(fā)電產(chǎn)業(yè)的各種產(chǎn)業(yè)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)熱氣體流路中的其它元件。超合金材料的實例包括鎳-基、鈷-基和鉄-基合金，并且含硅材料的實例包括具有碳化硅、氮化硅、金屬硅化物(比如鈮和鑰硅化物)和/或硅強(qiáng)化材料在金屬或非金屬基質(zhì)中的分散體的那些材料，以及具有碳化硅、氮化硅和/或含硅基質(zhì)的那些材料，并且特別是采用碳化硅、氮化硅、金屬硅化物(比如鈮和鑰硅化物)和/或硅作為強(qiáng)化材料和基質(zhì)材料兩者的復(fù)合材料(比如陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料(CMC))。盡管本發(fā)明的有利條件將參照 燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)元件得到描述，本發(fā)明的教導(dǎo)通?？捎糜谄浠缀?或涂層系統(tǒng)受到熔鹽侵蝕的任何元件。多層熱/環(huán)境阻擋涂層Τ/EBC系統(tǒng)14在圖I中得到示意性描繪。如在圖I中顯示的那樣，含硅元件10的基底12用涂層系統(tǒng)14保護(hù)，涂層系統(tǒng)14任選地包括熱阻擋涂層(TBC) 18。涂層系統(tǒng)14對元件10的在下面的基底12提供環(huán)境保護(hù)，同時任選的TBC 18減低元件10和涂層系統(tǒng)14的內(nèi)部層16、20、22和24的操作溫度，從而使得比起否則可能的幸存溫度，元件10能夠幸存于更高的溫度環(huán)境。盡管涂層系統(tǒng)14在圖I中描繪為含有層16、18、20、22和24中的每ー個，從以下討論變?yōu)轱@而易見的是，這些層中的ー個或更多個可自涂層系統(tǒng)14省略。像這樣，圖I的涂層系統(tǒng)14表示本發(fā)明范圍內(nèi)多種不同涂層系統(tǒng)中的ー種。在圖I中描繪的涂層系統(tǒng)14的內(nèi)部層22稱為環(huán)境阻擋層22，其通過直接涂布于基底12的粘合涂層16粘附于基底12。在圖I中顯示的其它層包括過渡或中間層20和過渡層24。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，涂層系統(tǒng)14進(jìn)ー步包括腐蝕阻擋涂層26，其作為元件10的最外層而沉積。如在以下更詳細(xì)討論的那樣，腐蝕阻擋涂層26通過抑制熔鹽滲透來防止或至少抑制內(nèi)部層16、20、22、24和18特別是環(huán)境阻擋層22的腐蝕性侵蝕。碳化硅(以及硅和其它硅化合物)在腐蝕性環(huán)境中降解的主要機(jī)理為形成揮發(fā)性氫氧化硅(Si(OH)4)產(chǎn)物。因為氧化劑在通常適合用作TBC 18的材料中的擴(kuò)散性通常很高，尤其是在TBC 18具有由于PVD沉積造成的柱狀晶粒結(jié)構(gòu)的情況下，単獨的和優(yōu)選與涂層系統(tǒng)14的其它層組合的阻擋層22對氧化劑比如水蒸氣呈現(xiàn)低擴(kuò)散性，抑制在粘合涂層16和/或基底12內(nèi)形成有害的晶體氧化物產(chǎn)物。用于阻擋層22的優(yōu)選組成也為與基底12化學(xué)和物理相容的，以保持在苛刻的熱條件下附著于區(qū)域12。按照美國專利第5496644、5869146、6254935、6352790、6365288、6387456 和 6410148 號中的教導(dǎo)，其相關(guān)內(nèi)容通過引用結(jié)合到本文中，用于阻擋層22的合適材料包括堿土金屬鋁硅酸鹽，其顯著實例包括鋁硅酸鈣、鋁硅酸鋇、鋁硅酸鍶并且尤其是BSAS(如上所述)。備選地或另外地，例如根據(jù)美國專利第6296941、6312763、6645649和6759151號，阻擋層22可含有稀土硅酸鹽。BSAS (并且特別是化學(xué)計量的BSAS)及用于阻擋層22的其它優(yōu)選組成給含Si基底12以及在下面的層16和20提供環(huán)境保護(hù)，如以上所討論的那樣。結(jié)果，當(dāng)元件10暴露于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的氧化燃燒環(huán)境吋，阻擋層22能夠抑制在基底12處有害結(jié)晶ニ氧化硅層的生長。另外，阻擋層22的優(yōu)選組成由于低導(dǎo)熱率而呈現(xiàn)良好的熱阻擋性能，物理順應(yīng)于含有SiC的基底比如基底12，并在CTE方面與含有Si的基底12相對相客。用于阻擋層22的合適厚度范圍為約50-約250微米。如上所述，涂層系統(tǒng)14的粘合涂層16用于使環(huán)境阻擋層22 (并且因此使其余層18、20、24和26)粘附于基底12。用于粘合涂層16的優(yōu)選組成含有硅。例如，粘合涂層16可含有以下成分或由其組成元素硅，具有一種或更多種另外的金屬、金屬間化合物或陶瓷相(例如碳化娃和/或氮化娃)的娃，和/或一種或更多種娃合金(例如娃招、娃鉻、娃鎂、硅鈣、硅鑰/或硅鈦合金)。根據(jù)Wang等共同受讓的美國專利第6299988和6630200號，在層16中包含硅有益于改善基底12的抗氧化性和提高其它層18、20、22、24和26對基底12的粘合，特別是在區(qū)域12含有SiC或氮化硅的情況下。對于層16的合適厚度為約50-約125微米。中間層20可用于某些應(yīng)用以促進(jìn)阻擋層22粘附于粘合涂層16和元件10在下面的基底12。用于中間層20的值得注意的材料包括莫來石和莫來石與堿土鋁硅酸鹽的混合 物例如BSAS，或式RE2Si2O7的稀土硅酸鹽。對于中間層20的合適厚度范圍，取決于具體應(yīng)用，為約25-約75微米。TBC 18用于保護(hù)其覆蓋的在下面的阻擋層22和元件10免于高操作溫度。燃燒液體燃料的渦輪發(fā)動機(jī)中的熱氣路元件比如葉片桶、噴嘴和護(hù)罩通常用熱阻擋涂層(TBC)保護(hù)。用于TBC 18的合適材料包括單獨的YSZ或適當(dāng)加入能夠減少TBC 18的CTE的其它摻雜氧化物的YSZ。用于TBC 18的備選材料包括本領(lǐng)域已知和提出用于熱阻擋涂層的其它陶瓷材料，比如鋯酸鹽和鈣鈦礦材料。對于TBC 18的合適厚度范圍取決于具體應(yīng)用，為約25-約750微米。過渡層24為涂層系統(tǒng)14的任選層，其如果存在，可用于減輕在TBC 18和阻擋層22之間的CTE失配，和/或抑制TBC 18和阻擋層22之間的反應(yīng)，例如在TBC 18含有YSZ和阻擋層22含有化學(xué)計量的BSAS的情況下。如果TBC 18含有YSZ和阻擋層22含有BSAS，用于過渡層24的特別合適的材料包括YSZ與氧化鋁、莫來石和/或堿土金屬鋁硅酸鹽的混合物，如在Wang等共同受讓的美國專利第6444335號中教導(dǎo)的那樣。過去已經(jīng)提出的過渡層材料也包括式RE2Si2O7的稀土硅酸鹽。對于過渡層24的合適厚度將取決于具體應(yīng)用，盡管在至高達(dá)約100微米范圍內(nèi)的厚度通常為適當(dāng)?shù)?。在?dǎo)致本發(fā)明的研究期間，評價了未涂布的含Si基底和用EBC系統(tǒng)保護(hù)的含Si基底在中等溫度范圍內(nèi)對熔鹽沉積物造成的熱腐蝕性侵蝕的敏感性。如先前討論的那樣，I型鈉熱腐蝕由熔融Na2SO4沉積物引起，釩熱腐蝕由熔融V2O5沉積物引起。引發(fā)腐蝕性侵蝕的腐蝕劑可作為燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)燃燒的燃料中的雜質(zhì)存在。熱腐蝕的詳細(xì)機(jī)理隨受侵蝕材料的性質(zhì)和腐蝕劑的性質(zhì)、暴露的溫度和時間、熔鹽沉積速率和燃料中有害陽離子(例如鈉和/或釩)的濃度而不同。未涂布的含Si基底和用EBC系統(tǒng)保護(hù)的含Si基底兩者均顯示對腐蝕性侵蝕非常敏感。研究確定，CMC未給予超過它們用于燃燒含有成鹽雜質(zhì)的低等級燃料渦輪機(jī)的超合金替代品的本質(zhì)有利條件。因為TBC 18以及涂層系統(tǒng)14的其它層16、20和22可含有Si和/或復(fù)合鋁硅酸鹽，它們對熱腐蝕敏感并且需要進(jìn)ー步的保護(hù)措施。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，為了保護(hù)涂層系統(tǒng)14的下面的層16、18、20、22和24免于熱腐蝕，所沉積涂層系統(tǒng)14的最外表面由腐蝕阻擋涂層26形成，并且腐蝕阻擋涂層26含有至少ー種含有稀土(RE)氧化物的化合物，該化合物能夠在升高的溫度下與一種或更多種熔鹽，例如由雜質(zhì)比如Na2S04、V2O5, K2SO4和PbSO4在約600°C -約1000°C的范圍內(nèi)形成的液態(tài)鹽腐蝕劑反應(yīng)。另外，在含有稀土氧化物的化合物與熔鹽之間的反應(yīng)必須在腐蝕阻擋涂層26的表面形成致密的保護(hù)性副產(chǎn)物阻擋層28。副產(chǎn)物阻擋層28具有比熔鹽本身更高的熔化溫度(例如約1200°C或者更高)并且防止或延遲進(jìn)ー步的熔鹽向下面結(jié)構(gòu)的滲透。特別合適的含有稀土氧化物的化合物包括(但不限于)稀土氧化物(RE2O3)、稀土磷酸鹽(REPO4)、稀土鋯酸鹽(RE2Zr2O7),稀土鉿酸鹽(RE2Hf2O7)和/或含有稀土氧化物的其它化合物，其非限定性實例包括稀土單硅酸鹽(RE2SiO5)和稀土ニ硅酸鹽(RE2Si2O7)。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，稀土 (RE)元素為Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和/或Lu中的一種或更多種。ー種或更多種含有稀土氧化物的化合物以足以形成副產(chǎn)物阻擋層28的量存在于腐蝕阻擋涂層26中，副產(chǎn)物阻擋層28在圖I中作為涂層系統(tǒng)14和元件10的連續(xù)和最外層描繪。為此，ー種或更多種含有稀土氧化物的化合物以重量計應(yīng)構(gòu)成腐蝕阻擋涂層26的至少15%，例如約30% -約100%，并且更優(yōu)選地為約50% -約100%。除了含有稀土氧化物的化合物，腐蝕阻擋涂層26可進(jìn)ー步含有常規(guī)TBC材料，包括經(jīng)穩(wěn)定的氧化鋯并且特別是氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)和/或其它已知的TBC材料，例如其它陶瓷材料比如鋯酸鹽和鈣鈦礦材料。對于腐蝕阻擋涂層26的合適厚度為至少50微米，例如約50微米-約200微米，并且更優(yōu)選地為約75微米-約125微米，優(yōu)選的厚度取決于具體應(yīng)用。如先前所指出的那樣，在腐蝕阻擋涂層26中存在ー種或更多種含有稀土氧化物的化合物g在促進(jìn)在升高的溫度下與熔鹽的反應(yīng)，并且特別是與由于可在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中燃燒的低等級燃料中的雜質(zhì)而可形成的那些鹽的反應(yīng)。用于通過腐蝕阻擋涂層26形成的副產(chǎn)物阻擋層28的合適組成包括REV04、RE2V2O7和/或Na-RE-Si-O化合物，其中RE為腐蝕阻擋涂層26的稀土氧化物的稀土金屬。例如，含有至少15重量％的稀土氧化物比如Y2O3 (氧化釔)作為含有稀土氧化物的化合物的腐蝕阻擋涂層26能夠與V2O5反應(yīng)形成YVO4反應(yīng)產(chǎn)物，該產(chǎn)物具有約1810°C的熔化溫度并形成副產(chǎn)物阻擋層28，其然后抑制另外的V2O5滲透進(jìn)入涂層系統(tǒng)14的內(nèi)部層16、20、22、24和18。還相信氧化釔與含有Na2O的熔鹽比如Na2SO4反應(yīng)形成Na-Y-Si-O化合物，其熔化溫度可高達(dá)約1365°C。像這樣，含有足夠 量氧化釔和/或一種或更多種類似的含有稀土氧化物的化合物的腐蝕阻擋涂層26應(yīng)能夠保護(hù)或至少顯著延長在高溫下暴露于熔鹽的燃?xì)廨啓C(jī)元件的壽命。為了促進(jìn)其對裂縫或散碎和下面的基底12與涂層16、20、22、24和18暴露于熔鹽的抗性，可調(diào)節(jié)腐蝕阻擋涂層26中的ー種或更多種含有稀土氧化物的化合物的含量，以增大其順應(yīng)性和/或促進(jìn)更接近地匹配其保護(hù)的基底的熱膨脹系數(shù)(CTE)。例如，腐蝕阻擋涂層26可含有相對大量的Y2Si2O7，其CTE為約5ppm/°C，并與典型CMC相客。備選地或另外地，ー種或更多種含有稀土氧化物的化合物可基于具有更接近地匹配腐蝕阻擋涂層26其余部分的CTE來進(jìn)行選擇。例如，純RE2O3化合物和REPO4化合物的CTE通常與YSZ的CTE相客。腐蝕阻擋涂層26可単獨使用或與用于保護(hù)涂層系統(tǒng)14及其在下面的基底12免于熱腐蝕的其它方法組合使用。例如，腐蝕阻擋涂層26可與ー種或更多種加入到含有釩的液體燃料以產(chǎn)生惰性高熔點產(chǎn)物比如Mg3V2O8的Mg化合物組合使用。已知這些產(chǎn)物固定釩-基雜質(zhì)以抑制釩-誘導(dǎo)的熱腐蝕。如同現(xiàn)有技術(shù)的粘合涂層和環(huán)境涂層，涂層系統(tǒng)14的層16、18、20、22和24以及腐蝕阻擋涂層26可經(jīng)熱噴涂エ藝?yán)缈諝夂驼婵盏入x子噴涂(分別為APS和VPS)単獨沉積，盡管可預(yù)見沉積可經(jīng)其它已知技術(shù)比如化學(xué)氣相沉積(CVD)和高速氧-燃料(highvelocity oxy-fuel, HV0F)エ藝實施。腐蝕阻擋涂層26也可經(jīng)已知技術(shù)比如衆(zhòng)料涂布和PVD技術(shù)沉積，可實施后者以在單個的層16、18、20、22、24和26中的一層或更多層中得到柱狀晶粒結(jié)構(gòu)?？稍诔练e單個的層16、18、20、22、24和/或26之后實施熱處理，以減輕從升高的沉積溫度冷卻期間產(chǎn)生的殘留應(yīng)力。如先前所指出的那樣，本發(fā)明的腐蝕阻擋涂層26也適用于在對熔鹽腐蝕(熱腐蝕)敏感的超合金元件上使用。圖2描繪這樣的元件30為，其具有用熱阻擋涂層(TBC)系統(tǒng)34保護(hù)的超合金基底32。也如在圖2中顯示的那樣，TBC系統(tǒng)34包括金屬粘合涂層36和陶瓷外涂層38。粘合涂層36 g在給元件30的在下面的基底32提供環(huán)境保護(hù)，而外涂層38(任選地與元件30的內(nèi)部冷卻組合)減低元件30的操作溫度，從而使得比起否則可能的 幸存溫度，元件30能夠在更高的溫度環(huán)境內(nèi)幸存。多種材料可用于外涂層38，包括氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)組合物，它們由于其高溫能力、低導(dǎo)熱率和相對容易沉積已經(jīng)得到廣泛使用。用于粘合涂層36的合適材料包括抗氧化覆蓋涂層比如MCrAlX (其中M為鐵、鈷和/或鎳，和X為釔、稀土金屬和/或反應(yīng)性金屬)，和可含有化合物比如鋁化物金屬間化合物的抗氧化擴(kuò)散涂層。腐蝕阻擋涂層26及其形成的副產(chǎn)物阻擋層28可如參照圖I所描述的那樣。盡管本發(fā)明已經(jīng)根據(jù)優(yōu)選的實施方案得到描述，顯而易見的是其它形式可由本領(lǐng)域技術(shù)人員采用。因此，本發(fā)明的范圍僅通過所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.在物品(10，30)的基底(12，32)上的涂層系統(tǒng)(14，34)，該涂層系統(tǒng)(14，34)包含覆在基底(12，32)上的至少ー個涂層(16，18，20，22，24，36，38)，該涂層(16，18，20，22，24，36，38)具有對熔鹽雜質(zhì)促進(jìn)的熱腐蝕敏感的組成，其特征在于 腐蝕阻擋涂層(26)，其覆在涂層(16，18，20，22，24，36，38)上并含有至少ー種與熔鹽雜質(zhì)反應(yīng)以在腐蝕阻擋涂層(26)的表面形成致密的保護(hù)性副產(chǎn)物阻擋層(28)的含有稀土氧化物的化合物，該至少ー種含有稀土氧化物的化合物以至少15重量％的量存在于腐蝕阻擋涂層(26)中并且選自稀土氧化物(RE2O3)、稀土磷酸鹽(REPO4)、稀土鋯酸鹽(RE2Zr2O7)、稀土鉿酸鹽(RE2Hf2O7)。
2.權(quán)利要求I的涂層系統(tǒng)(14)，其特征在于基底(12)由選自以下的含硅材料形成金屬硅化物合金；用碳化硅、氮化硅、硅化物和/或硅強(qiáng)化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料；具有碳化硅、氮化硅、硅化物和/或硅基質(zhì)的復(fù)合材料；以及具有用碳化硅、氮化硅、硅化物和/或硅強(qiáng)化的碳化硅、氮化硅、硅化物和/或硅基質(zhì)的復(fù)合材料。
3.權(quán)利要求2的涂層系統(tǒng)(14)，其進(jìn)ー步特征在于在基底(12)與涂層(18，20，22，24)之間的至少ー個粘合涂層(16)，粘合涂層(16)由元素硅、硅合金和具有一種或更多種另外的陶瓷相的硅中的至少ー種形成。
4.權(quán)利要求2或3的涂層系統(tǒng)(14)，其特征在于涂層(22)為包含硅酸鹽、堿土金屬鋁硅酸鹽和/或稀土金屬硅酸鹽的環(huán)境阻擋層(22)。
5.權(quán)利要求I的涂層系統(tǒng)(34)，其特征在于基底(32)由選自鎳-基、鈷-基和鉄-基超合金的金屬材料形成。
6.權(quán)利要求5的涂層系統(tǒng)(34)，其進(jìn)ー步特征在于在基底(32)與涂層(38)之間的至少ー個粘合涂層(36)，粘合涂層(36)由MCrAlX覆蓋涂層(其中M為鐵、鈷和/或鎳，X為釔、稀土金屬和/或反應(yīng)性金屬)或擴(kuò)散鋁化物形成。
7.權(quán)利要求5或6的涂層系統(tǒng)(34)，其進(jìn)ー步特征在于在涂層(36)與腐蝕阻擋涂層(26)之間的至少ー個熱阻擋層(38)。
8.權(quán)利要求1-7中任何一項的涂層系統(tǒng)(14，34)，其特征在于腐蝕阻擋涂層(26)的至少ー種含有稀土氧化物的化合物含有選自Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu的元素的氧化物。
9.權(quán)利要求1-8中任何一項的涂層系統(tǒng)(14，34)，其進(jìn)ー步特征在于在腐蝕阻擋涂層(26)表面上的副產(chǎn)物阻擋層(28)，副產(chǎn)物阻擋層(28)限定涂層系統(tǒng)(14，34)的最外表面層并且選自REV04、RE2V2O7和Na-RE-Si-O化合物。
10.權(quán)利要求1-9中任何一項的涂層系統(tǒng)(14)，其特征在于物品(10)為燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種防熱腐蝕涂層和由其保護(hù)的元件。在暴露于高溫的物品(10，30)的超合金或含硅基底(12，32)上的涂層系統(tǒng)(14，34)。涂層系統(tǒng)(14，34)包括覆在基底(12，32)上并對熔鹽雜質(zhì)促進(jìn)的熱腐蝕敏感的涂層(16，18，20，22，24，36，38)。腐蝕阻擋涂層(26)覆在涂層(16，18，20，22，24，36，38)上并含有至少一種與熔鹽雜質(zhì)反應(yīng)形成致密的保護(hù)性副產(chǎn)物阻擋層(28)的含有稀土氧化物的化合物。
文檔編號B32B15/00GK102689461SQ201210087
公開日2012年9月26日 申請日期2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月22日
發(fā)明者P·J·梅施特, R·G·羅維 申請人:通用電氣公司