[发明专利]高温陶瓷复合材料的预处理

说明书

本申请提供了涂层部件及其形成方法。涂层部件可包括具有围绕陶瓷核心的Si‑处理层的陶瓷基质和在陶瓷基质的Si‑处理层上的环境屏障涂层。陶瓷核心可包括碳化硅，并且Si‑处理层可经预处理以使其表面性质适合于在Si‑处理层暴露于氧时，抑制或延缓碳氧化物的形成。

技术领域

本发明一般涉及陶瓷部件上的环境屏障涂层的用途，及其形成和使用方法。

背景技术

为了提高燃气涡轮发动机的效率，正不断寻求燃气涡轮发动机的更高的工作温度。然而，随着工作温度增加，发动机部件的高温耐久性必须相应地提高。通过基于铁、镍和钴的超级合金的配方，在高温能力方面已取得重大进展。尽管如此，对于很多从超级合金构造的热气体路径部件，热屏障涂层(TBC)可被用来使部件绝热，并可在承重合金与涂层表面之间维持一个可观的温差，因而限制结构部件的热暴露。

尽管超级合金已发现广泛用于整个燃气涡轮发动机使用的部件，且特别是在较高温度部分中，但已提议了替代的重量较轻的基质材料，例如陶瓷基体复合材料(CMC)。CMC和单片陶瓷部件可用环境屏障涂层(EBC)涂布，以保护它们免受高温引擎部分的恶劣环境。EBC可在高温燃烧环境中提供针对腐蚀性气体的保护。

碳化硅和氮化硅陶瓷在干燥、高温环境中经受氧化。这种氧化在材料表面产生钝态的氧化硅锈皮。在含有水蒸气的潮湿、高温环境(例如涡轮发动机)中，由于形成钝态的氧化硅锈皮和随后氧化硅转化为气态氢氧化硅，氧化和衰退同时发生。为防止在潮湿、高温环境中的衰退，环境屏障涂层(EBC)被沉积在碳化硅和氮化硅材料(包括碳化硅纤维增强的碳化硅基体(SiC/SiC)复合材料)上。

目前，EBC材料由稀土硅酸盐化合物制得。这些材料密封水蒸气，防止其到达碳化硅或氮化硅表面上的氧化硅锈皮，从而防止衰退。然而，这样的材料不能阻止氧气渗透，这导致下层基质的氧化。基质的氧化产生钝态的氧化硅锈皮，伴随着含碳或含氮氧化物气体的释放。含碳(即，CO、CO₂)或含氮(即，NO、NO₂等)氧化物气体不能通过致密的EBC逸出，因而形成气泡。迄今为止，使用硅粘结涂层已经解决了这个起泡的问题。硅粘结涂层提供了一个层，其氧化(形成在EBC下的钝态氧化硅层)，而不释出气体副产物。

然而，硅粘结涂层的存在限制了EBC的较高工作温度，因为硅金属的熔点相对较低。在使用中，硅粘结涂层在约1414℃的涂布温度下熔化，该温度是硅金属的熔点。在这些熔化温度之上，硅粘结涂层可从下层基质脱层，有效去除粘结涂层及其上面的EBC。因此，理想的是，消除对EBC中硅粘结涂层的需要，以达到对EBC的更高工作温度极限。

发明内容

本发明的各方面和优点将在下面的描述中部分阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过实践本发明而得知。

一般提供涂层部件，其在一个实施方案中可包括具有围绕陶瓷核心的Si-处理层的陶瓷基质和在陶瓷基质的Si-处理层上的环境屏障涂层。陶瓷核心可包括碳化硅，和Si-处理层可经预处理以使其表面性质适合于在Si-处理层暴露于氧时，抑制或延缓碳氧化物的形成。

在一个实施方案中，Si-处理层经预处理以使环境屏障涂层直接涂布于其上，而在这两者之间没有硅粘结涂层。例如，环境屏障涂层可直接在陶瓷基质的Si-处理层上。

在特定的实施方案中，陶瓷核心包含具有第一比例的硅与碳的碳化硅，Si-处理层包含具有第二比例的硅与碳的碳化硅，其中相对于第一比例，第二比例具有更大量的硅。

在一个特定的实施方案中，Si-处理层是陶瓷核心构成整体所需要的，并具有从Si-处理层的外表面向陶瓷核心延伸至陶瓷基质约750 µm或更少的深度(如，25 µm-约260µm的深度)。

在一个实施方案中，Si-处理层可以是陶瓷核心上的施加层，例如具有约1 µm-约250 µm的厚度。在这样的实施方案中，屏障层可在陶瓷核心和Si-处理层之间，例如包含稀土二硅酸盐的屏障层。