[发明专利]具有工程表面以加强对高温负载下的蠕变滑动的抵抗性的二氧化硅形成制品

说明书

政府权益

本技术利用由能源部授予的合同号DE-FC26-05NT42643下的政府支持下开发出。政府可能对提出的发明具有一定权利。

相关申请的交叉引用

2012年12月11提交且题为ENVIRONMENTALBARRIERCOATINGSANDMETHODSTHEREFOR的共同转让的美国申请13/711,250的内容通过引用并入本文中。

技术领域

本技术大体上涉及适用于保护暴露于高温环境(诸如涡轮发动机的不利的热环境)的构件的涂层系统和方法。更具体而言，该技术针对构件的含硅区域上的环境阻隔涂层(EBC)，以及将表面特征并入含硅区域中来在升高温度下经历剪切负载时阻止EBC的蠕变位移。

背景技术

不断需求涡轮发动机的较高操作温度以便提高其效率。尽管已经通过基于铁、镍和钴的超级合金实现了高温能力的显著进步，但已经研究出了备选的材料。陶瓷复合材料目前被考虑用于此高温应用中作为燃烧器衬套、导叶、护罩、叶片和涡轮发动机的其它热区段构件。陶瓷复合材料的一些实例包括硅基复合物，例如，其中硅、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si₃N₄)和/或硅化物用作增强相和/或基质相的复合材料。

在许多高温应用中，保护涂层对于含Si材料是有益的或需要的。此涂层应当通过阻止含水环境中的含Si材料的退化的主要机制(即，挥发性氢氧化硅(例如，Si(OH)₄)产物的形成)来保护。具有这些功能的涂层系统将在下文中称为环境阻隔(EBC)系统。用于涂层材料的期望的性质包括与含Si基底材料相容的热膨胀系数(CTE)、氧化剂的低渗透性、低导热率、稳定性和与含Si材料的化学相容性。

含硅连结涂层的硅含量在高温下与氧反应，以主要形成无定形二氧化硅(amorphoussilica)(SiO₂)结垢，但氧化物产物的一部分可为结晶二氧化硅或连结涂层和/或EBC的其它组分的氧化物。无定形二氧化硅产物呈现出低的透氧性。结果，连同含硅连结涂层，在连结涂层上热增长的二氧化硅产物能够形成保护性阻隔层。

形成在含硅连结涂层上的无定形二氧化硅产物在使用中具有相对低的粘性，且因此在剪切负载下的高蠕变率。高剪切负载(例如，从大约0.1到10MPa)可由移动零件(诸如，涡轮发动机的叶片(轮叶))的高频旋转引起的g力(例如，从大约10,000到大约100,000g的力)施加。此剪切负载可引起EBC关于连结涂层和基底的蠕变位移，这可导致下覆基底的严重EBC破坏和EBC保护的损失。

发明内容

本技术提供了一种环境阻隔涂层(EBC)系统和制造由含硅材料(诸如，陶瓷基质复合物(CMC))形成的制品上的EBC系统的方法，其中含硅材料用作增强相和/或基质相。EBC系统和方法特别良好适用于保护暴露于包括涡轮发动机的不利热环境的高温的含硅制品。

根据该技术的一个实例，一种制品包括：含硅区域；上覆含硅区域的表面的至少一个外层；以及在含硅区域的表面上且在含硅区域和至少一个外层之间并接触它们的组分层(即，热增长氧化物或TGO层)，组分层至少部分地由含硅区域的组分形成，且易于在制品的操作环境内蠕变，其中连结涂层和/或基底限定多个通道和多个凸脊，其在形成于含硅区域中的多个通道内联锁，以使至少一个外层与含硅区域经由组分层物理地联锁。

通过使含硅区域与环境阻隔涂层系统的初始层联锁，可归因于组分层(例如，在含硅区域或层上热增长的二氧化硅层)的蠕变的EBC的位移可基本阻止，由此促进了环境阻隔涂层系统的结构完整性，以及其在高温应用中保护制品的能力。该技术可适用于结合已知的环境阻隔涂层材料使用，且联锁特征可使用各种过程产生。

附图说明

在参照附图阅读以下详细描述时，本技术的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，附图中相似的标号表示附图各处相似的部分，在附图中：

图1示意性地绘出了可涂布有本技术的且根据本技术的方面的涂层的制品或构件；

图2示意性地绘出了根据本技术的实例的包括涂层的图1的制品或构件的区段；

图3示意性地绘出了处于第一状态的根据本技术的一个实例的制品或构件的连结涂层的工程表面；

图4示意性地绘出了处于第二状态的图3的工程表面；