用于包含硅的耐火襯底的環(huán)境屏障的制作方法
【專利說明】用于包含括的耐火襯底的環(huán)境屏障
【背景技術】
[0001] 本發(fā)明設及提供一種包括襯底的部件，在所述襯底中與表面相鄰的至少一部分由 一種包含娃的耐火材料制成，在所述部件在高溫下在氧化介質中使用時具有保護，通過在 所述襯底的表面上形成一個環(huán)境屏障獲得所述保護。
[0002] 本發(fā)明特別地設及由耐火復合材料制成的保護部件，耐火復合材料為諸如包含娃 的陶瓷基復合（CMC)材料，特別地一種具有由陶瓷纖維制成的纖維增強物的CMC,如碳化娃 (SiC)纖維或基于碳化娃的纖維，W及一種至少局部地由碳化娃制成的基質。
[0003] 本發(fā)明應用的特定領域是保護形成燃氣輪機的熱部的CMC部件，諸如用于航空發(fā) 動機W及用于工業(yè)滿輪機的燃燒室壁，或滿輪環(huán)，或滿輪噴嘴，或滿輪葉片。
[0004] 文獻W0 2010/072978描述了形成一種具有基于氧化物體系的至少一個自愈層的 環(huán)境屏障，該氧化物體系由至少一種稀±氧化物、二氧化娃和氧化侶形成。選擇該自愈層的 成分W使之在達到至少約1400°C時保存主要固相，同時在等于或高于約1400°C的溫度下 呈現(xiàn)至少一個液相，足夠數(shù)量下的該液相在運種溫度下實施自愈功能。
[0005] 然而，需要保護在維護中暴露到位于低于1400°C的溫度范圍內的溫度的CMC部 件。當該CMC材料的纖維增強物由SiC纖維或基于SiC的纖維制成時，運特別地適用，該基 于SiC的纖維具有在1400°C變得明顯退化的屬性，但其成本比無損害地能夠承受1400°C或 W上的溫度的碳化娃纖維明顯更少。
[0006] 發(fā)明目的和內容
[0007] 在第一方面，本發(fā)明提供了一種包括襯底和環(huán)境屏障的部件，在所述襯底中與所 述襯底的表面相鄰的至少一部分由一種包含娃的耐火材料制成，所述環(huán)境屏障在所述襯 底的表面上形成并且具有包含稀±娃酸鹽的至少一個自愈層，在所述部件中，所述自愈層 的： 陽00引 ?至少90的摩爾百分數(shù)（mol% )由一種體系形成，該體系由30mol%到最多 80mol%的至少一種稀±娃酸鹽REzSizO?W及至少20mol%到70mol%的氧化儘（MnO)構成，RE是稀±擬及
[0009] ?最多l(xiāng)Omol%由除MnO之外的一種或多種氧化物形成，該一種或多種氧化物與 Si化的共晶點小于或等于1595°C;
[0010] 所述自愈層至少在1200°c到1400°C的溫度范圍中呈現(xiàn)具有自愈功能的液相，同 時保存主要固相。
[0011] 在本文中使用術語"具有自愈功能的液相"是指存在的液相數(shù)量足W有效封閉 可能出現(xiàn)在所述環(huán)境屏障中的裂縫，即在所述成分中，所述自愈層至少5mol%但不超過 40mol%，從而保存良好的抗吹走性能。
[0012] 所述稀±可從錠、筑和銅系元素（例如鏡和巧）中選擇。
[0013] 所述環(huán)境屏障也可包括一種插入在所述襯底的表面和所述自愈層之間的襯層，并 且從W下選擇：
[0014] ?基本上由至少一種稀±娃酸鹽REzSizOy構成的襯層；
[0015] ?基本上由沉積在娃涂層上的至少一種稀±娃酸鹽REzSizO,構成的襯層，所述娃涂 層形成在所述襯底上；
[0016] ?基本上由莫來石構成的襯層；
[0017] ?基本上由沉積在娃涂層上的莫來石構成的襯層，所述娃涂層形成在所述襯底上； W及
[0018] ?基本上具有娃-莫來石成分梯度的襯層，所述成分梯度從所述襯底旁邊的娃開 始并W所述自愈層旁邊的莫來石結束。
[0019] 在一個實施方式中，所述自愈層插入在所述襯底和一個如由耐火材料或耐磨材料 制成的外層之間。
[0020] 在第二方面，本發(fā)明提供了一種提供襯底的方法，在所述襯底中與表面相鄰的至 少一部分由一種包含娃的耐火材料制成，通過在如上所限定的襯底的表面上形成環(huán)境屏 障，當所述襯底在高溫下在氧化介質中使用時具有保護。
【附圖說明】
[0021] 在閱讀通過非限制性表示給出的W下描述后，可W更好地理解本發(fā)明。參考附圖， 其中：
[0022] ?圖1是由包含娃的復合材料制成的部件的非常圖解的視圖，該部件提供有本發(fā) 明的一個實施方式中的環(huán)境屏障；W及
[0023] ?圖2至17是通過掃描電子顯微鏡獲得的照片，示出了根據(jù)本發(fā)明W及不根據(jù)本 發(fā)明的環(huán)境屏障的表面狀態(tài)。
【具體實施方式】
[0024] 在W下的詳細描述中，環(huán)境屏障在一種包含娃的CMC材料的襯底上形成。然而應 該記住的是，本發(fā)明適用于由包含娃的單片耐火材料制成的襯底，W及更通常地適用于與 表面相鄰的至少一部分由包含娃的耐火材料（該材料為復合或單片的）制成的襯底。
[00巧]圖1是一種在本發(fā)明的一個實施方式中具有環(huán)境屏障20的襯底10的高度圖解視 圖。
[00%] 襯底10由一種包含娃的CMC材料制成并且包括可由碳（C)纖維或陶瓷纖維制成 的纖維增強物，所述碳（C)纖維或陶瓷纖維為例如SiC纖維或基本由SiC制成的纖維，包 括Si-C-0或Si-C-0-N纖維，即還包含氧W及可能地氮。運種纖維由日本供應商Nippon CarbonW"Nicalon"或"HiNicalon"或"Hi-NicalonTypeS"商品名生產(chǎn)，或由日本供應 商化eIn化striesW"Tyrann〇-ZMI"商品名生產(chǎn)。陶瓷纖維可被涂敷有熱解碳（PyC)、氮 化棚度腳或棚滲雜碳度C，具有5到20個原子百分比（at% )的B，余量為C)的薄的相間 層。
[0027] 該纖維增強物由一種基質強化，該基質全部或至少在外基質相中由一種包含娃的 材料構成，諸如娃化合物，如SiC，或例如Ξ元Si-B-C體系。使用術語"外基質相"是指最后 形成的基質相，所述相距離該纖維增強物最遠。在運種情況下，該基質可由不同種類的多個 層組成，例如： 陽〇2引混合的C-SiC基質（該SiC在外側上）；
[0029] 一種具有SiC和低剛度的基質相的交替相的順序基質，如熱解碳（PyC)、氮化棚 度腳或棚滲雜碳度C)的，該基質的終端相由SiC制成；或
[0030] 一種自愈基質，具有由碳化棚度4〇制成的或由Si-B-CS元系統(tǒng)制成的基質相， 可能具有自由碳度4C+C，Si-B-C+C)，W及具有Si-B-C或SiC的終端相。
[0031] 特別地是在W下文件中描述了運種CMC材料：US5 246 736、US5 965 266、US6 291 058W及US6 068 930,該基質相通過化學氣相滲透（CVI)形成。
[0032] 該基質也可至少局部地通過引入粉末形成，特別地引入碳粉末W及可能還有陶瓷 的粉末，并且也可通過用基于烙融狀態(tài)的娃的金屬成分滲透，從而形成SiC-Si類型的基 質。運種過程是已知的并且通常稱為烙體滲透（MI)。
[0033] 環(huán)境屏障20在該襯底10的整個外表面上或僅在該表面的一部分（例如當該表面 的僅一部分需要保護時）上形成。該環(huán)境屏障20包括自愈層22。內層或襯層24可插入在 襯底10和自愈層22之間。外層26可在自愈層上形成。
[0034] 該自愈層22基本上為一種W下體系的形式，即在該示例中為至少90mol%含量的 該體系，該體系由30mol%到80mol%W上的至少一種娃酸鹽REzSizO·/，W及至少20mol% 到70mol%的氧化儘（MnO)構成，其中RE是稀±。該稀±從Y、Sc和銅系元素（例如孔和 Er)中選擇。除了運種體系W外，該自愈層可W包括次要的除MnO之外的一種或多種其他 氧化物，即在該示例中為不超過lOmol%含量的除MnO之外的所述一種或多種其他氧化物， 并且所述一種或多種其他氧化物與Si化的共晶點小于或等于1595Γ，例如從氧化侶A12〇3、 0曰2〇3、In2〇3、佩2〇5、ZnO和了曰2〇5中選擇所述的一種或多種氧化物。添加運些其他的氧化物 特別地用于調制自愈溫度或熱膨脹系數(shù)。
[0035] 然而，忽略不可避免的雜質，該自愈層22優(yōu)選地由一種RE2Si2〇7-MnO體系構成。
[0036] 從W下示例可W看到的，該層22的成分中明顯存在MnO可W形成在最低1200°C到 至高1400°C的整個溫度范圍中具有自愈功能的液相，同時保存主要固相。運并不排除在低 于1200°C(如從115(TC)的溫度下W及在高于1400°C的溫度下具有自愈功能的液相的存 在。
[0037] 可選襯層24可基本上由至少一種稀±娃酸鹽REzSizO,形成W及可沉積在娃涂層 上，該娃涂層形成在襯底上，該稀±例如從Y、Sc和銅系元素（諸如例如孔、Dy、化和La)中 選擇。該襯層24中的稀±可相同于或不同于自愈層22的稀±。
[0038] 襯層24也可基本上由沉積在襯底10上的莫來石直接形成，或由沉積在襯底10上 的莫來石與在襯底上形成的插入娃涂層一起形成，從而增強該莫來石的粘著性。也可W通 過基本上為娃-莫來石成分梯度的涂層形成該襯層，該成分梯度從在該襯底旁邊的娃開始 并W在該自愈層22旁邊的莫來石終止。
[0039] 襯層24可W包括其他次要組分，如用于調制熱膨脹系數(shù)的一種或多種氧化物。運 些其他組分最多為30mol%，并且優(yōu)選襯層24的組分的最多10%。對于該襯層24重要的 是，在使用條件下保持化學和熱穩(wěn)定，W及重要的是其與襯底W及與娃化學地和熱機械地 兼容。換句話說，需要該襯層24在該自愈層22的所尋求自愈溫度下保持固態(tài)和避免在襯 底10和自愈層22之間的任何直接接觸，W及需要其避免與襯底W及包含在該自愈層22中 的娃一起形成任何液相，或來自襯底10的娃的氧化。也需要該襯層24的熱膨脹系數(shù)與襯 底10和自愈層22的熱膨脹系數(shù)相對接近。 柳4〇] 襯層24可選擇地包括與在自愈層的成分中所包括的相同