從陶瓷基體復(fù)合材料去除阻隔涂層、粘合涂層和氧化物層的方法
【專利說明】從陶瓷基體復(fù)合材料去除阻隔涂層、粘合涂層和氧化物層的 方法
[0001 ] 背景 本發(fā)明涉及從暴露于高溫的組件去除防護(hù)涂層，例如燃?xì)鉁u輪發(fā)動機組件。
[0002] 對于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機，持續(xù)尋求較高的運行溫度以便提高它們的效率。然而，當(dāng)運 行溫度增加時，發(fā)動機組件的高溫耐久性必須相應(yīng)增加。在這方面，含硅材料作為基體材料 或增強材料，目前用于高溫應(yīng)用，例如燃燒室和燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的其它熱區(qū)段組件，因為這 些硅材料在較高溫度下運行的良好能力。
[0003] 這樣的高溫材料，例如陶瓷、合金和金屬間化合物，為用于設(shè)計為在例如燃?xì)鉁u輪 發(fā)動機、換熱器和內(nèi)燃機的應(yīng)用中在高溫下使用的結(jié)構(gòu)提供有吸引力的性質(zhì)。然而，這些應(yīng) 用的環(huán)境特征通常包含反應(yīng)性物類例如水蒸汽，其在高溫下可能導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的顯著劣 化。例如，水蒸汽已經(jīng)顯示導(dǎo)致含硅材料的顯著表面凹陷和質(zhì)量損失。水蒸汽與結(jié)構(gòu)材料在 高溫下反應(yīng)以形成揮發(fā)性含硅物類，通常導(dǎo)致不可接受的高凹陷速率。
[0004] 暴露于這些高溫的組件，例如燃?xì)鉁u輪發(fā)動機內(nèi)的組件，通常包括防護(hù)涂層。例 如，渦輪機葉片、渦輪機葉輪和葉片外的空氣密封通常包括一個或多個保護(hù)組件免受侵蝕、 氧化、腐蝕等的涂層，從而提尚耐久性和/或保持發(fā)動機的尚效運行。
[0005] 將環(huán)境阻隔涂層(EBC)涂敷到含硅材料及容易受反應(yīng)性物類例如高溫水蒸汽侵蝕 的其它材料。EBC通過阻止環(huán)境和材料表面之間的接觸而提供保護(hù)。涂敷到含硅材料的EBC 例如設(shè)計成在高溫含水蒸汽環(huán)境中相對化學(xué)穩(wěn)定。如U.S. 6,410,148所描述，一個示例性 常規(guī)EBC系統(tǒng)包含涂敷到含硅基材的硅或二氧化硅粘合層;沉積在粘合層上方的包含富鋁 紅柱石或富鋁紅柱石-堿土鋁硅酸鹽混合物的中間層;和沉積在中間層上方的包含堿土鋁 硅酸鹽的頂層。在另一個實例中，U.S. 6,296,941，頂層是硅酸釔層而不是鋁硅酸鹽。示例 性粘合層或粘合涂層公開于U. S. 6，299，988。
[0006] 雖然已經(jīng)用阻隔涂層材料和生產(chǎn)耐環(huán)境粘合涂層和阻隔涂層兩者的方法實現(xiàn)顯 著進(jìn)步，但還有在特定情況下去除和替代阻隔涂層和粘合涂層的不可避免的需求。例如，可 能由于在發(fā)動機運行期間對陶瓷層的侵蝕或撞擊破壞，或由于需要修復(fù)某些特征(例如渦 輪機葉尖長度)而需要去除。還可能在組件制造期間需要去除阻隔涂層和/或粘合涂層以解 決問題，例如涂層缺陷、裝運損壞，和需要重復(fù)與無涂層相關(guān)的制造操作，所述制造操作需 要去除阻隔涂層和/或粘合涂層，例如放電加工(EDM)操作。
[0007] 當(dāng)前技術(shù)的修復(fù)方法通常導(dǎo)致去除整個阻隔涂層系統(tǒng)，即阻隔涂層和粘合涂層兩 者，其后必須再沉積粘合涂層和阻隔涂層?，F(xiàn)有技術(shù)的用于去除阻隔涂層的研磨工藝通常 涉及噴砂、氣流珩磨和玻璃丸噴丸，每一種都是緩慢、勞動密集的工藝過程，其侵蝕阻隔涂 層和粘合涂層以及涂層下面的基材表面。在重復(fù)使用中，這些去除方法最終通過降低組件 壁厚度而破壞組件。
[0008] 因此，尤其需要新的和改進(jìn)的方法，用于快速去除阻隔涂層和粘合涂層而不損傷 下面的基材，例如陶瓷基體復(fù)合材料基材，例如燃?xì)鉁u輪發(fā)動機組件。
[0009] 概述 本發(fā)明涉及用于暴露于高溫的組件（例如燃?xì)鉁u輪發(fā)動機組件）的防護(hù)涂層。更特別 地，本發(fā)明涉及從陶瓷基體復(fù)合材料去除防護(hù)涂層，特別是這種涂層的快速化學(xué)去除。
[0010] 本公開的一個方面是從陶瓷基體復(fù)合材料去除粘合涂層的方法，所述方法包含： 使包含粘合涂層的陶瓷基體復(fù)合材料與至少一種氫氧化物，經(jīng)過使所述氫氧化物反應(yīng)所必 需的足夠時間；和從所述陶瓷基體復(fù)合材料去除粘合涂層。在一個實施方案中，基本上全部 粘合涂層從陶瓷基體復(fù)合材料組件去除，而不損傷陶瓷基體復(fù)合材料組件。在另一個實施 方案中，氫氧化物選自氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫氧化銨、氫氧化鋰和氫氧化四甲銨。在一個具 體實施方案中，氫氧化物是氫氧化鈉。在一個實施方案中，氫氧化物不是超臨界流體。
[0011] 在一個實施方案中，陶瓷基體復(fù)合材料包含非氧化物基體中的氧化物或非氧化物 纖維。在另一個實施方案中，陶瓷基體復(fù)合材料包含SiC基體中的SiC纖維、含硅化物基體中 的SiC纖維、Si-SiC基體中的SiC纖維、碳基體中的碳纖維、SiC基體中的碳纖維或SiC基體中 的氧化鋁纖維。在一個實施方案中，粘合涂層包含硅或含硅基材。在一個實施方案中，氫氧 化物包含至少5重量％的氫氧化物且余量基本為水。在一個實施方案中，氫氧化物包含約10 重量%-約40%氫氧化鈉。
[0012] 在所述方法的一個實施方案中，接觸和去除步驟在高于環(huán)境的升高的溫度和壓力 下實施。特別地，在一個實例中，升高的溫度為至少約120°C且升高的壓力為約Ο.Ι-lMPa。在 一個實施方案中，溶液處于至少約50°C的溫度。在一個實施方案中，接觸和去除步驟與對所 述液體提供超聲能同步進(jìn)行。在一個實施方案中，具有阻隔涂層和/或粘合涂層的陶瓷基體 復(fù)合材料與氫氧化物接觸30秒或更多。在一個實施方案中，所述方法還包括在與所述氫氧 化物接觸的步驟后，使基材與水在比所述苛性堿液體溫度低的溫度下接觸的步驟。在一個 實施方案中，將涂布基材浸沒在容納于向環(huán)境大氣敞開的容器內(nèi)的苛性堿液體中。在一個 實施方案中，所述方法還包含從陶瓷基體復(fù)合材料去除氧化物層。
[0013] 本公開的一個方面是從陶瓷基體復(fù)合材料去除阻隔涂層的方法，所述方法包含： 使涂布的陶瓷基體復(fù)合材料與包含至少一種氫氧化物的苛性堿液體接觸，經(jīng)過所述液體化 學(xué)侵蝕阻隔涂層下面的粘合涂層所必需的足夠時間，導(dǎo)致所述阻隔涂層從所述陶瓷基體復(fù) 合材料分離，從而去除阻隔涂層。
[0014] 陶瓷基體復(fù)合材料包含非氧化物基體中的氧化物或非氧化物纖維。在一個實施方 案中，陶瓷基體復(fù)合材料包含SiC基體中的SiC纖維、含硅化物基體中的SiC纖維、Si-SiC基 體中的SiC纖維、碳基體中的碳纖維、SiC基體中的碳纖維或SiC基體中的氧化鋁纖維。在具 體實施方案中，陶瓷基體復(fù)合材料包含在Si-SiC基體中的SiC纖維。
[0015] 本公開的一個方面是從陶瓷基體復(fù)合材料去除氧化物層的方法，所述方法包含： 使包含氧化物層的陶瓷基體復(fù)合材料與至少一種氫氧化物接觸，經(jīng)過使所述氫氧化物反應(yīng) 所必需的足夠時間；和從所述陶瓷基體復(fù)合材料去除所述氧化物層。在一個實例中，氧化物 層包含二氧化硅。在一個實施方案中，氫氧化物是氫氧化鈉。
[0016] 本公開的另一個方面是從陶瓷基體復(fù)合材料去除粘合涂層的方法，所述方法包 含:使包含粘合涂層的陶瓷基體復(fù)合材料與至少一種含氮堿的水溶液接觸，經(jīng)過使所述溶 液反應(yīng)所必需的足夠時間；和從所述陶瓷基體復(fù)合材料去除粘合涂層。在一個實施方案中， 基本上全部粘合涂層從陶瓷基體復(fù)合材料組件去除，而不損傷陶瓷基體復(fù)合材料組件。
[0017] 在一個實施方案中，含氮堿選自乙二胺、吡嗪、乙醇胺和肼。在一個具體實施方案 中，含氮堿是乙二胺。在一個實施方案中，陶瓷基體復(fù)合材料包含非氧化物基體中的氧化物 或非氧化物纖維。在另一個實施方案中，陶瓷基體復(fù)合材料包含SiC基體中的SiC纖維、含硅 化物基體中的SiC纖維、Si-SiC基體中的SiC纖維、碳基體中的碳纖維、SiC基體中的碳纖維 或SiC基體中的氧化鋁纖維。在一個實施方案中，陶瓷基體復(fù)合材料包含Si-SiC基體中的 SiC纖維。在另一個實施方案中，粘合涂層包含硅或含硅基材。
[0018] 在一個實施方案中，溶液包含至少50重量%含氮堿。在另一個實施方案中，氫氧化 物包含約50重量%-約80重量％乙二胺、5重量%-約20重量%鄰苯二酚和5重量%-約50重量%水。 在一個實施方案中，接觸和去除步驟在高于環(huán)境的升高的溫度和壓力下進(jìn)行。在一個實施 方案中，升高的溫度為至少約115°C且升高的壓力為約0.1-lMPa。在一個實施方案中，溶液 處于至少約50°C溫度。
[0019] 在一個實施方案中，接觸和去除步驟與對所述液體提供超聲能同步進(jìn)行。在另一 個實施方案中，具有阻隔涂層和/或粘合涂層的陶瓷基體復(fù)合材料與溶液接觸30秒或更多。 在一個實施方案中，所述方法還包括在與所述溶液接觸的步驟后，使所述基材與水在比所 述苛性堿液體的溫度低的溫度下接觸。在另一個實施方案中，將涂布基材浸沒在容納于向 環(huán)境大氣敞開的容器內(nèi)的苛性堿液體中。
[0020] 本公開的這些及其它方面、特征和優(yōu)點將由本公開的各方面的以下詳述結(jié)合附圖 變得顯而易見。
[0021] 附圖簡述 在說明書結(jié)尾的權(quán)利要求中特別指出和清楚地要求保護(hù)認(rèn)為是本發(fā)明的主題。本公開 的上述和其它特征和優(yōu)點將由本發(fā)明方面的以下詳述結(jié)合附圖而容易理解，其中： 圖1顯示與以下表1相同的數(shù)據(jù)，除了沒使用氧化CMC結(jié)果。該實驗的目的在于評價CMC/ 粘合涂層系統(tǒng)中各組分的腐蝕速率。Si-SiC/SiC CMC試樣表示基礎(chǔ)基材。硅試樣表示粘合 涂層而二氧化硅試樣表示在加工熱處理和在升高的溫度下使用期間在CMC暴露區(qū)域上形成 的熱生長氧化物。腐蝕速率數(shù)據(jù)針對20-25%Na0H水溶液，在環(huán)境壓力下。該圖直觀表明硅腐 蝕比CMC快得多，且二氧化硅以類似CMC的速率腐蝕。硅腐蝕速率比起CMC腐蝕速率的高選擇 性對于去除粘合涂層是重要的，因為粘合涂層具有顯著厚度(50-150μπι)，因此高選擇性保 證在腐蝕過程期間對CMC無損傷。在加工和使用期間在CMC暴露表面上形成的氧化物皮層 (oxide scale)通常?。ā处│苔笑?且具有很高的表面積，因此二氧化娃相對于CMC較低的選擇 性是