本發(fā)明技術(shù)涉及環(huán)境阻擋涂層，且更特別涉及向灰塵沉積物提供改善的抵抗性的環(huán)境阻擋涂層。

背景技術(shù)：

為了提高它們的效率，不斷尋求用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的較高操作溫度。然而，當(dāng)操作溫度提高時(shí)，必須保持發(fā)動(dòng)機(jī)部件制造材料的高溫耐用性。通過(guò)鐵、鎳和鈷基超合金的改進(jìn)的配制和加工，已經(jīng)獲得發(fā)動(dòng)機(jī)部件的高溫性能的顯著進(jìn)步。雖然超合金已經(jīng)在燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其在較高溫度部分的部件中發(fā)現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用，但是已經(jīng)提議備選的重量較輕、溫度較高的部件材料。

陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料(CMCs)為一類(lèi)包括增強(qiáng)材料的材料，該增強(qiáng)材料被陶瓷基質(zhì)相包圍。這類(lèi)材料，連同某些整體式陶瓷(即不含增強(qiáng)材料的陶瓷材料)，當(dāng)前被用于各種高溫應(yīng)用。這些陶瓷材料與超合金相比重量輕，然而仍可以向由其制得的部件提供強(qiáng)度和耐用性。因此，這類(lèi)材料目前被考慮用于在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的較高溫度部分中使用的許多燃?xì)廨啓C(jī)部件，例如葉片(動(dòng)葉和靜葉)、燃燒器襯里、護(hù)罩和其他類(lèi)似的部件，其可以受益于通過(guò)這些材料提供的較輕重量和較高溫度的性能。

CMC和整體式陶瓷部件可以涂布有環(huán)境阻擋涂層(EBC)，以保護(hù)它們免受高溫發(fā)動(dòng)機(jī)部分的苛刻環(huán)境。EBC可以在熱燃燒環(huán)境中提供抗腐蝕性氣體的致密、氣密的密封，熱燃燒環(huán)境中的腐蝕性氣體可以快速氧化含硅CMC和整體式陶瓷。另外，氧化硅在高溫蒸汽中并不穩(wěn)定，而是轉(zhuǎn)化成揮發(fā)性(氣態(tài))硅氫氧化物類(lèi)物質(zhì)。因此，EBC可以幫助防止陶瓷部件中由于這類(lèi)氧化和揮發(fā)過(guò)程導(dǎo)致的尺寸變化。

在世界的許多地區(qū)正在操作包括CMC部件的飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)，其中被壓縮空氣吸入的灰塵能沉積在熱級(jí)CMC部件的表面上，并減少EBC的壽命。熱氣路徑發(fā)動(dòng)機(jī)部件能經(jīng)歷起因于環(huán)境微粒物質(zhì)的吸入和沉積的性能損失，尤其在空轉(zhuǎn)、起飛和著陸期間。灰塵顆粒在燃?xì)廨啓C(jī)部件的表面上聚集能導(dǎo)致部件過(guò)熱；另外，熔融的灰塵沉積物能與EBC化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致EBC開(kāi)裂和剝落，接著將下面的CMC不合乎需要地暴露到發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境?；覊m沉積可因此降低EBC耐用性，并導(dǎo)致CMC的過(guò)早降解以及降低的部件壽命。在EBC的組成和特性中，存在改善的要求，以便改善對(duì)灰塵沉積的抵抗力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例，用于燃?xì)廨啓C(jī)部件的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)包含至少一個(gè)稀土金屬二硅酸鹽層和至少一個(gè)稀土金屬單硅酸鹽層。所述至少一個(gè)稀土金屬二硅酸鹽層或所述至少一個(gè)稀土金屬單硅酸鹽層中的至少一者包含堿土金屬氧化物摻雜劑。

根據(jù)本發(fā)明技術(shù)的另一個(gè)實(shí)施例，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的部件用如本文中所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)涂布。

本申請(qǐng)涉及：

方面1. 一種用于燃?xì)廨啓C(jī)的部件的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，所述涂層系統(tǒng)包括：

至少一個(gè)稀土金屬二硅酸鹽層；和

至少一個(gè)稀土金屬單硅酸鹽層，

其中所述至少一個(gè)稀土金屬二硅酸鹽層或所述至少一個(gè)稀土金屬單硅酸鹽層中的至少一者包含堿土金屬氧化物摻雜劑。

方面2. 根據(jù)方面1所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)稀土金屬二硅酸鹽層為基本上氣密的。

方面3. 根據(jù)方面1所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)稀土金屬二硅酸鹽層為摻雜的，且所述堿土金屬氧化物摻雜劑的量為所述層的約1-25摩爾%。

方面4. 根據(jù)方面3所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述摻雜劑的量為所述層的約10摩爾%。

方面5. 根據(jù)方面3所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述量的摻雜劑將所述至少一個(gè)稀土金屬二硅酸鹽層的熱膨脹系數(shù)提高不超過(guò)約25%。

方面6. 根據(jù)方面5所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述量的摻雜劑將所述至少一個(gè)稀土金屬二硅酸鹽層的熱膨脹系數(shù)提高小于約10%。

方面7. 根據(jù)方面3所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述堿土金屬氧化物摻雜劑包含CaO，且所述至少一個(gè)稀土金屬二硅酸鹽層包含Y₂O₃。

方面8. 根據(jù)方面7所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)稀土金屬二硅酸鹽層具有被稀土金屬氧化物/二氧化硅/堿土金屬氧化物組成空間中的區(qū)域限制的組合物，所述組成空間由在Ca₂Y₈Si₆O₂₆的第一組合物點(diǎn)、在Y₂SiO₅的第二組合物點(diǎn)和在Y₂Si₂O₇的第三組合物點(diǎn)限定。

方面9. 根據(jù)方面7所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)稀土金屬二硅酸鹽層具有被稀土金屬氧化物/二氧化硅/堿土金屬氧化物組成空間中的區(qū)域限制的組合物，所述組成空間由在Ca₂Y₈Si₆O₂₆的第一組合物點(diǎn)、在Ca₃Y₂Si₆O₁₈的第二組合物點(diǎn)和在Y₂Si₂O₇的第三組合物點(diǎn)限定。

方面10. 根據(jù)方面1所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)稀土金屬單硅酸鹽層為摻雜的，且所述堿土金屬氧化物摻雜劑的量為所述層的約1-25摩爾%。

方面11. 根據(jù)方面10所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述摻雜劑的量為所述層的約10摩爾%。

方面12. 根據(jù)方面10所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述摻雜劑的量將所述至少一個(gè)稀土金屬單硅酸鹽層的熱膨脹系數(shù)提高不超過(guò)約10%。

方面13. 根據(jù)方面10所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述堿土金屬氧化物摻雜劑包含CaO，且所述至少一個(gè)稀土金屬單硅酸鹽層包含Y₂O₃。

方面14. 根據(jù)方面13所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)稀土金屬單硅酸鹽層具有被稀土金屬氧化物/二氧化硅/堿土金屬氧化物組成空間中的區(qū)域限制的組合物，所述組成空間由在Y₂O₃的第一組合物點(diǎn)、在Ca₂Y₈Si₆O₂₆的第二組合物點(diǎn)和在Y₂SiO₅的第三組合物點(diǎn)限定。

方面15. 根據(jù)方面1所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述摻雜劑的量將所述至少一個(gè)稀土金屬二硅酸鹽層的熱膨脹系數(shù)降低或?qū)⑺鲋辽僖粋€(gè)稀土金屬單硅酸鹽層的熱膨脹系數(shù)提高小于約10%。

方面16. 根據(jù)方面1所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)稀土金屬二硅酸鹽層或所述至少一個(gè)稀土金屬單硅酸鹽層中的至少一者還包含式AE·RE·S的堿土金屬-稀土金屬-硅酸鹽摻雜劑，其中AE為Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra或其組合，RE為Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或其組合，且S為包含陰離子型硅化合物的化合物。

方面17. 根據(jù)方面16所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述堿土金屬-稀土金屬-硅酸鹽摻雜劑為鎂-稀土金屬-硅酸鹽摻雜劑。

方面18. 根據(jù)方面16所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述堿土金屬-稀土金屬-硅酸鹽摻雜劑為鈣-稀土金屬-硅酸鹽摻雜劑。

方面19. 根據(jù)方面18所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述鈣-稀土金屬硅酸鹽摻雜劑為CaYS。

方面20. 根據(jù)方面19所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中包含堿土金屬-稀土金屬-硅酸鹽摻雜劑的層具有的組合物在稀土金屬氧化物/二氧化硅/堿土金屬氧化物組成空間中包含在Ca₂Y₂Si₂O₉的組合物點(diǎn)。

方面21. 根據(jù)方面19所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中包含堿土金屬-稀土金屬-硅酸鹽摻雜劑的層具有的組合物在稀土金屬氧化物/二氧化硅/堿土金屬氧化物組成空間中包含在Ca₃Y₂Si₃O₁₂的組合物點(diǎn)。

方面22. 根據(jù)方面19所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中包含堿土金屬-稀土金屬-硅酸鹽摻雜劑的層具有的組合物在稀土金屬氧化物/二氧化硅/堿土金屬氧化物組成空間中包含在Ca₃Y₂Si₆O₁₈的組合物點(diǎn)。

方面23. 根據(jù)方面1所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述堿土金屬氧化物摻雜劑為CaO。

方面24. 根據(jù)方面24所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述CaO摻雜劑的量為所述層的約1-25摩爾%。

方面25. 根據(jù)方面24所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述量為所述層的約2-20摩爾%。

方面26. 根據(jù)方面25所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng) ，其中所述量為所述層的約2-10摩爾%。

方面27. 根據(jù)方面26所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述量為所述層的約10摩爾%。

方面28. 根據(jù)方面1所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述堿土金屬氧化物摻雜劑為MgO。

方面29. 根據(jù)方面1所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述堿土金屬氧化物摻雜劑為SrO。

方面30. 根據(jù)方面1所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)稀土金屬二硅酸鹽層為式RE₂Si₂O₇的組合物，其中RE為Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或其組合。

方面31. 根據(jù)方面1所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)稀土金屬單硅酸鹽層為式RE₂SiO₅的組合物，其中RE為Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或其組合。

方面32. 根據(jù)方面1所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述至少稀土金屬單硅酸鹽層和所述至少一個(gè)稀土金屬二硅酸鹽層兩者包含堿土金屬氧化物摻雜劑。

方面33. 根據(jù)方面1所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)稀土金屬二硅酸鹽層包含兩個(gè)稀土金屬二硅酸鹽層，且所述兩個(gè)稀土金屬二硅酸鹽層中的至少一者包含堿土金屬氧化物摻雜劑。

方面34. 一種燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的部件，其中所述部件用根據(jù)方面1所述的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)涂布。

方面35. 根據(jù)方面34所述的部件，其中所述部件由陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料形成。

方面36. 根據(jù)方面35所述的部件，其中所述環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)還包含約10-約200μm厚的粘合層。

方面37. 根據(jù)方面36所述的部件，其中所述至少一個(gè)稀土金屬單硅酸鹽層為約10-約100μm厚。

方面38. 根據(jù)方面37所述的部件，其中所述至少一個(gè)稀土金屬二硅酸鹽層為約10-約250μm厚。

方面39. 一種燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括根據(jù)方面34所述的部件。

附圖說(shuō)明

根據(jù)以下描述，并結(jié)合附圖，將更好的理解本文中所述本發(fā)明技術(shù)的實(shí)施例，在附圖中類(lèi)似的附圖標(biāo)記表示類(lèi)似的元件，其中：

圖1為可與本發(fā)明技術(shù)一起使用的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)的示意性橫斷面視圖；

圖2為制品或部件的示意性橫斷面視圖，該制品或部件具有根據(jù)本發(fā)明技術(shù)的環(huán)境阻擋涂層系統(tǒng)；和

圖3為稀土金屬氧化物/二氧化硅/堿土金屬氧化物組成空間的實(shí)施例的示意圖，出于方便，基于本領(lǐng)域中常用類(lèi)型的三元型組成圖繪制，其中根據(jù)本發(fā)明技術(shù)的實(shí)施例突出了某些組合物(compositions)。

具體實(shí)施方式

參見(jiàn)圖1，EBC系統(tǒng)300可以包括粘合層310、稀土金屬二硅酸鹽(REDS)層340和氣密或非氣密稀土金屬單硅酸鹽(REMS)層350。REDS層340應(yīng)當(dāng)優(yōu)選為氣密的。如本文中使用，術(shù)語(yǔ)“稀土金屬單硅酸鹽”是指式RE₂SiO₅的組合物，其中RE為Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或其組合。如本文中使用，術(shù)語(yǔ)“稀土金屬二硅酸鹽”是指式RE₂Si₂O₇的組合物，其中RE為Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或其組合。如本文中使用，術(shù)語(yǔ)“稀土金屬硅酸鹽”是指稀土金屬單硅酸鹽和稀土金屬二硅酸鹽。如本文中使用，術(shù)語(yǔ)“基本上氣密的”表示層或涂層具有低于約2×10^-14cm²(約2×10^-6達(dá)西)的氣體滲透率，該數(shù)值為常用測(cè)量技術(shù)的檢測(cè)限。EBC系統(tǒng)300可以包括粘合層310(例如，在美國(guó)6,299,988中公開(kāi)的硅，其通過(guò)引用而結(jié)合到本文中)。

參見(jiàn)圖2，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的部件400可以包括如圖1中所示的EBC系統(tǒng)300。所述部件可以例如由整體式陶瓷或陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料形成。如本文中使用，術(shù)語(yǔ)“陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料”是指包含增強(qiáng)材料的材料，該增強(qiáng)材料被陶瓷基質(zhì)相包圍。

本文中所公開(kāi)的EBC系統(tǒng)的粘合層可以具有約10μm-約200μm、例如約25-150μm或約50-125μm的厚度。所述基于稀土金屬二硅酸鹽的層可以具有約10μm-約250μm、例如約25-200μm或約50-150μm的厚度。所述基于稀土金屬單硅酸鹽的層可以具有約10μm-約100μm、例如約10-75μm或約25-75μm的厚度。

本文中所公開(kāi)的基于稀土金屬硅酸鹽的基本上氣密的層的各種性質(zhì)和實(shí)施方案還涉及用于產(chǎn)生基于稀土金屬硅酸鹽的基本上氣密的層的熱噴涂原料。例如，適用于通過(guò)熱噴涂原料產(chǎn)生的基于稀土金屬硅酸鹽的氣密的層的稀土金屬硅酸鹽(RES)可非限制性的包括選自以下的稀土元素及其混合物：鐿(Yb)、釔(Y)、鈧(Sc)、镥(Lu)、鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釤(Sm)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、钷(Pm)。

參見(jiàn)圖3，包含堿土金屬氧化物例如CaO、MgO、SrO、BaO或其組合的組分可以加到EBC系統(tǒng)中，而不會(huì)顯著改變(例如小于約10%) EBC層的熱膨脹系數(shù)，因此提高EBC系統(tǒng)層340和/或350的耐腐蝕性，以使灰塵沉積物成為固體或使其熔融，同時(shí)保持抗開(kāi)裂和剝落的EBC系統(tǒng)的完整性。將堿土金屬氧化物加到REDS層340、REMS層350或兩者促進(jìn)在EBC層中形成磷灰石相，并提高堿土金屬氧化物的化學(xué)活性到降低與灰塵沉積物化學(xué)反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力的水平。圖3示意性說(shuō)明稀土金屬氧化物/二氧化硅/堿土金屬氧化物組成空間的實(shí)施例，出于方便基于本領(lǐng)域中常用類(lèi)型的三元型組成圖繪制，其中在其組成空間的對(duì)應(yīng)側(cè)上，從0-100%定義每種成分的摩爾%。在圖3的實(shí)施例中，所述稀土金屬氧化物為Y₂O₃，所述堿土金屬氧化物為CaO。

在一個(gè)實(shí)施例中，REMS層350的組合物顯示在區(qū)域A中，區(qū)域A通過(guò)由點(diǎn)1-2-3包圍的空間限定，其中點(diǎn)1為Y₂O₃，點(diǎn)2為Ca₂Y₈Si₆O₂₆，點(diǎn)3為Y₂SiO₅。CaO摻雜劑的摩爾%可以為約1-16%，例如約10%。加入的摻雜劑的量不應(yīng)當(dāng)顯著改變(即提高或降低) REMS層350的熱膨脹系數(shù)(CTE)，例如所加入摻雜劑的量應(yīng)當(dāng)導(dǎo)致REMS層350的CTE降低或提高小于約10%。REMS層350的CTE更大降低是可接受的。

REDS層340的組合物顯示在區(qū)域B中，所述區(qū)域B通過(guò)由點(diǎn)2-3-4包圍的空間限定，其中點(diǎn)4為Y₂Si₂O₇。CaO摻雜劑的摩爾%可以為約1-16%，例如約10%。所加入摻雜劑的量不應(yīng)當(dāng)顯著改變REDS層340的熱膨脹系數(shù)(CTE)，例如，所加入摻雜劑的量應(yīng)當(dāng)導(dǎo)致REDS層340的CTE變化(即提高或降低)小于約10%。作為另一個(gè)實(shí)施例，所述摻雜劑的量將REDS層340的熱膨脹系數(shù)提高不超過(guò)約25%。

在另一個(gè)實(shí)施例中，REDS層340的組合物顯示在區(qū)域C中，所述區(qū)域C通過(guò)由點(diǎn)2、4和5包圍的空間限定。摻雜劑的摩爾%可以為約5-20%，例如約10%。再者，摻雜劑的量不應(yīng)當(dāng)改變REDS層340的所述系數(shù)超過(guò)約10%。

堿土金屬-稀土金屬-硅酸鹽可以加到以上相區(qū)域中，用于短期保護(hù)。堿土金屬-稀土金屬-硅酸鹽可以為式AE·RE·S的組合物，其中AE為Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra或其組合，RE為Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或其組合，S為包含陰離子型硅化合物的化合物。例如，可以將鈣釔硅酸鹽(CaYS)，包括Ca₃Y₂Si₆O₁₈(點(diǎn)5)、Ca₂Y₂Si₂O₉(點(diǎn)6)和/或Ca₃Y₂Si₃O₁₂(點(diǎn)7)加到以上相區(qū)域，用于短期保護(hù)。隨時(shí)間的推移，這些添加劑中的一些預(yù)期會(huì)改變涂布層的化學(xué)性質(zhì)。在由點(diǎn)2-5-7和/或2-6-7限定的組成空間內(nèi)的任何組合物可以加到相區(qū)域A和/或B/和/或C中，用于短期保護(hù)。在這樣的情況，CaO摻雜劑的量可以較高，超過(guò)16%，但優(yōu)選保持低于25%。

盡管，在本文中已經(jīng)詳細(xì)說(shuō)明和描述了各種實(shí)施例，但是對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)講，將顯而易見(jiàn)的是可以進(jìn)行各種修改、添加、替代等，因此，在以下權(quán)利要求的范圍內(nèi)將考慮這些修改、添加、替代等。例如，盡管所說(shuō)明的實(shí)施例包括所示的REMS層和REDS層，但是可以提供額外的層，包括REMS和REDS的額外層，包括在所示層之間、下面和上面的層，并且一種或多種摻雜劑可以不提供到額外層，可以提供到一些或所有的額外層。