用环境屏障涂覆陶瓷基质复合材料零件的方法与流程

1.本发明涉及用环境屏障涂覆陶瓷基质复合材料(cmc)零件的方法。


背景技术：

2.cmc具有良好的机械性能，使其适用于构成结构部件，并且有利地在高温下会保持这些性能。
3.然而，这些cmc在高温和腐蚀性环境下使用时可能会降解，当其存在于航空涡轮机中也是如此。当cmc零件包含碳化硅(sic)基质时，cmc的腐蚀导致sic氧化成二氧化硅，二氧化硅在水蒸气存在下以氢氧化物si(oh)4的形式挥发。腐蚀现象导致cmc过早降解。因此，开发了环境屏障涂料(ebc)，以保护cmc在高温下免受腐蚀。
4.可用的环境屏障的示例包括多层组件，其包括硅粘结层和稀土硅酸盐层(re2si2o7或re2sio5型，例如y2si2o7)。
5.可以实施不同的技术以形成环境屏障。具体来说，可以引用干加工法，例如，热喷涂或等离子喷涂沉积。这些技术的一个缺点是其具有相对高的实施成本。液体加工法(如浸涂技术)具有较低的实施成本。在液体加工技术的背景下，可以通过将悬浮在液体介质中的稀土硅酸盐颗粒施加到零件表面，然后对这些颗粒进行干燥和烧结，来形成环境屏障。然而，以此方式获得的环境屏障可能具有裂纹，降低了其在运行期间的气密性。


技术实现要素：

6.根据第一方面，本发明提供了一种用环境屏障涂覆陶瓷基质复合材料零件的方法，所述方法包括以下步骤：
7.a)将含稀土硅酸盐的第一粉末和含硼的第二粉末的涂料组合物施加到所述零件的表面，所述涂料组合物的比率r＝[第二粉末质量]/[第一粉末质量]为0.1％至5％，以及
[0008]
b)对第一和第二粉末进行烧结，从而在零件上获得环境屏障。
[0009]
在现有技术的一些环境屏障中观察到的环境屏障裂纹源于烧结期间产生的应力。为了防止环境屏障开裂并改进其密度，本发明提出将硼引入待烧结的涂料组合物中。硼是硅酸盐的熔剂，使涂层在高温下的蠕变增加，并使该体系变成粘的，以适应应力并防止开裂。硼以相对于稀土硅酸盐的特定相对质量含量添加，即，使得比率r大于或等于0.1％，以实现高温下蠕变的期望增加，同时保持比率r小于或等于5％，从而不会对所获得的环境屏障的性能有负面影响。
[0010]
在一个实施方式中，第二粉末包括硼粉末。作为变体或组合，第二粉末包括硼化合物的粉末，例如陶瓷硼化合物。因此，第二粉末可以包括碳化硼粉末、氧化硼粉末或这些粉末的混合物。
[0011]
在一个实施方式中，稀土硅酸盐可以是稀土二硅酸盐或稀土单硅酸盐。具体来说，稀土硅酸盐可以是(ybay
1-a
)2si2o7，其中，a是0至1，例如，a是0.4至0.6；或(ybby
1-b
)2sio5，其中，b是0至1，例如，b是0.4至0.6。
(three-dimensional weaving)或“3d编织”应理解为是指至少一些经线在多层纬层上与纬线互连的编织方法。经线和纬线的角色可以在本文中互换，并且同样应当视为被权利要求所涵盖。例如，纤维增强体可以具有多缎纹编织，即，通过用多层纬线三维编织获得的织物，其中，各层的基础编织等同于常规缎纹型编织，但是编织的某些点与纬线层连在一起。作为一个变体，纤维增强体可以具有互锁编织。“互锁编织或织物”指的是3d编织，其中各经线层与多层纬线互连，并且给定经列中的所有线在编织平面中同样地移动。可以用于形成纤维增强体的不同多层编织方法具体见述于文件wo 2006/136755。
[0030]
作为一个变体，纤维增强体可通过将二维或单向织物的多个纤维层铺设在模板(form)上而获得。这些层(ply)可以任选地互连，例如，通过缝纫或安装线任选地互连，从而形成纤维增强体。
[0031]
零件还可以包括存在于纤维和基质之间的中间相。中间相可以是单层或多层。中间相可以包括至少一层热解碳(pyc)、氮化硼(bn)、硅掺杂氮化硼(bn(si)，硅的质量比例为5％至40％，余量为氮化硼)或硼掺杂的碳(bc，硼的原子比例为5％至20％，余量为碳)。中间相的厚度可以为例如10nm至1000nm，例如，10nm至100nm。在这种情况下，中间相的功能是使复合材料去脆(de-embrittle)，促进在基质中传播后到达中间相的可能裂纹偏转，防止或延迟由于该裂纹导致的纤维断裂。
[0032]
基质通过存在于纤维增强体孔隙中而使纤维增强体致密化。基质涂覆纤维增强体的纤维。纤维存在于基质中。基质可占纤维增强体中的可进入孔隙的体积的大部分(即，超过50％)。特别是，基质可以占可进入孔隙的超过75％的体积，或实际上占可进入孔隙的基本所有体积。
[0033]
基质包含一种或多种陶瓷材料相。基质可以包含碳化物、氮化物或氧化物中的至少一种相。例如，基质可以包括碳化硅，或者实际上完全由碳化硅制成。该基质可以使用本身已知的不同方式产生。例如，可以使用液体致密化(用基质前体树脂浸渍并通过交联和热解转化，该过程是可重复的)或气体致密化(基质的化学气相渗透)方法。基质相还可以通过硅的熔体浸渗法来产生。
[0034]
零件可以是静态或旋转涡轮机零件。上文提及了本发明上下文中可以进行涂覆的涡轮机零件的示例。
[0035]
图1显示了覆盖cmc零件1的环境屏障的第一示例。在该示例中，环境屏障是多层屏障，在该示例中，包括各自包含稀土硅酸盐的两个层51和53。
[0036]
为了制造层51和53中的各层，已经将涂料组合物施加至cmc零件1的表面s(步骤a))。在这种情况下，涂料组合物已经施加至含硅且存在于零件1表面s上的粘结层3上。在该示例中，涂料组合物直接施加至粘结层3(与粘结层3接触)。该粘结层3可以是硅或金属硅化物的层。然而，涂料组合物可以直接施加至cmc零件的表面(在没有粘结层3的情况下，其与cmc零件接触)，而不背离本发明的范围。涂料组合物可以通过本身已知的不同方法进行施加。涂料组合物可以通过液体加工法施加，例如，浸涂、旋涂、喷涂或电沉积，特别是通过电泳。涂料组合物可以另外通过热喷雾，例如通过悬浮等离子喷雾来沉积。
[0037]
如上所述，涂料组合物包含稀土硅酸盐的第一粉末和不同于第一粉末的含硼第二粉末。硼以特定量配制，使得上述比率r为0.1％至5％。不管所讨论的实施方式如何，比率r可以例如为0.1％至2％，并且例如基本上等于1％。
[0038]
涂料组合物可以是在液体介质中含有第一和第二粉末的悬浮液形式。作为一个变体，涂料组合物可以是固体粉末状形式。
[0039]
当涂料组合物是悬浮液形式时，涂料组合物可以包含：
[0040]-以体积计，含量为1％至30％的第一粉末，
[0041]-以体积计，含量为0.1％至5％的第二粉末，以及
[0042]-以体积计，含量为65％至98.9％的液体介质。
[0043]
当涂料组合物是固体粉末状形式时，涂料组合物可以包含：
[0044]-以体积计，含量为95％至99.9％的第一粉末，以及
[0045]-以体积计，含量为0.1％至5％的第二粉末。
[0046]
涂料组合物可以基本由第一粉末、第二粉末和液体介质(如果存在)构成。
[0047]
如上所述，稀土硅酸盐可以是(ybay
1-a
)2si2o7，其中，a是0至1，例如，a是0.4至0.6；或(ybby
1-b
)2sio5，其中，b是0至1，例如，b是0.4至0.6。不管所讨论的实施方式如何，第二粉末可以是硼粉末(元素b)、碳化硼粉末(b4c)、氧化硼粉末(b2o3)或这些粉末的混合物。
[0048]
一旦施加，涂料组合物经受热处理，这允许消除所使用的任意液体介质，并对存在的粉末进行烧结以获得环境屏障层(步骤b))。
[0049]
烧结期间可以采用高于或等于1000℃、例如高于或等于1350℃的温度。烧结期间施加的温度可以为1000℃至1400℃，例如1350℃至1400℃。
[0050]
在图1所示示例中，已重复步骤a)和b)，以获得环境屏障，所述环境屏障具有两个层：51和53。第一层51可以包含稀土二硅酸盐，并且第二层53是稀土单硅酸盐。这些层各自包含硼，以减少烧结期间的涂层开裂，如上所述。当重复步骤a)和b)时，可以在环境屏障的不同层和/或不同的第二粉末中采用不同稀土硅酸盐。环境屏障、特别是所示示例中的第二层53限定了涂覆零件的外表面s
ext
。例如，当零件是涡轮机零件时，该表面s
ext
旨在与在流动路径中循环的热气流接触。显示了具有两层的多层环境屏障，但环境屏障可以包括超过两层，而不背离本发明范围的情况，所述层各自包含稀土硅酸盐。
[0051]
图2显示了涂覆有环境屏障的零件的另一示例，其中，在该情况下，环境屏障是仅包含层51的单层环境屏障。上述图1的相同特征适用于图2。
[0052]
不管所讨论的实施方式如何，所获得的环境屏障的厚度可以是大于或等于1μm，例如，大于或等于10μm。特别是，环境屏障的厚度可以是1μm至200μm，例如10μm至200μm。
[0053]
图3显示了通过不在本发明范围内的方法(硼未添加至涂料组合物)所形成的环境屏障15(烧结温度1300℃)。在所形成的环境屏障中可以看到开裂。图4显示了通过实施本发明获得的结果，其中，可以看到由于将硼添加至涂料组合物(所进行测试中，比率r等于1％并且烧结温度为1350℃)，零件1上所形成的环境屏障5没有开裂。类似地，图5显示了即使涂覆的表面s1具有不规则特征部(在所进行测试中，比率r等于1％，并且烧结温度为1350℃)也能获得材料状态良好的环境屏障。
[0054]
术语
“…
至
…”
应理解为包括端值。