復(fù)合涂層及其制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】復(fù)合涂層及其制造方法技術(shù)背景
[0001]本發(fā)明技術(shù)總體上涉及涂層系統(tǒng)和方法，該涂層系統(tǒng)和方法適用于保護(hù)暴露在高溫環(huán)境下的制品或部件，如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的不利熱環(huán)境。更具體地，本發(fā)明技術(shù)涉及一種涂層，該涂層可用作抗氧化涂層和/或?qū)τ诃h(huán)境和/或熱屏障涂層的結(jié)合涂層。
[0002]陶瓷和耐高溫金屬間材料和復(fù)合材料是目前被認(rèn)為用于這種高溫應(yīng)用中，如燃燒器襯里、葉片、護(hù)罩、葉片和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的其它熱區(qū)段部件，以及用于設(shè)計(jì)為在高溫下工作的結(jié)構(gòu)中，如換熱器和內(nèi)燃機(jī)等應(yīng)用。復(fù)合材料的一些實(shí)例包括含硅復(fù)合材料，例如其中硅、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)和/或耐高溫金屬硅化物作為增強(qiáng)相和/或基體相的復(fù)合材料。然而，這些應(yīng)用的環(huán)境特點(diǎn)經(jīng)常含有水蒸汽，已知這在高溫下會(huì)導(dǎo)致含硅材料的顯著表面凹陷和質(zhì)量損失。水蒸汽在高溫下與結(jié)構(gòu)材料反應(yīng)形成揮發(fā)性含硅物類(lèi)，這經(jīng)常導(dǎo)致無(wú)法接受的高凹陷率。
技術(shù)的簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0003]本發(fā)明技術(shù)提供了復(fù)合涂層和在由含硅材料制成的制品或部件上制備復(fù)合涂層的方法，該含硅材料如陶瓷基體復(fù)合材料(CMC)。復(fù)合涂層保護(hù)暴露于高溫的含硅制品，該高溫包括渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的不利熱環(huán)境。
[0004]根據(jù)該技術(shù)的一個(gè)實(shí)例，制品包括基材和設(shè)置在基材表面上的涂層。該涂層包括至少一個(gè)基本上由MoSi2、WSi2、或Mo和W的硅化物的組合((Mo，ff) Si2)或鉑族金屬硅化物構(gòu)成的金屬硅化物層，和至少一個(gè)基本上由Si3N4構(gòu)成的層。
[0005]根據(jù)本發(fā)明技術(shù)的另一個(gè)實(shí)例，一種制品包括基材，該基材包括含硅的區(qū)域，該含硅的區(qū)域包括在金屬基體或非金屬基體中的SiC、Si3N4和/或過(guò)渡金屬硅化物作為增強(qiáng)材料；和設(shè)置在基材表面上的涂層，該涂層包括MoSijP Si 3N4，其中Si3N4的百分比按體積計(jì)大于涂層的約55%。
[0006]根據(jù)本技術(shù)的另一個(gè)實(shí)例，一種涂覆制品的方法包括:在基材的表面涂敷涂層，該涂層包括至少一個(gè)基本上由MoSi2S WSi 2或(Mo，W) Si 2或鉑族金屬硅化物構(gòu)成的金屬硅化物層和至少一個(gè)基本上由Si3N4構(gòu)成的層。
[0007]根據(jù)本技術(shù)的另一個(gè)方面，提供了一種涂覆包括基材的制品的方法，該基材包括含硅的區(qū)域，該含硅的區(qū)域包括在金屬基體或非金屬基體中的SiC、Si3N4和/或過(guò)渡金屬硅化物作為增強(qiáng)材料；該方法包括:在基材表面上涂敷涂層，該涂層包括MoSijP Si 3N4，其中Si3N4按體積計(jì)的百分比大于涂層的約55%。
附圖的簡(jiǎn)單說(shuō)明
[0008]通過(guò)下面的詳細(xì)說(shuō)明并參考附圖，可以更好地理解本技術(shù)的其它方面和優(yōu)點(diǎn)，其中相似的附圖標(biāo)記所指的是本發(fā)明技術(shù)的相似特征，并且其中:
[0009]圖1示意性地表示一種制品，該制品包括根據(jù)本發(fā)明技術(shù)的一個(gè)實(shí)例的涂層系統(tǒng)；
[0010]圖2示意性地表示一種制品，該制品包括根據(jù)本發(fā)明技術(shù)的另一個(gè)實(shí)例的涂層系統(tǒng)；
[0011]圖3示意性地表示一種制品，該制品包括根據(jù)本發(fā)明技術(shù)的另一個(gè)實(shí)例的涂層系統(tǒng)；
[0012]圖4不意性地表不根據(jù)本發(fā)明技術(shù)的一個(gè)實(shí)例的一種方法；
[0013]圖5示意性地表示根據(jù)本發(fā)明技術(shù)的另一個(gè)實(shí)例的一種方法；
[0014]圖6示意性地表示根據(jù)本發(fā)明技術(shù)的另一個(gè)實(shí)例的一種方法；
[0015]圖7示意性地表示根據(jù)本發(fā)明技術(shù)的另一個(gè)實(shí)例的一種方法；
[0016]圖8示意性地表示多層膨脹與厚度比的關(guān)系；和
[0017]圖9示意性地表示多層膨脹與體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。
技術(shù)的詳細(xì)說(shuō)明
[0018]本發(fā)明技術(shù)通常適用于在以相對(duì)高的溫度、嚴(yán)酷的熱循環(huán)和應(yīng)力、氧化和腐蝕為特點(diǎn)的環(huán)境中工作的部件或制品。這種部件的例子包括高壓和低壓渦輪機(jī)輪葉(噴嘴)和葉片(葉片(bucket))、護(hù)罩、燃燒器襯里、推力增強(qiáng)裝置硬件和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的其它熱區(qū)段部件，然而該技術(shù)也已應(yīng)用到其它部件上。
[0019]參考圖1，部件或制品10包括具有涂層或涂層系統(tǒng)30的基材20。制品10還可以包括環(huán)境屏障涂層(EBC)和/或熱屏障涂層(TBC) 40，其設(shè)置在涂層系統(tǒng)30上。EBC和/或TBC可以是例如多層涂層系統(tǒng)?；?0可包括含硅區(qū)域。含硅材料的例子包括含硅、碳化硅、氮化硅、硅化物，例如過(guò)渡金屬硅化物的那些材料，其中過(guò)渡金屬是耐高溫金屬，例如鉬或鎢或其組合，鉑族金屬如鉑、銥或銠，例如在基體和/或增強(qiáng)體中。進(jìn)一步的例子包括含有碳化硅作為增強(qiáng)和基體相的陶瓷基體復(fù)合材料(CMC)。
[0020]涂層系統(tǒng)30可以包括兩個(gè)主要相，二硅化鉬(MoSi2)和氮化硅(Si3N4)。出于加工和/或性質(zhì)的原因，涂層系統(tǒng)30還可以包括次要相，例如Mo5Si3、S1、Mo5Si3C、SiC和/或SiNx。次要相可能占涂層系統(tǒng)30的少于50%。在涂層系統(tǒng)中，Si3N4的體積百分比可能大于約55% ο
[0021]參考圖2，涂層系統(tǒng)50可包括交替的MoSiJl 31，33和Si3N4層32，34。應(yīng)當(dāng)理解的是，雖然在圖2中所示的與基材20接觸的初始層31是MoSi2,但與基材20接觸的初始層也可以是Si3N4。還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，盡管所示的是兩層MoSi2與兩層Si 3N4交替，但MoSi 2和Si3N4的層數(shù)可以是任何數(shù)字，包括各自單一的層。應(yīng)進(jìn)一步理解，雖然所示的MoSi 2和Si 3N4的層數(shù)是相等的，但各自的層數(shù)可以是不相等的。例如，涂層系統(tǒng)可包括四層MoSijP 3層Si3N4，反之亦然。
[0022]參考圖3，涂層系統(tǒng)60可包括交替的MoSiJl 31，33和Si3N4層32，34。過(guò)渡區(qū)域35可在交替層31，32 ;32，33 ;33，34之間設(shè)置。過(guò)渡區(qū)域35包括MoSijP Si 3N4 二相的混合物。過(guò)渡區(qū)域35還可以包括如上所述的次要相。過(guò)渡區(qū)域35可以如下面的更加詳細(xì)的描述地形成。如參考圖2的上述討論，雖然圖3所示的涂層系統(tǒng)60包括與基材20接觸的MoSi2第一層31，并且MoSi 2和Si 3N4的層數(shù)是相同的，但應(yīng)當(dāng)理解的是，涂層系統(tǒng)60可以是如上所述的圖2的變體。
[0023]參考圖4-7，示意性地示出了各種用于涂覆包括基材的制品或部件的方法。因?yàn)橄嗨频母綀D標(biāo)記指代實(shí)施例方法中的相似的特征，那些兩個(gè)或更多的實(shí)施例方法所共有的特征將僅參考一個(gè)實(shí)施例方法說(shuō)明。
[0024]參考圖4，在涂覆制品的方法開(kāi)始于SlOO。在S120中，在基材表面上沉積MoSi2,以在基材上形成一層MoSi2。
[0025]在形成MoSi2層后，在S150中在MoSiJl上形成Si3N4層。如果MoSi 2層和Si 3N4層的結(jié)合厚度t小于預(yù)定的厚度tp(S170:是)，則過(guò)程返回到S120，以形成MoSi2的附加層。當(dāng)MoSi2層和Si 3N4層的結(jié)合厚度t不小于預(yù)定的厚度t P(S170:否)時(shí)，在S180處結(jié)束過(guò)程。
[0026]參考圖5，根據(jù)另一實(shí)施例，在涂覆制品的方法開(kāi)始于S100。在S142中，在形成MoSi2層之后，形成MoSi 2與Si 3N4的過(guò)渡區(qū)域。兩相的混合物在MoSi 2與Si 3N4的層之間提供過(guò)渡區(qū)域，例如如上面參考圖3所描述。
[0027]參考圖6，在S172中，交替的MoSijP Si 3N4層經(jīng)熱處理形成MoSi 2與Si 3N4的雙相混合物。應(yīng)當(dāng)理解的是，熱處理步驟也可以被圖5的方法所包括。
[0028]參考圖7，根據(jù)另一實(shí)施例，在S112中，可形成具有預(yù)定的體積比的此5“與Si 3N4的雙相混合物。確定工藝參數(shù)和/或條件以得到103“與Si 3N4的雙相混合物，該雙相混合物具有一定的體積比，以降低或最小化與基材的CTE失配?？梢源_定工藝參數(shù)和/或條件以控制次要相的物類(lèi)和/或體積分?jǐn)?shù)。工藝條件和/或參數(shù)可以在涂覆過(guò)程中進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)在厚度上具有分級(jí)微結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的涂層。
[0029]應(yīng)當(dāng)理解的是，本文描述的涂層可通過(guò)各種方法形成，包括例如CVD、離子等離子沉積和物理氣相沉積(如蒸發(fā)或?yàn)R射)。
[0030]還應(yīng)當(dāng)理解的是，減少涂層與基材之間的CTE失配的機(jī)制在層-層涂層的實(shí)施例(例如圖2和3)和包括MoSijP Si 3N4的相混合物的層的實(shí)施例之間不同地起作用。在層-層涂層的情況下，103“與Si3N4厚度的期望比率可根據(jù)有效熱膨脹系數(shù)a 確定。對(duì)于MoSijP Si 3N4層的多層涂層，有效熱膨脹系數(shù)可利用線(xiàn)性彈性分析根據(jù)以下公式計(jì)算:
Q eff —M0S12E MoSi2 Q MoSi2+tsi3N4E Si