Покрытие для компонента для защиты от воздействий окружающей среды и способ его получения


 


Владельцы патента RU 2435673:

ДЖЕНЕРАЛ ЭЛЕКТРИК КОМПАНИ (US)

Изобретение может быть использовано в машиностроении и энергетике при изготовлении деталей для газотурбинных двигателей. Покрытие для защиты от воздействий окружающей среды (10) для детали, содержащей кремний, имеющей первый коэффициент теплового расширения, содержит кремниевый выравнивающий слой (30), который связывается, по меньшей мере, с частью наружной поверхности детали. Промежуточный слой (25, 27, 29) связывается с кремниевым выравнивающим слоем (30) и имеет второй коэффициент теплового расширения, согласованный с первым коэффициентом теплового расширения. Промежуточный слой (25, 27, 29) имеет общую композицию RE2Si2O7. Защитный слой (36) связывается с промежуточным слоем (25, 27, 29) и имеет общую композицию RE2SiO5. Стойкий к разрушению поверхностный слой (35) содержит поверхностный слой (38), связанный с защитным слоем (36). Поверхностный слой (38) содержит RE и имеет отношение RE к кислороду, равное, по меньшей мере, 2:3. RE представляет собой по меньшей мере один элемент из Y, Tb, Dy, Но, Er, Tm, Yb, Lu. Толщина промежуточного слоя (25, 27, 29) примерно 0,0762-0,254 мм. Толщина стойкого к разрушению поверхностного слоя (35) примерно 0,0127-0,0508 мм. Улучшается устойчивость детали к парам воды и окислению. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Уровень техники

Настоящее изобретение относится, в целом, к покрытиям для защиты от воздействий окружающей среды и, более конкретно, к покрытиям для защиты от воздействий окружающей среды для детали, полученной из материала подложки на основе кремния.

Покрытия для защиты от воздействий окружающей среды (ЕВС) на основе дисиликата редкоземельного элемента (RE), имеющие общую композицию RE2Si2O7, защищают детали газовых турбин, изготовленные из материала подложки из композита с керамической матрицей (CMC), содержащего кремний, или из материала подложки из нитрида кремния (Si3N4), при работе, от вредного экспонирования для химических окружающих сред. RE=La, Се, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb и Lu, и включает в себя Y и Sc, подобные редкоземельным элементам. Дисиликаты редкоземельных элементов имеют коэффициенты теплового расширения (СТЕ), которые хорошо согласуются с СТЕ материала подложки CMC. Такие дисиликаты имеют минимальную тенденцию к трещинообразованию при работе и во время термического циклирования детали. Однако дисиликаты склонны к выщелачиванию SiO2 и разрушению поверхности посредством химических взаимодействий с парами воды в атмосфере продуктов горения турбины. Такое выщелачивание создает микропористую микроструктуру в ЕВС, и изначально плотное ЕВС преобразуется в пористый слой раньше требуемого срока службы конструкции. Таким образом, такие дисиликаты не имеют износостойкости, необходимой для применения.

Моносиликаты редкоземельных элементов (RE), имеющие общую композицию RE2SiO5, используются в качестве ЕВС вместо дисиликатов редкоземельных элементов. Моносиликаты RE имеют низкие скорости испарения в атмосфере продуктов горения, содержащих пары воды, и, следовательно, имеют низкие скорости разрушения поверхности. Однако моносиликаты, как правило, имеют СТЕ, которые не согласуются, как следует, с СТЕ материала подложки CMC. В результате, моносиликатные покрытия имеют тенденцию к трещинообразованию во время применения, термической обработки и/или экспонирования при работе, делая возможным проникновение паров воды в покрытие и вызывая подповерхностные химические реакции и/или преждевременное отслаивание ЕВС. Степень такого трещинообразования непосредственно зависит от толщины слоя покрытия и разницы СТЕ между слоем покрытия и материалом подложки.

Множество обычных материалов ЕВС осаждают на деталях с использованием способа плазменного напыления. Способ плазменного напыления обеспечивает гибкость при осаждении большего разнообразия материалов в широком диапазоне значений толщины покрытия (в пределах примерно от 0,002 дюйма примерно до 0,040 дюйма), без больших модификаций способа. Однако часто осажденный материал покрытия изначально находится в термодинамически метастабильном состоянии (таком как аморфная фаза, более высокотемпературная фаза или одна или несколько неравновесных фаз) из-за быстрого гашения во время процесса напыления. При экспонировании для высокой температуры и преобразовании в равновесное состояние деформированное покрытие может подвергаться разнообразным изменениям по размерам, приводящим к напряжениям в покрытии, которые могут приводить к различным типам поведения с трещинообразованием. Склонность покрытия к трещинообразованию имеет тенденцию к прямой пропорциональности толщине покрытия.

Для покрытия RE2SiO5, полученного посредством плазменного напыления, это, как обнаружено, является особенно проблематичным, приводя как к катастрофическому трещинообразованию по всей толщине, так и к расслаиванию покрытия при экспонировании для повышенных температур. В этом случае трещинообразование по всей толщине материала покрытия, как предполагается, обусловлено в основном несогласованностью между CTE материала покрытия, примерно от 6×10-6 1/C примерно до 7×10-6 1/C, и CTE материала подложки, примерно от 4,5×10-6 1/C примерно до 5,0×10-6 1/C, для SiC или композита SiC/SiC. Расслаивание покрытия наблюдается, прежде всего, вокруг непланарных областей материала подложки и/или геометрических неоднородностей и возмущений поверхности. Кроме того, расслаивание связывается с изменением размеров во время первого цикла нагрева до рабочей температуры. Поведение с трещинообразованием наблюдается для покрытий с малой толщиной, например 0,002 дюйма. В дополнение к этому, покрытия, полученные посредством плазменного напыления, склонны содержать открытую пористость и/или сеть мелких трещин, пересекающих закрытые в других случаях поры и пустоты. Для применений ЕВС открытая пористость в покрытии может быть вредной. Открытая пористость обеспечивает путь для быстрого проникновения паров воды, а следовательно, для ускоренной локализованной деградации и/или повреждения лежащих ниже материалов, склонных к окислению и волятилизации, опосредованным парами воды.

Краткое описание изобретения

В одном из аспектов настоящее изобретение предусматривает покрытие для защиты от воздействий окружающей среды для детали, содержащей кремний и имеющей первый коэффициент теплового расширения. Покрытие для защиты от воздействий окружающей среды содержит кремниевый выравнивающий слой, который связывается, по меньшей мере, с частью наружной поверхности детали. По меньшей мере, один промежуточный слой связывается с кремниевым выравнивающим слоем и имеет второй коэффициент теплового расширения, согласованный с первым коэффициентом теплового расширения. По меньшей мере, один промежуточный слой имеет общую композицию RE2Si2O7. Защитный слой связывается с промежуточным слоем и имеет общую композицию RE2SiO5. Поверхностный слой связывается с защитным слоем. Поверхностный слой содержит RE и имеет отношение RE к кислороду, равное, по меньшей мере, 2:3.

В другом аспекте настоящее изобретение предусматривает деталь для газотурбинного двигателя. Деталь содержит материал подложки, содержащий кремний и имеющий первый коэффициент теплового расширения. Кремниевый выравнивающий слой связывается, по меньшей мере, с частью наружной поверхности материала подложки. По меньшей мере, один промежуточный слой связывается с кремниевым выравнивающим слоем. По меньшей мере, один промежуточный слой имеет второй коэффициент теплового расширения, согласованный с первым коэффициентом теплового расширения, и имеет общую композицию RE2Si2O7. Защитный слой связывается, по меньшей мере, с одним промежуточным слоем и имеет общую композицию RE2SiO5. Поверхностный слой связывается с защитным слоем и содержит RE. Поверхностный слой имеет отношение RE к кислороду, равное, по меньшей мере, 2:3.

В другом аспекте настоящее изобретение предусматривает способ изготовления детали, имеющей покрытие для защиты от воздействий окружающей среды. Способ включает в себя создание детали, содержащее кремний, имеющей первый коэффициент теплового расширения. Выравнивающий слой связывается, по меньшей мере, с частью наружной поверхности детали. Промежуточный слой, имеющий общую композицию RE2Si2O7, связывается с выравнивающим слоем. Промежуточный слой имеет второй коэффициент теплового расширения, согласованный с первым коэффициентом теплового расширения. Защитный слой, имеющий общую композицию RE2SiO5, связывается с промежуточным слоем. Поверхностный слой связывается с защитным слоем. Поверхностный слой содержит RE и имеет отношение RE к кислороду, равное, по меньшей мере, 2:3.

Краткое описание чертежей

На чертеже представлен частичный вид в поперечном разрезе детали с нанесенным покрытием для защиты от воздействий окружающей среды в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают покрытия для защиты от воздействий окружающей среды для материала на основе кремния, содержащего материал композитной подложки с керамической матрицей или материал подложки нитрида кремния, например. Кроме того, настоящее изобретение предусматривает способ получения детали, имеющей покрытие для защиты от воздействий окружающей среды. В одном из вариантов осуществления покрытие для защиты от воздействий окружающей среды содержит кремниевый выравнивающий слой, промежуточный слой, имеющий коэффициент теплового расширения, согласованный с коэффициентом теплового расширения лежащего под ним материала подложки, и тонкий, однородный, стойкий к разрушению поверхности поверхностный слой, который является стойким к трещинообразованию во время работы и износостойким в течение конструкционного срока службы лежащей под ним детали.

Варианты осуществления настоящего изобретения описываются ниже со ссылками на их применение, в связи с деталью газотурбинного двигателя, изготовленной из материала композитной подложки с керамической матрицей, материала подложки нитрида кремния, материала подложки карбида кремния и/или материала подложки силицида металла. Однако специалисту в данной области, направляемому концепцией, приведенной здесь, будет очевидно, что настоящее изобретение является подобным же образом применимым к любой соответствующей детали, которая изготавливается из материала подложки на основе кремния. Кроме того, такие детали входят в системы, включающие в себя, без ограничений, другие турбинные двигатели, где детали подвергаются воздействию экстремальных термических и/или химических условий во время работы системы. При рабочих условиях эти детали подвергаются воздействию окружающих сред продуктов горения в течение примерно до 32000 часов и при температурах поверхности материала, которые могут превосходить 2400°F.

В одном из вариантов осуществления различные детали газотурбинного двигателя формируются из керамического материала или материала композита с керамической матрицей (CMC). В конкретном варианте осуществления материал CMC представляет собой материал CMC SiC/SiC. Материал CMC SiC/SiC включает в себя материал композита карбида кремния, пропитанный кремнием и армированный волокнами карбида кремния с нанесенным покрытием. В одном из вариантов осуществления керамический материал представляет собой монолитный керамический материал, такой как SiC.

Обращаясь к чертежу, в одном из вариантов осуществления покрытие для защиты от воздействий окружающей среды 10 наносится на материале на основе кремния, таком как деталь турбинного двигателя 15, изготовленная из материала подложки CMC 20. Альтернативно, деталь турбинного двигателя 15 изготавливается из материала подложки нитрида кремния (Si3N4) (не показан). Специалистам в данной области, направляемым концепцией, приведенной здесь, очевидно, что деталь турбинного двигателя 15 может изготавливаться из любого пригодного для использования материала на основе кремния.

Покрытие для защиты от воздействий окружающей среды 10 содержит, по меньшей мере, один промежуточный слой 25, связанный с материалом подложки CMC 20 или осажденный на него и связанный с ним. Как здесь используется, ссылки на термин "связанный" должны пониматься как включающие в себя непосредственное и опосредованное связывание через другой слой, такой как выравнивающий слой или промежуточный слой. В одном из вариантов осуществления промежуточный слой 25 имеет общую толщину примерно от 0,0762 мм (3,0 мил) примерно до 0,254 мм (10,0 мил). Промежуточный слой 25 имеет коэффициент теплового расширения, который согласован с коэффициентом теплового расширения материала подложки 20. Как здесь используется, ссылки на термин "согласованный", при упоминании коэффициента теплового расширения, должны пониматься как относящиеся к первому слою, такому как промежуточный слой 25, имеющему коэффициент теплового расширения в пределах примерно ±15% от коэффициента теплового расширения второго слоя, такого как материал подложки 20. В одном из вариантов осуществления промежуточный слой 25 имеет коэффициент теплового расширения, сходный с коэффициентом теплового расширения материала подложки CMC 20. В конкретном варианте осуществления промежуточный слой 25 имеет коэффициент теплового расширения, по существу равный коэффициенту теплового расширения материала подложки CMC 20. Как показано на фиг.1, в одном из вариантов осуществления покрытие для защиты от воздействий окружающей среды 10 содержит кремниевый выравнивающий слой 30, нанесенный или осажденный на материал подложки CMC 20 до того, как промежуточный слой 25 наносится или осаждается на материал подложки CMC 20. В конкретном варианте осуществления выравнивающий слой 30 имеет коэффициент теплового расширения, согласованный с материалом подложки 20 и/или промежуточным слоем 25.

В одном из вариантов осуществления промежуточный слой 25 включает в себя, по меньшей мере, один слой, сформированный из силиката, по меньшей мере, одного редкоземельного элемента (RE), включая, но не ограничиваясь этим, Y, Dy, Но, Er, Tm, Tb, Yb и/или Lu, имеющий общую композицию RE2Si2O7. Например, первый промежуточный слой 27 содержит RE2Si2O7. В дополнение к этому, промежуточный слой 25 содержит второй или наружный промежуточный слой 29, расположенный между первым промежуточным слоем 27 и наружным защитным слоем, таким как стойкий к разрушению поверхности поверхностный слой 35, как показано на фиг.1. Хотя на фиг.1 показано только два промежуточных слоя 27, 29, специалисту в данной области, направляемому концепцией, предусмотренной здесь, очевидно, что промежуточный слой 25 может содержать любое пригодное для использования количество слоев. В одном из вариантов осуществления слои имеют объединенную толщину примерно от 0,0762 мм (3,0 мил) примерно до 0,254 мм (10,0 мил). В дополнение, по меньшей мере, к одному силикату редкоземельного элемента, или альтернативно, промежуточный слой 25 может содержать, по меньшей мере, один слой пригодного для использования материала, и/или каждый промежуточный слой 27, 29 может содержать, по меньшей мере, один пригодный для использования материал.

Стойкий к разрушению поверхности поверхностный слой 35 наносится или осаждается на промежуточный слой 25. В одном варианте осуществления стойкий к разрушению поверхности поверхностный слой 35 наносится или осаждается на промежуточный слой 25 с использованием способа физического осаждения из паровой фазы или химического осаждения из паровой фазы. Альтернативно, стойкий к разрушению поверхности поверхностный слой 35 наносится на промежуточный слой 25 с использованием пропитки, с помощью водного раствора соли желаемого соединения, которое затем разлагается с получением желаемого оксида или металла в микропорах. Стойкий к разрушению поверхности поверхностный слой 35 и/или пропитанный слой может наноситься с использованием любого соответствующего способа, известного специалисту в данной области, направляемому концепцией, предусмотренной здесь, включая, но не ограничиваясь этим, золь-гель технологию, плазменное напыление, распыление суспензии и/или способы распыления краски.

В одном из вариантов осуществления стойкий к разрушению поверхности поверхностный слой 35 наносится однородно или осаждается однородно на наружном промежуточном слое 29. В этом варианте осуществления стойкий к разрушению поверхности поверхностный слой 35 имеет толщину примерно от 0,0127 мм (0,5 мил) примерно до 0,0508 мм (2,0 мил). Стойкий к разрушению поверхности поверхностный слой 35 имеет соответствующую толщину, чтобы предотвратить трещинообразование, проникновение паров воды и/или отшелушивание при работе или противостоять им. В альтернативных вариантах осуществления стойкий к разрушению поверхности поверхностный слой 35 имеет соответствующую толщину, которая предотвращает трещинообразование, проникновение паров воды и/или отшелушивание или противостоит им. Например, в одном из вариантов осуществления стойкий к разрушению поверхности слой имеет толщину, меньшую примерно чем 0,001 дюйма (25 микрометров).

В одном из вариантов осуществления стойкий к разрушению поверхности защитный слой 36 содержит, по меньшей мере, один силикат редкоземельного элемента (RE), включая, но не ограничиваясь этим, Y, Dy, Ho, Er, Tm, Tb, Yb и/или Lu, имеющий общую композицию RE2SiO5. Стойкий к разрушению поверхности защитный слой 36 является химически совместимым с лежащим под ним промежуточным слоем 25 и имеет высокую стойкость к разрушению поверхности. Например, стойкий к разрушению поверхности защитный слой 36 может содержать Y2SiO5, нанесенный или осажденный на промежуточный слой 25, содержащий наружную поверхность из Y2Si2O7. Поверхностный слой 38 является химически совместимым с лежащим под ним защитным слоем 36 и имеет высокую стойкость к разрушению поверхности. Поверхностный слой 38 может содержать Y2O3, нанесенный или осажденный на защитный слой 36. Специалисту в данной области, направляемому концепцией, предусмотренной здесь, очевидно, что стойкий к разрушению поверхности защитный слой 36 и стойкий к разрушению поверхности поверхностный слой 38 могут содержать любой пригодный для использования материал, содержащий один или несколько редкоземельных металлов.

В одном из вариантов осуществления стойкий к разрушению поверхности поверхностный слой 35 содержит защитный слой 36, связанный с промежуточным слоем 25. В этом варианте осуществления защитный слой 36 имеет общую композицию RE2SiO5. Стойкий к разрушению поверхности поверхностный слой 35, кроме того, содержит поверхностный слой 38, связанный с защитным слоем 36. Поверхностный слой 38 содержит, по меньшей мере, один RE, а именно Y, Dy, Ho, Er, Tm, Tb, Yb и/или Lu, и имеет отношение RE к кислороду, равное, по меньшей мере, 2:3. Поверхностный слой 38 содержит RE2O3, RE металл, соль, содержащую RE, и/или металлоорганический материал, содержащий RE. Пригодный для использования металлоорганический материал включает в себя, без ограничения, пригодный для использования алкоксид, содержащий некоторый вид металла, включая RE, такой как, без ограничения, RE-изопропиленоксид (RE-[OCH(CH3)2]3), RE-три-н-бутиленоксид (RE-(OC4H9)3) или RE-этиленоксид (RE-(OC2H5)3). В конкретном варианте осуществления поверхностный слой 38 имеет общую композицию RE2O3 или взаимодействует с газовой фазой с образованием общей композиции RE2O3.

В одном из вариантов осуществления защитный слой 36 образуется посредством химической реакции поверхностного слоя 38 с промежуточным слоем 25. В конкретном варианте осуществления граница раздела между выравнивающим слоем 30 и промежуточным слоем 25 и граница раздела между защитным слоем 36 и поверхностным слоем 38 являются по существу сплошными. Альтернативно, защитный слой 36 осаждается непосредственно на промежуточный слой 25, а поверхностный слой 38 осаждается непосредственно на защитный слой 36, по существу без химических реакций между слоями, с образованием многослойного покрытия для защиты от воздействий окружающей среды 10. В этом варианте осуществления границы раздела между выравнивающим слоем 30 и промежуточным слоем 25, промежуточным слоем 25 и защитным слоем 36 и защитным слоем 36 и поверхностным слоем 38 также могут быть по существу сплошными.

В одном из вариантов осуществления промежуточный слой 25 содержит поверхностную область с микропустотами, пропитанную стойким к разрушению поверхности оксидом, с образованием защитного слоя 36 на области поверхности, образующей микропустоты. Область поверхности или микроструктура с микропустотами может создаваться, давая возможность поверхностному слою для взаимодействия с парами воды при достаточно высокой температуре, в течение заданного отрезка времени, для создания микроструктуры с микропустотами. Альтернативно, имеющая микропустоты или пористая микроструктура может создаваться посредством плазменного напыления. Например, слой RE2SiO5 с микропустотами может создаваться на промежуточном слое 25, содержащем RE2Si2O7, посредством экспонирования для проточной атмосферы, обогащенной парами воды, в течение примерно от 100 часов примерно до 500 часов, примерно при 2400°F. Затем микропустоты пропитываются химически совместимым, стойким к парам воды оксидом для создания стойкого к разрушению поверхности поверхностного слоя 35. Например, RE2SiO5 с микропустотами, созданный на промежуточном слое RE2Si2O7 25, может пропитываться RE2O3 с получением стойкого к разрушению поверхности поверхностного слоя 35 (RE2O3 + RE2SiO5), который защищает лежащий под ним промежуточный слой из RE2Si2O7 25, кремниевый выравнивающий слой 30 и материал подложки CMC 25 от повреждения парами воды.

В конкретном варианте осуществления промежуточный слой 25 содержит Y2Si2O7 и защитный слой 36 содержит слой Y2SiO5 с микропустотами, пропитанный Y2O3, для образования стойкого к разрушению поверхности поверхностного слоя 35. Хотя стойкий к разрушению поверхности оксид может не иметь CTE, который является хорошо согласованным с CTE материала подложки CMC 20 и/или CTE промежуточного слоя 25, стойкий к разрушению поверхности поверхностный слой 35 является достаточно тонким для предотвращения трещинообразования и проникновения паров воды или противостояния им. Моделирование показывает, что стойкий к разрушению поверхности поверхностный слой из Y2SiO5 толщиной 0,001 дюйма, имеющий CTE примерно 6,5×10-6 1/C и модуль упругости E = 30-40 ГПа, нанесенный на материал подложки CMC с промежуточным слоем из Y2Si2O7 25, имеющим CTE примерно 4,5×10-6 1/C и модуль упругости E = 280 ГПа, должен попадать ниже предела трещинообразования на основе критерия скорости деформации - высвобождения энергии для трещинообразования по всей толщине.

В альтернативном варианте осуществления стойкий к разрушению поверхности поверхностный слой 35 содержит поверхностную область с микропустотами, пропитанную металлооксидным предшественником стойкого к разрушению поверхности оксида. В одном из вариантов осуществления поверхностная область с микропустотами, как описано выше, пропитывается заданной концентрацией металла, который затем окисляется, с образованием стойкого к разрушению поверхности поверхностного слоя 35. Пропитывающий агент может представлять собой водный или неводный раствор растворимой соли RE, суспензию субмикронных частиц, содержащих RE, или раствор, который дает металлический RE при сушке. Следующая за этим реакция или окисление пропитывающего RE заполняет микропустоты и создает стойкий к разрушению поверхности защитный слой 35, имеющий общую композицию RE2SiO5, на поверхностях пор и/или на наружной поверхности.

В конкретном варианте осуществления, промежуточный слой 25 содержит Y2Si2O7, и защитный слой 36 содержит слой Y2SiO5 с микропустотами, пропитанный Y для образования плотного, стойкого к разрушению поверхности поверхностного слоя 35, содержащего Y2SiO5 и Y2O3. Во время этого процесса увеличение объема при окислении облегчает заполнение микропор для создания плотной микроструктуры поверхности. Плотный, стойкий к разрушению поверхности поверхностный слой 35, связанный с более толстым промежуточным слоем 25, например Y2Si2O7, создает поверхностную область, которая является в высшей степени стойкой к проникновению паров воды и слишком тонкой для трещинообразования в результате несогласованности CTE с материалом подложки 20. В дополнение к этому, более толстый промежуточный слой 25 обеспечивает дополнительную защиту для материала подложки 20, если стойкий к разрушению поверхности поверхностный слой 35 разрушится по всей толщине, а также удобную подложку для подбора свойств поверхности.

Промежуточный слой 25, имеющий общую композицию RE2Si2O7, изначально может иметь неадекватную стойкость к разрушению поверхности в атмосфере продуктов горения, содержащей пары воды. В одном из вариантов осуществления промежуточный слой 25 покрывается тонким слоем, имеющим общую композицию RE2O3. Слои взаимодействуют химически при экспонировании для повышенных температур, с образованием in-situ тонкого, плотного защитного слоя 36, имеющего общую композицию RE2SiO5, который является химически совместимым с RE2Si2O7. Защитный слой 36 и, таким образом, стойкий к разрушению поверхности поверхностный слой 35 имеют высокую стойкость к разрушению поверхности и высокую стойкость к трещинообразованию. В конкретном варианте осуществления тонкий, однородный поверхностный слой из стойкого к разрушению поверхности оксида, такого как RE2O3, наносится на промежуточный слой 25, содержащий RE2Si2O7, с использованием, по меньшей мере, одного способа из физического осаждения из паровой фазы, химического осаждения из паровой фазы, нанесения покрытия с помощью золь-гель перехода, нанесения покрытия из суспензии, плазменного напыления или способа распыления краски. Слой RE2O3 взаимодействует с лежащим под ним слоем RE2Si2O7 с образованием тонкого слоя RE2SiO5. Хотя слой RE2SiO5 не является хорошо согласованным по CTE с лежащим под ним слоем RE2Si2O7, трещинообразование предотвращается или ограничивается, поскольку слой RE2SiO5 является тонким, например меньшим примерно чем 0,001 дюйма (25 микрометров), и изменение объема при реакции RE2O3 + RE2Si2O7 = 2RE2SiO5 составляет только примерно 1%. Кроме того, реакция RE2O3/RE2Si2O7 может быть полезной при устранении или уменьшении количества поверхностных трещин и пор и при создании микроструктурно-благоприятного поверхностного слоя.

В одном из вариантов осуществления начальный слой RE2Si2O7 пропитывается с помощью раствора предшественника, содержащего, по меньшей мере, один RE, такого как водный раствор, содержащий неорганическую соль RE, неводный раствор, содержащий RE-алкоксид или носитель для металлического RE, до осаждения слоя RE2O3 или вместо него. Проникновение предшественника, содержащего RE, в открытые поры в слое RE2Si2O7 приводит к формированию RE2SiO5 на стенках пор, когда он экспонируется для повышенной температуры. Такой сформированный in-situ RE2SiO5 обеспечивает дополнительную защиту пористой подложки RE2Si2O7 от экспонирования для паров воды.

В одном из вариантов осуществления настоящее изобретение предусматривает способ изготовления детали, такой как деталь газотурбинного двигателя 15, имеющей покрытие для защиты от воздействий окружающей среды 10. Деталь газотурбинного двигателя 15 содержит кремний и имеет первый коэффициент теплового расширения. Промежуточный слой 25 связывается с наружной поверхностью детали газотурбинного двигателя 15. Промежуточный слой 25 имеет второй коэффициент теплового расширения в пределах примерно ±15% от коэффициента теплового расширения детали газотурбинного двигателя 15. В конкретном варианте осуществления второй промежуточный слой связывается с первым промежуточным слоем. В этом варианте осуществления второй промежуточный слой имеет коэффициент теплового расширения, подобный или идентичный коэффициенту теплового расширения первого промежуточного слоя. Альтернативно, второй промежуточный слой имеет коэффициент теплового расширения, иной, чем коэффициент теплового расширения первого промежуточного слоя. Специалистам в данной области, направляемым концепцией, предусмотренной здесь, очевидно, что покрытие для защиты от воздействий окружающей среды 10 может содержать любое пригодное для использования количество промежуточных слоев.

Защитный слой 36, имеющий общую композицию RE2SiO5, связывается с наружным промежуточным слоем. В одном из вариантов осуществления защитный слой 36 осаждается на промежуточный слой 25. В конкретном варианте осуществления защитный слой 36 связывается с промежуточным слоем 25 посредством взаимодействия материала металлооксидного предшественника с промежуточным слоем 25. Например, защитный слой 36, содержащий RE2SiO5, формируется посредством взаимодействия материала металлооксидного предшественника, содержащего RE2O3, с промежуточным слоем 25, содержащим RE2Si2O7. В одном из вариантов осуществления поверхностный слой 38 связывается с защитным слоем 36. Поверхностный слой 38 содержит, по меньшей мере, один RE и имеет отношение RE к кислороду, равное, по меньшей мере, 2:3.

Альтернативно, защитный слой 36 формируется и связывается с промежуточным слоем 25 посредством термической обработки покрытия для защиты от воздействий окружающей среды 10 после осаждения поверхностного слоя 38 на промежуточном слое 25. В другом альтернативном варианте осуществления защитный слой 36 связывается с промежуточным слоем 25 посредством формирования защитного слоя 36 in-situ во время работы CMC детали с покрытием для защиты от воздействий окружающей среды.

Указанное выше покрытие для защиты от воздействий окружающей среды для детали на основе кремния, например детали из компонента из материала CMC SiC/SiC или нитрида кремния, является стойким к трещинообразованию благодаря совместимости CTE между материалами подложки и промежуточного слоя и плотному, очень стойкому к разрушению поверхности поверхностному слою, который является слишком тонким, чтобы демонстрировать вредное трещинообразование. Стойкий к разрушению поверхности поверхностный слой предотвращает или ограничивает экспонирование лежащих под ним слоев для атмосферы продуктов горения. Покрытие для защиты от воздействий окружающей среды имеет износостойкость и стойкость к разрушению поверхности, адекватную для того, чтобы обеспечить цель конструкционного срока службы примерно до 32000 часов работы при температуре примерно 2400°F. Кроме того, промежуточный слой обеспечивает дополнительную защиту для лежащего под ним материала подложки, если стойкий к разрушению поверхности поверхностный слой разрушается по всей толщине, а также удобную подложку для подбора свойств поверхности.

Примеры вариантов осуществления покрытия для защиты от воздействий окружающей среды и способа изготовления компонентов, содержащих покрытие для защиты от воздействий окружающей среды, подробно описаны выше. Покрытие для защиты от воздействий окружающей среды и способ не ограничиваются конкретными вариантами осуществления, описанными здесь, но скорее, компоненты покрытия для защиты от воздействий окружающей среды и/или стадии способа могут использоваться независимо и отдельно от других компонентов и/или стадий, описанных здесь. Кроме того, описанные компоненты и/или стадии способа могут также определяться в других покрытиях и/или способах или использоваться в сочетании с ними и не являются ограниченными в осуществлении только покрытием для защиты от воздействий окружающей среды и способом, как описано здесь.

Хотя настоящее изобретение описано с точки зрения различных конкретных вариантов осуществления, специалисты в данной области заметят, что настоящее изобретение может осуществляться с модификацией в духе и в рамках формулы изобретения.

Список деталей
10 покрытие для защиты от воздействий окружающей среды
15 деталь газотурбинного двигателя
20 материал подложки CMC
25 лежащий под ним промежуточный слой
27 первый промежуточный слой
29 наружный промежуточный слой
30 выравнивающий слой
35 стойкий к разрушению поверхности поверхностный слой
36 защитный слой
38 поверхностный слой

1. Покрытие для защиты от воздействий окружающей среды (10) для детали, содержащей кремний, имеющей первый коэффициент теплового расширения, указанное покрытие для защиты от воздействий окружающей среды содержит:
кремниевый выравнивающий слой (30), связанный, по меньшей мере, с частью наружной поверхности указанной детали;
по меньшей мере, один промежуточный слой (25, 27, 29), связанный с указанным кремниевым выравнивающим слоем и имеющий второй коэффициент теплового расширения, согласованный с указанным первым коэффициентом теплового расширения, указанный промежуточный слой имеет общую композицию RE2Si2O7;
защитный слой (36), связанный с указанным промежуточным слоем и имеющий общую композицию RE2SiO5; и
стойкий к разрушению поверхностный слой (35), содержащий поверхностный слой (38), связанный с указанным защитным слоем и содержащий RE, и имеющий отношение RE к кислороду, равное, по меньшей мере, 2:3.

2. Покрытие для защиты от воздействий окружающей среды (10) по п.1, в котором указанный защитный слой (36) формируется посредством химической реакции указанного поверхностного слоя (38) с указанным, по меньшей мере, одним промежуточным слоем (25, 27, 29), и каждая граница раздела между указанным выравнивающим слоем (30), указанным, по меньшей мере, одним промежуточным слоем, указанным защитным слоем и указанным поверхностным слоем является по существу сплошной.

3. Покрытие для защиты от воздействий окружающей среды (10) по п.1, в котором указанный поверхностный слой (38) имеет общую композицию RE2O3 или взаимодействует с газовой фазой с образованием общей композиции RE2O3, где RE представляет собой, по меньшей мере, один элемент из Y, Tb, Dy, Но, Er, Tm, Yb и Lu.

4. Покрытие для защиты от воздействий окружающей среды (10) по п.1, в котором указанный защитный слой (36) осаждается непосредственно на указанный, по меньшей мере, один промежуточный слой (25, 27, 29), и указанный поверхностный слой (38) осаждается непосредственно на указанный защитный слой, по существу, без химической реакции между слоями, с образованием многослойного покрытия для защиты от воздействий окружающей среды, и границы раздела между указанным выравнивающим слоем (30), указанным, по меньшей мере, одним промежуточным слоем, указанным защитным слоем и указанным поверхностным слоем являются по существу сплошными.

5. Покрытие для защиты от воздействий окружающей среды (10) по п.1, в котором указанный, по меньшей мере, один промежуточный слой (25) дополнительно содержит:
внутренний промежуточный слой (27), связанный с указанным кремниевым выравнивающим слоем; и
наружный промежуточный слой (29), связанный с указанным внутренним промежуточным слоем и образующий множество микропустот, указанный наружный промежуточный слой с проникающим в него указанным поверхностным слоем (38) образует указанный защитный слой (36) на поверхности, образуя, каждый, микропустоты из указанного множества микропустот.

6. Покрытие для защиты от воздействий окружающей среды (10) по п.1, в котором указанный второй коэффициент теплового расширения находится в пределах ±15% от указанного первого коэффициента теплового расширения.

7. Покрытие для защиты от воздействий окружающей среды (10) по п.1, в котором указанный поверхностный слой (38) содержит, по меньшей мере, один материал из RE2O3, RE металла, соли, содержащей RE, и металлоорганического материала, содержащего RE.

8. Покрытие для защиты от воздействий окружающей среды (10) по п.1, в котором указанный, по меньшей мере, один промежуточный слой (25, 27, 29) имеет толщину примерно от 0,0762 мм примерно до 0,254 мм.

9. Покрытие для защиты от воздействий окружающей среды (10) по п.1, в котором указанный стойкий к разрушению поверхностный слой (35) имеет толщину примерно от 0,0127 мм примерно до 0,0508 мм.

10. Деталь для газотурбинного двигателя (15), указанная деталь содержит:
материал подложки (20), содержащий кремний, указанный материал подложки имеет первый коэффициент теплового расширения;
кремниевый выравнивающий слой (30), связанный, по меньшей мере, с частью наружной поверхности указанного материала подложки;
по меньшей мере, один промежуточный слой (25, 27, 29), связанный с указанным кремниевым выравнивающим слоем и имеющий второй коэффициент теплового расширения, согласованный с указанным первым коэффициентом теплового расширения, промежуточный слой имеет общую композицию RE2Si2O7;
защитный слой (36), связанный с указанным промежуточным слоем и имеющий общую композицию RE2SiO5; и
стойкий к разрушению поверхностный слой (35), содержащий поверхностный слой (38), связанный с указанным защитным слоем и содержащий RE, и имеющий отношение RE к кислороду, по меньшей мере, 2:3.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области регулирования зазора между вершинами подвижных лопаток и стационарным кольцевым узлом в газовой турбине. .

Изобретение относится к устройству измерения потока для определения направления потока флюида. .

Изобретение относится к способу определения превышения ограничения рабочего параметра в системе паровой турбины. .

Изобретение относится к конструкции сопловых аппаратов малорасходных активных турбин с парциальным подводом газа и может быть использовано в энергетическом машиностроении.

Изобретение относится к системам парораспределения паровых турбин. .

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к паровым машинам объемного расширения, а именно к пароводяным винтовым детандерам, предназначенным для преобразования энергии пара в механическую энергию.

Изобретение относится к области соединения пайкой двух материалов, имеющих различные термомеханические свойства, и может быть использовано для соединения деталей газотурбинного двигателя.

Изобретение относится к способу эксплуатации паротурбинной установки и к устройству для производства пара. .
Изобретение относится к производству керамических изделий, преимущественно, декоративно-прикладного назначения. .

Изобретение относится к противоокислительным защитным покрытиям для деталей из композитных материалов, содержащих углерод или другие материалы, подверженные окислению при повышенной температуре.
Изобретение относится к составам флюсов для надглазурных керамических красок, используемых при декорировании изделий из фарфора, фаянса, других материалов. .

Изобретение относится к изделиям с глазурованным слоем, таким как столовая посуда, кухонные принадлежности, декоративная плитка, сантехническое и промышленное оборудование и т.п.

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано для создания защитно-декоративных покрытий на поверхностях строительных изделий, преимущественно на поверхности керамической плитки.
Наверх