專利名稱：金屬和含硅部件的組件的擴散阻擋層及其形成方法
技術領域：
本發明大體上涉及一種方法和涂層，用于減少部件之間的反應，如燃氣輪機的汽輪機部分的支承結構上的部件之間的反應。具體地，本發明涉及一種方法和涂層，可阻止硅從含硅部件擴散到支承含硅部件的金屬部件。
背景技術：
正在開發含硅(含Si)單塊陶瓷和陶瓷基體復合材料(CMC`s)，以用于高溫部件，如燃燒器、護罩、噴管(隔片)，和工業和航空燃氣輪機的其他高溫階段的部件。特別關注的材料包括連續纖維陶瓷復合材料(CFCC)，以及單塊氮化硅(Si3N4)和碳化硅(SiC)材料。General Electric公司開發出著名的CFCC材料，商標名為HiPerComp，在碳化硅和硅的基體中含有連續的碳化硅纖維。在考慮的應用中，背部的超合金支承結構一般要求支承單塊陶瓷和CMC部件。所產生的陶瓷和超合金界面要能夠長時間耐受高達1100℃的溫度，同時保持陶瓷部件和超合金支承結構之間的物理緊密接觸，以避免應力導致的振動。
超合金材料和含硅陶瓷材料，具體為SiC纖維增強的SiC基體復合材料，的化學相容性，在大約1400°F(約760℃)以上時，已經出現問題。許多鎳基和鈷基超合金在高溫下(如大約900到1200℃)與含硅陶瓷接觸時已經觀察到其物理性能下降，這是由于硅(和少量的碳)擴散越過陶瓷和超合金的界面。都知道的哈司特鎳合金Hastelloy X超合金，在900℃的高溫下與含硅陶瓷接觸500小時后，顯示出了硅擴散，在超合金表面下形成了大約20微米厚的脆性硅化物。如果同樣的合金暴露于大約1150℃溫度下120小時，可觀察到擴散和形成的硅化物厚度增加到超過40密耳(大約1毫米)。許多的復雜反應造成了超合金內的脆性硅化物(和碳化物)相的沉淀。無論如何，這些相可作為裂紋形成和擴展穿過超合金的起點。
考慮到上述情況，希望避免或至少阻止硅從含硅陶瓷部件擴散到與陶瓷部件接觸的超合金部件，以阻止含硅陶瓷和超合金之間發生反應。

發明內容
因此，本發明提供了一種阻止硅從含硅材料形成的部件擴散到金屬支承結構和其組件的方法。本發明具體涉及一種部件和支承結構組件，其將承受持續期間的非常高的溫度，如同燃氣輪機上的各組件。
在本發明的組件中，部件支承和接觸于支承結構，在其間形成接觸界面。阻擋涂層設置在部件和/或支承結構上，位于接觸界面，防止含硅部件和支承結構的金屬基體之間直接物理接觸。阻擋涂層主要包括氧化物，其比二氧化硅更加熱穩定，可阻止硅從含硅材料擴散到金屬基體。
在本發明的方法中，阻擋涂層可沉積在部件和支承結構中的一個或二個上。然后將部件連接到支承結構，使得部件支承于和接觸支承結構，在部件和支承結構的金屬基體之間形成接觸界面。由于形成了組件，阻擋涂層位于接觸界面，可防止含硅材料和金屬基體之間直接物理接觸。
本發明的顯著優點是阻擋涂層可有效地阻止并基本上防止硅從含硅材料，如單塊陶瓷或CMC，在溫度至少高達1200℃的情況下擴散到與含硅材料接觸的超合金基體。具體地，阻擋涂層阻止在超合金表面區內形成脆性的硅化物相，其可作為裂紋在超合金中產生和擴散的起點。如所指出的，本發明有益于燃氣輪機的汽輪機部分的部件和支承結構，如燃燒器，護罩，噴管(隔片)，以及其他的工業和航空燃氣輪機的高溫階段部件。
對本發明的其他目的和優點，通過下面的詳細介紹可了解的更清楚。


圖1顯示了根據本發明的固定到超合金基體的CMC部件的截面圖。
具體實施例方式
圖1顯示了組件10的截面圖，組件包括陶瓷部件12，其用銷16固定到支承結構14。部件12可以是燃氣輪發動機的部件，比如燃燒器襯里或圍繞燃氣輪機的汽輪機部分的外葉片端部的護罩。特別適合的陶瓷材料包括硅，如含硅單塊陶瓷和含有作為增強和/或基體材料的碳化硅的CMC材料，CMC材料的特別示例有General Electric公司開發的HiPerCompCFCC，其由碳化硅和硅基體中的連續碳化硅纖維組成。但是，其他含硅材料也在本發明的范圍內，包括單塊陶瓷，如氮化硅；和硅化物(金屬間化合物)，如硅化鈮和硅化鉬。在優選實施例中，支承結構14由耐高溫超合金制成，尤其是含有鉻的鎳基或鈷基超合金。盡管圖1顯示了陶瓷部件12和超合金支承結構14用銷16固定到一起，在本發明的范圍內，銷16或其他類型的固定件不是陶瓷超合金組件的必要部件。
當加熱到大約1400°F(大約760℃)或更高溫度，部件12內的游離硅和碳傾向于從部件12遷移，如果允許，從部件12擴散到支承結構14的超合金，導致許多可能反應的發生，在支承結構14的表面區形成脆性的硅化物和碳化物。例如，硅滲透到含有鉻的鎳基超合金可導致形成穩定的硅化物，如NiSi，Ni2Si和Cr3Si。形成許多共晶相，共晶相可在溫度低于燃燒器和汽輪機部件操作溫度時熔化。在反應區，已經觀察到顯微硬度的明顯增加，導致合金表面下的脆化。許多超合金中即使存在少量的硅雜質也能造成脆性拉夫斯相的沉淀。碳擴散到超合金基體也是有害的，造成碳化物的形成和合金中的碳含量過高，這可導致脆性的西格瑪相沉淀。陶瓷部件12的硅和碳擴散到超合金支承結構14，及后續的擴散硅和碳在結構14中反應，可帶來嚴重的問題。
為了避免上面提到的有害反應，本發明使用了阻擋層18，其能夠阻止游離硅(和一定的碳)從含硅材料擴散。阻擋層18的適當材料至少是如氧化物般熱穩定的，可存在于部件12或結構14，因此可與阻擋層18接觸。如果沉積在部件12上，阻擋層18的適合材料是多鋁紅柱石(3Al2O3·2SiO2)，其比部件12的含硅材料表面固有的二氧化硅更加熱穩定。阻擋層18的其他適合材料包括稀土硅酸鹽，如Y2Si2O7，Y2SiO5，Lu2SiO5；堿土金屬硅酸鹽，如硅酸鈣，硅酸鋇；和堿土金屬鋁硅酸鹽，如鋁硅酸鋇-鍶。直接沉積在部件12上的阻擋層18的厚度大約為25到150微米。如果沉積在超合金支承結構14，阻擋層18可以是氧化鋁，穩定化的氧化鋯，氧化釔，多鋁紅柱石，二氧化鈦或氧化鉻，這些材料比二氧化硅更加熱穩定。如果阻擋層18沉積在支承結構14，形成氧化鋁的金屬涂層20，如MCrAlY(其中M是鐵、鈷和/或鎳，Y是釔或另外的稀土或反應元素)，最好首先沉積到支承結構14大約25到250微米的厚度，以減少氧化物阻擋層18和支承結構14的超合金之間的熱膨脹失配。在這種情況下，阻擋涂層18的優選材料是釔穩定化的氧化鋯，沉積厚度大約為25到250微米。
進行了導致本發明的研究，其建議氧化鋁或氧化釔涂層可用于阻擋硅從含硅陶瓷擴散到接觸陶瓷的超合金。在關注涂層作為擴散阻擋層的作用的同時，還發現涂層在熱循環期間因為熱失配未能很好地粘附到陶瓷材料，在某些情況下，可導致涂層在一個熱循環后出現分離和開裂。
在后面的研究中，對多個超合金材料進行了不同類型氧化物涂層的評估，以評定涂層阻擋硅擴散越過溫度大約為900℃到1200℃、持續時間為大約50到1600小時的含硅陶瓷和超合金組件的能力。為進行這個研究，超合金材料試樣的大致尺寸為1×1/2×1/8英寸(大約為25×13×3毫米)。試樣的表面用粒度600的SiC砂紙進行磨光，然后拋光到鏡面光潔度。含硅陶瓷復合材料的類似尺寸的試樣也進行了制備和拋光，含有硅和碳化硅的陶瓷復合材料通過硅熔浸形成。這樣的陶瓷材料在文獻中還可稱為反應粘結碳化硅，或硅合成材料(Silcomp)。這些材料是熔浸法制成的SiC纖維增強的Si-SiC基體復合材料的代表(HiPerComp)。合金和陶瓷試樣壓接到一起，用鉑銠絲緊緊地纏繞，得到的試樣組件放置到氧化鋁槽中，在空氣中加熱到選擇的實驗溫度。在某些情況下，組件在流動的氦氣中加熱，以減少空氣擴散到兩個試樣之間接觸區導致的氧化。組件經受不同持續時間的實驗溫度，其后組件進行切片，通過標準的金相檢驗技術檢測界面反應區。
基本上與上面介紹一致的其他試樣組件也進行制備，但還進行了其他步驟，在試樣結合形成試樣組件之前，將氧化物涂層沉積到超合金試樣。涂層是氧化鋯(ZrO2)，由大約8％重量的氧化釔(Y2O3)、氧化鈦(TiO2)、氧化鉻(Cr2O3)和氧化鋁(Al2O3)穩定化；涂層通過低壓等離子噴涂(LPPS)施加，厚度大約為4到5密耳(大約100到125微米)。在沉積氧化物涂層之前，NiCrAlY合金粘結層直接設置到超合金試樣表面，厚度為大約1到2密耳(大約25到50微米)。如前面提到的，NiCrAlY粘結層的主要作用是減少氧化物涂層和超合金基片之間熱膨脹的失配。
對于未施加氧化物涂層的試樣，已發現完成高溫暴露的超合金試樣形成反應區。表一總結了進行評價的不同超合金，不同溫度和持續時間，以及硅化物沉淀的大致滲透深度，其通過顯微圖象由視覺確定。在各種條件下，超合金和陶瓷試樣接觸區的切片和檢測證實硅從陶瓷試樣擴散到超合金試樣，導致了陶瓷材料的陶瓷基體上形成空穴和在超合金中的沉淀。
表一

對于控制擴散的工藝，如在此實驗中所進行的，滲透深度/時間1/2與相應溫度的關系曲線顯示出是直線，這可用來預測在中間體溫度下硅大致的滲透深度。實驗的結果顯示出符合這個結論，擴散的表面活化能為大約62千卡/摩爾。觀察到的硅遷移到進行評估的超合金導致了超合金機械性能的損失，如低和高循環疲勞壽命，斷裂強度和延展性。盡管實驗未能顯示出硅擴散速率是合金成分的強函數，而性能下降程度可能是。例如，Hastelloy X是比René80和IN 718韌性更強的超合金，可預期Hastelloy X性能的下降相應地不那么嚴重。但是，即使是Hastelloy X，深度小到大約10密耳(大約250微米)的脆性區對于許多結構都是不能接受的。
在陶瓷材料和超合金基體之間界面進行的反應細節顯示出以其復雜的方式取決于特定超合金的成分。例如，Ni-50Cr試樣的半球形反應區的特征是較大的空穴，與進行相同實驗步驟的IN 718試樣出現的針狀的西格瑪相和細小硅化物顆粒的更均勻分布和滲透完全不同。Ni-Cr合金，熔化的硅化物相可在實驗期間形成，而René80試樣在溫度1150℃并保持僅120小時后形成半球形反應區，并在1000小時實驗后形成硅化物顆粒網絡。三元合金Ni-20Cr-10Ti在溫度1170℃保持140小時后形成更不好的反應區，其特征為超合金中出現大量的空穴和孔洞，可能是熔化的硅化物造成的。
對帶有氧化物涂層的超合金試樣的實驗樣品進行了類似上面介紹條件下的實驗。特定的樣品組合包括IN 738上的釔穩定化的氧化鋯(YSZ)(在大約900℃保持大約1004小時，在大約1000℃保持大約600小時)；René80上的YSZ(在大約1000℃保持552小時)；Hastelloy X上的氧化鋁(在大約1000℃保持大約672小時)；HastelloyX上的氧化鉻(在大約1000℃保持大約672小時)；Hastelloy X上的氧化鈦(在大約1000℃保持大約672小時)；Hastelloy X上的氧化鋁(在大約1100℃保持大約500小時)。各實驗樣品在完成高溫評估后進行了切片和檢測。對IN 738和René80試樣的檢測證明含硅陶瓷和超合金試樣都未顯示出硅滲透通過YSZ涂層進入超合金基體的證據。值得注意的是，YSZ涂層通過下面的NiCrAlY粘結層很好地粘附到超合金基體。
沉積在Hastelloy X試樣上的氧化鋁、氧化鈦和氧化鉻涂層在高溫實驗期間保持完整，但在金相固定和切片時分解。然而，所有三種氧化物涂層成分證明對于防止硅擴散到下面的超合金基體是有效的，證據是在涂層下未形成硅化物。能量色散譜儀(EDS)對TiO2涂復和Cr2O3涂復的Hastelloy X試樣，其在900℃下保持1600小時，的界面進行元素掃描，證明硅未滲透任何的氧化物涂層。
根據上面的介紹，可假設，除了或代替陶瓷和超合金組件的超合金部件上的氧化物涂層，直接沉積在陶瓷部件的氧化物涂層可有效地阻止硅擴散。但是，不多的氧化物能夠用于實現這個目的，因為大部分具有比碳化硅更高的熱膨脹系數，從而不能在熱循環期間保持粘附到含硅陶瓷。因為多鋁紅柱石的熱膨脹性能很接近碳化硅，所以選擇多鋁紅柱石(3Al2O3·2SiO2；α＝5.1-5.4×10-6/℃，在25到1000℃之間)作為二次研究的擴散阻擋涂層材料。但是相信許多其他的氧化物材料也適合，包括稀土硅酸鹽，如Y2Si2O7，Y2SiO5，Lu2Si2O7，和Lu2SiO5；堿土金屬硅酸鹽，如硅酸鈣和硅酸鋇；和堿土金屬鋁矽酸鹽，如鋁矽酸鋇-鍶。這些族中有許多氧化物的膨脹系數類似于含硅陶瓷，如理想配比的鋁矽酸鋇-鍶((Ba0.75Sr0.25)O-Al2O3-SiO2)。
厚度在大約10密耳(大約250微米)的多鋁紅柱石涂層通過空氣等離子噴涂直接施加到另外的含硅陶瓷成分試樣的表面。在組裝進行檢測的陶瓷試樣和Hastelloy X試樣之前，不嘗試對多鋁紅柱石涂層進行拋光。這些多鋁紅柱石涂層在減少游離硅從含硅陶瓷試樣擴散的作用的確定是通過使組件經受熱暴露，范圍在大約900到大約1200℃，然后對組件切片進行金相檢測和能量彌散X射線(EDXA)分析。
經受大約1100℃的溫度并保持大約100小時的第一樣品顯示出鉻擴散到Hastelloy X試樣的表面區造成kirkendall空穴區。但是，EDS分析顯示無硅滲透到超合金的證據。陶瓷試樣上的多鋁紅柱石涂層在實驗后仍保持完整。在大約1200℃保持大約100小時的第二樣品表面下的EDS測試分析顯示出試樣表面存在少量的硅，但Hastelloy X超合金內無硅。
在獨立的實驗中，在另外的超合金試樣上設置了鋁化物涂層，然后進行測試。鎳基超合金Inconel 718，Inconel 738，René80，Udimet 500和Udimet 700的矩形試樣進行了拋光。使用擴散滲碳處理法進行鋁化物涂層沉積，需將超合金試樣置入成分為大約5.8％鋁，0.2％NH4F和94％氧化鋁的粉末混合物中。試樣和粉末混合物在帶蓋的碳化爐內加熱到大約1050℃并在氬氣中保持大約2小時。在這個過程中，致密的鋁化鎳β-NiAl擴散層在試樣的所有表面上形成，厚度大約為10到大約100微米。當從粉末混合物中取出后，涂復的試樣進行輕度拋光，去除粘附的氧化鋁顆粒，與含硅的Silcomp(Si-SiC)試樣組裝，在大約1150℃的溫度下保持大約120小時。
測試結束時，發現鋁化物涂層防止了脆性硅化物相在下面的超合金試樣上形成。因為鋁化物涂層在表面上形成致密的相干的氧化鋁層，推斷是氧化鋁層防止了硅遷移越過超合金-陶瓷界面。因此，可以認為，除了沉積的氧化鋁層，熱生長的氧化鋁層可有效地作為氧化物阻擋層，實現本發明的目的。
從上面的介紹，可以認為帶有含硅陶瓷部件的超合金，其加熱到900℃或以上，硅擴散越過超合金和陶瓷的界面，導致超合金中形成脆性的硅化物，滲透深度主要取決于溫度和時間。在900℃暴露不算是長時間的500小時可導致硅滲透20微米，相信這對于超合金的性能是有害的，尤其是如果超合金用于工業燃氣輪機和航空燃氣輪機的熱階段的部件。當應用YSZ，氧化鋁，氧化鉻和氧化鈦擴散阻擋層于超合金部件和/或將多鋁紅柱石應用于含硅陶瓷部件時可減少溫度高達1200℃時的硅擴散，這些氧化物涂層位于超合金和陶瓷部件之間。
盡管已通過一個和多個具體實施例對本發明進行了介紹，很清楚所屬領域的技術人員可采用其他形式。因此，本發明的范圍僅由所附權利要求來限定。
權利要求
1.一種組件(10)，具有支承和接觸于支承結構(14)的部件(12)，部件和支承結構之間形成接觸界面，所述部件(12)由含硅材料形成，支承結構(14)具有超合金基體，其特征在于，所述組件(10)包括阻擋涂層(18)，設置在部件(12)和支承結構(14)中至少一個上，所述阻擋涂層(18)主要包括氧化物，其比二氧化硅更加熱穩定，所述阻擋層(18)位于接觸界面，可防止所述含硅材料和所述超合金基體之間直接物理接觸，阻止硅從含硅材料擴散到所述超合金基體。
2.根據權利要求1所述的組件(10)，其特征在于，所述阻擋涂層(18)可從下面的一組材料中選擇氧化鋁、穩定化的氧化鋯、氧化釔、富鋁紅柱石、稀土硅酸鹽、堿土金屬硅酸鹽、堿土金屬鋁矽酸鹽、二氧化鈦和氧化鉻。
3.根據權利要求1所述的組件(10)，其特征在于，所述阻擋涂層(18)位于和粘結到支承結構(14)，可由氧化鋁、釔穩定化的氧化鋯、或氧化釔形成。
4.根據權利要求3所述的組件(10)，其特征在于，還包括MCrAlY涂層(20)，位于所述阻擋涂層(18)和超合金基體之間。
5.根據權利要求1所述的組件(10)，其特征在于，所述阻擋涂層(18)位于和粘結到部件(12)，可由富鋁紅柱石、稀土硅酸鹽、堿土金屬硅酸鹽、堿土金屬鋁矽酸鹽形成。
6.根據權利要求1所述的組件(10)，其特征在于，所述含硅材料可從下面的一組材料中選擇氮化硅、碳化硅、硅酸鈮、硅酸鉬、碳化硅和硅基體中的碳化硅纖維。
7.根據權利要求1所述的組件(10)，其特征在于，所述超合金基體由鎳基超合金形成。
8.一種阻止硅從含硅材料形成的部件(12)擴散到支承結構(14)的方法，所述方法包括步驟在部件(12)和支承結構(14)中至少一個上沉積阻擋涂層(18)，所述阻擋涂層(18)主要包括氧化物，其比二氧化硅更加熱穩定；然后將所述部件(12)連接到所述支承結構(14)，使所述部件(12)支承和接觸于支承結構(14)，在所述部件(12)和所述支承結構(14)的超合金基體之間形成接觸界面，所述阻擋涂層(18)位于接觸界面，可防止所述含硅材料和所述超合金基體之間直接物理接觸。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述阻擋涂層(18)的材料可從下面一組材料中選擇，包括氧化鋁、穩定化的氧化鋯、氧化釔、富鋁紅柱石、稀土硅酸鹽、堿土金屬硅酸鹽、堿土金屬鋁矽酸鹽、二氧化鈦和氧化鉻；所述含硅材料可從下面一組材料中選擇氮化硅、碳化硅、硅酸鈮、硅酸鉬、碳化硅和硅基體中的碳化硅纖維。
10.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述部件(12)是燃汽輪機部件，連接所述部件(12)到支承結構(14)的步驟包括安裝所述部件(12)到燃汽輪機。
全文摘要
一種抑制硅從含硅材料的部件(12)擴散到支承結構(14)及其組件(10)的方法。部件(12)支承和接觸于支承結構(14)，其間形成接觸界面。阻擋涂層(18)設置在元件(12)和/或支承結構(14)上，以便位于接觸界面，防止含硅材料和超合金基體之間直接物理接觸。
文檔編號C23C14/08GK1821445SQ20061000907
公開日2006年8月23日 申請日期2006年2月17日 優先權日2005年2月18日
發明者K·L·盧思拉, D·W·麥基 申請人:通用電氣公司