復合涂層及其制造方法
【專利說明】復合涂層及其制造方法技術背景
[0001]本發明技術總體上涉及涂層系統和方法，該涂層系統和方法適用于保護暴露在高溫環境下的制品或部件，如渦輪發動機的不利熱環境。更具體地，本發明技術涉及一種涂層，該涂層可用作抗氧化涂層和/或對于環境和/或熱屏障涂層的結合涂層。
[0002]陶瓷和耐高溫金屬間材料和復合材料是目前被認為用于這種高溫應用中，如燃燒器襯里、葉片、護罩、葉片和渦輪發動機的其它熱區段部件，以及用于設計為在高溫下工作的結構中，如換熱器和內燃機等應用。復合材料的一些實例包括含硅復合材料，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相和/或基體相的復合材料。然而，這些應用的環境特點經常含有水蒸汽，已知這在高溫下會導致含硅材料的顯著表面凹陷和質量損失。水蒸汽在高溫下與結構材料反應形成揮發性含硅物類，這經常導致無法接受的高凹陷率。
技術的簡要說明
[0003]本發明技術提供了復合涂層和在由含硅材料制成的制品或部件上制備復合涂層的方法，該含硅材料如陶瓷基體復合材料(CMC)。復合涂層保護暴露于高溫的含硅制品，該高溫包括渦輪發動機的不利熱環境。
[0004]根據該技術的一個實例，制品包括基材和設置在基材表面上的涂層。該涂層包括至少一個基本上由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成的金屬硅化物層，和至少一個基本上由Si3N4構成的層。
[0005]根據本發明技術的另一個實例，一種制品包括基材，該基材包括含硅的區域，該含硅的區域包括在金屬基體或非金屬基體中的SiC、Si3N4和/或過渡金屬硅化物作為增強材料；和設置在基材表面上的涂層，該涂層包括MoSijP Si 3N4，其中Si3N4的百分比按體積計大于涂層的約55%。
[0006]根據本技術的另一個實例，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基本上由MoSi2S WSi 2或(Mo，W) Si 2或鉑族金屬硅化物構成的金屬硅化物層和至少一個基本上由Si3N4構成的層。
[0007]根據本技術的另一個方面，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域，該含硅的區域包括在金屬基體或非金屬基體中的SiC、Si3N4和/或過渡金屬硅化物作為增強材料；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按體積計的百分比大于涂層的約55%。
附圖的簡單說明
[0008]通過下面的詳細說明并參考附圖，可以更好地理解本技術的其它方面和優點，其中相似的附圖標記所指的是本發明技術的相似特征，并且其中:
[0009]圖1示意性地表示一種制品，該制品包括根據本發明技術的一個實例的涂層系統；
[0010]圖2示意性地表示一種制品，該制品包括根據本發明技術的另一個實例的涂層系統；
[0011]圖3示意性地表示一種制品，該制品包括根據本發明技術的另一個實例的涂層系統；
[0012]圖4不意性地表不根據本發明技術的一個實例的一種方法；
[0013]圖5示意性地表示根據本發明技術的另一個實例的一種方法；
[0014]圖6示意性地表示根據本發明技術的另一個實例的一種方法；
[0015]圖7示意性地表示根據本發明技術的另一個實例的一種方法；
[0016]圖8示意性地表示多層膨脹與厚度比的關系；和
[0017]圖9示意性地表示多層膨脹與體積分數的關系。
技術的詳細說明
[0018]本發明技術通常適用于在以相對高的溫度、嚴酷的熱循環和應力、氧化和腐蝕為特點的環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輪葉(噴嘴)和葉片(葉片(bucket))、護罩、燃燒器襯里、推力增強裝置硬件和渦輪發動機的其它熱區段部件，然而該技術也已應用到其它部件上。
[0019]參考圖1，部件或制品10包括具有涂層或涂層系統30的基材20。制品10還可以包括環境屏障涂層(EBC)和/或熱屏障涂層(TBC) 40，其設置在涂層系統30上。EBC和/或TBC可以是例如多層涂層系統。基材20可包括含硅區域。含硅材料的例子包括含硅、碳化硅、氮化硅、硅化物，例如過渡金屬硅化物的那些材料，其中過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/或增強體中。進一步的例子包括含有碳化硅作為增強和基體相的陶瓷基體復合材料(CMC)。
[0020]涂層系統30可以包括兩個主要相，二硅化鉬(MoSi2)和氮化硅(Si3N4)。出于加工和/或性質的原因，涂層系統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30的少于50%。在涂層系統中，Si3N4的體積百分比可能大于約55% ο
[0021]參考圖2，涂層系統50可包括交替的MoSiJl 31，33和Si3N4層32，34。應當理解的是，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。還應當認識到，盡管所示的是兩層MoSi2與兩層Si 3N4交替，但MoSi 2和Si3N4的層數可以是任何數字，包括各自單一的層。應進一步理解，雖然所示的MoSi 2和Si 3N4的層數是相等的，但各自的層數可以是不相等的。例如，涂層系統可包括四層MoSijP 3層Si3N4，反之亦然。
[0022]參考圖3，涂層系統60可包括交替的MoSiJl 31，33和Si3N4層32，34。過渡區域35可在交替層31，32 ;32，33 ;33，34之間設置。過渡區域35包括MoSijP Si 3N4 二相的混合物。過渡區域35還可以包括如上所述的次要相。過渡區域35可以如下面的更加詳細的描述地形成。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的層數是相同的，但應當理解的是，涂層系統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。因為相似的附圖標記指代實施例方法中的相似的特征，那些兩個或更多的實施例方法所共有的特征將僅參考一個實施例方法說明。
[0024]參考圖4，在涂覆制品的方法開始于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層的結合厚度t小于預定的厚度tp(S170:是)，則過程返回到S120，以形成MoSi2的附加層。當MoSi2層和Si 3N4層的結合厚度t不小于預定的厚度t P(S170:否)時，在S180處結束過程。
[0026]參考圖5，根據另一實施例，在涂覆制品的方法開始于S100。在S142中，在形成MoSi2層之后，形成MoSi 2與Si 3N4的過渡區域。兩相的混合物在MoSi 2與Si 3N4的層之間提供過渡區域，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層經熱處理形成MoSi 2與Si 3N4的雙相混合物。應當理解的是，熱處理步驟也可以被圖5的方法所包括。
[0028]參考圖7，根據另一實施例，在S112中，可形成具有預定的體積比的此5“與Si 3N4的雙相混合物。確定工藝參數和/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。可以確定工藝參數和/或條件以控制次要相的物類和/或體積分數。工藝條件和/或參數可以在涂覆過程中進行調整，以實現在厚度上具有分級微結構和性質的涂層。
[0029]應當理解的是，本文描述的涂層可通過各種方法形成，包括例如CVD、離子等離子沉積和物理氣相沉積(如蒸發或濺射)。
[0030]還應當理解的是，減少涂層與基材之間的CTE失配的機制在層-層涂層的實施例(例如圖2和3)和包括MoSijP Si 3N4的相混合物的層的實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有效熱膨脹系數a 確定。對于MoSijP Si 3N4層的多層涂層，有效熱膨脹系數可利用線性彈性分析根據以下公式計算:
Q eff —M0S12E MoSi2 Q MoSi2+tsi3N4E Si