本发明专利技术涉及一种防热腐蚀涂层和由其保护的元件。在暴露于高温的物品(10，30)的超合金或含硅基底(12，32)上的涂层系统(14，34)。涂层系统(14，34)包括覆在基底(12，32)上并对熔盐杂质促进的热腐蚀敏感的涂层(16，18，20，22，24，36，38)。腐蚀阻挡涂层(26)覆在涂层(16，18，20，22，24，36，38)上并含有至少一种与熔盐杂质反应形成致密的保护性副产物阻挡层(28)的含有稀土氧化物的化合物。
【技术实现步骤摘要】
防热腐蚀涂层和由其保护的元件
技术介绍
本专利技术涉及适合用于保护暴露于高温环境(比如通过燃气涡轮发动机的热气体流路)的元件的涂层系统。更具体地讲，本专利技术涉及能够保护下面的涂层或基底免于由熔盐引发的热腐蚀的涂层。持续寻求用于燃气涡轮发动机的较高操作温度以增大发动机效率。已经发现镍基、钴基和铁基超合金在包括航空器和发电产业的各种产业中作为燃气涡轮发动机的元件材料的广泛用途。当操作温度增大时，发动机元件 的高温耐久性必须相应地増大。为此，热阻挡涂层(TBC)通常用于元件比如燃烧器、高压涡轮(HPT)叶片(blade)和轮叶(vane)上。TBC的隔热使得由超合金和其它高温材料形成的元件能够幸存于较高的操作温度、増大元件耐久性和提高发动机可靠性。TBC通常包含隔热陶瓷材料，其沉积在环境保护性粘合涂层上以形成所谓的TBC系统。广泛用于TBC系统的粘合涂层材料包括抗氧化覆盖涂层比如MCrAlX (其中M为铁、钴和/或镍,和X为钇、稀土金属和/或另ー种反应性金属)和可含有化合物比如铝化物金属间化合物的抗氧化扩散涂层。因为其高温能力、低导热率和相对容易沉积，氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)广泛用作TBC系统的隔热陶瓷材料。为了对于燃气涡轮发动机获得较高的操作温度并因此増大其效率，已提出备选材料替代超合金。具体地说，硅基非氧化物陶瓷，最著名的是碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)和/或用作強化相和/或基质相的硅化物，为高温应用比如燃气涡轮发动机的燃烧器衬里、轮叶、护罩、翼面及其它高温段元件的候选材料。然而，当暴露于高温、富含水蒸汽的燃烧气氛中比如在燃气涡轮发动机中吋，由于形成挥发性氢氧化硅(Si (OH)4)，由Si-基陶瓷形成的元件失去质量并回退(recede)。在燃气涡轮发动机环境中由于挥发或腐蚀的回退速率(recession rate)足够高，需要环境保护性涂层，通常指的是环境阻挡涂层(EBC)。对于g在保护由Si-基材料形成的燃气涡轮发动机元件的EBC的关键要求包括稳定性、低导热率、与Si-基陶瓷材料相容的热膨胀系数(CTE)、对氧化剂的低滲透性，和与Si-基材料以及通过氧化Si-基材料形成的ニ氧化娃皮(silica scale)或其可存在以促进EBC粘附于Si-基陶瓷材料的(如以下所讨论的)Si-基保护性粘合涂层的化学相容性。硅酸盐，并且特别是钡锶铝硅酸盐(BSAS ; (BalxSrx) O-Al2O3-SiO2)及其它碱土铝硅酸盐，鉴于其环境保护性能及低导热率，已被提出作为EBC。例如，Eaton等的美国专利第6254935、6352790,6365288,6387456和6410148号公开了 BSAS和碱土铝硅酸盐作为用于Si-基基底的外保护涂层的用途，化学计量的BSAS (摩尔比075Ba0 · 025Sr0 · Al2O3 · 2Si02，摩尔百分比18，75Ba0 · 6. 25Sr0 · 25A1203 · 50Si02)通常为优选的碱土铝硅酸盐组成。也已提出使用稀土(RE)硅酸盐比如RE2Si2O7和RE2SiO5作为保护性EBC涂层材料，如在美国专利第6296941、6312763、6645649、6759151和7595114中所报导的那样。作为具体实例，EBC在美国6759151中被公开为包含稀土硅酸盐，该稀土硅酸盐为式RE2Si05、RE4Si3O12或RE2Si2O7,其中RE为Sc、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Eu、Tb或其组合。配置在含硅基底及其保护性EBC层之间的中间层(比如莫来石(3A1203 · 2Si02))和粘合涂层(比如硅)，已被提出以促进EBC粘附于基底、限制层间反应和防止氧化剂渗透进入基底。例如，Wang等的共同受让的美国专利第6299988和6630200号公开了硅和含硅材料作为合适的粘合涂层材料，特别用于含有SiC或氮化硅的基底。如果特殊元件将受到超过约2500° F(约1370°C )的表面温度，EBC可根据Spitsberg等共同受让的美国专利第5985470号用上覆的热阻挡涂层(TBC)而热保护。组合起来，这些层形成所谓的热/环境阻挡涂层(Τ/EBC)系统。如上所述，用于燃气轮机应用的最常用TBC材料为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。TBC与下面的EBC之间可提供过渡层，例如YSZ与氧化铝、莫来石和/或碱土金属铝硅酸盐的混合物，如在Wang等共同受让的美国专利第6444335号中教导的那样。已知发动机环境内的高温可引起燃料中的杂质腐蚀由镍-基、钴-基和铁-基超合金形成的元件，以及使用于保护它们的TBC系统腐蚀和失稳。该现象称为热腐蚀，为由于在元件或其保护性表面氧化物表面形成熔盐沉积物的杂质比如Na2SO4和V2O5的存在造成的加速腐蚀。由熔盐沉积物造成的腐蚀性侵蚀可发生于中等温度范围内。例如，由熔融Na2SO4沉积物引起的I型钠热腐蚀通常发生于约880°C -约1000°C的温度范围，而由熔融V2O5沉 积物引起的钒热腐蚀通常发生于约660°C -约1000°C的温度范围。尽管热腐蚀的详细机理随受到侵蚀的材料性质和腐蚀剂性质而不同，在所有情况下结构材料或涂层的降解可为快速的，并且取决于表面温度、熔盐的沉积速率和燃料中有害阳离子(例如钠和/或钒)的浓度，元件可在数十至数千小时内受到严重损害。该类型的腐蚀，不像氧化，已知快速消耗超合金元件并导致灾难性故障。Si-基材料比如SiC和Si3N4由Na2SO4和V2O5杂质的敏感性已经在实验室实验中得到证实。另ー方面，EBC材料包括BSAS和RE硅酸盐对来自Na2SO4和V2O5杂质热腐蚀的敏感性(susceptibility)在很大程度上是未知的。尽管有以上问题和不确定性，在エ业中要求使用燃气涡轮发动机以采用更便宜的低等级燃料，其燃料因此含有较高浓度的盐杂质并因此加剧热腐蚀问题。减轻热腐蚀的最常见方法包括仅指定含有低的和相对无害浓度的腐蚀性元素(例如，少于Ippm钠和少于O.5ppm V)的燃料，在燃烧之前水洗燃料以除去可溶性Na种类，和注入经测量量的合适化合物，该化合物含有反应性元素(例如镁)以与燃料中的钒反应并形成高熔化温度、相对惰性化合物(比如Mg3V2O8)。在燃油价格逐步上升的时代，高度有利的是基于更便宜的含有相对高水平的腐蚀性种类(例如超过IOppm的Na2SO4和/或V2O5)的燃料运行涡轮发动机。除了使用反应性元素和洗涤燃料，允许使用这种燃料的另外措施将是合乎需要的。专利技术简述本专利技术主要提供用于超合金和含Si材料的涂层系统，特别是用于暴露于高温、包括用于航空器和发电产业的燃气涡轮发动机的恶劣热环境的元件的涂层系统。这样的材料的实例包括金属组合物比如镍-基、钴-基和铁-基超合金，和含Si材料比如硅、碳化硅、氮化硅、金属硅化物合金比如铌和钥硅化物等。含Si材料的更具体实例包括具有碳化硅、氮化硅、金属硅化物和/或硅颗粒分散体作为金属或非金属基质中的強化材料的那些含Si材料，以及具有碳化硅、氮化硅、金属硅化物和/或含硅基质的那些材料，并且特别是采用碳化硅、氮化硅、金属硅化物和/或硅作为強化材料和基质材料两者的复合材料(例如SiC/SiC陶瓷基质复合材料(CMC))。根据本专利技术的第一个方面，涂本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
2011.03.22 US 13/0533781.在物品(10，30)的基底(12，32)上的涂层系统(14，34)，该涂层系统(14，34)包含覆在基底(12，32)上的至少ー个涂层(16，18，20，22，24，36，38)，该涂层(16，18，20，22，24，36，38)具有对熔盐杂质促进的热腐蚀敏感的组成，其特征在于 腐蚀阻挡涂层(26)，其覆在涂层(16，18，20，22，24，36，38)上并含有至少ー种与熔盐杂质反应以在腐蚀阻挡涂层(26)的表面形成致密的保护性副产物阻挡层(28)的含有稀土氧化物的化合物，该至少ー种含有稀土氧化物的化合物以至少15重量％的量存在于腐蚀阻挡涂层(26)中并且选自稀土氧化物(RE2O3)、稀土磷酸盐(REPO4)、稀土锆酸盐(RE2Zr2O7)、稀土铪酸盐(RE2Hf2O7)。2.权利要求I的涂层系统(14)，其特征在于基底(12)由选自以下的含硅材料形成金属硅化物合金；用碳化硅、氮化硅、硅化物和/或硅强化的金属基质复合材料；具有碳化硅、氮化硅、硅化物和/或硅基质的复合材料；以及具有用碳化硅、氮化硅、硅化物和/或硅强化的碳化硅、氮化硅、硅化物和/或硅基质的复合材料。3.权利要求2的涂层系统(14)，其进ー步特征在于在基底(12)与涂层(18，20，22，24)之间的至少ー个粘合涂层(16)，粘合涂层(16)由元素...
【专利技术属性】
技术研发人员：P·J·梅施特，R·G·罗维，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：
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