CN108727066B - 分段环境阻隔涂层系统及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了用于制备环境阻隔涂层的方法和所得到的涂层。该方法和产物包括在CMC部件上掺入连续陶瓷内层和分段陶瓷外层。分段陶瓷外层可通过热喷涂技术形成。涂层在更高的温度下更稳定，并且提供经涂布部件的更长使用寿命。

Description

分段环境阻隔涂层系统及其形成方法

技术领域

本公开一般提供了环境阻隔涂层以及其形成方法，具体地提供了用于对陶瓷基质复合材料使用的环境阻隔涂层，所述陶瓷基质复合材料作为燃气涡轮发动机内的部件特别有用。

背景技术

现代燃气涡轮发动机的设计由对更高涡轮效率的需求所驱动。陶瓷基质复合材料(“CMC”)是用于涡轮机应用的有吸引力的材料，因为CMC具有高温能力并且重量轻。CMC部件通常在涡轮发动机环境中由环境阻隔涂层(“EBC”)保护，以避免在高温气流的存在下发生氧化和劣化。

然而，厚的、连续的EBC，例如具有厚的固体可磨损层的EBC，倾向于在瞬态下或在热梯度下累积大量热应力。例如，在燃气涡轮发动机的运行期间，高运行温度增加了对发动机部件的应力。如此高的热应力可导致EBC的开裂和分层。随着部件冷却，材料松弛，在涂层中产生裂纹。EBC的开裂和分层暴露了下面的CMC部件，因此消除了从EBC获得的益处。

因此，EBC涂布的CMC部件，特别是用于燃气涡轮发动机的部件的改进设计是本领域期望的。

发明内容

本发明的各方面和优势将部分地在以下描述中阐述，或可从所述描述显而易见，或可通过本发明的实践而得知。

本发明一般提供了经涂布的部件以及其形成方法。在一个实施例中，经涂布的部件包括：限定表面且包含陶瓷复合材料的基材，限定表面且沿着基材的表面设置的内层，以及沿着内层的表面设置的外层。内层可为陶瓷材料，并且可具有按体积计小于约40％的孔隙度，并且可以沿着外层连续的。外层可包括限定在结构域边界之间的多个生长结构域(growth domains)，所述多个生长结构域包含相对高密度的涂层材料，并且所述结构域边界包含相对低密度的涂层材料；所述生长结构域具有多个至少部分熔融且固化的颗粒。

具体地，本申请技术方案1涉及一种经涂布的部件，包括：限定表面且包含陶瓷复合材料的基材，限定表面且沿着所述基材的表面设置的内层，和沿着所述内层的表面设置的外层，其中所述内层包含陶瓷材料，具有按体积计小于约40％的孔隙度，并且沿着所述外层是连续的，和其中所述外层包含限定在结构域边界之间的多个生长结构域，所述多个生长结构域包含相对高密度的涂层材料，并且所述结构域边界包含相对低密度的涂层材料；所述生长结构域具有多个至少部分熔融且固化的颗粒。

本申请技术方案2涉及根据技术方案1所述的涂层，其中所述外层具有至少约75％的结构域内密度。

本申请技术方案3涉及根据技术方案1所述的涂层，其中所述外层具有基本上等轴的晶粒形态。

本申请技术方案4涉及根据技术方案1所述的涂层，其中所述内层包含稀土硅酸盐、碱土铝硅酸盐、铝硅酸盐及其组合中的一种或多种。

本申请技术方案5涉及根据技术方案1所述的涂层，其中所述涂层材料包含氧化锆、氧化铝、稀土硅酸盐、碱土铝硅酸盐及其组合中的一种或多种。

本申请技术方案6涉及根据技术方案1所述的涂层，其中所述涂层材料包含稀土单硅酸盐。

本申请技术方案7涉及根据技术方案1所述的涂层，其中所述多个生长结构域中的每个生长结构域具有在约20μm至约100μm的范围内的宽度。

本申请技术方案8涉及根据技术方案2所述的涂层，其中所述结构域内密度为至少约85％。

本申请技术方案9涉及根据技术方案1所述的涂层，其中所述涂层包含喷涂层。

本申请技术方案10涉及根据技术方案1所述的涂层，其中按所述外层的体积计的小于约50％包含所述生长结构域。

本申请技术方案11涉及根据技术方案1所述的涂层，其中按所述外层的体积计的至少50％或更多包含所述生长结构域。

本申请技术方案12涉及根据技术方案1所述的涂层，所述涂层还包括设置在所述基材和所述内层之间的粘结涂层。

本申请技术方案13涉及一种燃气涡轮组件的部件，所述部件包括根据技术方案1所述的涂层系统。

本申请技术方案14涉及一种形成经涂布的CMC部件的方法，所述方法包括：沿着基材的至少一部分形成内层，和沿着所述内层形成外层，其中所述基材包含陶瓷复合材料，其中所述内层包含陶瓷材料，具有按体积计小于约40％的孔隙度，并且沿着所述外层是连续的，和其中所述外层包含限定在结构域边界之间的多个生长结构域，所述多个生长结构域包含相对高密度的涂层材料，并且所述结构域边界包含相对低密度的涂层材料；所述生长结构域具有多个至少部分熔融且固化的颗粒。

本申请技术方案15涉及根据技术方案14所述的方法，其中所述外层具有至少约75％的结构域内密度。

本申请技术方案16涉及根据技术方案14所述的方法，其中所述外层具有基本上等轴的晶粒形态。

本申请技术方案17涉及根据技术方案14所述的方法，其中形成所述外层包括悬浮等离子体喷涂、激光划片、锯切、冲压、模板涂布、掩模涂布或其组合。

本申请技术方案18涉及根据技术方案14所述的方法，其中形成所述外层包括提供悬浮液，所述悬浮液包含悬浮在液体介质中的所述涂层材料，并且以与所述基材的表面的切线成约90度或更小的角度喷射所述基材。

本申请技术方案19涉及根据技术方案14所述的方法，其中所述内层包含稀土硅酸盐、碱土铝硅酸盐、铝硅酸盐及其组合中的一种或多种。

本申请技术方案20涉及根据技术方案14所述的方法，其中所述涂层材料包含氧化锆、氧化铝、稀土硅酸盐、碱土铝硅酸盐及其组合中的一种或多种。

参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其他特征、方面及优点将变得更好理解。并入于本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明本发明的实施例，且连同所述描述一起用于解释本发明的原理。

附图说明

在参考附图的说明书中阐述了对于所属领域的技术人员，本发明的完整且可实现的公开内容，包括其最佳模式，在所述附图中：

图1A是根据本公开内容的一个实施例，在室温下的示例性涂层的横截面；

图1B是根据本公开内容的一个实施例，在高温环境下的图1A的示例性涂层的横截面；

图2A是根据本公开内容的一个实施例，在室温下的另一个示例性涂层的横截面；

图2B是根据本公开内容的一个实施例，在高温环境下的图2A的示例性涂层的横截面；

图3是根据本公开内容的一个实施例的示例性燃气涡轮组件的横截面；和

图4是根据本公开内容的一个实施例，形成涂层的示例性方法的流程图。

在本说明书和附图中参考标号的重复旨在表示本发明的相同或相似的特征或元件。

具体实施方式

现将详细参考本发明的实施例，一个或多个实例在图中示出。每个实例是为了解释本发明而非限制本发明而提供。实际上，所属领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中进行各种修改和变化。举例来说，说明或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例一起使用以产生又一实施例。因此，希望本发明涵盖此类属于所附权利要求书和其等效物的范围内的修改和变化。

在本公开中，当层描述为在另一层或基材“上”或“上面”时，应理解，除非明确说明相反情况，否则所述层可彼此直接接触或在所述层之间具有另一层或特征。因此，这些术语仅描述所述层彼此的相对位置，而不必意味着“顶部上”，这是因为上方或下方的相对位置取决于装置对观察者的取向。

在本发明中使用例如通常在元素周期表上发现的常见化学名称缩写来论述化学元素。举例来说，氢由其常见化学名称缩写H表示；氦由其常见化学名称缩写He表示；等等。

如本文使用的，“基本上”是指所述组的至少约90％或更多。例如，如本文使用的，“基本上全部”指示相应组的至少约90％或更多具有适用性状，并且“基本上没有”或“基本上无一”指示相应组的至少约90％或更多不具有适用性状。

本文一般提供了涂层，特别是环境阻隔涂层，以及形成这种涂层的方法。该涂层降低了先前的环境阻隔涂层中存在的高热应力，同时还维持保护下面的部件免受外部环境的影响的连续、以及在一些实施例中气密密封层。与先前的环境阻隔涂层相比，涂层可具有增加的寿命，并且因此可对于下面的部件，特别是对于CMC部件提供增加的寿命。

一般地，涂层包括连续的内层和不连续的外层。涂层的一个或多个内层是连续的，并且在一些实施例中是气密的。一般而言，不需要气密性的一个或多个外层是有意分段的。当对系统施加温度梯度时，跨越厚度的差异膨胀不在外层处引起压缩应力。因此，在高温下预期不会出现蠕变松弛，并且在冷却时没有拉伸应力来打开随机和不受控的垂直裂纹。以这种方式，可减轻持续峰值低周疲劳(SPLCF)型失效。在另一种情况下，当发生向下冲击时，由于大量预先存在的边界，在边界根部处的应力强度可降到最低。因此，可减少深潜裂纹的可能性。

在其中将涂层施加到定子的实施例中，涂层可改善刀片摩擦，因为涂层一般不会切入到刀片材料内。另外，可用对水具有较高抗性的材料来制备外部分段层，因为热膨胀系数不一定需要匹配CMC基材的热膨胀系数。涂层因而在其设计中比以前的EBC更柔性。

现在参考附图，图1A是根据本公开内容的一个实施例的在室温下的示例性涂层20的横截面，而图1B是在高温环境中，例如在操作期间的燃气涡轮发动机的高温环境中，图1A的涂层的横截面。如图1A和1B所示，涂层20在基材10的表面30上，其中涂层20分别包括内层12和外层18a、18b。如所示，内层12直接在基材10的表面30上，并且内层12限定表面32。在图1A和1B的实施例中，内层12在所示部件的至少所示部分中沿着基材10的表面30一般是连续的，并且在外层18a、18b下方一般是连续的。如下文更详细讨论的，内层12可为致密的陶瓷层，其提供保护下面的基材的气密密封，而外层18是生长结构域14a、14b和结构域边界16a、16b的分段层。

内层12一般是连续的，并且在一些实施例中，可为密封的。例如，内层12一般可为连续的，其孔隙度按体积计小于约40％(例如，按体积计0％至约40％)，例如按体积计小于约30％(例如，按体积计0％至约30％)、按体积计小于约20％(例如按体积计0％至约20％)、按体积计小于10％(例如按体积计0％至约10％)、按体积计小于约5％(例如按体积计0％至约5％)、或按体积计小于约1％(例如按体积计0％至约1％)。在后一种情况下，内层12可视为致密和气密的。如图1A和1B所示，内层12具有沿着基材10基本上均匀的厚度并且是不分段的。内层12可具有约25μm至约500μm的厚度，例如约50cm至约250μm厚。

在一个实施例中，内层12包含陶瓷材料，例如稀土硅酸盐、碱土铝硅酸盐、铝硅酸盐及其组合。例如，内层12可包括一个或多个层，例如多个层，其包含陶瓷材料，例如稀土硅酸盐涂层(例如稀土单硅酸盐或稀土二硅酸盐，例如浆料或APS沉积的二硅酸钇镱(YbYDS))、碱土铝硅酸盐(例如包含钡-锶-铝硅酸盐(BSAS)，例如具有一系列BaO、SrO、Al₂O₃和/或SiO₂组合物)及其组合。可根据需要掺杂一个或多个层。在一些实施例中，由于涂层20的结构，可能不需要BSAS层。

内层12可通过任何合适的方法形成，所述方法例如空气等离子喷涂(APS)、电子束物理气相沉积(EBPVD)、高速氧燃料(HVOF)、静电喷雾辅助气相沉积(ESAVD)、直接气相沉积、电泳沉积、浆料浸渍或喷雾及其组合。

如图1A和图1B中示意性所示，外层18a、18b包括多个细长材料生长结构域14a、14b。如本文使用的，术语“细长的”是指具有大于1的纵横比的结构。生长结构域14a、14b一般是垂直取向的，意指它们的最长轴基本上垂直于基材10的表面30。根据本发明的实施例，当设置涂层材料以形成外层18a、18b时，涂层材料在生长结构域14a、14b中积聚，所述生长结构域14a、14b被定义为通过相对低(虽然不一定是零)密度的结构域边界16a、16b分开的相对高密度的区域。一般地，生长边界16a、16b在相邻的生长结构域14a、14b之间产生间隙，使得间隙可适应每个个别生长结构域14a、14b的膨胀和收缩。外层18a、18b因而避免了在高温应用中的高热应力。

在一些实施例中，边界16a、16b可延伸等于涂层厚度的至少约50％的长度，并且该长度在某些实施例中可为至少约75％的厚度。一般地，外层18a、18b的应变耐受性由于较长的界限清楚的边界16a、16b的存在而得到增强。外层18a、18b一般是涂层的最外层并且因此暴露于外部环境。

包含在生长结构域14a、14b内的材料的密度(在本文中也称为“结构域内密度”)为理论密度的至少约75％。在一些实施例中，该密度甚至更高，例如大于约85％，并且在某些实施例中，大于约95％或约100％。高结构域内密度可提供期望的耐侵蚀性并且可增强外层18a、18b的内聚强度。生长边界16a、16b具有比生长结构域14a、14b更低的密度，并且可具有理论密度的小于约50％、小于约40％、小于约30％、小于约20％、小于约10％或小于约1％的密度。例如，生长边界16a、16b可具有理论密度的大于0％但小于10％的密度。

结构域边界16a、16b的存在可对外层18a、18b提供期望的适形性和应力耐受性性质。具有较窄结构域的涂层具有较大的结构域边界密度。在一些实施例中，生长结构域14a、14b的宽度可在约1微米(微米，μm)至约100μm的范围内。例如，在某些实施例中，生长结构域14a、14b的宽度可在约20μm至约90μm的范围内，并且在特定实施例中，宽度为约30μm至约80μm。结构域边界16a、16b可具有在约0.5μm至约100μm，例如约1μm至约90μm、约10μm至约80μm、或约20μm至约70μm的范围内的宽度。如本文使用的，结构域宽度基于分别通过已知长度的线截取的平均边界数目来测量，所述已知长度的线沿着在外层18a、18b厚度的33％处和在外层18a、18b厚度的67％处的涂层横截面绘制；平均结构域宽度仅是已知长度除以截取边界的数目。在某些实施例中，按外层18a、18b的体积计的至少约50％包含生长结构域14a、14b；因此外层18a、18b不一定包括本文描述的结构。然而，在一些实施例中，由这种独特结构提供的优点是这样的，使得基本上所有外层18a、18b都包括所述结构。

外层18a、18b可用热喷涂技术制备，使得外部分段层具有多个至少部分熔融且固化的颗粒和基本上等轴的晶粒形态。这种方法允许这种独特的微观结构。其他技术也可与上述任何结合使用，例如激光划片、冲压、模板化涂布、掩模涂布及其组合。

在一个特定实施例中，外层18a、18b一般通过热喷涂技术来制备。例如，将包含悬浮在液体介质中的涂层材料的悬浮液以与基材10的表面30的切线成约90°或更小的角度喷射到基材上。涂层材料包含颗粒，所述颗粒具有的粒度范围可根据要涂布的材料而变化(例如，约0.1μm至约2μm的平均粒度)。

不受任何特定理论的束缚，生长结构域14a、14b的某些特征指示外层18a、18b的设置机制基本上是通过在生长表面处的预凝聚物质(pre-condensed matter)的积聚。在这种情况下，“预凝聚物质”是指撞击在生长表面上的固体和/或液体物质，而不是从气相凝结在生长表面处的物质。例如，生长结构域14a、14b包含多个至少部分熔融且固化的颗粒(意指在撞击表面并最终完全固化之前，颗粒至少部分为液体)，其通常(尽管并不总是)可经由显微技术涂布在涂层20的微观结构中辨别为“先前颗粒”。在某些实施例中，存在于生长结构域14a、14b中的材料的至少50％包含至少部分熔融且固化的颗粒。在某些实施例中，存在于生长结构域14a、14b中的材料的至少约80％包含至少部分熔融且固化的颗粒，并且在一些实施例中，生长结构域14a、14b中的基本上所有材料由至少部分熔融且固化的颗粒制成。在一些实施例中，生长边界16a、16b可包含部分熔融且固化的颗粒，尽管在这种情况下生长边界16a、16b的密度将小于如先前讨论的生长结构域14a、14b的密度。

本公开的热喷涂外层18a、18b与“致密垂直裂纹”(dense vertically cracked)涂层相反，所述“致密垂直裂纹”涂层部分特征在于层状微观结构，所述层状微观结构包括容易指示定向固化的细长晶粒。薄层内的细长晶粒倾向于具有垂直于薄层边界的优选取向，并且它们通常具有大于约4∶1且通常高达10∶1的纵横比。与致密垂直裂纹涂层相比，本发明的外层18a、18b的特征在于包含在生长结构域14a、14b内的随机取向的、基本上等轴的晶粒，以及不存在不同的层状特征。在该上下文中，“基本上等轴”意指外层18a、18b中的晶粒群体具有小于约3∶1的中值纵横比。此外，“随机取向的”是指优选取向的一般缺乏，使得晶粒的长轴(如果存在这样的长轴的话)不是相对于喷射方向或固化方向整体取向的。此外，在一些实施例中，外层18a、18b的特征通常在于不存在不同的层状特征。注意到提及晶粒在空间中的放置的术语“取向”的这种使用不应与晶体取向或材料的“质地”(texture)混淆。

例如，在一个特定实施例中，外层18a、18b的结构基本上不含裂纹。对于硅酸盐组合物，结构一般是多相的并且在生长结构域内显示为随机堆叠的薄层。各个层压层一般垂直于喷射方向取向。另外，对于硅酸盐组合物，各个层压层由快速猝灭的熔融颗粒以无定形状态沉积，并且用受控热处理进行后加工以形成多晶涂层。

本文所述的优点可增强用于高温应用中的涂层20的适用性。在一些实施例中，与沉积在光滑表面上的常规EBC不同，涂层20在涂层内可具有最低限度的裂纹或无分段裂纹，在本文中称为“基本上无裂纹”的状况。分段裂纹在工业中也称为垂直裂纹在致密涂层中通常更普遍。这些类型的裂纹可从最外表面延伸穿过整个厚度或部分穿过涂层厚度。这种裂纹与结构域边界的区别可在于，裂纹内的空间受到断裂表面的约束，并且沿着其长度基本上没有涂层颗粒。相反，结构域边界内的空间沿着其长度包含至少一些沉积材料，例如涂层颗粒。涂层20，特别是外层18a、18b因而可视为基本上无裂纹。

外层18a、18b可包括陶瓷材料，例如锆酸盐(例如氧化锆)、氧化铝、稀土硅酸盐(例如稀土单硅酸盐)、稀土氧化物、碱土铝硅酸盐、铪酸盐、铌酸盐、钽酸盐及其组合。例如，涂层材料可包含单硅酸钇(YMS)。外层18a、18b可包含高温陶瓷。由于第一18a、18b，特别是生长结构域14a、14b和生长边界16a、16b的结构，不再需要匹配热膨胀系数与涂层和基材的其他组分的热膨胀系数。外层18a、18b因而可使用具有其他益处的材料来制备，所述其他益处例如比以前在EBC涂层中使用的更高的耐水性，而无需匹配基材的热膨胀系数。例如，YMS对水蒸气挥发具有很高的抗性，但由于其高热膨胀系数，以前在EBCs中并未大量使用。

如图1A和1B所示，当涂层例如在部件或燃气涡轮发动机的操作期间被加热时，生长结构域14a、14b可以膨胀。然而，由于外层18a、18b具有的结构域边界16a、16b包含比生长结构域14a、14b的涂层材料更少的涂层材料，所以生长结构域14a、14b的材料能够膨胀到结构域边界16a、16b内，而不在外表面处产生压缩应力，因此在高温下预期不会蠕变松弛。在冷却时，没有拉伸应力来打开随机和不受控制的垂直裂纹。以这种方式，可减轻持续峰值低周疲劳(SPLCF)型失效。在一些实施例中，当发生向下冲击时，由于大量预先存在的结构域边界16a、16b，在结构域边界16a、16b根部处的应力强度降到最低，因此，可减少深潜裂纹的可能性。

涂层20可沿着基材10的表面30的一部分形成，并且在一些实施例中，涂层20可沿着基材10的表面30的一部分形成所述部分被配置为在部件的操作期间暴露于高温。基材10的表面30的一个或多个部分可涂布有涂层20。

基材10可包含任何合适的陶瓷复合材料，特别是陶瓷基质复合材料(“CMC”)。例如，基材10可包括含硅或含氧化物的基质和增强材料。对于在本文中的使用可接受的CMC的一些例子可包括但不限于具有基质和增强纤维的材料，所述增强纤维包含非氧化硅基材料，例如碳化硅、氮化硅、碳氧化硅、氮氧化硅、硅化物及其混合物。例子包括但不限于具有以下的CMC：碳化硅基质和碳化硅纤维；氮化硅基质和碳化硅纤维；以及碳化硅/氮化硅基质混合物和碳化硅纤维。此外，CMC可具有由氧化物陶瓷组成的基质和增强纤维。具体地，氧化物-氧化物CMC可由基质和增强纤维组成，所述增强纤维包含氧化物基材料例如氧化铝(Al₂O₃)、二氧化硅(SiO₂)、钇铝石榴石(YAG)、铝硅酸盐及其混合物。铝硅酸盐可包括结晶材料例如莫来石(3Al₂O₃2SiO₂)以及玻璃状铝硅酸盐。可使用单独或与上述材料组合的不包含硅或氧的其他陶瓷复合材料，包括碳化锆、碳化铪或其他陶瓷材料。

图2A和2B示出了本公开的另一个实施例，特别是在涂层20中掺入粘结涂层22的实施例。图2A是根据本公开的一个实施例的涂层的横截面，而图2B是根据本公开的一个实施例在高温环境中的图2A的涂层的横截面。图2A和2B包括涂布有涂层20的基材10，所述涂层20包括粘结涂层22，外层18a、18b和内层12。基材10具有表面30，粘结涂层22具有表面34，并且内层12具有表面32。如图2A和图2B所示，内层12在所示部件的至少所示部分中沿着基材10的表面30一般是连续的，并且在外层18a、18b的下方一般是连续。

粘结涂层22一般是硅、硅化物或其组合，并且可通过任何合适的方法在基材10上形成。不受理论束缚，粘结涂层22可增强陶瓷外涂层的粘附。特别地，粘结涂层22改进了内层12和外层18a、18b与基材10的粘附。

基材10，内层12，外层18a、18b包括生长结构域14a、14b和结构域边界16a、16b，以及在图2A-2B中示出的实施例中使用的其他部件，可以是本文所述材料中的任一种(例如，关于图1A-1B)以及伴随特征。

类似于图1A和1B，当图2A和2B的涂层20例如在部件或燃气涡轮发动机的操作期间被加热时，生长结构域14a、14b膨胀。然而，由于外层18a、18b具有的结构域边界16a、16b包含比生长结构域14a、14b的涂层材料更少的涂层材料，所以生长结构域14a、14b的材料能够膨胀到结构域边界16a、16b内，而不在外表面处产生压缩应力，因此在高温下不预期蠕变松弛。在冷却时，没有拉伸应力来打开随机和不受控制的垂直裂纹。以这种方式，可减轻持续峰值低周疲劳(SPLCF)型失效。在一些实施例中，当发生向下冲击时，由于大量预先存在的结构域边界16a、16b，在结构域边界16a、16b根部处的应力强度降到最低，因此，可减少深潜裂纹的可能性。

本发明的进一步实施例包括含有上述涂层20的制品。上文关于涂层20描述的优点使其适用于高温应用中。相应地，在一些实施例中，制品可为燃气涡轮组件的部件，所述燃气涡轮组件包括例如用于发电或者推进船舶、飞机或其他飞行器的燃气涡轮组件。示例性部件包括涡轮叶片、定子叶片和燃烧部件。

本发明的涂层将其显著结构和性质至少部分归因于在其制造中使用的加工。该工艺可涉及空气等离子喷涂，其提供了超过需要使用真空设备的工艺(如PVD或真空等离子喷涂沉积)的一定的经济和制造优点。特别地，该工艺使用包含悬浮在液体试剂中的细颗粒的原料，所述原料以受控方式供应到等离子体喷枪并且注入到等离子体羽流内，用于设置到基材上。

本领域技术人员应了解，许多不同的工艺参数可用于给定的空气等离子体喷涂工艺中的调节，并且这些参数的各种组合可导致具有不同结构和性质的涂层。

本方法可用于制备包含陶瓷基质复合材料的各种部件。例如，本方法可用于制备航空工业中的部件。本方法可用于制备用于燃气涡轮发动机的部件，例如基于航空和陆地的燃气涡轮发动机两者的高压压缩机(HPC)、风扇、助推器、高压涡轮(HPT)和低压涡轮(LPT)中。例如，本方法可用于制备用于涡轮风扇发动机或一般而言的涡轮机械的部件，包括涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴燃气涡轮发动机，包括工业和船用燃气涡轮发动机和辅助动力单元。例如，部件如燃烧室衬套、护罩、喷嘴、刀片等可用本方法和材料制备。尽管本公开可集中于用于CMC涡轮部件的涂层，但涂层可对燃气涡轮发动机的各个区段以及与燃气涡轮发动机无关的部件提供保护。

图3是根据本公开的一个实施例的燃气涡轮发动机的示意性横截面图。虽然下文一般参考涡轮风扇发动机100进一步描述，但本公开也可应用于一般而言的涡轮机械，包括涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴燃气涡轮发动机，包括工业和船用燃气涡轮发动机和辅助动力单元。

如图3所示，涡轮风扇100具有延伸穿过其中的纵向或轴向中心线轴线102用于参考目的。一般而言，涡轮风扇100可包括设置在风扇部分106下游的核心涡轮机或燃气涡轮发动机104。

燃气涡轮发动机104一般可包括基本上管状的外壳108，所述外壳108限定环形入口120。外壳108可由多个壳体形成。外壳108以串联流动关系包围具有助推器或低压(LP)压缩机122、高压(HP)压缩机124的压缩机区段、燃烧部分126，包括高压(HP)涡轮128、低压(LP)涡轮130的涡轮区段，以及喷射排气喷嘴区段132。高压(HP)轴或转轴134将HP涡轮128驱动地连接到HP压缩机124。低压(LP)轴或转轴136将LP涡轮130驱动地连接到LP压缩机122。LP转轴136也可连接到风扇区段106的风扇转轴或轴138。在特定实施例中，LP转轴136可例如以直接驱动配置直接连接到风扇转轴138。在替代配置中，LP转轴136可经由减速装置137(例如以间接驱动或齿轮驱动配置的减速齿轮箱)连接到风扇转轴138。此类减速装置可按需要或要求包括在发动机100内的任何适合轴/转轴之间。

如图3所示，风扇区段106包括多个风扇叶片140，所述风扇叶片140联接到风扇轴138并且从风扇轴138径向向外延伸。环形风扇壳体或舱体142沿周向围绕风扇区段106和/或燃气涡轮发动机104的至少一部分。本领域普通技术人员应了解，舱体142可配置为通过多个周向间隔开的出口导向叶片144相对于燃气涡轮发动机104被支撑。此外，舱体142的下游区段146(导向叶片144的下游)可在燃气涡轮发动机104的外部部分上延伸，以便在其间限定旁路气流通道148。

HP涡轮机128以串联流动关系包括与涡轮转子叶片158(仅示出一个)(也称为“涡轮叶片”)轴向间隔开的第一级定子叶片154(仅示出一个)，以及与涡轮转子叶片168(仅示出一个)(也称为“涡轮叶片”)轴向间隔开的第二级定子叶片164(仅示出一个)。

图4是根据本公开的一个实施例的形成涂层的方法的流程图。具体地，图4示出了涂布CMC组分的方法。方法400包括沿着基材410的至少一部分形成内层，并且沿着内层420形成具有第一表面和第二表面的外层。内层可通过任何合适的方法形成，所述方法例如空气等离子喷涂(APS)、电子束物理气相沉积(EBPVD)、高速氧燃料(HVOF)、静电喷雾辅助气相沉积(ESAVD)、直接气相沉积及其组合。在某些实施例中，外层可用热喷涂技术制备，使得外部分段层具有多个至少部分熔融且固化的颗粒和基本上等轴的晶粒形态。其他技术也可与上述任何结合使用，例如激光划片、冲压、模板化涂布、掩模涂布及其组合。在一些实施例中，方法400还包括在形成内层之前沿着基材的至少一部分形成粘结涂层。

虽然本发明已经根据一个或多个特定实施例进行描述，但显而易见的是，本领域技术人员还可采用其他形式。应理解，结合本说明书中描述的涂层组合物使用“包括”具体地公开并包括其中涂层组合物“主要由提出的组分组成”(即，包括提出的组分且不包括显著不利地影响公开的基础和新颖性特征的其他组分)的实施例，以及其中涂层组合物“由提出的组分组成”(即，除了自然且必然存在于提出的组分中的每一个中的污染物以外仅包括提出的组分)的实施例。

此书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书界定，且可包括所属领域的技术人员所想到的其他实例。如果此类其他实例包括并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求范围内。

Claims (20)

1.一种经涂布的部件，所述经涂布的部件包括：

限定表面且包含陶瓷复合材料的基材，

限定表面且沿着所述基材的表面设置的内层，和

沿着所述内层的表面设置的外层，

其中所述内层包含陶瓷材料，具有按体积计小于40%的孔隙度，并且沿着所述外层是连续的，和

其中所述外层包含限定在结构域边界之间的多个生长结构域，所述多个生长结构域包含相对高密度的涂层材料，并且所述结构域边界包含相对低密度的涂层材料；所述生长结构域具有多个至少部分熔融且固化的颗粒。

2.根据权利要求1所述的经涂布的部件，其中所述外层具有至少75%的结构域内密度。

3.根据权利要求1所述的经涂布的部件，其中所述外层具有基本上等轴的晶粒形态。

4.根据权利要求1所述的经涂布的部件，其中所述内层包含稀土硅酸盐、碱土铝硅酸盐、铝硅酸盐及其组合中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的经涂布的部件，其中所述涂层材料包含氧化锆、氧化铝、稀土硅酸盐、碱土铝硅酸盐及其组合中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的经涂布的部件，其中所述涂层材料包含稀土单硅酸盐。

7.根据权利要求1所述的经涂布的部件，其中所述多个生长结构域中的每个生长结构域具有在20 μm至100 μm的范围内的宽度。

8.根据权利要求2所述的经涂布的部件，其中所述结构域内密度为至少85%。

9.根据权利要求1所述的经涂布的部件，其中所述涂层包含喷涂层。

10.根据权利要求1所述的经涂布的部件，其中按所述外层的体积计的小于50%包含所述生长结构域。

11.根据权利要求1所述的经涂布的部件，其中按所述外层的体积计的至少50%或更多包含所述生长结构域。

12.根据权利要求1所述的经涂布的部件，还包括设置在所述基材和所述内层之间的粘结涂层。

13.一种燃气涡轮组件的部件，所述部件包括根据权利要求1所述的经涂布的部件。

14.一种形成经涂布的CMC部件的方法，所述方法包括：

沿着基材的至少一部分形成内层，和

沿着所述内层形成外层，

其中所述基材包含陶瓷复合材料，

其中所述内层包含陶瓷材料，具有按体积计小于40%的孔隙度，并且沿着所述外层是连续的，和

其中所述外层包含限定在结构域边界之间的多个生长结构域，所述多个生长结构域包含相对高密度的涂层材料，并且所述结构域边界包含相对低密度的涂层材料；所述生长结构域具有多个至少部分熔融且固化的颗粒。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述外层具有至少75%的结构域内密度。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述外层具有基本上等轴的晶粒形态。

17.根据权利要求14所述的方法，其中形成所述外层包括悬浮等离子体喷涂、激光划片、锯切、冲压、模板涂布、掩模涂布或其组合。

18.根据权利要求14所述的方法，其中形成所述外层包括提供悬浮液，所述悬浮液包含悬浮在液体介质中的所述涂层材料，并且以与所述基材的表面的切线成90度或更小的角度喷射所述基材。

19.根据权利要求14所述的方法，其中所述内层包含稀土硅酸盐、碱土铝硅酸盐、铝硅酸盐及其组合中的一种或多种。

20.根据权利要求14所述的方法，其中所述涂层材料包含氧化锆、氧化铝、稀土硅酸盐、碱土铝硅酸盐及其组合中的一种或多种。

Images