[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2436868C2 - Защищенный против коррозии компонент из композитного материала с керамической матрицей, содержащей кремний - Google Patents

Защищенный против коррозии компонент из композитного материала с керамической матрицей, содержащей кремний Download PDF

Info

Publication number
RU2436868C2
RU2436868C2 RU2008139139/02A RU2008139139A RU2436868C2 RU 2436868 C2 RU2436868 C2 RU 2436868C2 RU 2008139139/02 A RU2008139139/02 A RU 2008139139/02A RU 2008139139 A RU2008139139 A RU 2008139139A RU 2436868 C2 RU2436868 C2 RU 2436868C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
mullite
silicon
barrier
base
Prior art date
Application number
RU2008139139/02A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2008139139A (ru
Inventor
Каролин ЛУШЕ-ПУИЛЛЬЕРИ (FR)
Каролин ЛУШЕ-ПУИЛЛЬЕРИ
Эрик БУЙОН (FR)
Эрик БУЙОН
Анри ТАВИЛЬ (FR)
Анри ТАВИЛЬ
Жерар ГЮЭЛДРИ (FR)
Жерар ГЮЭЛДРИ
Реми БУВЬЕ (FR)
Реми БУВЬЕ
Original Assignee
Снекма Пропюльсьон Солид
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Снекма Пропюльсьон Солид filed Critical Снекма Пропюльсьон Солид
Publication of RU2008139139A publication Critical patent/RU2008139139A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2436868C2 publication Critical patent/RU2436868C2/ru

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81—Coating or impregnation
    • C04B41/89—Coating or impregnation for obtaining at least two superposed coatings having different compositions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/009—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/52—Multiple coating or impregnating multiple coating or impregnating with the same composition or with compositions only differing in the concentration of the constituents, is classified as single coating or impregnation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/042—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material including a refractory ceramic layer, e.g. refractory metal oxides, ZrO2, rare earth oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/048—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material with layers graded in composition or physical properties
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/282—Selecting composite materials, e.g. blades with reinforcing filaments
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/284—Selection of ceramic materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00241—Physical properties of the materials not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00405—Materials with a gradually increasing or decreasing concentration of ingredients or property from one layer to another
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
    • F05D2300/13—Refractory metals, i.e. Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W
    • F05D2300/134—Zirconium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
    • F05D2300/15—Rare earth metals, i.e. Sc, Y, lanthanides
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/603—Composites; e.g. fibre-reinforced
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/611—Coating
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/26—Web or sheet containing structurally defined element or component, the element or component having a specified physical dimension
    • Y10T428/263—Coating layer not in excess of 5 mils thick or equivalent

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

Изобретение относится к деталям, работающим в коррозионной атмосфере и при температурах, которые могут превышать 1300°С, в частности к деталям газовых турбин. Деталь содержит основу (10) из композитного материала с кремнийсодержащей керамической матрицей и барьер для защиты от воздействий окружающей среды, сформированный на основе. Барьер включает наружный антикоррозионный защитный слой (12), содержащий соединение типа алюмосиликата щелочного, или щелочноземельного, или редкоземельного элемента, и кремнийсодержащий связующий подслой (14), сформированный на основе. Связующий подслой (14) содержит муллит, при этом его состав изменяется с уменьшением содержания кремния и увеличением содержания муллита от по существу чистого кремния на его внутренней поверхности, обращенной к основе, до по существу чистого муллита на его наружной поверхности. Технический результат - повышение коррозионной стойкости материала детали при высоких температурах. 9 з.п. ф-лы, 10 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к защите от коррозии деталей из композитного материала с кремнийсодержащей керамической матрицей (далее также именуемой «керамической матрицей, содержащей кремний», КМК), а именно деталей из материала КМК с матрицей карбида кремния (SiC). Более конкретно, но не исключительно, настоящее изобретение относится к деталям горячих частей газовых турбин, таких как стенки камер сгорания, в частности, для авиационных двигателей.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Попытки улучшить производительность и уменьшить выброс загрязняющих веществ для таких газовых турбин связаны с дальнейшим повышением температур в камерах сгорания.
Таким образом, было предложено заменить металлические материалы материалами КМК, в частности, для стенок камер сгорания. В действительности материалы КМК известны как своими хорошими механическими свойствами, позволяющими использовать их для конструктивных элементов, так и сохранением этих свойств при повышенных температурах. Материалы КМК содержат волокнистый наполнитель из огнеупорного волокна, обычно углеродного или керамического, уплотненный керамической матрицей, обычно SiC.
В коррозионной среде (окисляющая атмосфера, в частности, при наличии влажности и/или соляной атмосферы) в материалах КМК с матрицей SiC наблюдается явление усадки поверхности в результате испарения двуокиси кремния (SiO2), образующейся при окислении поверхности материала КМК.
Было рекомендовано создание на поверхности материала КМК барьера для защиты от воздействий окружающей среды. На Фиг.1 схематически представлен вид в разрезе барьера для основы 1 из материала КМК с матрицей SiC, известного из предшествующего уровня техники. Антикоррозионное действие обеспечивает слой 2 соединения типа алюмосиликата щелочноземельного металла, такого как соединение BaO0,75·SrO0,25·Al2O3(SiO2)2, обычно обозначаемое аббревиатурой BSAS. Химический барьерный слой 3 расположен между слоем BSAS и основой во избежание химического взаимодействия между BSAS и SiC основы. Слой 3 обычно содержит соединение муллита (основная часть) и BSAS, причем присутствие BSAS уменьшает чувствительность к растрескиванию по сравнению со слоем, состоящим только из муллита. Подслой 4 кремния (Si) формируется на основе для упрощения связи с химическим барьерным слоем 3. Такой уровень техники иллюстрируют, помимо прочего, патентные документы US 2004/0151840, US 6866897 и US 6787195.
Указанный барьер для защиты от воздействий окружающей среды имеет ряд недостатков.
Когда температура достигает повышенных значений, обычно свыше приблизительно 1300°С, может наблюдаться усадка поверхности слоя BSAS в результате испарения компонента двуокиси кремния этого слоя. Указанную усадку поверхности можно предотвратить путем увеличения толщины слоя BSAS для достижения желаемого срока службы. Другое решение состоит в создании барьера для защиты от воздействий окружающей среды с наружным теплозащитным слоем, в частности слоем двуокиси циркония, стабилизированной иттрием, как описано, например, в патентных документах US 6740364, US 6558814, US 6699607, US 6607852, EP 1416066 и ЕР 1142850. Кроме того, при указанных повышенных температурах происходит деградация в результате химического взаимодействия между BSAS, содержащимся в химическом барьерном слое, и Si связующего подслоя на основе. Для предотвращения указанной деградации между связующим подслоем Si и химическим барьерным слоем муллита с BSAS может быть расположен слой одного муллита, как описано, в частности, в патентных документах US 6759151 и US 6733908.
Авторы изобретения также заметили, что химический связующий слой Si чувствителен к растрескиванию, вызываемому термическими ударами, что может приводить к отслаиванию барьера для защиты от воздействия окружающей среды.
Формирование покрытия из муллита с градиентом состава на кремнийсодержащей основе, в основном на основе из SiC, описано в статьях Basu et al. «Formation of mullite coatings on silicon-based ceramics by chemical vapor deposition» и Hou et al. «Structure and high temperature stability of compositionally graded CVD mullite coatings», напечатанных в «International Journal of Refractory Metals and Hard Metals», Elsevier Publishers, Barking, GB, соответственно Vol.16, №4-6, 1998, p.343-352 и Vol.19, №4-6, июль 2001, p.467-377. Покрытие из муллита формируется методом химического осаждения из паровой фазы, или CVD (от англ. "chemical vapour deposition"). Состав покрытия изменяется от фазы с высоким содержанием двуокиси кремния вблизи основы до фазы с высоким содержанием окиси алюминия на наружной поверхности, причем фаза с высоким содержанием окиси алюминия выполняет антикоррозионную функцию.
ПРЕДМЕТ И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание детали из кремнийсодержащего материала КМК, которая может долговременно использоваться в коррозионной атмосфере и при повышенных температурах, которые могут превышать 1300°С.
Решение этой задачи достигается при помощи детали, содержащей основу из композитного материала с кремнийсодержащей керамической матрицей, и барьера для защиты от воздействий окружающей среды, сформированного на основе и включающего в себя наружный антикоррозионный защитный слой, содержащий соединение типа алюмосиликата щелочного, или щелочноземельного, или редкоземельного элемента, и кремнийсодержащий связующий подслой, сформированный на основе, причем в указанной детали между основой и антикоррозионным защитным слоем сформирован связующий подслой, состав которого изменяется с уменьшением содержания кремния и увеличением содержания муллита от по существу чистого кремния на внутренней поверхности, обращенной к основе, до по существу чистого муллита на наружной поверхности.
Под «по существу чистым муллитом» здесь, разумеется, подразумевается по существу стехиометрический муллит (3Аl2О3 - 2SiO2).
Благодаря изменяющемуся составу такой связующий подслой мало чувствителен к растрескиванию, вызываемому в основном термическими ударами. Кроме того, внутренняя поверхность из кремния указанного подслоя выполняет функцию химического связывания с основой, а его наружная поверхность из муллита выполняет функцию химического барьера, причем антикоррозионная функция осуществляется наружным слоем, сформированным на наружной муллитовой поверхности подслоя.
Для предотвращения химического взаимодействия между Si связующего подслоя и соединением (или соединениями) барьера для защиты от воздействий окружающей среды, расположенного на связующем подслое, последний может заканчиваться со стороны наружной поверхности тонким слоем по существу чистого муллита, предпочтительно имеющим толщину не более 50 мкм.
Со стороны внутренней поверхности связующий подслой может начинаться тонким слоем по существу чистого кремния, сформированным на основе. Такой тонкий слой обеспечивает химическое связывание с основой, причем он не должен иметь значительную толщину. Предпочтительно эта толщина составляет менее 50 мкм, что в соединении с градиентом состава связующего подслоя минимизирует опасность растрескивания под воздействием термических нагрузок.
Имеется возможность известным по существу способом завершить барьер для защиты от воздействий окружающей среды теплозащитным слоем, сформированным на наружном антикоррозионном защитном слое.
Кроме того, барьер для защиты от воздействий окружающей среды может содержать антикоррозионный защитный слой, образованный соединением типа алюмосиликата щелочного, или щелочноземельного, или редкоземельного элемента, и нижележащим слоем, сформированным над связующим подслоем и содержащим смесь указанного соединения с муллитом. Этот нижележащий слой может иметь состав, изменяющийся от по существу чистого муллита у его внутренней поверхности, расположенной со стороны связующего подслоя, до по существу только соединения, образующего антикоррозионный защитный слой, у его наружной поверхности, расположенной со стороны указанного антикоррозионного защитного слоя, с постепенным уменьшением содержания муллита и увеличением содержания указанного соединения.
Предпочтительно деталь в соответствии с настоящим изобретением является компонентом горячей части газовой турбины, в частности, для авиационного двигателя, таким как часть стенки камеры сгорания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут понятны из приведенного ниже неограничивающего описания со ссылками на прилагаемые чертежи.
На Фиг.1 схематически представлен вид в разрезе барьера для защиты от воздействий окружающей среды, сформированного на основе из материала КМК с керамической матрицей, содержащей SiC, в соответствии с известным уровнем техники.
На Фиг.2 схематически представлен вид в разрезе детали в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, имеющей барьер для защиты от воздействий окружающей среды, сформированный на основе из кремнийсодержащего материала КМК.
На Фиг.3-5 представлены виды в разрезе барьера для защиты от воздействий окружающей среды по Фиг.2 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
На Фиг.6 и 7 представлены два вида в разрезе под сканирующим электронным микроскопом барьера для защиты от воздействий окружающей среды, осуществленного в соответствии с настоящим изобретением, и барьера для защиты от воздействий окружающей среды в соответствии с известным уровнем техники после воздействия термических ударов.
На Фиг.8-10 представлены виды в разрезе под сканирующим электронным микроскопом барьера для защиты от воздействий окружающей среды в соответствии с настоящим изобретением после испытания на коррозию и усталость.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг.2 схематически представлена основа 10, имеющая барьер для защиты от воздействий окружающей среды в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения.
Основа 10 изготовлена из кремнийсодержащего материала КМК. Волокнистый наполнитель материала КМК может быть изготовлен из волокон углерода (С) или из керамических волокон, в частности из волокон SiC. Матрица материала КМК целиком или, по меньшей мере, частично, в наружной фазе матрицы, состоит из соединения Si, в частности, SiC или трехкомпонентной системы Si-B-C. Под наружной фазой матрицы понимается фаза матрицы, сформированная последней, самая удаленная от волокон наполнителя. В этом последнем случае матрица может быть выполнена из нескольких различных фаз, например:
- смешанная матрица C-SiC (SiC с наружной стороны), или
- матрица с установленной последовательностью с чередованием фаз SiC и менее жестких фаз матрицы, например пироуглерода (РуС), нитрида бора (BN) или модифицированного бором углерода (ВС), с конечной фазой матрицы из SiC, или
- самовосстанавливающаяся матрица с фазами матрицы из карбида бора (В4С) или из трехкомпонентной системы Si-B-C, которые могут содержать свободный углерод (B4C+C, Si-B-C+С), и с конечной фазой Si-B-C или SiC.
Такие материалы КМК описаны, в частности, в патентных документах US 5246736, US 5965266, US 6291058 и US 6068930.
Барьер для защиты от воздействий окружающей среды содержит антикоррозионный защитный слой 12 и связующий подслой 14 между основой 10 и слоем 12.
Антикоррозионный защитный слой 12 содержит наружный слой 12а из соединения, содержащего алюмосиликат щелочного или щелочноземельного элемента, такого как BSAS. Могут рассматриваться и другие соединения, такие как CaO·Al2O3·(SiO2)2 или CAS, (MgO)2·(Al2O3)2·(SiO2)5 или MAS, BaO·Al2O3·SiO2 или BAS, SrO·Al2O3·SiO2 или SAS, 35BaO·15CAO·5Al2О3·10B2O3·35SiO2 или BCAS, или другие алюмосиликаты элементов, выбранных из редкоземельных элементов, все из которых обозначены здесь как «соединения типа алюмосиликата щелочного, или щелочноземельного, или редкоземельного элемента».
Антикоррозионный защитный слой содержит внутренний химический барьерный слой 12b из смеси муллита и соединения слоя 12а, здесь муллит + BSAS. Муллит составляет основную часть и предпочтительно составляет от 50% до 100% по массе, предпочтительно приблизительно 80% по массе.
Связующий подслой 14 имеет состав, в котором практически чистый Si со стороны основы изменяется на практически чистый муллит (или практически стехиометрический муллит 3Аl2О3 - 2SiO2) со стороны антикоррозионного защитного слоя. Изменение состава может быть по существу непрерывным или ступенчатым. Предпочтительно связующий подслой заканчивается тонким слоем 14а практически чистого муллита. Указанный слой 14а имеет ограниченную толщину, предпочтительно не более 50 мкм. Со стороны основы 10 связующий подслой может начинаться тонким слоем 14b практически чистого Si, способствующим химическому связыванию с основой. Указанный слой 14b имеет ограниченную толщину, предпочтительно не более 50 мкм. Указанная ограниченная толщина совместно с градиентом состава подслоя 14 уменьшает опасность растрескивания.
Слой 14а муллита является барьером для химической реакции между соединением типа BSAS антикоррозионного защитного слоя 12 и Si связующего слоя 14.
На Фиг.3-5 представлены варианты осуществления настоящего изобретения. Одинаковые элементы по Фиг.2-5 обозначены одинаковыми номерами позиций.
Антикоррозионный защитный слой 12, изображенный на Фиг.3, известным по существу способом располагается под теплозащитным барьерным слоем 16, например, циркония, модифицированного иттрием.
Антикоррозионный защитный слой 12, изображенный на Фиг.4, ограничен слоем соединения типа алюмосиликата щелочного, или щелочноземельного, или редкоземельного элемента, например слоем BSAS, причем конечный слой 14а муллита связующего подслоя формирует химический барьер по отношению к Si.
Внутренний слой 12b антикоррозионного защитного слоя 12, изображенный на Фиг.5, имеет состав, изменяющийся от практически чистого муллита со стороны связующего подслоя, до BSAS или другого подобного практически чистого соединения со стороны наружного слоя 12а, причем указанный слой 12b имеет градиент состава, обеспечивающий повышенную устойчивость к термическим нагрузкам.
Осаждение различных слоев барьера для защиты от воздействий окружающей среды может осуществляться посредством физического осаждения из паровой фазы, например плазменным напылением или напылением термической плазмы, в воздухе и при атмосферном давлении или в вакууме. Итак, слой с градиентом состава формируется при последовательном использовании источников с разными составами или с поочередной активацией в течение изменяемых промежутков времени двух источников компонентов состава, предназначенного для осаждения. Также можно использовать, в частности, для муллита метод химического осаждения из паровой фазы, или CVD, в случае необходимости с плазменной стимуляцией, или PE-CVD (от англ. "plasma-enhanced chemical vapour deposition" - «плазмостимулированное химическое осаждение из паровой фазы»). Также может рассматриваться осаждение порошков из суспензии.
Целесообразность наличия связующего подслоя с градиентом состава между Si и муллитом с точки зрения стойкости к термическим ударам видна из приведенных ниже примеров.
Пример 1
Барьер для защиты от воздействий окружающей среды в соответствии с настоящим изобретением по Фиг.2 был сформирован на основах из композитного материала, изготовленного из волокнистого наполнителя из волокон SiC, производимых японской компанией Nippon Carbon под торговым названием «Hi-Nicalon», и самовосстанавливающейся матрицы с установленной последовательностью В4С+С, SiC, Si-B-C+C, полученной методом химического осаждения из паровой фазы после осаждения межфазного слоя РуС на волокна.
Связующий подслой (14) с градиентом состава Si → муллит был изготовлен при пониженном давлении с использованием двух емкостей с порошком, одна из которых содержала кремний, а другая порошок муллита. Условия осаждения были установлены для формирования слоя (14b) чистого Si толщиной 30 мкм, затем слоя Si + муллит толщиной 70 мкм с постепенным увеличением содержания муллита и затем слоя (14а) чистого муллита толщиной 30 мкм.
Защитный антикоррозионный слой (12) был изготовлен при атмосферном давлении. Внутренний слой (12b) толщиной 100 мкм был изготовлен из смеси порошков муллита и BSAS с массовым соотношением 80/20, тогда как наружный слой BSAS (12а) толщиной 170 мкм был получен из порошка BSAS.
Пример 2 (сравнительный)
Барьер для защиты от воздействий окружающей среды в соответствии с известным уровнем техники, представленный на Фиг.1, был сформирован на основе из того же композитного материала, который использовался в Примере 1.
Как и в Примере 1, была использована техника осаждения посредством напыления термической плазмы.
Связующий подслой (4) чистого Si толщиной 120 мкм и барьерный слой (3) чистого муллита толщиной 170 мкм были изготовлены при пониженных давлениях с использованием порошков кремния и муллита.
Затем при атмосферном давлении с плазменным газом, образованным смесью аргона и гелия, с использованием порошка BSAS был изготовлен антикоррозионный защитный слой (2) BSAS толщиной 150 мкм.
Испытание 1
Основы, имеющие барьеры, полученные в соответствии с Примерами 1 и 2, подвергались испытаниям на термический удар посредством помещения в печь, нагретую до температуры 1200°С, на 2 минуты и возвращения на воздух при температуре окружающей среды.
После двух таких термических ударов никакого растрескивания связующего подслоя, полученного в соответствии с Примером 1, не наблюдалось, как показывает вид в разрезе по Фиг.6.
Наблюдалось растрескивание связующего подслоя Si барьера для защиты от воздействий окружающей среды, полученного в соответствии с Примером 2, как видно на Фиг.7.
Испытание 2
Основы, имеющие барьер для защиты от воздействий окружающей среды в соответствии с Примером 1, подвергались соответственно:
- коррозионному испытанию, осуществленному посредством нахождения при температуре 1400°С в потоке влажного воздуха (700 г воды на 1 кг воздуха) при скорости 5 см/сек в течение 600 часов, и
- испытанию в тяжелых условиях на усталость и коррозию: растягивающая нагрузка 160 МПа при температуре 1200°С в течение 30 часов, затем нахождение при температуре 1200°С в потоке влажного воздуха (700 г воды на 1 кг воздуха) при скорости 2 см/сек в течение 250 часов.
На Фиг.8 представлена фотография разреза барьера для защиты от воздействий окружающей среды после первого из указанных двух испытаний. Деградации барьера для защиты от воздействий окружающей среды не наблюдается.
На Фиг.9 и 10 представлены фотографии разрезов барьера для защиты от воздействий окружающей среды после второго из указанных двух испытаний, причем фотография по Фиг.10 была выбрана путем поиска трещины. Заметно, что трещина, видимая на Фиг.10, затрагивает барьер для защиты от воздействий окружающей среды лишь частично, с его наружной стороны, и заканчивается в смешанном слое кремний/муллит. Таким образом, указанный смешанный слой способствует диссипации энергии растрескивания, не давая трещине достичь тонкого слоя кремния, сформированного на поверхности опоры, и вызвать опасность отслоения барьера для защиты от воздействий окружающей среды.

Claims (10)

1. Деталь, предназначенная для использования в коррозионной атмосфере и при температурах, которые могут превышать 1300°С, содержащая основу (10) из композитного материала с кремнийсодержащей керамической матрицей и барьер для защиты от воздействий окружающей среды, сформированный на основе и включающий в себя наружный антикоррозионный защитный слой (12), содержащий соединение типа алюмосиликата щелочного или щелочноземельного, или редкоземельного элемента, и кремнийсодержащий связующий подслой, сформированный на основе, отличающаяся тем, что связующий подслой (14) сформирован между основой (10) и антикоррозионным защитным слоем (12) и содержит муллит, при этом состав подслоя (14) изменяется с уменьшением содержания кремния и увеличением содержания муллита от по существу чистого кремния на его внутренней поверхности, обращенной к основе, до по существу чистого муллита на его наружной поверхности.
2. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что связующий подслой (14) с изменяемым составом заканчивается со стороны его наружной поверхности тонким слоем (14а) по существу чистого муллита.
3. Деталь по п.2, отличающаяся тем, что толщина тонкого слоя (14а) муллита не превышает 50 мкм.
4. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что связующий подслой (14) с изменяемым составом начинается со стороны его внутренней поверхности тонким слоем (14b) по существу чистого кремния, сформированным на основе.
5. Деталь по п.4, отличающаяся тем, что толщина тонкого слоя (14b) кремния не превышает 50 мкм.
6. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что барьер для защиты от воздействий окружающей среды содержит также наружный теплозащитный слой (16), сформированный на наружном антикоррозионном защитном слое (12).
7. Деталь по п.1, отличающаяся тем, что барьер для защиты от воздействий окружающей среды содержит антикоррозионный защитный слой (12), содержащий слой (12а) из соединения типа алюмосиликата щелочного или щелочноземельного, или редкоземельного элемента, и нижележащий слой (12b), сформированный над связующим подслоем (14) и содержащий смесь указанного соединения с муллитом.
8. Деталь по п.7, отличающаяся тем, что указанный нижележащий слой (12b) имеет состав, изменяющийся от по существу чистого муллита на внутренней поверхности, расположенной со стороны связующего подслоя (14), и по существу только соединения, формирующего антикоррозионный защитный слой на наружной поверхности, расположенной со стороны указанного антикоррозионного защитного слоя (12а), с постепенным уменьшением содержания муллита и увеличением содержания указанного соединения.
9. Деталь по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что представляет собой компонент горячей части газовой турбины.
10. Деталь по п.9, отличающаяся тем, что представляет собой, по меньшей мере, часть стенки камеры сгорания газовой турбины.
RU2008139139/02A 2006-04-04 2007-04-03 Защищенный против коррозии компонент из композитного материала с керамической матрицей, содержащей кремний RU2436868C2 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0651180 2006-04-04
FR0651180A FR2899226B1 (fr) 2006-04-04 2006-04-04 Piece en materiau composite a matrice ceramique contenant du silicium, protegee contre la corrosion.

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2008139139A RU2008139139A (ru) 2010-05-10
RU2436868C2 true RU2436868C2 (ru) 2011-12-20

Family

ID=37451244

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008139139/02A RU2436868C2 (ru) 2006-04-04 2007-04-03 Защищенный против коррозии компонент из композитного материала с керамической матрицей, содержащей кремний

Country Status (8)

Country Link
US (1) US8455103B2 (ru)
EP (1) EP2002031B1 (ru)
JP (1) JP5199234B2 (ru)
CN (1) CN101410554B (ru)
FR (1) FR2899226B1 (ru)
RU (1) RU2436868C2 (ru)
UA (1) UA97799C2 (ru)
WO (1) WO2007116176A2 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2770128C2 (ru) * 2017-10-26 2022-04-14 Сафран Деталь, содержащая защитное покрытие с постепенно меняющимся составом
RU2773286C2 (ru) * 2017-10-05 2022-06-01 Сафран Деталь, защищенная окружающим барьером
US11465943B2 (en) 2017-10-05 2022-10-11 Safran Component protected by an environmental barrier

Families Citing this family (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2939129B1 (fr) * 2008-11-28 2014-08-22 Snecma Propulsion Solide Aube de turbomachine en materiau composite et procede pour sa fabrication.
US8658255B2 (en) * 2008-12-19 2014-02-25 General Electric Company Methods for making environmental barrier coatings and ceramic components having CMAS mitigation capability
US8658291B2 (en) * 2008-12-19 2014-02-25 General Electric Company CMAS mitigation compositions, environmental barrier coatings comprising the same, and ceramic components comprising the same
FR2940278B1 (fr) * 2008-12-24 2011-05-06 Snecma Propulsion Solide Barriere environnementale pour substrat refractaire contenant du silicium
FR2944010B1 (fr) 2009-04-02 2012-07-06 Snecma Propulsion Solide Procede pour le lissage de la surface d'une piece en materiau cmc
DE102010041786A1 (de) * 2010-09-30 2012-04-05 Siemens Aktiengesellschaft Gasturbinenbauteil
EP2522808A1 (en) * 2011-05-10 2012-11-14 Aella SA Turbo-engine, particularly internal combustion engine
ITMI20111519A1 (it) * 2011-08-08 2013-02-09 Ansaldo Energia Spa Piastrella di materiale ceramico per il rivestimento di camere di combustione, in particolare di turbine a gas, e relativo metodo di fabbricazione
FR2983193B1 (fr) 2011-11-30 2014-05-09 Snecma Propulsion Solide Procede de fabrication de piece en materiau cmc
US9587492B2 (en) * 2012-05-04 2017-03-07 General Electric Company Turbomachine component having an internal cavity reactivity neutralizer and method of forming the same
US9951630B2 (en) * 2012-06-12 2018-04-24 Directed Vapor Technologies International, Inc. Self-healing environmental barrier coating
US10774682B2 (en) * 2012-06-22 2020-09-15 The United States of America as Represented by the Administrator of National Aeromautics and Space Administration Advanced high temperature and fatigue resistant environmental barrier coating bond coat systems for SiC/SiC ceramic matrix composites
US20140011038A1 (en) * 2012-07-05 2014-01-09 General Electric Company Coating system for a gas turbine component
FR2995892B1 (fr) 2012-09-27 2014-10-17 Herakles Procede de fabrication d'une piece en cmc
US9650303B2 (en) 2013-03-15 2017-05-16 Rolls-Royce Corporation Silicon carbide ceramic matrix composites
WO2014204480A1 (en) * 2013-06-21 2014-12-24 United States Of America, As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Environmental barrier coating bond coat systems
RU2559248C1 (ru) * 2014-07-30 2015-08-10 Открытое Акционерное Общество "Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов" Способ изготовления герметичных изделий из углерод-карбидокремниевого композиционного материала
EP3186211B1 (en) * 2014-08-25 2023-01-18 General Electric Company Article for high temperature service
CZ307096B6 (cs) * 2014-10-08 2018-01-10 Beznoska, S.R.O. Způsob povrchové úpravy artikulačních ploch kovových komponent kloubních implantátů
US20160135279A1 (en) * 2014-11-12 2016-05-12 United Technologies Corporation Instrumented article having compliant layer between conformal electronic device and substrate
FR3038624B1 (fr) * 2015-07-08 2019-10-25 Safran Aircraft Engines Revetement de protection formant une barriere thermique, substrat recouvert d'un tel revetement, et piece de turbine a gaz comprenant un tel substrat
US9969655B2 (en) 2015-10-08 2018-05-15 General Electric Company Articles with enhanced temperature capability
US10604454B1 (en) 2016-06-16 2020-03-31 United States Of America As Represented By The Administrator Of National Aeronautics And Space Administration Advanced high temperature environmental barrier coating for SiC/SiC ceramic matrix composites
US11958786B1 (en) 2016-12-05 2024-04-16 United States Government Administrator Of Nasa Calcium-magnesium aluminosilicate (CMAS) resistant thermal and environmental barrier coatings
FR3071830B1 (fr) 2017-10-02 2021-03-12 Safran Ceram Procede pour la realisation d'une piece creuse en materiau composite a matrice ceramique
WO2020025878A1 (fr) 2018-08-03 2020-02-06 Safran Ceramics Procede de fabrication d'une piece en cmc
US10927046B2 (en) * 2018-12-21 2021-02-23 General Electric Company EBC with mullite bondcoat having a non-oxide silicon ceramic
US11479515B2 (en) * 2018-12-21 2022-10-25 General Electric Company EBC with mullite bondcoat that includes an oxygen getter phase
FR3096678B1 (fr) 2019-05-27 2021-05-21 Safran Ceram Procede de reparation d’une piece en cmc et dispositif
FR3114588B1 (fr) * 2020-09-29 2023-08-11 Safran Ceram Procédé de fabrication d’une barrière environnementale

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6210812B1 (en) * 1999-05-03 2001-04-03 General Electric Company Thermal barrier coating system
US6733908B1 (en) * 2002-07-08 2004-05-11 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Multilayer article having stabilized zirconia outer layer and chemical barrier layer
US6699607B1 (en) * 2002-10-30 2004-03-02 General Electric Company Thermal/environmental barrier coating for silicon-containing substrates
US6682820B1 (en) * 2002-10-31 2004-01-27 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. Recession resistant coated ceramic part
US6787195B2 (en) * 2003-02-03 2004-09-07 General Electric Company Method of depositing a coating on Si-based ceramic composites
US20060014029A1 (en) * 2004-07-15 2006-01-19 General Electric Company Article including environmental barrier coating system, and method for making
US7115326B2 (en) * 2005-01-21 2006-10-03 General Electric Company Thermal/environmental barrier coating with transition layer for silicon-comprising materials
US20070243703A1 (en) * 2006-04-14 2007-10-18 Aonex Technololgies, Inc. Processes and structures for epitaxial growth on laminate substrates

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BASU S.N. ET AL. Structure and high-temperature stability of compositionally graded CVD mullite coatings. International journal of refractory metals and hard materials, Elsevier publishers, Barking, GB, Vol.16, 1998, p.p.467-477. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2773286C2 (ru) * 2017-10-05 2022-06-01 Сафран Деталь, защищенная окружающим барьером
US11465943B2 (en) 2017-10-05 2022-10-11 Safran Component protected by an environmental barrier
RU2770128C2 (ru) * 2017-10-26 2022-04-14 Сафран Деталь, содержащая защитное покрытие с постепенно меняющимся составом

Also Published As

Publication number Publication date
WO2007116176A3 (fr) 2008-10-09
FR2899226B1 (fr) 2008-07-04
EP2002031B1 (fr) 2013-12-04
JP5199234B2 (ja) 2013-05-15
UA97799C2 (ru) 2012-03-26
JP2009532320A (ja) 2009-09-10
WO2007116176A2 (fr) 2007-10-18
CN101410554B (zh) 2012-08-15
CN101410554A (zh) 2009-04-15
FR2899226A1 (fr) 2007-10-05
EP2002031A2 (fr) 2008-12-17
US20090169873A1 (en) 2009-07-02
RU2008139139A (ru) 2010-05-10
US8455103B2 (en) 2013-06-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2436868C2 (ru) Защищенный против коррозии компонент из композитного материала с керамической матрицей, содержащей кремний
RU2446132C2 (ru) Защищенная от коррозии деталь из композитного материала с керамической матрицей, содержащей кремний
US6444335B1 (en) Thermal/environmental barrier coating for silicon-containing materials
US6733908B1 (en) Multilayer article having stabilized zirconia outer layer and chemical barrier layer
US6299988B1 (en) Ceramic with preferential oxygen reactive layer
US6558814B2 (en) Low thermal conductivity thermal barrier coating system and method therefor
EP1734025B1 (en) Thermal/Environmental barrier coating system for silicon-containing materials
RU2718450C1 (ru) Устойчивый к воздействию окружающей среды элемент с покрытием
US7300702B2 (en) Diffusion barrier coating for Si-based components
US20090324930A1 (en) Protective coatings for silicon based substrates with improved adhesion
US20050112381A1 (en) Oxidation barrier coatings for silicon based ceramics
JP2006327923A (ja) ケイ素ベースの基体のためのコーティング系
EP3565794B1 (fr) Piece comprenant un substrat et une barriere environnementale
JP2005325014A (ja) 基体と上部障壁層とから成る物品およびその調製方法
US20140050929A1 (en) Cavitation-resistant environmental barrier coatings
EP1683772B1 (en) Thermal/environmental barrier coating with transition layer for silicon-comprising materials
US20050129973A1 (en) Velocity barrier layer for environmental barrier coatings
RU2754893C2 (ru) Деталь, содержащая подложку и внешний барьер

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20140815

PD4A Correction of name of patent owner
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20210404