熱和環(huán)境阻擋涂層組合物的制作方法

本申請(qǐng)要求Kirby等人在2014年6月30日提交的標(biāo)題為“Thermal and Environmental Barrier Coating Compositions and Methods of Deposition (熱和環(huán)境阻擋涂層組合物以及沉積方法)”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序號(hào)62/018,983和Kirby等人在2014年10月28日提交的標(biāo)題為“Thermal And Environmental Barrier Coating Compositions And Methods Of Deposition (熱和環(huán)境阻擋涂層組合物以及沉積方法)”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序號(hào)62/069,346的優(yōu)先權(quán)。兩個(gè)優(yōu)先權(quán)申請(qǐng)的公開內(nèi)容通過引用結(jié)合在本文中。

發(fā)明領(lǐng)域

概括而言，本發(fā)明的實(shí)施方案涉及用于陶瓷部件和/或金屬部件的熱和環(huán)境阻擋涂層及其制備方法。

發(fā)明背景

不斷尋求用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的較高操作溫度以便改進(jìn)其有效性。然而，當(dāng)操作溫度提高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的部件的高溫耐用性必須相應(yīng)地提高。高溫能力的顯著進(jìn)步業(yè)已通過鐵、鎳和鈷基超合金的配制獲得。然而，在由超合金構(gòu)建的許多熱氣路徑部件的情況下，熱阻擋涂層(TBC)可以用于使部件絕緣且可以在承受負(fù)載的合金和涂層表面之間維持明顯的溫差，因此限制結(jié)構(gòu)部件的熱暴露。

雖然業(yè)已發(fā)現(xiàn)超合金廣泛用于在整個(gè)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中且尤其是在較高溫工段中使用的部件，但是業(yè)已提議可替代的較輕重量的基材材料，例如陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料(CMC)材料。CMC和整體陶瓷部件可以涂有環(huán)境阻擋涂層(EBC)以保護(hù)它們免受高溫發(fā)動(dòng)機(jī)工段的苛刻環(huán)境。EBC可以提供致密、氣密密封來抵抗熱燃燒環(huán)境中的腐蝕氣體。在干燥的高溫環(huán)境中，硅基(非氧化物) CMC和整體陶瓷經(jīng)受氧化以形成保護(hù)性氧化硅片狀物(scale)。然而，氧化硅與例如見于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的高溫蒸汽快速反應(yīng)，以形成揮發(fā)性硅物類。這種氧化/揮發(fā)過程會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)部件的壽命期間導(dǎo)致顯著的材料損失或衰退。這種衰退還在包含氧化鋁的CMC和整體陶瓷部件中出現(xiàn)，原因是氧化鋁也與高溫蒸汽反應(yīng)以形成揮發(fā)性鋁物類。

當(dāng)前，用于CMC和整體陶瓷部件的大多數(shù)EBC由三層涂層體系組成，所述三層涂層體系一般包括粘結(jié)涂布層、施加到粘結(jié)涂布層的至少一個(gè)過渡層和施加到過渡層的任選的外層。任選地，二氧化硅層可以存在于粘結(jié)涂布層和相鄰的過渡層之間。這些層一起可以為CMC或整體陶瓷部件提供環(huán)境保護(hù)。

更具體而言，所述粘結(jié)涂布層可以包含硅且一般可以具有約0.5密耳(約12.7 μm)-約6密耳(約152 μm)的厚度。對(duì)于硅基非氧化物CMC和整體陶瓷，所述粘結(jié)涂布層充當(dāng)氧化阻擋物以防止基材氧化。所述二氧化硅層可以施加到粘結(jié)涂布層，或者可以在粘結(jié)涂布層上自然或有意形成。所述過渡層通常可以包含莫來石、鋁硅酸鋇鍶(BSAS)及其各種組合，而任選的外層可以包含BSAS?？梢源嬖?-3個(gè)過渡層，各個(gè)層具有約0.1密耳(約2.5 μm)-約6密耳(約152 μm)的厚度，且任選的外層可以具有約0.1密耳(約2.5 μm)-約40密耳(約1 mm)的厚度。

過渡層和外層各自可以具有不同的孔隙率。在約10%或更小的孔隙率下，所述層對(duì)燃燒環(huán)境中的熱氣體氣密密封。在約10%-約40%孔隙率的情況下，所述層可以呈現(xiàn)機(jī)械完整性，但熱氣體可以滲透通過涂布層損壞下面的EBC。雖然至少一個(gè)過渡層或外層為氣密的是有必要的，但是可能有利的是具有一些較高孔隙率范圍的層以減輕由涂層材料和基材之間的任何熱膨脹失配引發(fā)的機(jī)械應(yīng)力。

遺憾地，業(yè)已觀察到鋁硅酸鈣鎂(CMAS)的沉積物在位于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的較高溫工段內(nèi)、特別是在燃燒器和渦輪工段中的部件上形成。這些CMAS沉積物對(duì)熱阻擋涂層壽命表現(xiàn)出有害作用，且已知BSAS和CMAS在高溫即高于CMAS的熔點(diǎn)(約1150℃-1650℃)下化學(xué)相互作用。還已知通過BSAS和CMAS相互作用形成的反應(yīng)副產(chǎn)物可能對(duì)EBC有害，以及在高溫蒸汽的存在下易于揮發(fā)。這種揮發(fā)可以導(dǎo)致涂層材料和對(duì)下面部件的保護(hù)的損失。因此，預(yù)期存在的CMAS將與EBC相互作用，由此危害部件性能以及部件壽命。因此，需要用于制備抗CMAS且抗衰退的EBC和陶瓷部件的方法。

發(fā)明概述

本發(fā)明的各方面和優(yōu)點(diǎn)將部分地在以下描述中說明，或可以從該描述顯而易見，或可以通過實(shí)施本發(fā)明獲知。

概括而言，提供了涂布基材，其包含：基材；和包含具有式Ln₂ABO₈的化合物的阻擋涂層，其中Ln包括鈧、釔、鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥或其混合物；A包括Si、Ti、Ge、Sn、Ce、Hf、Zr或其組合；和B包括M、W或其組合。在一個(gè)實(shí)施方案中，B包括Mo。

概括而言，還提供了包含上文所述的涂布基材的燃?xì)鉁u輪。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述涂布基材限定位于燃?xì)鉁u輪的熱氣流動(dòng)路徑內(nèi)的渦輪部件，使得所述涂層在部件上形成阻擋涂層以在暴露于熱氣流動(dòng)路徑時(shí)保護(hù)燃?xì)鉁u輪內(nèi)的部件。

參考以下描述和隨附權(quán)利要求，本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解。結(jié)合在本說明書中且構(gòu)成本說明書的一部分的附圖說明了本發(fā)明的實(shí)施方案，且與本說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。

附圖簡(jiǎn)述

認(rèn)為是本發(fā)明的主題被特別指出且在說明書的結(jié)論部分明確要求保護(hù)。然而，結(jié)合附圖參考以下描述，可以最好理解本發(fā)明，其中：

圖1為根據(jù)文中所公開的一個(gè)實(shí)施方案的例示性涂布基材的橫截面示意圖；

圖2為根據(jù)文中所公開的一個(gè)實(shí)施方案的另一個(gè)例示性涂布基材的橫截面示意圖；

圖3為根據(jù)文中所公開的一個(gè)實(shí)施方案的又一個(gè)例示性涂布基材的橫截面示意圖；

圖4為根據(jù)文中所公開的一個(gè)實(shí)施方案的再一個(gè)例示性涂布基材的橫截面示意圖；

圖5為根據(jù)文中所公開的一個(gè)實(shí)施方案的再一個(gè)例示性涂布基材的橫截面示意圖；

圖6為根據(jù)文中所公開的一個(gè)實(shí)施方案的再一個(gè)例示性涂布基材的橫截面示意圖；和

圖7顯示與超合金材料(N5)相比各種例示性Ln₂ABO₈化合物的CTE曲線。

在本說明書和附圖中重復(fù)使用附圖標(biāo)記旨在表示本發(fā)明的相同或類似的特征或要素。

發(fā)明詳述

現(xiàn)在將詳細(xì)提及本發(fā)明的實(shí)施方案，其一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例在附圖中說明。通過解釋本發(fā)明提供各個(gè)實(shí)施例，并非限制本發(fā)明。實(shí)際上，本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見的是在不偏離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，可以在本發(fā)明中進(jìn)行各種修改和變化。例如，作為一個(gè)實(shí)施方案的一部分說明或描述的特征可以與另一個(gè)實(shí)施方案一起使用以產(chǎn)生又一個(gè)實(shí)施方案。因此，本發(fā)明旨在涵蓋落入隨附權(quán)利要求及其等價(jià)物范圍內(nèi)的這些修改和變化。

在本公開中，當(dāng)層描述為在另一個(gè)層或基材“上”或“上方”時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解，層可以直接彼此接觸或在層之間具有另一個(gè)層或結(jié)構(gòu)(feature)，除非明確作出相反說明。因此，這些術(shù)語僅描述層彼此的相對(duì)位置且并不必表示“在頂部”，原因是相對(duì)位置的高或低取決于裝置相對(duì)于觀察者的取向。

在本公開中使用化學(xué)元素的常見化學(xué)縮寫(例如元素周期表上通常所見)來對(duì)其進(jìn)行討論。例如，氫通過其常見化學(xué)縮寫H表示；氦通過其常見化學(xué)縮寫He表示；等等。

概括而言，提供了具有包含式Ln₂ABO₈的化合物的涂層的基材，其中Ln包括稀土元素或稀土元素的混合物；A包括Si、Ti、Ge、Sn、Ce(例如，Ce⁴⁺)、Hf、Zr或其組合；和B包括Mo、W或其組合。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述化合物在涂層內(nèi)具有鋯石晶體結(jié)構(gòu)。例如，所述涂層可以具有單相結(jié)構(gòu)(例如，鋯石晶體結(jié)構(gòu)或白鎢礦晶體結(jié)構(gòu))，第二晶體相小于約10體積%。

“Ln”指鈧(Sc)、釔(Y)、鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)或其混合物的稀土元素。在具體的實(shí)施方案中，Ln選自釹、釓、鉺、釔及其混合物。

在一個(gè)實(shí)施方案中，B包括Mo。在某些實(shí)施方案中，B包括Mo和W的組合。例如，所述化合物可以具有式Ln₂AMo_xW_1-xO₈，其中0 ≤ x ≤約0.5 (例如，約0.1 ≤ x ≤ 約0.5)。

雖然式Ln₂ABO₈的化合物在高溫蒸汽(例如在燃?xì)鉁u輪的熱氣路徑中所見)中表現(xiàn)出高穩(wěn)定性，但是化合物中最不穩(wěn)定的元素在B位點(diǎn)(即，Mo和/或W)上。然而，即使一些Mo或W揮發(fā)，結(jié)果會(huì)是在表面上的Ln₂AO₅化合物，該化合物也對(duì)高溫蒸汽衰退具有很強(qiáng)的抵抗力。因此，在一個(gè)實(shí)施方案中，可以選擇在Ln位點(diǎn)的材料使得在涂層表面上形成氧磷灰石(oxyapetite)相和Ln₂AO₅相的混合物。這種反應(yīng)使材料密封，以免熔融鋁硅酸鹽深入滲透到EBC體系中。而且，在Ln₂ABO₈熔融鋁硅酸鹽反應(yīng)層中存在Ln₂AO₅組分改進(jìn)了粘合，原因是Ln₂AO₅具有低于氧磷灰石的熱膨脹；導(dǎo)致凈熱膨脹接近于基材的熱膨脹。此外，由熔融鋁硅酸鹽和包括Ln₂ABO₈的層之間的反應(yīng)產(chǎn)生的Ln₂AO₅和氧磷灰石相兩者對(duì)高溫蒸汽衰退具有抵抗力。

雖然A可以為Si、Ti、Ge、Sn、Ce、Hf、Zr中的任一種或其組合，在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，A包括單獨(dú)的Si或與Ti、Sn、Ce、Ge、Hf和/或Zr的組合。例如，所述化合物可以具有式：Ln₂Si_yA_1-yMo_xW_1-xO₈，其中0 ≤ x ≤ 約0.5；0 < y ≤ 約0.5；且A為Ti、Ge、Sn、Ce、Hf、Zr或其組合。在某些實(shí)施方案中，A可以為單獨(dú)的Hf和/或Zr，或與Ti、Sn、Ce、Ge和/或Si的組合，原因是Hf和/或Zr的存在對(duì)升高化合物的熔點(diǎn)具有顯著的作用。

概括而言，在涂層中使用的化合物中的組分的選擇可以選擇以確保單相晶體結(jié)構(gòu)(例如，鋯石結(jié)構(gòu))和緊密匹配基材的熱膨脹系數(shù)(“CTE”)。CTE匹配(或接近匹配)可以使得在基材表面上形成和操作致密無裂紋涂布層以確保高溫水蒸氣不滲透到下面的基材。例如，如果基材為包括碳化硅的CMC，那么包括具有式Y(jié)₂SiMoO₈的化合物的涂層會(huì)是特別合適的，原因是SiC和Y₂SiMoO₈的CTE接近。因此，所述化合物的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案可以具有式：Ln₂Si_yA_1-yMo_xW_1-xO₈，其中0 ≤ x ≤ 約0.5；0 < y ≤ 約0.5；且A為Ti、Ge、Sn、Ce、Hf、Zr或其組合，尤其當(dāng)所述化合物具有鋯石晶體結(jié)構(gòu)時(shí)。

Ln₂ABO₈的許多其他化合物具有白鎢礦結(jié)構(gòu)，白鎢礦結(jié)構(gòu)可以具有幾乎等價(jià)于SiC CMC的熱膨脹或高于SiC CMC的熱膨脹。然而，如果高于SiC，則由這些材料形成的白鎢礦構(gòu)成的垂直開裂層仍可以提供對(duì)高溫蒸汽的一些抵抗力，特別是如果在下面存在無裂紋的另外的層來充當(dāng)氣密層。另外，式Ln₂ABO₈的化合物(具有鋯石或白鎢礦結(jié)構(gòu))提供免受熔融鋁硅酸鹽(特別是包含灰塵或砂的那些)的保護(hù)。也就是，所述涂層對(duì)熔融鋁硅酸鹽本身具有抵抗力，使得所述涂布層盡管與熔融鋁硅酸鹽反應(yīng)仍保持氣密。

不期望受任何具體理論束縛，認(rèn)為L(zhǎng)n₂ABO₈化合物的CTE可以通過改變由式中的“A”表示的元素的大小來控制。也就是，通過在Ln₂ABO₈化合物中有意使用Si、Ti、Ge、Sn、Ce、Hf、Zr或其組合，可以控制所得的涂層的CTE。更具體而言，認(rèn)為提高式中的由“A”表示的位置的元素的離子大小可以導(dǎo)致涂層中提高的CTE。該特征在下文實(shí)施例章節(jié)中更詳細(xì)討論。

可以作為基材上的孤立涂布層(存在或不存在粘結(jié)層)、在基材上的EBC體系的任何層內(nèi)和/或作為EBC體系上的可磨損層包括這種涂層。

來看圖1，例如，顯示例示性的涂布基材10，其包括基材12、在基材12的表面13上的粘結(jié)涂布層14，和在粘結(jié)涂布層14上的阻擋涂層16。共同地，粘結(jié)涂布層14和阻擋涂層16形成涂布基材10的EBC體系18。在該實(shí)施方案中，阻擋涂層16包括如上文更詳細(xì)討論的具有式Ln₂ABO₈的任何化合物。

I. CMC基材

在一個(gè)實(shí)施方案中，所述基材包括陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料(CMC)材料。如文中使用的“CMC”指含硅或氧化物-氧化物基質(zhì)和增強(qiáng)材料。文中使用的可接受的CMC的一些實(shí)例可以包括但不限于具有基質(zhì)和增強(qiáng)纖維的材料，所述基質(zhì)和增強(qiáng)纖維包含非氧化物硅基材料，例如碳化硅、氮化硅、碳氧化硅、氧氮化硅及其混合物。實(shí)例包括但不限于具有碳化硅基質(zhì)和碳化硅纖維、氮化硅基質(zhì)和碳化硅纖維；和碳化硅/氮化硅基質(zhì)混合物和碳化硅纖維的CMC。此外，CMC可以具有由氧化物陶瓷構(gòu)成的基質(zhì)和增強(qiáng)纖維。這些氧化物-氧化物復(fù)合材料如下描述。

具體而言，所述氧化物-氧化物CMC可以由包含氧化物基材料的基質(zhì)和增強(qiáng)纖維構(gòu)成，所述氧化物基材料例如為氧化鋁(Al₂O₃)、二氧化硅(SiO₂)、鋁硅酸鹽，及其混合物。鋁硅酸鹽可以包括晶體材料例如莫來石(3Al₂O₃ 2SiO₂)，以及玻璃質(zhì)鋁硅酸鹽。

如文中使用的“整體陶瓷”指包含僅有的碳化硅、僅有的氮化硅、僅有的氧化鋁、僅有的二氧化硅或僅有的莫來石的材料。在文中，CMC和整體陶瓷統(tǒng)稱為“陶瓷”。

所述涂層可以在這種CMC上用作環(huán)境阻擋涂層(“EBC”)。例如，所述EBC在文中可以適合在高溫環(huán)境中可見的陶瓷基材部件上使用，例如存在于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的那些，例如，燃燒器部件、渦輪葉片、護(hù)罩、噴嘴、防熱罩和導(dǎo)葉。

如圖1中所示，包括Ln₂ABO₈化合物的阻擋涂層16可以用作在粘結(jié)涂布層14(例如具有氧化硅熱生長(zhǎng)氧化物(TGO)的硅金屬或硅金屬層)上的單個(gè)EBC層(即，不存在任何其他ECB層)。可以實(shí)現(xiàn)該單個(gè)EBC層，原因是Ln₂ABO₈化合物由于阻擋涂層16的CTE與基材12接近匹配在高溫應(yīng)用期間保持致密和無裂紋的能力。阻擋涂層16還具有抗CMAS性和抗衰退性，原因是如果B位點(diǎn)揮發(fā)，其容易形成表面Ln₂AO₅。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以在Ln₂ABO₈的頂部作為外層24有意地沉積Ln₂AO₅，而不是讓Ln₂AO₅原位形成。

或者，可以作為CMC基材上的任何EBC體系內(nèi)的層包括阻擋涂層16。圖2和3中顯示的實(shí)施方案描述例示性EBC體系18，其包括其中的阻擋涂層16。例如，任選的二氧化硅層15可以存在于粘結(jié)涂布層14上和位于粘結(jié)涂布層14和阻擋涂層16之間。二氧化硅層15可以施加到粘結(jié)涂布層14，或者，可以自然或有意地在粘結(jié)涂布層14上形成。

氣密層20(即，層(a layer that))可以任選地存在于EBC體系18中，例如圖2和3的例示性涂布基材10中所示。如果存在，氣密層20可以包括稀土二硅酸鹽、莫來石、鋁硅酸鋇鍶(BSAS)和/或其組合。這種氣密層20防止高溫水蒸氣滲透，但可能受限于沒有CMAS緩和能力。

另外或可替代地，任選的過渡層22可以存在于EBC體系18中，如圖2和3中所示。所述過渡層可以包含稀土元素(Ln)、稀土氧化物、氧化鋯、氧化鉿、用堿土或稀土元素部分或完全穩(wěn)定的氧化鉿、用堿土或稀土元素部分或完全穩(wěn)定的氧化鋯、稀土鉿酸鹽、稀土鋯酸鹽、稀土單硅酸鹽、氧化鋁、堇青石和/或其組合。這種過渡層22防止EBC體系疊層中的相鄰層之間的反應(yīng)，可能受限于不能防止高溫水蒸氣滲透，且可以或可以不具有CMAS緩和能力。

在這種實(shí)施方案中，如果包括式Ln₂ABO₈化合物(鋯石或白鎢礦)的阻擋涂層16沉積在另一個(gè)EBC層例如氣密層20(例如，包括Yb₂Si₂O₇的氣密層20)、過渡層22 (例如HfO₂)或其組合的頂部，其還可以提供優(yōu)異的抗CMAS性。

在圖2的例示性涂布基材10中，類似于圖1中所示的實(shí)施方案，阻擋涂層16限定EBC體系的外表面17。在這種實(shí)施方案中，暴露的阻擋涂層16可以另外用作EBC體系18和CMC基材12上的可磨損層。

然而，在圖3中所示的實(shí)施方案中，任選的外涂布層24和任選的可磨損層26可以存在于阻擋涂層16上。這種外涂布層24可以為L(zhǎng)n₂AO₅，且可磨損層26可以為BSAS或稀土二硅酸鹽(例如二硅酸鐿或Yb₂Si₂O₇)，其中可磨損層為最外層。

例如，圖4中所示的具體實(shí)施方案具有EBC體系18，其包括基材12 (例如，SiC CMC基材)上的粘結(jié)涂布層14 (例如，硅的粘結(jié)涂布層)、阻擋涂層16 (例如，如上文所討論的Ln₂Si_yA_1-yMo_xW_1-xO₈)和外涂布層24 (例如，如上文所討論的Ln₂SiO₅，例如Y₂SiO₅)。其他層可以包括在該例示性EBC體系中，如文中所討論。

如所述，所述涂布基材可以用作燃?xì)鉁u輪的渦輪部件。具體而言，所述渦輪部件可以為位于燃?xì)鉁u輪的熱氣流動(dòng)路徑內(nèi)的CMC部件，使得該涂層在部件上形成環(huán)境阻擋涂層以在暴露于熱氣流動(dòng)路徑時(shí)保護(hù)燃?xì)鉁u輪內(nèi)的部件。

II. 金屬基材

在其他實(shí)施方案中，所述基材包括超合金材料，例如鎳基超合金、鈷基超合金、鈦基超合金或鐵基超合金。包括如上文所討論的Ln₂ABO₈化合物的涂層可以用作這種超合金上的熱阻擋涂層(“TBC”)。例如，文中的TBC可以適合在高溫環(huán)境中可見的超合金基材部件上使用，例如存在于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的那些，例如，燃燒器部件、渦輪葉片、護(hù)罩、噴嘴、防熱罩和導(dǎo)葉。

再來看圖1，包括Ln₂ABO₈的化合物的阻擋涂層16可以用作超合金材料上的單個(gè)TBC層(即，不存在任何其他TBC層)。阻擋涂層16還具有抗CMAS性和抗衰退性，原因是，如果B位點(diǎn)揮發(fā)，則其容易形成表面Ln₂AO₅?；蛘?，粘結(jié)涂布層14可以存在于金屬基材和阻擋涂層16之間。所述粘結(jié)涂層可以包括形成氧化鋁熱生長(zhǎng)氧化物(TGO)的材料，例如鉑和其他貴金屬鋁化物(例如，包括釕、銠、鈀、銀、鋨、銥、鉑、金的鋁化物或其混合物)、鋁化鎳和MCrAlY(其中M為鎳、鈷、鐵或其組合)，或可以包括形成氧化硅TGO的材料例如金屬硅化物(例如硅化鉬、硅化鐵等)。

或者，可以包括阻擋涂層16作為合金基材上的任何TBC體系內(nèi)的層。來看圖2和3中所示的實(shí)施方案，任選的氧化物層15 (例如，氧化硅、氧化鋁和/或氧化鋅，任選地具有作為穩(wěn)定劑存在的過渡金屬，例如氧化釔)可以存在于粘結(jié)涂布層14上且位于粘結(jié)涂布層14和阻擋涂層16之間。氧化物層15可以施加到粘結(jié)涂布層14，或者，可以自然或有意地在粘結(jié)涂布層14上形成。

另外或可替代地，任選的TBC層22和/或任選的TBC層24可以存在于TBC體系18中，如圖2和3中所示。任選的TBC層可以包含稀土元素(Ln)、稀土氧化物、稀土鎵酸鹽、稀土硅酸鹽、稀土鐵氧化物、用堿土或稀土元素部分或完全穩(wěn)定的氧化鉿、用堿土或稀土元素部分或完全穩(wěn)定的氧化鋯、稀土鉿酸鹽、稀土鋯酸鹽、稀土單硅酸鹽和/或其組合。相對(duì)于層16，這種任選的TBC層可以位于下面(任選的TBC層22)、位于外部位置(任選的TBC層24)或以組合定位。

在該實(shí)施方案中，如果沉積在任選的TBC層22 (例如，用稀土元素部分或完全穩(wěn)定的氧化鋯)的頂部，包括式Ln₂ABO₈的化合物(鋯石或白鎢礦)的阻擋涂層16還可以提供優(yōu)異的抗CMAS性。在這種情況下，任選的TBC層22還可以防止阻擋涂層16和合金基材12、粘結(jié)涂層14或粘結(jié)涂層TGO 15之間的反應(yīng)。

在圖2的例示性涂布基材10中，類似于圖1中所示的實(shí)施方案，阻擋涂層16限定TBC體系的外表面17。在這種實(shí)施方案中，暴露的阻擋涂層16可以另外用作TBC體系18和合金基材12上的可磨損層。

例如，圖5中所示的具體實(shí)施方案具有TBC體系18，其包括基材12 (例如，超合金基材)上的粘結(jié)涂布層14 (例如，Pt鋁化物的粘結(jié)涂布層)、粘結(jié)涂布層14上的氧化物層15 (例如，包含氧化釔穩(wěn)定的ZrO₂)和阻擋涂層16 (例如，如上文所討論的Ln₂ABO₈)。其他層可以包括在如文中所討論的例示性TBC體系中。

然而，在圖3中所示的實(shí)施方案中，任選的TBC層24和任選的可磨損層26可以存在于阻擋涂層16上。任選的可磨損層26可以包含Ln₂ABO₈、上文所述的任選的TBC層24材料中的任一種，或其組合。

如所述，所述涂布基材可以用作燃?xì)鉁u輪的渦輪部件。具體而言，所述渦輪部件可以為位于燃?xì)鉁u輪的熱氣流動(dòng)路徑內(nèi)的超合金部件，使得涂層在部件上形成熱阻擋涂層以在暴露于熱氣流動(dòng)路徑時(shí)保護(hù)燃?xì)鉁u輪內(nèi)的部件。

III. 可磨損層

上文討論的式Ln₂ABO₈化合物還可以用作可磨損涂層形成基材上的任何類型的TBC或EBC體系的外部暴露表面。所述可磨損涂層可以由單層或多層形成。例如，可磨損層26的實(shí)施方案可以包括連續(xù)致密層(例如，孔隙率小于約15%)、連續(xù)多孔層(例如，孔隙率大于約15%)和/或致密(例如，孔隙率小于約15%)可磨損脊型圖案。

來看圖6，顯示具有在基材12上的EBC或TBC體系18和在EBC或TBC體系18上的可磨損涂層26的例示性實(shí)施方案。在文中，可磨損涂層26限定外表面，該外表面構(gòu)造成在與另一個(gè)部件接觸時(shí)磨損，有效保護(hù)下面的EBC或TBC體系18。使用上文討論的式Ln₂ABO₈化合物可以進(jìn)一步增加對(duì)EBC或TBC體系18的阻擋性質(zhì)以及根據(jù)具體的EBC或TBC體系18和/或基材12定制CTE。

例如，如果基材12為SiC CMC，那么EBC體系18可以包括粘結(jié)涂布層(例如，硅的粘結(jié)涂布層)、氣密層(例如，包括稀土二硅酸鹽)、過渡層(例如，如上文所討論的Ln₂SiO₅，例如Y₂SiO₅)，和包含式Ln₂ABO₈化合物的可磨損層26。EBC層(例如，包含BSAS)和/或另外的氣密層(例如，包含稀土二硅酸鹽)還可以存在于EBC體系18上，例如在粘結(jié)涂布層和氣密層之間。

實(shí)施例

盡管不期望受任何具體理論束縛，但還是認(rèn)為，增加由式中的“A”表示的位置的元素的離子大小可以導(dǎo)致涂層的CTE提高。圖7顯示與以下材料相比較各種例示性Ln₂ABO₈化合物的CTE：超合金材料(從General Electric Company以商品名稱N5市售)；CMC材料(SiC-SiC CMC)；已知的稀土單硅酸鹽EBC材料；和另一種已知的稀土單硅酸鹽EBC材料；和已知的TBC層(8YSZ)。如所示，由式中的“A”表示的位置使用較大的元素通常導(dǎo)致在Ln₂ABO₈化合物中的提高的CTE。同樣地，與Mo相比，在“B”位置上使用較大的W導(dǎo)致Ln₂ABO₈化合物的CTE提高。對(duì)于Ln位點(diǎn)，則反過來是正確的，其中較小的Ln元素導(dǎo)致Ln₂ABO₈化合物的CTE提高。通過調(diào)節(jié)Ln、A和B元素，材料的CTE可以向SiC CMC(具有較低CTE)或鎳基超合金(具有較高CTE)的涂層的CTE的方向定制。

雖然業(yè)已描述本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)具體的實(shí)施方案，顯而易見的是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以采用其他形式。應(yīng)當(dāng)理解結(jié)合文中所述的涂層組合物使用“包含”具體公開和包括其中所述涂層組合物“基本上由所指定的組分組成”(即，包含所指定的組分且沒有顯著不利影響所公開的基本特征和新特征的其他組分)的實(shí)施方案，和其中所述涂層組合物“由所指定的組分組成”(即，只包含除了天然且不可避免地存在于各種所指定的組分中的污染物以外的所指定的組分)的實(shí)施方案。

本書面描述使用實(shí)施例來(包括最佳方式)公開本發(fā)明，且還使得本領(lǐng)域任何技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制備和使用任何設(shè)備或系統(tǒng)且進(jìn)行任何結(jié)合的方法。本發(fā)明的可授予專利的范圍通過權(quán)利要求限定，且可以包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其他實(shí)施例。如果這種其他實(shí)施例包括不與權(quán)利要求的書面語言不同的結(jié)構(gòu)元素，或如果這種其他實(shí)施例包括與權(quán)利要求的書面語言無實(shí)質(zhì)差別的等價(jià)結(jié)構(gòu)元素，則它們旨在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。