含有低熔融温度相的环境屏障材料及涂层的制作方法

本公开涉及si基陶瓷基复合材料(ceramic matrix composite，cmc)上的环境屏障涂层(environmental barrier coating，ebc)，其能够在高温氧化环境中保护cmc。在示例实施例中，含有低熔融温度材料的热喷涂材料原料在高温涂覆情况下原位熔化、扩散和填充ebc微结构缺陷。由于微结构缺陷减少，与不含低熔融温度材料的涂层相比，含有低熔融温度材料的ebc提供增强的屏障以防氧化剂(水蒸气和氧气)扩散，而且使得热生长氧化物(thermally grown oxide，tgo)的生长速率慢两倍以上。例如，在一些优选的实施例中，与不含低熔融温度材料的ebc涂层相比，含有低熔融温度材料的ebc涂层中的tgo生长速率慢五倍(或更多倍)。在更优选的实施方案中，与不含低熔融温度材料的ebc涂层相比，含有低熔融温度材料的ebc涂层中的tgo生长速率慢10倍(或更多倍)。

背景技术：

1、稀土硅酸盐和莫来石通常用于涂在si基陶瓷基复合材料(cmc)上的环境屏障涂层(ebc)，以保护cmc免受氧化和水蒸气侵蚀。常规ebc含有si-粘结涂层和硅酸镱顶涂层。空气等离子喷涂(air plasma spray，aps)是ebc沉积所常用的工艺。然而，aps处理后的涂层通常至少含有一定程度的孔隙率和微结构缺陷，比如片(splat)边界和微裂纹。在高温燃气涡轮发动机环境中，这些微结构缺陷为氧化剂(水蒸气和氧气)到达si-粘结涂层提供了快速扩散路径而加速了si-粘结涂层氧化。当暴露于燃气涡轮发动机中的高温氧化环境时，si-粘结涂层也会被氧化以形成热生长氧化物(tgo)sio2层。当tgo层达到阈值厚度时，ebc就会剥落。因此，需要新的致密且无裂纹的ebc，以保护si-粘结涂层和cmc基底免受氧化，降低tgo生长速率，并提高涂层耐久性。

技术实现思路

1、本公开的目的是获得致密且无裂纹的ebc，能够防止氧化剂(水蒸气和氧气)到达下层组件(例如，硅粘结涂层和/或cmc基底)。在一些实施例中，这样的ebc可以从热喷涂材料原料获得，该热喷涂材料原料包括：包括至少一种熔融温度小于1500℃的低熔融温度材料的第一粉末，和包括至少一种环境屏障涂层基体材料(通常为高熔融温度基体材料)的第二粉末。

2、在一些实施例中，所述至少一种低熔融温度材料为单一氧化物化合物、二元氧化物、三元氧化物或多元氧化物(multiple oxides)。例如，在一些实施例中，所述低熔融温度材料可以包括至少四种熔融温度小于1300℃的氧化物。

3、在一些实施例中，所述至少一种环境屏障涂层基体材料(通常为高熔融温度基体材料)包括选自由稀土硅酸盐、稀土氧化物、莫来石、碱性硅酸盐、hfo2、hfsio4、hftio4、zrtio4、zrsio4、稀土氧化物稳定的氧化锆、稀土氧化物稳定的氧化铪、hfb2、hfc、zrb2、zrc和sic组成的组中的至少一种材料。

4、在一些实施例中，将所述第一粉末和第二粉末混合、附聚、附聚且烧结、等离子体致密化、或熔合且破碎。

5、在一些具体实施例中，所述至少一种低熔融温度材料包括：cao、mgo、al2o3、sio2、na2o、k2o和fe2o3。在其他实施例中，至少一种低熔融温度材料为li2o。

6、在一些实施例中，所述ebc可以包括：ebc顶涂层，包括：ebc基体(通常为高熔融温度基体材料)，所述ebc基体包括选自由稀土硅酸盐、稀土氧化物、莫来石、碱性硅酸盐、hfo2、hfsio4、hftio4、zrtio4、zrsio4、稀土氧化物稳定的氧化锆、稀土氧化物稳定的氧化铪、hfb2、hfc、zrb2、zrc、sic及其组合组成的组中的材料，和嵌入所述ebc基体中的至少一种熔融温度小于1500℃的低熔融温度材料；和si基粘结涂层。

7、在一些实施例中，所述ebc的至少一种低熔融温度材料可以包括：cao、mgo、al2o3、sio2、na2o、k2o和fe2o3。在其他实施例中，所述ebc的所述至少一种低熔融温度材料为li2o。

8、在一些实施例中，所述ebc基体包括至少一种稀土硅酸盐，所述稀土硅酸盐包括选自由y、la、ce、pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb和lu组成的组中的至少一种稀土元素。在其他实施例中，所述ebc基体包括至少一种稀土氧化物，所述稀土氧化物包括选自由y、la、ce、pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb和lu组成的组中的至少一种稀土元素。

技术特征：

1.一种热喷涂材料原料，包括：

2.根据权利要求1所述的热喷涂材料原料，其中，所述至少一种低熔融温度材料为单一氧化物化合物、二元氧化物、三元氧化物或多元氧化物。

3.根据前述权利要求中任一项所述的热喷涂材料原料，其中，所述低熔融温度材料为包括至少四种熔融温度小于1300℃的氧化物的多元氧化物。

4.根据前述权利要求中任一项所述的热喷涂材料原料，其中，所述至少一种环境屏障涂层基体材料包括选自由稀土硅酸盐、稀土氧化物、莫来石、碱性硅酸盐、hfo2、hfsio4、hftio4、zrtio4、zrsio4、稀土氧化物稳定的氧化锆、稀土氧化物稳定的氧化铪、hfb2、hfc、zrb2、zrc和sic组成的组中的至少一种高熔融温度基体材料。

5.根据前述权利要求中任一项所述的热喷涂材料原料，其中，将所述第一粉末和所述第二粉末混合、附聚、附聚且烧结、等离子体致密化、或熔合且破碎。

6.根据前述权利要求中任一项所述的热喷涂材料原料，其中，所述至少一种低熔融温度材料包括：cao、mgo、al2o3、sio2、na2o、k2o和fe2o3。

7.根据权利要求1、2、4和5中任一项所述的热喷涂材料原料，其中，所述至少一种低熔融温度材料为li2o。

8.一种环境屏障涂层(ebc)，包括：

9.根据权利要求8所述的环境屏障涂层，其中，所述至少一种低熔融温度材料包括：cao、mgo、al2o3、sio2、na2o、k2o和fe2o3。

10.根据权利要求8所述的环境屏障涂层，其中，所述至少一种低熔融温度材料为li2o。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的环境屏障涂层，其中，所述ebc基体包括至少一种稀土硅酸盐，所述稀土硅酸盐包括选自由y、la、ce、pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb和lu组成的组中的至少一种稀土元素。

12.根据权利要求8至10中任一项所述的环境屏障涂层，其中，所述ebc基体包括至少一种稀土氧化物，所述稀土氧化物包括选自由y、la、ce、pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb和lu组成的组中的至少一种稀土元素。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的环境屏障涂层，其中，基于所述ebc顶涂层的总重量，所述ebc基体中的所述至少一种低熔融温度材料的浓度在0.1wt％至40wt％的范围内。

14.根据权利要求8至13中任一项所述的环境屏障涂层，其中，基于所述ebc顶涂层的总重量，所述ebc基体中的所述至少一种低熔融温度材料的浓度在0.4wt％至10wt％的范围内。

15.根据权利要求8至14中任一项所述的环境屏障涂层，其中，基于所述ebc顶涂层的总重量，所述ebc基体中的所述至少一种低熔融温度材料的浓度在0.4wt％至5.0wt％的范围内。

16.一种在si基cmc上施加ebc的方法，包括：

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述沉积通过空气等离子喷涂(aps)、高速氧燃料喷涂(hvof)、燃烧喷涂、真空等离子喷涂或悬浮热喷涂来进行。

18.一种ebc顶涂层，包括：

技术总结提供了含有低熔融温度材料的环境屏障材料及涂层。材料及涂层包括高熔融温度材料，比如稀土硅酸盐、莫来石、铪石、锆石、HfO<subgt;2</subgt;、稀土稳定的ZrO<subgt;2</subgt;、HfB<subgt;2</subgt;、HfC、ZrB<subgt;2</subgt;、ZrC和SiC。低熔融温度材料的熔融温度低于1500℃。涂层中的低熔融温度材料在后热处理后在原位熔化、扩散和填充微结构缺陷。由于微结构缺陷减少，与不含低熔融温度材料的涂层相比，含有低熔融温度材料的EBC提供增强的屏障以防氧化剂扩散，且使TGO生长速率减慢两倍以上。技术研发人员：D·陈受保护的技术使用者：欧瑞康美科（美国）公司技术研发日：技术公布日：2024/11/4