ДЕТАЛЬ, СОДЕРЖАЩАЯ ПОДЛОЖКУ И ЗАЩИТНЫЙ БАРЬЕР Российский патент 2021 года по МПК C04B41/87 C04B41/89 

Уровень техники изобретения

Изобретение относится к защите подложки, в которой по меньшей мере участок, смежный поверхности подложки, выполнен из материала, содержащего кремний, и когда подложка используется при высокой температуре в окислительной среде, путем образования защитного барьера на поверхности подложки.

Особой областью применения является то, что защитные части выполнены из композиционного материала с керамической матрицей (CMC), который образует такие горячие детали в газовых турбинах, как стенки камеры сгорания или кольца турбин, сопла турбины, или лопасти или лопатки турбины для авиадвигателей или для промышленных турбин.

Для таких газовых турбин необходимость в повышении эффективности и снижении вредных выбросов приводит к рассмотрению возможности использовать более высокие температуры в камерах сгорания.

Поэтому было предложено заменить металлические материалы материалами СМС, в частности для стенок камер сгорания или для колец турбин. Конкретно, известно, что материалы CMC обладают как механическими свойствами, благодаря которым они используются для конструктивных элементов, так и способностью сохранять эти свойства при высоких температурах. Материалы СМС содержат волоконное армирование, выполненное из огнеупорного волокна, обычно это углеродное или керамическое волокно, плотность которого повышена керамической матрицей, например, изготовленной из SiC.

В рабочих условиях авиационных турбин, т.е. при высоких температурах в атмосфере, являющейся окислительной и влажной, материалы СМС подвержены коррозии. Коррозия материалов СМС является результатом окисления SiC до двуокиси кремния, который в присутствии водяных паров испаряется в виде гидратированного диоксида кремния Si(OH)4. Явление коррозии ведет к ухудшению свойств СМС, тем самым влияя на его срок службы. Чтобы ограничить такое ухудшение во время эксплуатации, было предложено покрывать поверхности материалов СМС защитными барьерными покрытиями. Такие покрытия могут содержать связующий слой кремния вместе со слоем силиката редкоземельного элемента, находящегося на связующем слое. Связующий слой служит, во–первых, для повышения адгезии слоя силиката редкоземельного элемента, а во–вторых, для формирования защитного слоя окиси кремния с низкой проницаемостью для кислорода, что способствует защите СМС от окисления. Слой силиката редкоземельного элемента служит для ограничения диффузии водяного пара в слой окиси кремния, образованного окислением кремния, и, следовательно, для ограничения ухудшения его свойств. Тем не менее, слой силиката редкоземельного элемента сам может быть чувствителен к ухудшению свойств и может испаряться во время эксплуатации, тем самым оказывая отрицательное воздействие на срок службы подложки с покрытием. Также необходимо улучшать предоставляемый защитным барьерным покрытием барьерный эффект относительно окисляющих компонентов.

Следовательно, существует необходимость в принципиально новом защитном барьере, нижележащие материалы которых имеют повышенный срок службы при эксплуатации.

Задача и сущность изобретения

С этой целью, в первом аспекте, данное изобретение обеспечивает деталь, содержащую подложку, имеющую, смежно поверхности подложки, по меньшей мере участок, выполненный из материала, содержащего кремний, и защитный барьер, образованный на поверхности подложки, причем защитный барьер содержит по меньшей мере первый слой, содержащий:

– дисиликат редкоземельного элемента с формулой RE^a₂Si₂O₇, с молярным содержанием в диапазоне от 70% до 99,9%, где RE^a – это редкоземельный элемент; и

– по меньшей мере один оксид редкоземельного элемента с формулой RE^b₂O₃, с молярным содержанием в диапазоне от 0,1% до 30%, где RE^b – это редкоземельный элемент, отличный от RE^a.

Наличие оксида редкоземельного элемента RE^b₂O₃ в первом слое в особых соотношениях служит предпочтительно для придания защитному барьеру лучших барьерных свойств относительно диффузии окисляющих компонентов, а также для повышения устойчивости к ухудшению свойств. Тот факт, что оксид RE^b₂O₃ присутствует в первом слое в количестве по меньшей мере 0,1% в молярной концентрации, служит предпочтительно для улучшения барьерного эффекта относительно окисляющих элементов и устойчивости к ухудшению свойств. На барьерный эффект относительно окисляющих элементов может быть оказано отрицательное воздействие, если молярное содержание оксида RE^b₂O₃ в первом слое слишком высоко, и поэтому это содержание RE^b₂O₃ ограничено максимум до 30% в молярной концентрации. Также следует обратить внимание, чтобы присутствие оксида редкоземельного элемента RE^b₂O₃ в установленных пропорциях служит для придания первому слою повышенной устойчивости к алюмосиликатам кальция и магния (CMASes). Конкретно, оксид редкоземельного элемента RE^b₂O₃ представляет бóльшую химическую активность с CMASes по сравнению с силикатом редкоземельного элемента и, следовательно, вступает в реакцию преимущественно с ними, чтобы образовать составы, стабильные термохимически, тем самым предотвращая CMASes от дальнейшего перемещения к подложке. Следовательно, изобретение обеспечивает защитный барьер, который придает базовой подложке срок службы, улучшенный при работе при высоких температурах и в среде, являющейся окислительной и влажной.

В варианте выполнения, RE^b выбран из тербия (Tb), эрбия (Er), диспрозия (Dy), гадолиния (Gd), европия (Eu), лютеция (Lu), самария (Sm), иттрия (Y) и иттербия (Yb). В частности, RE^b выбран из тербия (Tb), эрбия (Er) и диспрозия (Dy). Если в качестве RE^b выбран иттрий (Y), то в качестве RE^a можно использовать иттербий (Yb). Если в качестве RE^b выбран иттербий (Yb), то в качестве RE^a можно использовать иттрий (Y).

В варианте выполнения, дисиликат редкоземельных элементов с формулой RE^a₂Si₂O₇ представлен в первом слое молярным содержанием, находящимся в диапазоне от 80% до 95%, и указанный по меньшей мере один оксид редкоземельного элемента с формулой RE^b₂O₃ представлен в первом слое молярным содержанием в диапазоне от 5% до 20%.

В варианте выполнения, дисиликат редкоземельных элементов с формулой RE^a₂Si₂O₇ представлен в первом слое молярным содержанием в диапазоне от 85% до 95%, и указанный по меньшей мере один оксид редкоземельного элемента с формулой RE^b₂O₃ представлен в первом слое молярным содержанием в диапазоне от 5% до 15%.

В варианте выполнения RE^a выбран из иттрия (Y) и иттербия (Yb).

В варианте выполнения, защитный барьер дополнительно содержит второй слой, находящийся на первом слое, второй слой, содержащий по меньшей мере один моносиликат редкоземельного элемента с формулой RE^c₂SiO₅, где RE^c – это редкоземельный элемент.

Наличие второго слоя на основе моносиликата RE^c₂SiO₅ служит предпочтительно для усиления способности защитного барьера противостоять ухудшению свойств, поскольку моносиликаты редкоземельных элементов менее чувствительны к данному явлению, чем дисиликаты редкоземельных элементов.

В варианте выполнения второй слой содержит по меньшей мере:

– моносиликат редкоземельного элемента с формулой RE^c₂SiO₅ с молярным содержанием в диапазоне от 85% до 99,9%; и

– по меньшей мере один оксид редкоземельного элемента с формулой RE^d₂O₃ с молярным содержанием в диапазоне от 0,1% до 15%, где RE^d – это редкоземельный элемент, отличный от RE^c.

Как описано выше для первого слоя, добавление оксида редкоземельного элемента RE^d₂O₃ во второй слой служит для придания первому слою повышенной устойчивости к ухудшению свойств и улучшенного барьерного эффекта относительно окисляющих элементов. Как и для первого слоя, наличие оксида редкоземельного элемента RE^d₂O₃ служит для придания второму слою повышенной устойчивости к алюмосиликатам кальция и магния (CMASes).

В варианте выполнения, RE^d выбран из тербия (Tb), эрбия (Er), диспрозия (Dy), гадолиния (Gd), европия (Eu), лютеция (Lu), самария (Sm), иттрия (Y) и иттербия (Yb). В частности, RE^d выбран из тербия (Tb), эрбия (Er) и диспрозия (Dy). Если в качестве RE^d выбран иттрий (Y), в качестве RE^c можно использовать иттербий (Yb). Если в качестве RE^d выбран иттербий (Yb), в качестве RE^c можно использовать иттрий (Y).

В варианте выполнения, моносиликат редкоземельного элемента с формулой RE^c₂SiO₅ присутствует во втором слое с молярным содержанием в диапазоне от 85% до 95%, и указанный по меньшей мере один оксид редкоземельного элемента с формулой RE^d₂O₃ присутствует во втором слое с молярным содержанием в диапазоне от 5% до 15%.

В варианте выполнения, RE^c выбран из иттрия (Y) и иттербия (Yb).

В варианте выполнения, RE^a – это иттрий (Y), RE^c – это иттербий (Yb), а RE^b и RE^d независимы друг от друга, и выбраны из тербия (Tb), эрбия (Er) и диспрозия (Dy).

В варианте выполнения, защитный барьер дополнительно содержит третий слой, находящийся между первым и вторым слоем, причем третий слой содержит:

– дисиликат редкоземельного элемента с формулой RE^a₂Si₂O₇ с молярным содержанием, равным A.Ta, где Ta – это молярное содержание RE^a₂Si₂O₇ в первом слое;

– указанный по меньшей мере один оксид редкоземельного элемента с формулой RE^b₂O₃ с молярным содержанием, равным A.Tb, где Tb – это молярное содержание RE^b₂O₃ в первом слое; и

– моносиликат редкоземельного элемента с формулой RE^c₂SiO₅ с молярным содержанием, равным (1-A).Tc, где Tc – это молярное содержание RE^c₂SiO₅ во втором слое;

где A обозначает весовой коэффициент, который строго больше 0 и строго меньше 1.

Такой вариант выполнения применяется, когда третий слой смешанного состава помещается между первым и вторым слоем. Подобный вариант выполнения подходит для еще большего улучшения совместимости между первым и вторым слоем с точки зрения коэффициента теплового расширения.

В качестве примера, A может находиться в диапазоне от 0,25 до 0,75. Третий слой может также содержать указанный по меньшей мере один оксид редкоземельного элемента с формулой RE^d₂O₃ с молярным содержанием, равным (1-A).Td, где Td – это молярное содержание RE^d₂O₃ во втором слое.

В варианте выполнения, защитный барьер содержит, дополнительно к третьему слою, четвертый слой, находящийся между третьим и вторым слоем, причем четвертый слой содержит:

– дисиликат редкоземельного элемента с формулой RE^a₂Si₂O₇ с молярным содержанием, равным B.Ta;

– указанный по меньшей мере один оксид редкоземельного элемента с формулой RE^b₂O₃ с молярным содержанием, равным B.Tb;

– моносиликат редкоземельного элемента с формулой RE^c₂SiO₅ с молярным содержанием, равным (1B). Tc; и

– возможно, указанный по меньшей мере один оксид редкоземельного элемента с формулой RE^d₂O₃ с молярным содержанием, равным (1B).Td;

где B обозначает весовой коэффициент, который строго больше 0 и строго меньше 1, и коэффициент B, который строго меньше коэффициента A.

Такой пример служит предпочтительно для еще большего улучшения совместимости между первым и вторым слоем с точки зрения коэффициента теплового расширения.

В варианте выполнения защитный барьер дополнительно содержит адгезионный слой, содержащий кремний, находящийся между первым слоем и поверхностью подложки.

Настоящее изобретение также обеспечивает способ изготовления детали, описанной выше, причем способ содержит по меньшей мере этап, на котором формируют первый слой защитного барьера на поверхности подложки.

Способ также может включать в себя этап, на котором формируют второй слой защитного барьера на первом слое.

Способ также может включать в себя этап, на котором формируют третий слой защитного барьера на первом слое до формирования второго слоя. Способ также может включать в себя этап, на котором формируют четвертый слой защитного барьера на третьем слое, до формирования второго слоя. До формирования первого слоя, способ также может включать в себя этап, на котором формируют адгезионный слой на поверхности подложки.

Настоящее изобретение также обеспечивает способ использования детали, описанной выше, причем способ содержит по меньшей мере этап, на котором используют указанную деталь при температуре выше или равной 800ºС в среде, являющейся окислительной и влажной.

Краткое описание чертежей

Другие характеристики и преимущества изобретения вытекают из следующего далее описания, данного посредством неограничивающего примера и со ссылкой на сопровождающие чертежи, где:

фигура 1 представляет собой схему, показывающую деталь в первом варианте выполнения изобретения;

фигура 2 представляет собой схему, показывающую деталь во втором варианте выполнения изобретения;

фигура 3 представляет собой схему, показывающую деталь в третьем варианте выполнения изобретения;

фигура 4 представляет собой схему, показывающую этапы, выполняемые для изготовления детали, показанной на фигуре 3;

фигура 5 показывает результат испытания, сравнивая барьерный эффект относительно диффузии окислительных элементов, представленных первыми слоями, подходящими для использования в контексте изобретения, и слоем защитного барьера известного уровня техники; и

фигура 6 показывает результат испытания, сравнивая устойчивость к ухудшению свойств первого слоя, подходящего для использования в контексте данного изобретения, и слоя защитного барьера известного уровня техники.

Подробное описание вариантов выполнения

В следующем подробном описании защитный барьер образован на подложке, выполненной из материала СМС, содержащего кремний. Однако изобретение применимо к подложкам из монолитного огнеупорного материала, содержащего кремний, и в более широком смысле, к подложкам, в которых по меньшей мере участок, смежный внешней поверхности подложки, выполнен из огнеупорного материала (составного или монолитного), содержащего кремний. По этой причине, изобретение ориентировано, в частности, на защиту огнеупорных материалов, сформированных из монолитной керамики, например, из карбида кремния (SiC) или нитрида кремния (Si3N4), и более конкретно изобретение ориентировано на защиту огнеупорных материалов, таких как композиционные материалы с керамической матрицей (СМС), содержащие кремний, например, материалы СМС с матрицей по меньшей мере частично, из SiC.

На фигуре 1 показана деталь 1, выполненная на подложке 3, снабженной защитным барьером 2, в первом варианте выполнения изобретения. Поверхность S подложки 3 выполнена из огнеупорного материала, содержащего кремний.

Подложка 3, выполненная из материала СМС, содержащего кремний, содержит волоконное армирование, которое может быть выполнено из углеродных (С) волокон или из керамических волокон, например, из волокон SiС или из волокон, которые выполнены, в основном, из SiC, включая волокна SiCO или SiCON, т.е. волокна, также содержащие кислород и, возможно, азот. Подобные волокна производятся поставщиком «Nippon Carbon» под названием «Nicalon» или «HiNicalon», или «HiNicalon TypeS», или поставщиком «Ube Industries» под названием «TyrannoZMI». Керамические волокна могут быть покрыты тонким межфазным слоем, выполненным из пиро–углерода (PyC), нитрида бора (BN) или из углерода с присадкой бора (BC), имея атомный процент бора от 5% до 20%, а в остальном содержащий углерод).

Это волоконное армирование уплотнено матрицей, которая выполнена, во всем армировании или по меньшей мере в его внешней фазе, из материала, содержащего кремний, например, соединение кремния, например, SiC или трехкомпонентную систему SiBC. Термин «внешняя» фаза матрицы используется для обозначения фазы матрицы, образованной в последнюю очередь, находящейся как можно дальше от армирующих волокон. Таким образом, матрица может быть выполнена из множества фаз различного типа, и может содержать, например:

– смешанную матрицу C–SiC (когда C–SiC находится с внешней стороны); или

– последовательную матрицу, имеющую чередующиеся фазы SiC и матричные фазы меньшей жесткости, например, выполненные из пиро–углерода (PyC), нитрида бора (BN) или из углерода с присадкой бора (BC), с конечной матричной фазой из SiC; или

– самовосстанавливающуюся матрицу, с матричными фазами, выполненными из карбида бора (B4C) или из трехкомпонентной системы SiBC, возможно включающую в себя свободный углерод (B4C+C, Si–B–C+C), и с конечной фазой, выполненной из SiBC или SiC.

В известном смысле, матрица может быть образована по меньшей мере частично из паровой фазы (CVI) с помощью химической инфильтрации. Как вариант, матрица может быть образована по меньшей мере частично с использованием жидкостной технологии (пропитка смолой прекурсора матрицы и преобразование путем сшивания и пиролиза, процесс которого может повторяться), или инфильтрацией расплавленного кремния (известной как «инфильтрация расплава»). Вместе с инфильтрацией расплава в волоконное армирование вводится порошок, который может, по возможности, уже быть частично уплотнен, этим порошком может являться угольный порошок или, возможно, керамический порошок, а композиция металлов на основе кремния в расплавленном состоянии затем инфильтруется для образования матрицы типа SiCSi.

Защитный барьер 2 выполнен на всей внешней поверхности S подложки 3 или только на участке поверхности S, например, когда требуется защитить только участок поверхности S. В примере, показанном на фигуре 1, защитный барьер 2 содержит первый слой 7 и адгезионный слой 5, находящийся между подложкой 3 и первым слоем 7. В показанном примере адгезионный слой 5 соприкасается с поверхностью S подложки 3. Также, в данном примере первый слой 7 соприкасается с адгезионным слоем 5.

Первый слой 7 может быть выполнен в форме системы, состоящей из 70 молярных процентов до максимум 99,9 молярных процентов дисиликата редкоземельного элемента RE^a₂Si₂O₇ и 0,1 молярных процентов до максимум 30 молярных процентов по меньшей мере одного оксида редкоземельного элемента RE^b₂O₃, где RE^b обозначает редкоземельный элемент, отличный от редкоземельного элемента RE^a. Указанный по меньшей мере один оксид RE^b₂O₃ и дисиликат RE^a₂Si₂O₇ находятся в первом слое 7. Указанный по меньшей мере один оксид RE^b₂O₃ может содержаться в качестве добавки в первом слое 7.

Как упомянуто выше, особая композиция первого слоя 7 придает ему, в частности, сниженную ионную проводимость, затрудняя окисление и распространение коррозионно–активных элементов, а также придавая повышенную устойчивость к ухудшения свойств.

Первый слой 7 может содержать дисиликат с формулой RE^a₂Si₂O₇, находящийся в первом слое 7 с молярным содержанием в диапазоне от 70% до 99,9%, а одиночный оксид RE^b₂O₃ присутствует в первом слое 7 с молярным содержанием в диапазоне от 0,1% до 30%. Как вариант, первый слой 7 может содержать: i) дисиликат редкоземельного элемента с формулой RE^a₂Si₂O₇, присутствующий в первом слое 7 с молярным содержанием в диапазоне от 70% до 99.9%, и ii) множество оксидов редкоземельных элементов, каждый содержащий разный редкоземельный элемент и каждый имеющий формулу RE^b₂O₃, общее молярное содержание оксидов с формулой RE^b₂O₃ в первом слое находится в диапазоне от 0,1% до 30%, и каждый RE^b отличается от RE^a.

Молярное содержание оксида(–ов) редкоземельных элементов RE^b₂O₃ в первом слое 7 может находиться в диапазоне от 5% до 20%. В конкретных вариантах выполнения, первый слой 7 может быть выполнен в виде системы, состоящей из 80 молярных процентов до максимум 95 молярных процентов дисиликата редкоземельного элемента RE^a₂Si₂O₇ вместе с 5 молярных процентов до максимум 20 молярных процентов указанного по меньшей мере одного оксида редкоземельного элемента RE^b₂O₃. В частности, в конкретных вариантах выполнения, первый слой 7 может быть выполнен в виде системы, состоящей из 87 молярных процентов до максимум 93 молярных процентов дисиликата редкоземельного элемента RE^a₂Si₂O₇ вместе с 7 молярных процентов до максимум 13 молярных процентов указанного по меньшей мере одного оксида редкоземельного элемента RE^b₂O₃.

В частности, не принимая во внимание неизбежные загрязнения, первый слой 7 может содержать только дисиликат редкоземельного элемента RE^a₂Si₂O₇ вместе с указанным по меньшей мере одним оксидом редкоземельного элемента RE^b₂O₃. В частности, первый слой 7 может не содержать алюминий, и, в частности, оксид алюминия. Первый слой 7 может, в частности, не содержать щелочной металл или щелочноземельный металл.

RE^a – это редкоземельный элемент, выбранный из иттрия (Y), скандия (Sc) и лантаноидов. В частности, RE^a выбран из иттрия (Y) и иттербия (Yb). RE^b – это редкоземельный элемент, выбранный из иттрия (Y), скандия (Sc) и лантаноидов, и RE^b отличается от RE^a. В частности, RE^b выбран из тербия (Tb), эрбия (Er) и диспрозия (Dy).

Например, толщина e1 первого слоя 7 может находиться в диапазоне от 50 микрометров (мкм) до 1.5 миллиметров (мм).

Адгезионный слой 5 содержит кремний, и в качестве примера, он может быть выполнен из кремния или из муллита (3Al2O3.2SiO2). В известном смысле, адгезионный слой 5 может образовывать защитный слой, который при эксплуатации служит для пассивирования оксида кремния (известного как «термически выращенный оксид»).

Что касается фигуры 2, здесь показана деталь 11 во втором варианте выполнения изобретения. В этом примере деталь 11 может содержать подложку 13, имея на своей поверхности S защитный барьер 12. Подложка 13 может проявлять те же характеристики, что и подложка 3, описанная выше. Защитный барьер 12 содержит адгезионный слой 15, который может проявлять те же характеристики, что и адгезионный слой 5, описанный выше, а первый слой 17 находится на адгезионном слое 15, причем первый слой может показывать те же характеристики, что и первый слой 7, описанный выше. В примере фигуры 2, защитный барьер 12 дополнительно содержит второй слой 19, который содержит по меньшей мере один моносиликат редкоземельного металла RE^c₂SiO₅, где RE^c обозначает редкоземельный элемент.

Как сказано выше, наличие второго слоя служит предпочтительно для большего повышения способности слоя защитного барьера противостоять ухудшению свойств.

В частности, второй слой 19 может быть выполнен в виде системы, состоящей из 85 молярных процентов до максимум 99,9 молярных процентов моносиликата редкоземельного элемента RE^c₂SiO₅ вместе с 0,1 молярных процентов до максимум 15 молярных процентов по меньшей мере одного оксида редкоземельного элемента RE^d₂O₃, где RE^d обозначает редкоземельный элемент, отличный от редкоземельного элемента RE^c. Указанный по меньшей мере один оксид RE^d₂O₃ и моносиликат RE^c₂SiO₅ представлены во втором слое 19. Указанный по меньшей мере один оксид RE^d₂O₃ может находиться в качестве добавки во втором слое 19.

Как указано выше, такой второй слой представляет лучшую способность противостоять ухудшению свойств, а также представляет барьерный эффект, улучшенный относительно действия активных частиц и CMASes.

Второй слой 19 может содержать моносиликат RE^c₂SiO₅, который присутствует во втором слое 19 с молярным содержанием в диапазоне от 85% до 99,9% вместе с одиночным оксидом RE^d₂O₃, находящимся во втором слое 19 с молярным содержанием в диапазоне от 0,1% до 15%. Как вариант, второй слой 19 может содержать: i) моносиликат редкоземельного элемента с формулой RE^c₂SiO₅, находящегося во втором слое 19 с молярным содержанием в диапазоне от 85% до 99,9%, и ii) множество оксидов редкоземельных элементов, каждый содержащий разный редкоземельный элемент и каждый с формулой RE^d₂O₃, общее молярное содержание оксидов с формулой RE^d₂O₃ во втором слое находится в диапазоне от 0,1% до 15%, и каждый RE^d отличается от RE^c.

Указанный по меньшей мере один оксид редкоземельного элемента RE^b₂O₃ может быть представлен в первом слое 17 с первым молярным содержанием, и указанный по меньшей мере один оксид редкоземельного элемента RE^d₂O₃ может быть представлен во втором слое 19 со вторым молярным содержанием, которое может быть меньше первого молярного содержания. Подобная характеристика служит для большего повышения совместимости между первым и вторым слоями в условиях коэффициента теплового расширения. Молярное содержание оксида(–ов) редкоземельного элемента RE^d₂O₃ во втором слое 19 может находиться в диапазоне от 5% до 15%. В конкретных вариантах выполнения, второй слой 19 может быть выполнен в виде системы, состоящей из 85 молярных процентов до максимум 95 молярных процентов моносиликата редкоземельного элемента RE^c₂SiO₅, вместе с 5 молярных процентов до максимум 15 молярных процентов указанного по меньшей мере одного оксида редкоземельного элемента RE^d₂O₃. В частности, в конкретных вариантах выполнения, второй слой 19 может быть выполнен в виде системы, состоящей из 87 молярных процентов до максимум 93 молярных процентов моносиликата редкоземельного элемента RE^c₂SiO₅ вместе с 7 молярных процентов до максимум 13 молярных процентов указанного по меньшей мере одного оксида редкоземельного элемента RE^d₂O₃.

В частности, не принимая во внимание неизбежные загрязнения, второй слой 19 содержит только моносиликат редкоземельного элемента RE^c₂SiO₅ и указанный по меньшей мере один оксид редкоземельного элемента RE^d₂O₃. В частности, второй слой 19 может не содержать алюминий, и в частности, оксид алюминия. Второй слой 19 может, в частности, не содержать щелочной металл или щелочноземельной металл.

RE^c – это редкоземельный элемент, выбранный из иттрия (Y), скандия (Sc) и лантаноидов. В частности, RE_c выбран из иттрия (Y) и иттербия (Yb). RE^d – это редкоземельный элемент, выбранный из иттрия (Y), скандия (Sc), и лантаноидов, и RE^d отличается от RE^c. В частности, RE^d выбран из тербия (Tb), эрбия (Er) и диспрозия (Dy). RE^c может быть идентичным или отличным от RE^a. В частности, REc – это иттербий (Yb), а RE^a – это иттрий (Y). RE^d может быть идентичным или отличным от RE^b.

В качестве примера, толщина e2 второго слоя 19 может находиться в диапазоне от 50 мкм до 500 мкм.

На фигуре 2 показан вариант выполнения, где второй слой 19, содержащий моносиликат редкоземельного элемента, представлен на первом слое 17, содержащий дисиликат редкоземельного элемента. Как вариант, вместо второго слоя 19 возможно поместить дополнительный слой на первый слой 17, этот дополнительный слой, содержащий дисиликат редкоземельного элемента RE^e₂Si₂O₇, вместе с по меньшей мере одним оксидом редкоземельного элемента RE^f₂O₃ в том же диапазоне молярного содержания, что и для первого слоя, и где RE^f – это редкоземельный элемент, отличный от редкоземельного элемента RE^e. В таких обстоятельствах RE^e может быть идентичным или отличным от RE^a. Например, возможно, чтобы RE^e=Yb, а RE^a=Y. Также, в таких обстоятельствах, RE^f может быть идентичным или отличным от RE^b.

Более того, в примере на фигуре 2, второй слой 19 соприкасается с первым слоем 17. Как вариант, третий слой и, возможно, четвертый слой, как описано выше, может быть обеспечен между первым слоем 17 и вторым слоем 19.

В варианте выполнения на фигуре 3, деталь 21 содержит подложку 23, адгезионный слой 25, первый слой 27 и второй слой 29. Подложка 23, адгезионный слой 25, первый слой 27 и второй слой 29 могут быть такими, как описано выше. Защитный барьер 22, дополнительно содержащий верхний слой 24, представлен на втором слое 29. В показанном примере, этот верхний слой 24 являет собой теплозащитный слой, выполненный из керамики с пористой структурой. Верхний слой 24 может быть силикатом редкоземельного элемента. Как вариант, может быть образован верхний слой , выполненный из истирающегося покрытия, например, когда детали CMC используются в кольцах турбин. Верхний слой также может образовывать защитное покрытие от CMASes. Накладывание верхнего слоя 24 служит для придания защитному барьеру дополнительных функций. Как вариант, возможно иметь деталь без верхнего слоя 24, где первый или второй слой, дополнительно к функциям теплового барьера, обеспечивает защиту от CMASes или образует истирающееся покрытие.

На фигуре 4 показаны различные этапы, выполняемые для изготовления детали 21, показанной на фигуре 3.

Первоначально адгезионный слой 25 может быть выполнен известным способом на подложке 23 с помощью термического напыления с использованием порошка или смеси порошков желаемой композиции (этап 100).

Первый слой 27 может быть выполнен на адгезионном слое 25 с помощью термического напыления смеси плотных порошков RE^a₂Si₂O₇ и оксида(–ов) редкоземельного элемента RE^b₂O₃ в желаемых соотношениях (этап 200). Аналогичным образом, второй слой 29 может быть выполнен на первом слое 27 с помощью термического напыления смеси плотных порошков RE^c₂SiO₅ и оксида(–ов) редкоземельного элемента RE^d₂O₃ в желаемых соотношениях (этап 300). Как вариант, первый и второй слои 27 и 29 могут быть выполнены другими способами, такими как способ с использованием жидкостной технологии, например, покрытие погружением, покрытие напылением, электрофорез или технология золь–гель.

Верхний слой 24 теплового барьера может быть выполнен традиционным образом – термическим напылением (этап 400).

После того, как это сделано, эту деталь можно использовать при температуре выше или равной 800°C в окислительной или влажной атмосфере. В частности, эту деталь можно использовать при температуре в диапазоне от 800°C до 1500°C, или фактически в диапазоне от 800°C до 1300°C. В частности, эту деталь можно применять во влажном воздухе.

Эту деталь, изготовленную подобным образом, можно применять в авиационной или аэрокосмической области. Эту деталь можно применять для горячего участка газовой турбины в авиационном или ракетно–космическом двигателе или в промышленной турбине. Эта деталь может являться деталью турбинного двигателя. Эта деталь может образовывать по меньшей мере участок сопла турбины, участок сопла реактивного двигателя, или теплозащитного покрытия, стенки камеры сгорания, сектора турбинных колец или лопатку или лопасть турбины.

Пример

Было изготовлено три примера первых слоев изобретения. Три первых слоя, которые были изготовлены, имеют следующие составы:

– 95 молярных процентов дисиликата иттрия и 5 молярных процентов оксида эрбия Er2O3, этот слой записывается как "DSY+5at% Er2O3";

– 90 молярных процентов дисиликата иттрия и 10 молярных процентов оксида эрбия Er2O3, этот слой записывается как "DSY+10at% Er2O3"; и

– 85 молярных процентов дисиликата иттрия и 15 молярных процентов оксида эрбия Er2O3, этот слой записывается как "DSY+15at% Er2O3".

Слой защитного барьера известного уровня техники изготавливался из дисиликата иттрия. Он обозначался как "DSY".

На фигуре 5 показан результат испытания, где сравнивался барьерный эффект относительно окислительных элементов, обеспечиваемый каждым из трех первых слоев, с барьерным эффектом относительно тех же элементов, обеспечиваемый слоем DSY. На фигуре 5 показано, что проводимость окислительных элементов в каждом из первых слоев значительно меньше, чем проводимость тех же элементов в слое DSY. Это испытание было проведено при различных температурах в диапазоне от 950°C до 1050°C. Измерения ионной проводимости были выполнены комплексной импедансной спектроскопией в окружающем воздухе в диапазоне от 950°C до 1050°C.

На фигуре 6 показаны результаты коррозионного испытания, и показано, что первый слой этого изобретения показывает устойчивость к ухудшению свойств, которая лучше устойчивости слоя, выполненного только из дисиликата иттрия. Измерения ухудшения свойств были получены на основе коррозионных испытаний, выполненных в коррозионной печи при 1400°C с H2O под давлением 50 килопаскаль (кПа) и давлением воздуха 50 кПа со скоростью газа 5 сантиметров в секунду (см/с) в холодной зоне печи.

Термин «находящийся в диапазоне от ... до ...» следует понимать как включающий в себя эти границы.

Изобретение относится к созданию барьерного покрытия на детали, используемой при высокой температуре в окислительной и влажной среде, представляющей собой, например, деталь газовой турбины. Деталь содержит подложку, выполненную из композиционного материала, имеющую смежно поверхности по меньшей мере участок, содержащий кремний, и защитный барьер, выполненный на поверхности подложки. Защитный барьер содержит по меньшей мере первый слой, представляющий собой систему из дисиликата редкоземельного элемента с формулой RE^a₂Si₂O₇ с молярным содержанием в диапазоне от 70 до 99,9%, где RE^a – это редкоземельный элемент; и по меньшей мере одного оксида редкоземельного элемента с формулой RE^b₂O₃ с молярным содержанием в диапазоне от 0,1 до 30%, где RE^b – это редкоземельный элемент, отличный от RE^a. Технический результат изобретения – повышение срока службы детали при эксплуатации. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 пр.

1. Деталь, содержащая подложку, имеющая смежно поверхности подложки по меньшей мере участок, изготовленный из материала, содержащего кремний, и защитный барьер, образованный на поверхности подложки, причем защитный барьер содержит по меньшей мере первый слой, содержащий:

– дисиликат редкоземельного элемента с формулой RE^a₂Si₂O₇ с молярным содержанием в диапазоне от 70 до 99,9%, где RE^a – редкоземельный элемент; и

– по меньшей мере один оксид редкоземельного элемента с формулой RE^b₂O₃ с молярным содержанием в диапазоне от 0,1 до 30%, где RE^b – это редкоземельный элемент, отличный от RE^a.

2. Деталь по п. 1, где RE^b выбран из тербия (Tb), эрбия (Er), диспрозия (Dy), гадолиния (Gd), европия (Eu), лютеция (Lu), самария (Sm), иттрия (Y) и иттербия (Yb).

3. Деталь по п. 2, где RE^b выбран из тербия (Tb), эрбия (Er) и диспрозия (Dy).

4. Деталь по п. 1, в которой дисиликат редкоземельного элемента с формулой RE^a₂Si₂O₇ представлен в первом слое с молярным содержанием в диапазоне от 80 до 95% и указанный по меньшей мере один оксид редкоземельного элемента с формулой RE^b₂O₃ представлен в первом слое с молярным содержанием в диапазоне от 5 до 20%.

5. Деталь по п. 1, где RE^a выбран из иттрия (Y) и иттербия (Yb).

6. Деталь по п. 1, где защитный барьер дополнительно содержит второй слой, представленный на первом слое, второй слой, содержащий по меньшей мере один моносиликат редкоземельного элемента с формулой RE^c₂SiO₅, где RE^c – это редкоземельный элемент.

7. Деталь по п. 6, в которой второй слой содержит по меньшей мере:

– моносиликат редкоземельного элемента с формулой RE^c₂SiO₅ с молярным содержанием в диапазоне от 85 до 99,9%; и

– по меньшей мере один оксид редкоземельного элемента с формулой RE^d₂О₃ с молярным содержанием в диапазоне от 0,1 до 15%, где RE^d – это редкоземельный элемент, отличный от RE^c.

8. Деталь по п. 7, где RE^d выбран из тербия (Tb), эрбия (Er), диспрозия (Dy), гадолиния (Gd), европия (Eu), лютеция (Lu), самария (Sm), иттрия (Y,) и иттербия (Yb).

9. Деталь по п. 8, где RE^d выбран из тербия (Tb), эрбия (Er) и диспрозия (Dy).

10. Деталь по п. 7, в которой моносиликат редкоземельного элемента с формулой RE^c₂SiO₅ представлен во втором слое с молярным содержанием в диапазоне от 85 до 95% и указанный по меньшей мере один оксид редкоземельного элемента с формулой RE^d₂O₃ представлен во втором слое с молярным содержанием в диапазоне от 5 до 15%.

11. Деталь по п. 6, в которой RE^c выбран из иттрия (Y) и иттербия (Yb).

12. Деталь по п. 7, в которой RE^a – это иттрий (Y), RE^c – это иттербий (Yb), а RE^b и RE^d независимы друг от друга и выбраны из тербия (Tb), эрбия (Er) и диспрозия (Dy).

13. Деталь по п. 6, в которой защитный барьер дополнительно содержит третий слой между первым слоем и вторым слоем, причем третий слой содержит:

– дисиликат редкоземельного элемента с формулой RE^a₂Si₂O₇ с молярным содержанием, равным A^.Ta, где Ta – это молярное содержание RE^a₂Si₂O₇ в первом слое;

– указанный по меньшей мере один оксид редкоземельного элемента с формулой RE^b₂O₃ с молярным содержанием, равным A^.Tb, где Tb – это молярное содержание RE^b₂O₃ в первом слое; и

– моносиликат редкоземельного элемента с формулой RE^c₂SiO₅ с молярным содержанием, равным (1-A)^.Tc, где Tc – это молярное содержание RE^c₂SiO₅ во втором слое;

где A обозначает весовой коэффициент, который строго больше 0 и строго меньше 1.

14. Способ использования детали по п. 1, включающий по меньшей мере этап, на котором используют указанную деталь при температуре выше или равной 800°C в среде, являющейся окислительной и влажной.