RU2773286C2 - Part protected with surrounding barrier - Google Patents
Part protected with surrounding barrier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2773286C2 RU2773286C2 RU2020113538A RU2020113538A RU2773286C2 RU 2773286 C2 RU2773286 C2 RU 2773286C2 RU 2020113538 A RU2020113538 A RU 2020113538A RU 2020113538 A RU2020113538 A RU 2020113538A RU 2773286 C2 RU2773286 C2 RU 2773286C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- particles
- inner layer
- matrix
- surrounding barrier
- substrate
- Prior art date
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 90
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 52
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 46
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 30
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 30
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 26
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 11
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims abstract description 11
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 claims abstract 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N Silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 28
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 27
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 claims description 21
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 20
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 12
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 10
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims description 8
- KUDCBYUNCUYIDU-UHFFFAOYSA-N disilicate(6-) Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])O[Si]([O-])([O-])[O-] KUDCBYUNCUYIDU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- -1 mullite Chemical compound 0.000 claims description 7
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 claims description 7
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 claims description 6
- 229910052863 mullite Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N Silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052878 cordierite Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 4
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 claims description 3
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N silicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910021332 silicide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N silicide(4-) Chemical compound [Si-4] FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- PZZYQPZGQPZBDN-UHFFFAOYSA-N Aluminium silicate Chemical compound O=[Al]O[Si](=O)O[Al]=O PZZYQPZGQPZBDN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 8
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000001808 coupling Effects 0.000 abstract 5
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 96
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 22
- 239000011153 ceramic matrix composite Substances 0.000 description 21
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 16
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 10
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 9
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 9
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 6
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 5
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 5
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 4
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N N#B Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 4
- 230000001070 adhesive Effects 0.000 description 4
- 229910000323 aluminium silicate Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000007900 aqueous suspension Substances 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O.O=[Al]O[Al]=O KZHJGOXRZJKJNY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000002633 protecting Effects 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 2
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000008385 outer phase Substances 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative Effects 0.000 description 2
- 229910052580 B4C Inorganic materials 0.000 description 1
- INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N Boron carbide Chemical compound B12B3B4C32B41 INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N Silicic acid Chemical class O[Si](O)(O)O RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000010599 Verbascum thapsus Nutrition 0.000 description 1
- 125000004429 atoms Chemical group 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 1
- 230000004059 degradation Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000012210 heat-resistant fiber Substances 0.000 description 1
- 239000003779 heat-resistant material Substances 0.000 description 1
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 1
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 1
- 238000000626 liquid-phase infiltration Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011823 monolithic refractory Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 235000011837 pasties Nutrition 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 1
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 150000003377 silicon compounds Chemical class 0.000 description 1
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Inorganic materials [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011856 silicon-based particle Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 1
- 230000001131 transforming Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs
Данное изобретение относится к общей области защиты от коррозии деталей из композиционного материала с керамической матрицей (СМС).This invention relates to the general field of corrosion protection of ceramic matrix composite (CMC) parts.
Более конкретной областью применения изобретения является защита деталей из композиционного материала с керамической матрицей (СМС), являющихся горячими деталями газотурбинных двигателей, такими как стенки камеры сгорания или турбинные кольца, сопловые лопатки турбины или рабочие лопатки турбины, для авиационных двигателей или промышленных газотурбинных установок. A more specific field of application of the invention is the protection of ceramic matrix composite (CMC) parts that are hot parts of gas turbine engines, such as combustion chamber walls or turbine rings, turbine nozzle vanes or turbine rotor blades, for aircraft engines or industrial gas turbine installations.
Уровень техникиState of the art
В случае таких газотурбинных двигателей стремление повысить КПД и уменьшить загрязняющие выбросы заставляет предусматривать все более высокие температуры в камерах сгорания.In the case of such gas turbine engines, the desire to increase efficiency and reduce polluting emissions makes it necessary to envisage ever higher temperatures in the combustion chambers.
По этой причине было предложено заменить металлические материалы материалами СМС, в частности, для стенок камер сгорания или турбинных колец. Действительно, как известно, материалы СМС одновременно имеют хорошие механические свойства, позволяющие использовать их для изготовления конструктивных элементов, и способность сохранять эти свойства при высоких температурах. Материалы СМС содержат волокнистое усиление из жаростойких волокон, как правило, из углерода или из керамики, которое уплотняют керамической матрицей, например, из SiC.For this reason, it has been proposed to replace metallic materials with CMC materials, in particular for the walls of combustion chambers or turbine rings. Indeed, as is known, CMC materials simultaneously have good mechanical properties, allowing them to be used for the manufacture of structural elements, and the ability to maintain these properties at high temperatures. CMC materials contain a fibrous reinforcement of heat-resistant fibers, typically carbon or ceramic, which is compacted with a ceramic matrix, such as SiC.
В условиях работы авиационных турбин, то есть при высокой температуре в окислительной и влажной среде, материалы СМС являются чувствительными к явлению коррозии. Коррозия материала СМС является следствием окисления SiC с образованием диоксида кремния, который в присутствии водяного пара улетучивается в виде гидроксидов кремния Si(OH)4. Явления коррозии приводят к ухудшению свойств материала СМС и влияют на срок его службы.Under the conditions of operation of aircraft turbines, that is, at high temperature in an oxidizing and humid environment, CMC materials are susceptible to the phenomenon of corrosion. The corrosion of the CMC material is a consequence of the oxidation of SiC with the formation of silicon dioxide, which in the presence of water vapor volatilizes in the form of silicon hydroxides Si(OH) 4 . Corrosion phenomena lead to deterioration of the properties of the CMC material and affect its service life.
Чтобы ограничить это ухудшение во время работы, на поверхности материалов СМС было предусмотрено выполнение окружающих барьерных покрытий. Такое известное решение представлено на фиг. 1.In order to limit this degradation during operation, surrounding barrier coatings have been provided on the surface of the CMC materials. Such a known solution is shown in Fig. one.
Как показано на фиг. 1, подложка 1 из композиционного материала с керамической матрицей (СМС) покрыта соединительным слоем 2 из кремния, при этом указанный соединительный слой 2, в свою очередь, покрыт окружающим барьером 3, который может быть слоем силиката редкоземельного металла. Во время работы газотурбинного двигателя между соединительным слоем 2 из кремния и окружающим барьером 3 образуется защитный слой 2а диоксида кремния.As shown in FIG. 1, a ceramic matrix composite (CMC)
Соединительный слой 2 позволяет, с одной стороны, улучшить сцепление окружающего барьера 3 и, с другой стороны, сформировать во время работы защитный слой 2а диоксида кремния, низкая проницаемость которого по отношению к кислороду позволяет ему участвовать в защите подложки 1 из СМС против окисления.The
Что касается окружающего барьера 3, то он позволяет ограничить распространение водяного пара в сторону защитного слоя 2а диоксида кремния, полученного при окислении кремния в соединительном слое 2, и, следовательно, ограничить ухудшение его свойств.With regard to the surrounding barrier 3, it makes it possible to limit the spread of water vapor towards the
Однако проблема этого известного решения состоит в том, что доступность защитного слоя 2а диоксида кремния для водяного пара и воздуха локально является очень переменчивой.However, a problem with this known solution is that the availability of the silica
Это перепады локальной доступности связаны, в частности, с локальными изменениями плотности окружающего барьера 3, извилистости сети микротрещин и пор в окружающем барьере, которые отвечают за приоритетное прохождение кислорода, и с локальной разнородностью композиции или в кристаллической решетке окружающего барьера 3.These differences in local availability are associated, in particular, with local changes in the density of the surrounding barrier 3, the tortuosity of the network of microcracks and pores in the surrounding barrier, which are responsible for the priority passage of oxygen, and with local heterogeneity of the composition or in the crystal lattice of the surrounding barrier 3.
Эти локальные различия доступности могут привести к локальным различиям толщины в защитном слое 2а диоксида кремния, потенциально приводящим к накоплению напряжений и к преждевременному разрушению детали от расслаивания.These local accessibility differences can lead to local thickness differences in the silica
Следовательно, существует потребность в новой системе защиты подложки из СМС против коррозии для увеличения срока службы деталей из СМС во время работы.Therefore, there is a need for a new system for protecting the CMC substrate against corrosion in order to increase the service life of CMC parts during operation.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention
Основная задача изобретения состоит в устранении вышеприведенных недостатков. Данная задача решена в детали, содержащей:The main objective of the invention is to eliminate the above disadvantages. This problem is solved in a detail containing:
- подложку, в которой по меньшей мере часть, смежная с поверхностью подложки, выполнена из материала, содержащего кремний;- a substrate, in which at least a part adjacent to the surface of the substrate is made of a material containing silicon;
- подслой сцепления, находящийся на поверхности подложки и содержащий кремний,- adhesion sublayer located on the surface of the substrate and containing silicon,
- окружающий барьер, который содержит наружный слой из керамики, покрывающий подслой сцепления,- a surrounding barrier, which contains an outer layer of ceramic covering the adhesion sublayer,
при этом указанный окружающий барьер дополнительно содержит самозаживляющийся внутренний слой, расположенный между подслоем сцепления и наружным слоем, при этом указанный внутренний слой содержит матрицу, в которой диспергированы частицы, образующие диоксид кремния, причем эти частицы могут генерировать фазу для затягивания трещин матрицы в присутствии кислорода.wherein said surrounding barrier further comprises a self-healing inner layer located between the adhesion sublayer and the outer layer, wherein said inner layer contains a matrix in which particles forming silicon dioxide are dispersed, and these particles can generate a phase for tightening matrix cracks in the presence of oxygen.
Преимуществом такого внутреннего слоя окружающего барьера является то, что, с одной стороны, он уменьшает количество воды и воздуха, доходящее до подслоя сцепления, и, с другой стороны, уменьшает разнородность в количестве воды и воздуха, проходящем через окружающий барьер.The advantage of such an inner layer of the surrounding barrier is that, on the one hand, it reduces the amount of water and air reaching the adhesion sublayer, and, on the other hand, it reduces the heterogeneity in the amount of water and air passing through the surrounding barrier.
Действительно, поскольку частицы являются частицами, образующими диоксид кремния, то есть образуют при своем окислении диоксид кремния (SiO2), указанные частицы, диспергированные в матрице внутреннего слоя, реагируют при контакте с кислородом, образуя фазу затягивания, которая герметизирует указанный внутренний слой. Частицы содержат кремний.Indeed, since the particles are silica-forming particles, that is, they form silicon dioxide (SiO 2 ) upon their oxidation, said particles dispersed in the matrix of the inner layer react upon contact with oxygen to form a pull-in phase which seals said inner layer. The particles contain silicon.
Кроме того, такая реакция частиц с кислородом расходует часть воды и воздуха, проходящую через внутренний слой окружающего барьера, что ограничивает количество воздуха и воды, переходящее в подслой сцепления, и снижает разнородность.In addition, this reaction of particles with oxygen consumes some of the water and air passing through the inner layer of the surrounding barrier, which limits the amount of air and water that passes into the adhesion sublayer and reduces heterogeneity.
Кроме того, частицы внутреннего слоя могут включать в себя керамические частицы, предпочтительно частицы карбида кремния или нитрида кремния, или МАХ фазы, содержащей кремний, или смесь таких частиц.In addition, the particles of the inner layer may include ceramic particles, preferably particles of silicon carbide or silicon nitride, or MAX phase containing silicon, or a mixture of such particles.
Частицы внутреннего слоя могут также включать в себя металлические частицы или предпочтительно частицы элемента кремния Si, или силицида металла, или смесь таких частиц.The particles of the inner layer may also include metal particles, or preferably particles of silicon element Si or metal silicide, or a mixture of such particles.
Согласно возможному отличительному признаку, частицы внутреннего слоя имеют средний размер, меньший или равный 5 мкм и предпочтительно меньший или равный 2 мкм.According to a possible feature, the particles of the inner layer have an average size less than or equal to 5 μm and preferably less than or equal to 2 μm.
Под «средним размером» следует понимать размер, задаваемый статистическим гранулометрическим распределением для половины популяции и называемый D50.Under the "average size" should be understood the size given by the statistical particle size distribution for half of the population and called D50.
Кроме того, внутренний слой может иметь объемное содержание частиц, превышающее или равное 5% и меньшее 50% и предпочтительно составляющее от 20% до 40%.In addition, the inner layer may have a particle volume content greater than or equal to 5% and less than 50%, and preferably between 20% and 40%.
Согласно дополнительному отличительному признаку, внутренний слой имеет толщину, составляющую от 10 мкм до 300 мкм и предпочтительно от 100 мкм до 200 мкм.According to a further feature, the inner layer has a thickness of 10 µm to 300 µm and preferably 100 µm to 200 µm.
Кроме того, матрица внутреннего слоя может быть выполнена из силиката, предпочтительно из моносиликата или дисиликата редкоземельного металла, или из алюмосиликата, такого как муллит, или из кордиерита. In addition, the matrix of the inner layer may be made of silicate, preferably rare earth metal monosilicate or disilicate, or aluminum silicate such as mullite, or cordierite.
Согласно другому отличительному признаку, матрица внутреннего слоя и наружный слой выполнены из одного и того же материала.According to another feature, the matrix of the inner layer and the outer layer are made of the same material.
Вторым объектом изобретения является способ изготовления детали согласно любому из предыдущих признаков, содержащий этапы:The second object of the invention is a method for manufacturing a part according to any of the previous features, comprising the steps:
- нанесения подслоя сцепления, содержащего кремний, на поверхность подложки;- applying an adhesion sublayer containing silicon to the surface of the substrate;
- нанесения внутреннего слоя окружающего барьера на подслой сцепления;- applying the inner layer of the surrounding barrier on the adhesion sublayer;
- нанесения наружного слоя окружающего барьера на внутренний слой, при этом указанный наружный слой выполняют из керамики.- applying the outer layer of the surrounding barrier to the inner layer, said outer layer being made of ceramic.
Согласно дополнительному отличительному признаку, нанесение внутреннего слоя осуществляют посредством плазменного напыления, при котором материал, предназначенный для формирования частиц, вводят в плазменную струю в виде суспензии в жидкой среде.According to a further feature, the deposition of the inner layer is carried out by means of plasma spraying, in which the material to form particles is introduced into the plasma jet as a suspension in a liquid medium.
Кроме того, материал, предназначенный для формирования матрицы внутреннего слоя, вводят в плазменную струю в виде порошка.In addition, the material intended to form the matrix of the inner layer is introduced into the plasma jet in the form of a powder.
Согласно другому отличительному признаку, материал, предназначенный для формирования матрицы внутреннего слоя, вводят в плазменную струю в виде суспензии в жидкой среде.According to another feature, the material to form the matrix of the inner layer is introduced into the plasma jet in the form of a suspension in a liquid medium.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют неограничивающий пример осуществления. На представленных фигурах:Other features and advantages of the invention will become more apparent from the following description with reference to the accompanying drawings, which illustrate a non-limiting exemplary embodiment. In the figures shown:
на фиг. 1 показано известное решение выполнения окружающего барьера;in fig. 1 shows a known solution for the implementation of the surrounding barrier;
на фиг. 2 показана деталь согласно варианту осуществления изобретения, вид в разрезе;in fig. 2 shows a detail according to an embodiment of the invention, a sectional view;
на фиг. 3 детально показан внутренний слой окружающего барьера;in fig. 3 shows the inner layer of the surrounding barrier in detail;
на фиг. 4 представлен первый возможный вариант осуществления нанесения внутреннего слоя окружающего барьера;in fig. 4 shows a first possible embodiment of applying the inner layer of the surrounding barrier;
на фиг. 5 представлен второй возможный вариант осуществления нанесения внутреннего слоя окружающего барьера;in fig. 5 shows a second possible embodiment for applying an inner layer of a surrounding barrier;
на фиг. 6 представлен третий возможный вариант осуществления нанесения внутреннего слоя окружающего барьера;in fig. 6 shows a third possible embodiment of applying an inner layer of the surrounding barrier;
на фиг. 7 схематично представлены различные этапы способа изготовления согласно варианту осуществления изобретения.in fig. 7 schematically shows the various steps of the manufacturing method according to an embodiment of the invention.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
В нижеследующем подробном описании предусмотрено формирование окружающего барьера на подложке из материала СМС, содержащего кремний. Вместе с тем, изобретение можно применять для подложек из монолитного жаростойкого материала, содержащего кремний и, в целом, для подложек, в которых по меньшей мере часть, смежная с наружной поверхностью подложки, выполнена из жаростойкого материала (композитного или монолитного). Так, изобретение относится к защите жаростойких материалов, состоящих из жаростойкой керамики, например, из карбида кремния SiC или нитрида кремния Si3N4, и более конкретно к защите жаростойких композиционных материалов, таких как композиционные материалы с керамической матрицей (СМС), содержащие кремний, например, материалов СМС с матрицей по меньшей мере частично из SiC.The following detailed description provides for the formation of a surrounding barrier on a silicon-containing CMC material substrate. However, the invention can be applied to substrates of a monolithic refractory material containing silicon and, in general, to substrates in which at least a portion adjacent to the outer surface of the substrate is made of a refractory material (composite or monolithic). Thus, the invention relates to the protection of heat-resistant materials consisting of heat-resistant ceramics, for example, silicon carbide SiC or silicon nitride Si 3 N 4 , and more specifically to the protection of heat-resistant composite materials, such as ceramic matrix composite materials (CMC) containing silicon eg CMC materials with a matrix at least partially of SiC.
Как показано на фиг. 2, заявленная деталь 10 содержит подложку 20, имеющую поверхность S. Подложка 20 содержит кремний по меньшей мере на части, смежной с поверхностью S. Деталь 10 может быть турбинным кольцом газотурбинного двигателя.As shown in FIG. 2, the claimed member 10 comprises a
Подложка 20 может быть выполнена из материала СМС, содержащего кремний, а также волокнистое усиление, которое может быть выполнено из волокон углерода (С) или из керамических волокон, например, из волокон SiC или из волокон, в основном образованных SiC, включая волокна из Si-C-О или Si-C-О-N, то есть содержащие также кислород и, возможно, азот. Такие волокна производятся компанией Nippon Carbon под названием “Nicalon” или Hi-Nicalon”, или “Hi-Nicalon Type-S”, или компанией Ube Industries под названием “Tyranno-ZMI”. Керамические волокна могут быть покрыты тонким межфазным слоем из пиролизного углерода (РуС), из нитрида бора (BN) или из углерода, легированного бором (ВС, при 5-20 атом. % В, остальное составляет С).The
Волокнистое усиление уплотняют матрицей, которая образована полностью или по меньшей мере в своей наружной фазе материалом, содержащим кремний, таким как соединение кремния, например, SiC, или третичная система Si-B-C. Под наружной фазой матрицы следует понимать фазу матрицы, формируемую в последнюю очередь и наиболее удаленную от волокон усиления. Так, матрица может состоять из нескольких фаз разной природы, например, может представлять собой:The fibrous reinforcement is densified by a matrix which is formed wholly or at least in its outer phase by a silicon-containing material such as a silicon compound, for example SiC, or a Si-B-C tertiary system. Under the outer phase of the matrix should be understood as the phase of the matrix, formed last and the most remote from the reinforcement fibers. So, the matrix can consist of several phases of different nature, for example, it can be:
смешанную матрицу С-SiC (при этом SiC находится с наружной стороны), илиa mixed C-SiC matrix (with SiC on the outside), or
последовательную матрицу с чередованием фаз SiC и матричных фаз меньшей жесткости, например, из пиролизного углерода (РуС), нитрида бора (BN) или углерода, легированного бором (ВС), с терминальной матричной фазой из SiC, илиa sequential matrix with alternating phases of SiC and matrix phases of less rigidity, for example, from pyrolysis carbon (PyC), boron nitride (BN) or carbon doped with boron (BC), with a terminal matrix phase of SiC, or
самозаживляющуюся матрицу с матричными фазами из карбида бора (В4С) или из третичной системы Si-B-C, возможно со свободным углеродом (В4С + С, Si-B-C + C) и с терминальной фазой Si-B-C или SiC.self-healing matrix with matrix phases of boron carbide (B 4 C) or from the tertiary Si-BC system, optionally with free carbon (B 4 C + C, Si-BC + C) and with a Si-BC or SiC terminal phase.
Матрица может быть по меньшей мере частично получена посредством CVI, что само по себе известно. В варианте матрица может быть по меньшей мере частично получена жидким способом (пропитка смолой, являющейся исходным веществом матрицы, и трансформация посредством поперечного сшивания и пиролиза, при этом процесс может повторяться), или посредством инфильтрации кремния в расплавленном состоянии (способ “Melt-Infiltration”). В этом последнем случае порошок вводят в волокнистое усиление, которое может быть предварительно уплотнено, причем этот порошок может быть порошком углерода и, возможно, керамики, и затем производят инфильтрацию металлической композиции на основе кремния в расплавленном состоянии для получения матрицы типа SiC-Si.The matrix can be at least partially obtained by CVI, which is known in itself. In a variant, the matrix can be at least partially obtained by a liquid method (impregnation with resin, which is the starting material of the matrix, and transformation by cross-linking and pyrolysis, while the process can be repeated), or by infiltration of silicon in a molten state ("Melt-Infiltration" method). ). In this latter case, the powder is introduced into the fibrous reinforcement, which may be pre-compacted, which powder may be carbon and possibly ceramic powder, and then infiltrated with a silicon-based metal composition in the molten state to obtain a matrix of the SiC-Si type.
Содержащий кремний подслой 30 сцепления находится на подложке 20. Подслой 30 сцепления входит в контакт с подложкой 20. Подслой 30 сцепления может состоять из кремния (элемент Si) или из муллита (3Al2O3.2SiO2). Во время работы подслой 30 сцепления окисляется и образует пассивирующий слой диоксида кремния (SiO2) (“Thermally Grown Oxide”).The silicon-containing
На подслое 30 сцепления находится окружающий барьер 40 для защиты указанного подслоя 30 сцепления и подложки 20. Окружающий барьер 40 содержит самозаживляющийся внутренний слой 41, расположенный на подслое 30 сцепления, и наружный слой 42 из керамики, находящийся на внутреннем слое 41. Внутренний слой 41 входит в контакт, с одной стороны, с подслоем 30 сцепления и, с другой стороны, с наружным слоем 42.On the
Под самозаживляющимся материалом в данном случае следует понимать материал, образующий в присутствии кислорода стеклообразную композицию, которая, за счет перехода в пастообразное или текучее состояние в определенной области температур, способна затягивать трещины, появляющиеся внутри материала.A self-healing material in this case should be understood as a material that forms a glassy composition in the presence of oxygen, which, due to the transition to a pasty or fluid state in a certain temperature range, is able to tighten cracks that appear inside the material.
Как показано на фиг. 3, внутренний слой 41 содержит матрицу 41m, в которой диспергированы частицы 41р. Матрица 41m выполнена из материала, отличного от материала частиц 41р. Кроме того, матрица 41m содержит трещины 41f и другие поры.As shown in FIG. 3, the
Частицы 41р являются образующими диоксид кремния частицами, то есть способны генерировать фазу затягивания трещин 41f матрицы 41m в присутствии кислорода. В частности, частицы 41р могут генерировать фазу затягивания, когда температура превышает 800°С. Частицы 41р содержат кремний.The
Действительно, во время работы потоки 51 воздуха и воды проходят через наружный слой 42 окружающего барьера 40 и доходят до внутреннего слоя 41 указанного окружающего барьера 40. Поскольку частицы 41р являются образующими диоксид кремния частицами, они реагируют с кислородом и образуют диоксид кремния (SiO2). Этот диоксид кремния, создаваемый частицами 41р, образует затягивающую фазу и за счет капиллярности заполняет трещины 41f и другие поры матрицы 41m, герметизируя, таким образом, внутренний слой 41 и ограничивая прохождение потоков 51 воздуха и воды через указанный внутренний слой 41. Такая реакция самовосстановления внутреннего слоя 41 обеспечивает герметизацию указанного внутреннего слоя 41 при контакте с потоками 51 воздуха и воды, что позволяет ограничить количество воздуха и воды, которое достигает подслоя 30 сцепления через выходящие потоки 52.Indeed, during operation, air and water flows 51 pass through the outer layer 42 of the
Кроме того, в дополнение к герметизации внутреннего слоя 41 за счет заполнения трещин 41f такой эффект самовосстановления обеспечивает расходование части воды и воздуха, что настолько же уменьшает количество воздуха и воды в выходящих потоках 52, которые достигают подслоя 30 сцепления.Moreover, in addition to sealing the
Кроме того, как показано на фиг. 3, количество воздуха и воды является разнородным в потоках 51, которые поступают на внутренний слой 41. Тот факт, что часть воды и воздуха расходуется при реакции частиц 41р, позволяет улучшить однородность выходящих потоков 52 воздуха и воды, которые поступают на подслой 30 сцепления. Такое получение однородности выходящих потоков 52 позволяет уменьшить локальные изменения толщины в защитном слое диоксида кремния, образуемом подслоем 30 сцепления, что снижает риск концентрации напряжений и раннего разрушения детали 10 от расслаивания.In addition, as shown in FIG. 3, the amount of air and water is heterogeneous in the
Кроме того, в дополнение к реакции окисления частицы 41р могут корродировать в присутствии воды и воздуха и образовать газообразный HxSiyOz. Такая реакция коррозии частиц 41р тоже обеспечивает расходование воды и воздуха, что позволяет уменьшить количество воды и воздуха, попадающее на подслой 30 сцепления.Moreover, in addition to the oxidation reaction, the 41p particles can corrode in the presence of water and air and form gaseous H x Si y O z . This corrosion reaction of the
Частицы 41р могут быть керамическими частицами. Предпочтительно частицы 41р являются частицами карбида кремния (SiC), частицами нитрида кремния (Si3N4) или частицами max фазы, содержащей кремний, или смесью таких частиц. В наиболее предпочтительные материалы входит карбид кремния.The 41p particles may be ceramic particles. Preferably, the
Частицы 41р могут быть также металлическими частицами. Предпочтительно частицы 41р являются частицами кремния (элемент Si), частицами металлического силицида или смесью таких частиц.The
Предпочтительно частицы 41р имеют средний размер (D50), меньший или равный 5 мкм. Действительно, предпочтительно, чтобы частицы 41р имели средний размер, меньший или равный 5 мкм, так как это позволяет внутреннему слою 41 быть более реактивным для генерирования затягивающей фазы из SiO2 и для расходования воздуха и воды. Действительно, использование частиц небольшого размера позволяет увеличить свободную поверхность для реакции окисления и коррозии частиц 41р. Предпочтительно частицы 41р имеют средний размер, меньший или равный 2 мкм, например, составляющий от 0,1 мкм до 2 мкм, что еще больше повышает реактивность и эффективность внутреннего слоя 41.Preferably, the
Как будет показано ниже, использование частиц, имеющих средний размер менее 5мкм, обеспечивается, в частности, при нанесении посредством плазменного напыления, где материал, предназначенный для получения частиц 41р, вводят жидким способом.As will be shown below, the use of particles having an average size of less than 5 μm is ensured, in particular, in the case of application by plasma spraying, where the material intended to obtain
Предпочтительно внутренний слой 41 имеет объемное содержание частиц 41р, превышающее или равное 5% и меньшее (строго) 50%. С одной стороны, это обеспечивает лучшую реактивность внутреннего слоя 41 для генерирования фазы затягивания и расходования воды и воздуха, а также обеспечивает достаточный срок службы внутреннего слоя 41 и, с другой стороны, позволяет в достаточной степени сохранить свойства, обеспечиваемые матрицей 41m. Предпочтительно внутренний слой 41 имеет объемное содержание частиц 41р, составляющее от 20% до 40%.Preferably, the
Предпочтительно матрица 41m выполнена из силиката и предпочтительно из моносиликата или дисиликата редкоземельного металла или из алюмосиликата, такого как муллит, или из кордиерита. Следует отметить, что предпочтительно матрицу 41m не выполняют из алюмосиликата бария и стронция (BSAS), так как BSAS реагирует с диоксидом кремния. В предпочтительном варианте осуществления предусматривают матрицу 41m из моносиликата или дисиликата редкоземельного металла. В предпочтительных версиях варианта осуществления, в котором матрица 41m выполнена из моносиликата или дисиликата редкоземельного металла, предусматривают матрицу 41m из Y2Si2O7, RE2Si2O7 или RE2SiO5.Preferably, the
Внутренний слой 41 имеет толщину Е, которая может составлять от 10 мкм до 300мкм. Такая толщина позволяет внутреннему слою 41 выполнять свою роль защиты подслоя 30 сцепления. Кроме того, когда внутренний слой 41 имеет большую толщину, например, от 200 мкм до 300 мкм, он может самостоятельно обеспечивать функцию герметизации окружающего барьера 40 по отношению к воде и воздуху, при этом верхний слой 40 может выполнять только роль истираемого материала. Кроме того, толщина Е внутреннего слоя 41 предпочтительно составляет от 100 мкм до 200 мкм.The
Наружный слой 42 окружающего барьера 40 выполнен из керамики. Наружный слой 42 может быть классическим слоем окружающего барьера. Наружный слой 42 может быть выполнен из моносиликата или дисиликата редкоземельного металла, или из алюмосиликата, такого как муллит, или из алюмосиликата бария и стронция (BSAS), или же из кордиерита. The outer layer 42 of the surrounding
Предпочтительно, чтобы обеспечить лучшую механическую и химическую совместимость между внутренним слоем 41 и наружным слоем 42 окружающего барьера 40, матрицу 41m внутреннего слоя 41 и наружный слой 42 выполняют из одного материала. Такой признак является более предпочтительным, когда внутренний слой 41 и наружный слой 42 входят друг с другом в прямой контакт. Предпочтительно матрицу 41m внутреннего слоя 41 и наружный слой 42 выполняют из моносиликата или дисиликата редкоземельного металла. Кроме того, наружный слой 42 может содержать наполнитель из волокон или включений в зависимости от свойств, которые необходимо придать указанному наружному слою 42.Preferably, in order to provide better mechanical and chemical compatibility between the
Окружающий барьер 40 может также содержать дополнительные слои, расположенные на наружном слое 42.The surrounding
Как показано на фиг. 7, согласно возможному варианту осуществления, способ изготовления детали 10 содержит следующие этапы:As shown in FIG. 7, according to an exemplary embodiment, the method for manufacturing part 10 comprises the following steps:
- Е1: нанесение подслоя 30 сцепления, содержащего кремний, на поверхность S подложки 20;- E1: application of an
- Е2: нанесение внутреннего слоя 41 окружающего барьера 40 на подслой 30 сцепления;- E2: application of the
- Е3: нанесение наружного слоя 42 окружающего барьера 40 на внутренний слой 41, при этом указанный наружный слой 42 выполняют из керамики.- E3: applying the outer layer 42 of the surrounding
Согласно предпочтительному варианту осуществления способа изготовления детали 10, нанесение внутреннего слоя 41 производят посредством плазменного напыления, при котором материал, предназначенный для формирования частиц 41р, диспергированных во внутреннем слое 41, вводят в плазменную струю в виде суспензии в жидкой среде.According to a preferred embodiment of the method for manufacturing part 10, the application of the
Введение материала, предназначенного для формирования частиц 41р, в плазменную струю в виде суспензии в жидкой среде позволяет использовать частицы 41р с небольшим средним размером, в частности, со средним размером менее 5 мкм. Действительно, если частицы не вводить в плазменную струю в виде суспензии в жидкой среде, а например в виде порошка, частицы могут отскакивать от плазменной струи по причине их слишком малого размера, что затрудняет контроль нанесения внутреннего слоя 41.The introduction of the material intended to form
Кроме того, введение материала, предназначенного для формирования частиц 41р, в плазменную струю в виде суспензии в жидкой среде обеспечивает более широкий выбор частиц 41р. Действительно, некоторые материалы, в частности, карбид кремния (SiC), могут лишь с трудом выдерживать введение в плазменную струю, и они подвергаются риску сублимации. Это затрудняет контроль нанесения внутреннего слоя 41 с частицами 41р таких материалов, в частности, карбида кремния (SiC). Введение частиц 41р в плазменную струю в виде суспензии в жидкой среде позволяет защитить материалы от плазменной струи, а также легче контролировать нанесение внутреннего слоя 41.In addition, the introduction of a material intended to form 41p particles into the plasma jet in the form of a suspension in a liquid medium provides a wider choice of 41p particles. Indeed, some materials, notably silicon carbide (SiC), can only barely withstand being introduced into the plasma jet and are at risk of sublimation. This makes it difficult to control the deposition of the
Согласно первому возможному варианту осуществления для нанесения внутреннего слоя 41, показанному на фиг. 4, указанный внутренний слой 41 окружающего барьера 40 выполняют посредством плазменного напыления при помощи плазмотрона 60, который генерирует плазменную струю 61. Плазменное напыление можно производить при атмосферном давлении в воздухе.According to the first possible embodiment for applying the
Материал, предназначенный для формирования матрицы 41m внутреннего слоя 41, нагнетают в плазменную струю 61 при помощи форсунки 70 в виде порошка 71. Согласно примеру, порошок 71 может быть порошком Y2Si2O7 со средним размером 30 мкм.The material to form the
Материал, предназначенный для формирования частиц 41р внутреннего слоя 41, нагнетают в плазменную струю 61 при помощи форсунки 80 в виде суспензии 81 в жидкой среде. Согласно примеру, суспензия 81 может быть водной суспензией, содержащей 20мас. % частиц карбида кремния (SiC) со средним размером 1 мкм.The material to form the
В примере, представленном на фиг. 4, на подслое 30 сцепления формируют внутренний слой 41, содержащий матрицу 41m из Y2Si2O7 и частицы SiC. Объемное содержание частиц 41р в этом внутреннем слое 41 составляет 30%, и толщина Е указанного внутреннего слоя равна 150 мкм.In the example shown in FIG. 4, on the
Согласно второму варианту осуществления, показанному на фиг. 5, материал, предназначенный для получения матрицы 41m внутреннего слоя 41 нагнетают в плазменную струю не в виде порошка, а в виде суспензии 91 в жидкой среде, содержащей одновременно материал, предназначенный для формирования матрицы 41m, и материал, предназначенный для формирования частиц 41р. Эту суспензию 91 нагнетают в плазменную струю 61 при помощи единой форсунки 90.According to the second embodiment shown in FIG. 5, the material intended to form the
Согласно примеру, суспензия 91 является водной суспензией, содержащей 20 мас. % наполнителя из материалов, предназначенных для получения матрицы 41m и частиц 41р. Пропорцию двух материалов в смеси рассчитывают таким образом, чтобы объемное содержание частиц 41р во внутреннем слое 41 составляло 30%. Суспензия 91 содержит частицы Y2Si2O7 со средним размером 30 мкм, которые предназначены для формирования матрицы 41m (которая, таким образом, будет состоять из Y2Si2O7), и частицы SiC со средним размером 1 мкм, которые предназначены для получения частиц 41р (которые таким образом, будут представлять собой частицы SiC). Полученный внутренний слой 41 имеет толщину Е 150 мкм.According to the example,
Согласно третьему варианту осуществления, показанному на фиг. 6, материал, предназначенный для формирования матрицы 41m, и материал, предназначенный для формирования частиц 41р, нагнетают в плазменную струю 61 не в одной суспензии, а в двух разных суспензиях 101а и 101b.According to the third embodiment shown in FIG. 6, the material to form the
Первая суспензия 101а является водной суспензией, содержащей 20 мас. % частиц Y2Si2O7 для получения матрицы 41m, которые имеют средний размер 5 мкм. Первую суспензию 101а нагнетают в плазменную струю 61 через первую форсунку 100а.The
Вторая суспензия 101а является водной суспензией, содержащей 20 мас. % частиц SiC для получения частиц 41р, причем эти частицы имеют средний размер 1 мкм. Вторую суспензию 101b нагнетают в плазменную струю 61 через вторую форсунку 100b. Полученный внутренний слой 41 имеет толщину Е 150 мкм.The
Выражение «составляет от… до…» необходимо понимать как «включая пределы».The expression "ranges from ... to..." must be understood as "including limits".
Claims (16)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR1759326 | 2017-10-05 | ||
FR1759326A FR3072091B1 (en) | 2017-10-05 | 2017-10-05 | ROOM PROTECTED BY AN ENVIRONMENTAL BARRIER |
PCT/FR2018/052439 WO2019069023A1 (en) | 2017-10-05 | 2018-10-03 | Component protected by an environmental barrier |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2020113538A RU2020113538A (en) | 2021-10-15 |
RU2020113538A3 RU2020113538A3 (en) | 2021-11-24 |
RU2773286C2 true RU2773286C2 (en) | 2022-06-01 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2189504A1 (en) * | 2008-11-25 | 2010-05-26 | Rolls-Royce Corporation | Reinforced oxide coatings |
RU2436868C2 (en) * | 2006-04-04 | 2011-12-20 | Снекма Пропюльсьон Солид | Protected from corrosion component of composite material with ceramic matrix containing silicon |
RU2519250C2 (en) * | 2008-12-24 | 2014-06-10 | Снекма Пропюльсьон Солид | Barrier for protection against environment for heat-resistant silicon-containing substrate |
EP2918698A1 (en) * | 2014-03-11 | 2015-09-16 | General Electric Company | Compositions and methods for thermal spraying a hermetic rare earth environmental barrier coating |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2436868C2 (en) * | 2006-04-04 | 2011-12-20 | Снекма Пропюльсьон Солид | Protected from corrosion component of composite material with ceramic matrix containing silicon |
EP2189504A1 (en) * | 2008-11-25 | 2010-05-26 | Rolls-Royce Corporation | Reinforced oxide coatings |
RU2519250C2 (en) * | 2008-12-24 | 2014-06-10 | Снекма Пропюльсьон Солид | Barrier for protection against environment for heat-resistant silicon-containing substrate |
EP2918698A1 (en) * | 2014-03-11 | 2015-09-16 | General Electric Company | Compositions and methods for thermal spraying a hermetic rare earth environmental barrier coating |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
PETER GREIL. Generic principles of crack-healing ceramics, Journal of Advanced Ceramics, 01.12.2012, Part 1, N 4, p. 249 - 267. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11465943B2 (en) | Component protected by an environmental barrier | |
US12146224B2 (en) | Oxidation resistant bond coat layers, processes for coating articles, and their coated articles | |
CN106927866B (en) | Article with enhanced temperature capability | |
US8658255B2 (en) | Methods for making environmental barrier coatings and ceramic components having CMAS mitigation capability | |
US8658291B2 (en) | CMAS mitigation compositions, environmental barrier coatings comprising the same, and ceramic components comprising the same | |
US7595114B2 (en) | Environmental barrier coating for a component and method for fabricating the same | |
US11713283B2 (en) | Part comprising a substrate and an environmental barrier | |
WO2014150380A1 (en) | Recession resistant ceramic matrix composites and environmental barrier coatings | |
CN110198920B (en) | Component comprising a substrate and an environmental barrier | |
JP2020100544A (en) | Ebc with mullite bondcoat having non-oxide silicon ceramic | |
RU2773286C2 (en) | Part protected with surrounding barrier | |
CN118159508B (en) | Environmental Isolation for Substrates Containing Free Silicon | |
BR112020006410B1 (en) | COMPONENT AND PROCESS FOR MANUFACTURING A COMPONENT |