發(fā)明背景

本公開一般涉及用于高溫應(yīng)用服務(wù)的材料和制品，例如渦輪機。更具體地講，本公開涉及從陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料基體除去涂層的方法。

由于陶瓷材料的固有高溫材料性能，陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料(cmc)材料提供比金屬合金材料更高操作溫度的潛力。在諸如燃?xì)鉁u輪機組件的應(yīng)用中，這種能力可轉(zhuǎn)變成減小冷卻需求，這繼而可產(chǎn)生較高功率、較高效率和/或減小來自機器的排放。然而，包含顯著量的含硅材料的cmc材料，例如碳化硅或氮化硅，容易在高工作溫度下被水蒸氣侵蝕和快速衰退。已研發(fā)環(huán)境阻擋涂層(ebc)抑制這種退化機制。

在工作期間，ebc的一個或多個部分可變得損傷，但由于cmc部件一般昂貴，除去受損傷的ebc和再涂覆所用cmc部件比更換整個部件在經(jīng)濟上有利。ebc可通過機械方法除去，例如噴砂處理，但此類操作可由于cmc和ebc之間的需要的強結(jié)合而導(dǎo)致?lián)p傷cmc基體。

因此，在工業(yè)上需要從cmc基體除去涂層(例如ebc)而不過度損傷cmc材料的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

提供本發(fā)明的實施方案以滿足這一需要和其它需要。一個實施方案是從制品除去涂層的方法。所述方法包括將制品加熱到處理溫度。所述制品包括與第二材料接觸的第一材料，所述第一材料包含硅，且所述第二材料包含含硅的氧化物。加熱在具有一定氧分壓的環(huán)境中進行，所述氧分壓小于在處理溫度下在第一材料和第二材料之間化學(xué)平衡的平衡氧分壓。

另一個實施方案是一種從制品除去涂層的方法。所述方法包括在具有小于約10^-2托(1.3pa)總壓的真空中將制品加熱到至少約1200℃處理溫度。所述制品包括基體，所述基體包含陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包含碳化硅、氮化硅或包含一種或兩種前述的組合；第一材料，所述第一材料布置在基體上，并包括元素硅、含元素硅的合金、硅化物或包含一種或多種前述的組合；與所述第一材料接觸的第二材料，所述第二材料包括二氧化硅、硅酸鹽或包含一種或兩種前述的組合；和布置在所述第二材料上的第三材料，所述第三材料包括稀土硅酸鹽、鋁硅酸鹽、氧化鋯或包含一種或多種前述的組合。在處理溫度下在所述環(huán)境中加熱制品，直至在第一材料和第二材料之間出現(xiàn)所需的反應(yīng)程度，且然后從基體除去第三材料。

本發(fā)明提供以下方面：

第1項.一種從制品除去涂層的方法，所述方法包括：

將制品加熱到處理溫度，所述制品包括

與第二材料接觸的第一材料，所述第一材料包含硅，且所述第二材料包含含硅的氧化物；

其中加熱在具有一定氧分壓的環(huán)境中進行，所述氧分壓小于在處理溫度下在第一材料和第二材料之間化學(xué)平衡的平衡氧分壓。

第2項.第1項的方法，其中所述環(huán)境為真空。

第3項.第1項的方法，其中所述環(huán)境為具有小于約10^-2托(1.3pa)總壓的真空。

第4項.第3項的方法，其中所述總壓小于約10^-5托(10^-3pa)。

第5項.第1項的方法，其中所述處理溫度為至少約1000℃。

第6項.第1項的方法，其中所述處理溫度為至少約1200℃。

第7項.第1項的方法，其中所述處理溫度為至少約1300℃。

第8項.第1項的方法，其中所述第一材料包括元素硅、含元素硅的合金、硅化物、碳化硅、氮化硅或包含一種或多種前述的組合。

第9項.第1項的方法，其中所述氧化物包括二氧化硅、硅酸鹽或包含一種或多種前述的組合。

第10項.第1項的制品，其中所述制品包括基體，且所述第一材料布置在所述基體上。

第11項.第10項的制品，其中所述基體包括碳化硅、氮化硅或包含一種或兩種前述的組合。

第12項.第1項的制品，其中所述基體包含陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包含碳化硅、氮化硅或包含一種或兩種前述的組合。

第13項.第1項的方法，其中所述制品進一步包括第三材料，所述第三材料包含在第二材料上布置的氧化物。

第14項.第13項的方法，其中所述第三材料的氧化物包括稀土硅酸鹽、鋁硅酸鹽、氧化鋯或包含一種或多種前述的組合。

第15項.一種從制品除去材料的方法，所述方法包括：

在具有小于約10^-2托(1.3pa)總壓的真空中將制品加熱到至少約1200℃處理溫度，

其中所述制品包括

包含陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料的基體，所述復(fù)合材料包含碳化硅、氮化硅或包含一種或兩種前述的組合，

布置在所述基體上的第一材料，所述第一材料包括元素硅、含元素硅的合金、硅化物或包含一種或多種前述的組合，

與所述第一材料接觸的第二材料，所述第二材料包括二氧化硅、硅酸鹽或包含一種或兩種前述的組合；和

布置在所述第二材料上的第三材料，所述第三材料包括稀土硅酸鹽、鋁硅酸鹽、氧化鋯或包含一種或多種前述的組合；并且

從所述基體除去第三材料。

附圖說明

通過閱讀以下詳述并參考附圖，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解，其中相似的字符代表相似的部分，其中：

附圖為根據(jù)本文的描述處理的制品的示意性橫截面。

具體實施方式

如在整個說明書和權(quán)利要求書中所用，可用近似語言修飾任何定量表達，這些表達可容許改變，而不引起所涉及基本功能的改變。因此，由一個或多個術(shù)語例如“約”和“基本”修飾的數(shù)值不限于所指定的精確值。在某些情況下，近似語言可對應(yīng)于用于測量數(shù)值的儀器精度。在此和整個說明書和權(quán)利要求書中，范圍限度可以組合和/或互換，這些范圍經(jīng)確定，并包括其中包含的所有子范圍，除非上下文或語言另外指明。

在以下說明書和權(quán)利要求中，除非上下文另外清楚地指明，單數(shù)形式“一個/種”和“所述”包括復(fù)數(shù)對象。本文所用術(shù)語“或”不意味排它性，而是指存在至少一種提及組分，并且包括其中可存在提及組分的組合的情況，除非上下文另外清楚地指明。

本文所用詞語“可以”和“可以為”表示在一組情況內(nèi)發(fā)生、具有規(guī)定性質(zhì)、特征或功能的可能性，和/或通過表達與被修飾動詞相關(guān)的一個或多個能力、性能或可能性修飾另一個動詞。因此，“可以”和“可以為”的使用表示被修飾的術(shù)語明顯適合、能夠或適用于指定的能力、功能或用途，盡管考慮在某些情況下，被修飾的術(shù)語可能有時是不適合、能夠或適用的。

本文所述技術(shù)可促進以相對于常規(guī)涂層除去技術(shù)低的機械力從含硅基體部分或完全除去涂層，例如ebc或其它覆蓋材料。本文所用術(shù)語“涂層”簡單指在另一種材料上布置的一定量材料，該術(shù)語不意味任何關(guān)于材料性質(zhì)，特別關(guān)于該覆蓋材料是否在下面材料上形成連續(xù)層。因此，本文所用術(shù)語“涂層”可連續(xù)或離散布置在下面材料(“基體”)上。本文所用術(shù)語“含硅”指包括但不限于硅的任何材料。此類材料的實例包括但不限于元素硅、合金和包含硅作為組分的固溶體和含硅的化合物。

參考附圖，根據(jù)本文公開的技術(shù)的制品100一般包括與第二材料104接觸的第一材料102。在某些實施方案中，制品100為燃?xì)鉁u輪組件的部件，例如燃燒襯里、過渡件、護罩、靜葉或動葉。第一材料102包含硅。在一些實施方案中，第一材料102包括元素硅、含元素硅的合金、硅化物、碳化硅、氮化硅或包含一種或多種這些實例材料的組合。在一個具體實施方案中，制品100包括基體，第一材料102布置在基體106上，直接接觸或具有一個或多個插入涂層(未顯示)的。出于說明目的，在一個實施方案中，基體106包括碳化硅、氮化硅或一種或多種這些的組合；一個實施例是其中基體106包含陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料(cmc)。cmc包括陶瓷材料，例如碳化硅、氮化硅或一種或多種這些的組合。這種cmc的具體實例為包含基質(zhì)和增強相的材料，其中所述基質(zhì)包括碳化硅，且所述增強相包括碳化硅纖維。

第二材料104包含含硅的氧化物。這種氧化物可包括例如二氧化硅、硅酸鹽或包含一種或兩種這些的組合。在一個實施例中，第二材料104的氧化物為第一材料102的一種或多種組分的氧化產(chǎn)物，如所謂的“熱生長氧化物”(通常簡化為“tgo”)，該氧化物在高溫工作期間在氧化環(huán)境中形成于含硅涂層和/或基體上。例如，在基體106包括cmc時，第一材料102可作為含硅(通常元素硅)的結(jié)合涂層布置在基體106上，結(jié)合涂層中的硅在工作期間氧化成含硅tgo，在本公開用法中相當(dāng)于第二材料104。

在一些實施方案中，制品100還包括在第二材料104上布置的直接接觸第二材料104或具有一個或多個插入層(未顯示)的第三材料108。第三材料108包含氧化物，例如，在本領(lǐng)域中常用于熱阻擋涂層(tbc)和/或環(huán)境阻擋涂層(ebc)的一種或多種氧化物材料。實例包括硅酸鹽，例如，包含一種或多種稀土元素的硅酸鹽；鋁硅酸鹽，例如，包含一種或多種堿土元素的鋁硅酸鹽化合物；和氧化鋯，例如氧化釔穩(wěn)定化的氧化鋯。在一個說明性實施例中，基體106包括cmc，例如，包含碳化硅的cmc；第一材料102包括含硅結(jié)合涂層；且第三材料108包括常用于ebc的氧化物頂涂層。在此實施例中，第二材料104為在結(jié)合涂層和頂涂層之間布置的含硅氧化物，例如tgo。

一種從含硅基體(例如，cmc)除去涂層(例如，ebc的氧化物層)或其它覆蓋材料的方法包括在高溫下促進第一材料102的硅與第二材料104的含硅氧化物之間的反應(yīng)。第一材料102和第二材料104之間的這個反應(yīng)產(chǎn)生一氧化硅蒸氣，與其它相關(guān)反應(yīng)比較，例如，二氧化硅的熱分解，它具有很高平衡壓力。反應(yīng)包括4個相之間的平衡，包括氧化物、硅、一氧化硅和氧。在將一氧化硅蒸氣產(chǎn)物足夠快地除去使其不與第一材料102和第二材料104接觸以避免積累到平衡蒸氣壓的情況下和在氧分壓保持在足夠低水平以促進反應(yīng)的情況下，反應(yīng)繼續(xù)運行，只要保持這些溫度和壓力條件，直至第二材料104消耗。此反應(yīng)基本上使基體106和在基體106上布置的任何材料(例如，第三材料108)之間的連接蒸發(fā)，從而使這種材料變得用很小或不用機械力從基體106分開。制品100的自由邊緣連同第三材料108中的表面連接的裂紋、孔和任何其它開口使sio反應(yīng)產(chǎn)物逸出，從而防止反應(yīng)產(chǎn)物積累，并加速除去過程。

基于以上機制，根據(jù)本公開的方法的一個實施方案包括在具有一定氧分壓的環(huán)境中將制品100加熱到處理溫度，所述氧分壓小于在處理溫度下在第一材料102和第二材料104之間化學(xué)平衡的平衡氧分壓。在一些實施方案中，此加熱在真空環(huán)境中進行，即，在具有小于大氣壓的總壓力的環(huán)境中進行。在一些實施方案中，真空環(huán)境的總壓力小于約10^-2托(1.3pa)，且在某些實施方案中，總壓力小于約10^-5托(10^-3pa)。較低總壓有助于驅(qū)使較快反應(yīng)速率。類似地，反應(yīng)速率也取決于溫度，但達到較強程度。較高溫度導(dǎo)致較快反應(yīng)動力學(xué)。例如，為了完全除去20微米厚含硅tgo層到距經(jīng)涂覆部分的自由邊緣約1.3cm(0.5英寸)距離，在真空中加熱到1200℃溫度需要約32小時，1300℃溫度需要約6小時，且1400℃溫度需要約1.2小時。在一些實施方案中，處理溫度為至少約1200℃，且在具體實施方案中，處理溫度為至少約1300℃。當(dāng)然，溫度的實際上限可通過具體情況確定；例如，如果基體106包括溫度敏感材料，例如，元素硅，可合乎需要保持低于這種材料的熔點，以避免損傷基體106。

加熱制品100保持上述溫度可繼續(xù)一段時間，直至所需量的材料除去。選擇時間取決于數(shù)種因素，例如，加熱環(huán)境的溫度和壓力、待處理制品的尺寸和反應(yīng)產(chǎn)物從第一材料102和第二材料104之間反應(yīng)位點蒸發(fā)掉的逸出通道的可利用性。如果至少一種反應(yīng)產(chǎn)物基本完全消耗，那么如果幾何形狀允許，通過簡單地從基體106滑開，就可容易地從基體106除去任何覆蓋材料，例如，第三材料108；在某些情況下，例如，在覆蓋材料完全包圍基體106時，或者在幾何形狀復(fù)雜時，覆蓋材料在其可以一個或多個部分除去之前必須可以破裂。在一些實施方案中，可能有必要完全蒸發(fā)第一和/或第二材料；可使它們在基體106和覆蓋材料之間提供的連接降級到只需小的機械力就能除去覆蓋材料的點，從而顯著減小對cmc基體106損傷風(fēng)險?？蓱?yīng)用除去覆蓋材料的任何方便方法，例如噴砂處理、水沖擊、空氣沖擊或?qū)⒉贿^度損傷基體106的其它適合選擇方法。

實施例

提出以下實施例以進一步說明本發(fā)明非限制實施方案。

為了進一步說明上述特征，本發(fā)明的具體實施方案為從制品除去涂層的方法。所述方法包括在具有小于約10^-2托(1.3pa)總壓的真空中將制品加熱到至少約1200℃處理溫度。制品100包括基體106，所述基體106包含陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包含碳化硅、氮化硅或包含一種或兩種前述的組合；第一材料102，所述第一材料102布置在基體106上，并包括元素硅、含元素硅的合金、硅化物或包含一種或多種前述的組合；與第一材料102接觸的第二材料104，所述第二材料包括二氧化硅、硅酸鹽或包含一種或兩種前述的組合；和布置在第二材料104上的第三材料108，所述第三材料108包括稀土硅酸鹽、鋁硅酸鹽、氧化鋯或包含一種或多種前述的組合。在處理溫度下在所述環(huán)境中加熱制品100，直至在第一材料102和第二材料104之間出現(xiàn)所需的反應(yīng)程度，且然后從基體106除去第三材料108。

用元素硅的結(jié)合涂層和氧化物頂涂層涂覆具有碳化硅纖維增強物的碳化硅基質(zhì)的cmc基體，并使經(jīng)涂覆cmc經(jīng)受暴露到約1315℃蒸汽總共約2000小時。然后將經(jīng)暴露制品放入真空爐，并加熱到約1300℃處理溫度75小時。在冷卻后，觀察頂涂層與基體完全分離。頂涂層容易從基體表面滑掉。

雖然本文只說明和描述本發(fā)明的某些特征，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)想到很多修改和變化。因此，應(yīng)理解，附加權(quán)利要求旨在覆蓋落在本發(fā)明真實精神內(nèi)的所有這些修改和變化。

部件列表：

制品　　　　100

第一材料　　102

第二材料　　104

基體　　　　106

第三材料　　108