从陶瓷基体复合材料去除阻隔涂层、粘合涂层和氧化物层的方法
【专利说明】从陶瓷基体复合材料去除阻隔涂层、粘合涂层和氧化物层的 方法
[0001 ] 背景 本发明涉及从暴露于高温的组件去除防护涂层，例如燃气涡轮发动机组件。
[0002] 对于燃气涡轮发动机，持续寻求较高的运行温度以便提高它们的效率。然而，当运 行温度增加时，发动机组件的高温耐久性必须相应增加。在这方面，含硅材料作为基体材料 或增强材料，目前用于高温应用，例如燃烧室和燃气涡轮发动机的其它热区段组件，因为这 些硅材料在较高温度下运行的良好能力。
[0003] 这样的高温材料，例如陶瓷、合金和金属间化合物，为用于设计为在例如燃气涡轮 发动机、换热器和内燃机的应用中在高温下使用的结构提供有吸引力的性质。然而，这些应 用的环境特征通常包含反应性物类例如水蒸汽，其在高温下可能导致材料结构的显著劣 化。例如，水蒸汽已经显示导致含硅材料的显著表面凹陷和质量损失。水蒸汽与结构材料在 高温下反应以形成挥发性含硅物类，通常导致不可接受的高凹陷速率。
[0004] 暴露于这些高温的组件，例如燃气涡轮发动机内的组件，通常包括防护涂层。例 如，涡轮机叶片、涡轮机叶轮和叶片外的空气密封通常包括一个或多个保护组件免受侵蚀、 氧化、腐蚀等的涂层，从而提尚耐久性和/或保持发动机的尚效运行。
[0005] 将环境阻隔涂层(EBC)涂敷到含硅材料及容易受反应性物类例如高温水蒸汽侵蚀 的其它材料。EBC通过阻止环境和材料表面之间的接触而提供保护。涂敷到含硅材料的EBC 例如设计成在高温含水蒸汽环境中相对化学稳定。如U.S. 6,410,148所描述，一个示例性 常规EBC系统包含涂敷到含硅基材的硅或二氧化硅粘合层;沉积在粘合层上方的包含富铝 红柱石或富铝红柱石-碱土铝硅酸盐混合物的中间层;和沉积在中间层上方的包含碱土铝 硅酸盐的顶层。在另一个实例中，U.S. 6,296,941，顶层是硅酸钇层而不是铝硅酸盐。示例 性粘合层或粘合涂层公开于U. S. 6，299，988。
[0006] 虽然已经用阻隔涂层材料和生产耐环境粘合涂层和阻隔涂层两者的方法实现显 著进步，但还有在特定情况下去除和替代阻隔涂层和粘合涂层的不可避免的需求。例如，可 能由于在发动机运行期间对陶瓷层的侵蚀或撞击破坏，或由于需要修复某些特征(例如涡 轮机叶尖长度)而需要去除。还可能在组件制造期间需要去除阻隔涂层和/或粘合涂层以解 决问题，例如涂层缺陷、装运损坏，和需要重复与无涂层相关的制造操作，所述制造操作需 要去除阻隔涂层和/或粘合涂层，例如放电加工(EDM)操作。
[0007] 当前技术的修复方法通常导致去除整个阻隔涂层系统，即阻隔涂层和粘合涂层两 者，其后必须再沉积粘合涂层和阻隔涂层。现有技术的用于去除阻隔涂层的研磨工艺通常 涉及喷砂、气流珩磨和玻璃丸喷丸，每一种都是缓慢、劳动密集的工艺过程，其侵蚀阻隔涂 层和粘合涂层以及涂层下面的基材表面。在重复使用中，这些去除方法最终通过降低组件 壁厚度而破坏组件。
[0008] 因此，尤其需要新的和改进的方法，用于快速去除阻隔涂层和粘合涂层而不损伤 下面的基材，例如陶瓷基体复合材料基材，例如燃气涡轮发动机组件。
[0009] 概述 本发明涉及用于暴露于高温的组件（例如燃气涡轮发动机组件）的防护涂层。更特别 地，本发明涉及从陶瓷基体复合材料去除防护涂层，特别是这种涂层的快速化学去除。
[0010] 本公开的一个方面是从陶瓷基体复合材料去除粘合涂层的方法，所述方法包含： 使包含粘合涂层的陶瓷基体复合材料与至少一种氢氧化物，经过使所述氢氧化物反应所必 需的足够时间；和从所述陶瓷基体复合材料去除粘合涂层。在一个实施方案中，基本上全部 粘合涂层从陶瓷基体复合材料组件去除，而不损伤陶瓷基体复合材料组件。在另一个实施 方案中，氢氧化物选自氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化铵、氢氧化锂和氢氧化四甲铵。在一个具 体实施方案中，氢氧化物是氢氧化钠。在一个实施方案中，氢氧化物不是超临界流体。
[0011] 在一个实施方案中，陶瓷基体复合材料包含非氧化物基体中的氧化物或非氧化物 纤维。在另一个实施方案中，陶瓷基体复合材料包含SiC基体中的SiC纤维、含硅化物基体中 的SiC纤维、Si-SiC基体中的SiC纤维、碳基体中的碳纤维、SiC基体中的碳纤维或SiC基体中 的氧化铝纤维。在一个实施方案中，粘合涂层包含硅或含硅基材。在一个实施方案中，氢氧 化物包含至少5重量％的氢氧化物且余量基本为水。在一个实施方案中，氢氧化物包含约10 重量%-约40%氢氧化钠。
[0012] 在所述方法的一个实施方案中，接触和去除步骤在高于环境的升高的温度和压力 下实施。特别地，在一个实例中，升高的温度为至少约120°C且升高的压力为约Ο.Ι-lMPa。在 一个实施方案中，溶液处于至少约50°C的温度。在一个实施方案中，接触和去除步骤与对所 述液体提供超声能同步进行。在一个实施方案中，具有阻隔涂层和/或粘合涂层的陶瓷基体 复合材料与氢氧化物接触30秒或更多。在一个实施方案中，所述方法还包括在与所述氢氧 化物接触的步骤后，使基材与水在比所述苛性碱液体温度低的温度下接触的步骤。在一个 实施方案中，将涂布基材浸没在容纳于向环境大气敞开的容器内的苛性碱液体中。在一个 实施方案中，所述方法还包含从陶瓷基体复合材料去除氧化物层。
[0013] 本公开的一个方面是从陶瓷基体复合材料去除阻隔涂层的方法，所述方法包含： 使涂布的陶瓷基体复合材料与包含至少一种氢氧化物的苛性碱液体接触，经过所述液体化 学侵蚀阻隔涂层下面的粘合涂层所必需的足够时间，导致所述阻隔涂层从所述陶瓷基体复 合材料分离，从而去除阻隔涂层。
[0014] 陶瓷基体复合材料包含非氧化物基体中的氧化物或非氧化物纤维。在一个实施方 案中，陶瓷基体复合材料包含SiC基体中的SiC纤维、含硅化物基体中的SiC纤维、Si-SiC基 体中的SiC纤维、碳基体中的碳纤维、SiC基体中的碳纤维或SiC基体中的氧化铝纤维。在具 体实施方案中，陶瓷基体复合材料包含在Si-SiC基体中的SiC纤维。
[0015] 本公开的一个方面是从陶瓷基体复合材料去除氧化物层的方法，所述方法包含： 使包含氧化物层的陶瓷基体复合材料与至少一种氢氧化物接触，经过使所述氢氧化物反应 所必需的足够时间；和从所述陶瓷基体复合材料去除所述氧化物层。在一个实例中，氧化物 层包含二氧化硅。在一个实施方案中，氢氧化物是氢氧化钠。
[0016] 本公开的另一个方面是从陶瓷基体复合材料去除粘合涂层的方法，所述方法包 含:使包含粘合涂层的陶瓷基体复合材料与至少一种含氮碱的水溶液接触，经过使所述溶 液反应所必需的足够时间；和从所述陶瓷基体复合材料去除粘合涂层。在一个实施方案中， 基本上全部粘合涂层从陶瓷基体复合材料组件去除，而不损伤陶瓷基体复合材料组件。
[0017] 在一个实施方案中，含氮碱选自乙二胺、吡嗪、乙醇胺和肼。在一个具体实施方案 中，含氮碱是乙二胺。在一个实施方案中，陶瓷基体复合材料包含非氧化物基体中的氧化物 或非氧化物纤维。在另一个实施方案中，陶瓷基体复合材料包含SiC基体中的SiC纤维、含硅 化物基体中的SiC纤维、Si-SiC基体中的SiC纤维、碳基体中的碳纤维、SiC基体中的碳纤维 或SiC基体中的氧化铝纤维。在一个实施方案中，陶瓷基体复合材料包含Si-SiC基体中的 SiC纤维。在另一个实施方案中，粘合涂层包含硅或含硅基材。
[0018] 在一个实施方案中，溶液包含至少50重量%含氮碱。在另一个实施方案中，氢氧化 物包含约50重量%-约80重量％乙二胺、5重量%-约20重量%邻苯二酚和5重量%-约50重量%水。 在一个实施方案中，接触和去除步骤在高于环境的升高的温度和压力下进行。在一个实施 方案中，升高的温度为至少约115°C且升高的压力为约0.1-lMPa。在一个实施方案中，溶液 处于至少约50°C温度。
[0019] 在一个实施方案中，接触和去除步骤与对所述液体提供超声能同步进行。在另一 个实施方案中，具有阻隔涂层和/或粘合涂层的陶瓷基体复合材料与溶液接触30秒或更多。 在一个实施方案中，所述方法还包括在与所述溶液接触的步骤后，使所述基材与水在比所 述苛性碱液体的温度低的温度下接触。在另一个实施方案中，将涂布基材浸没在容纳于向 环境大气敞开的容器内的苛性碱液体中。
[0020] 本公开的这些及其它方面、特征和优点将由本公开的各方面的以下详述结合附图 变得显而易见。
[0021] 附图简述 在说明书结尾的权利要求中特别指出和清楚地要求保护认为是本发明的主题。本公开 的上述和其它特征和优点将由本发明方面的以下详述结合附图而容易理解，其中： 图1显示与以下表1相同的数据，除了没使用氧化CMC结果。该实验的目的在于评价CMC/ 粘合涂层系统中各组分的腐蚀速率。Si-SiC/SiC CMC试样表示基础基材。硅试样表示粘合 涂层而二氧化硅试样表示在加工热处理和在升高的温度下使用期间在CMC暴露区域上形成 的热生长氧化物。腐蚀速率数据针对20-25%Na0H水溶液，在环境压力下。该图直观表明硅腐 蚀比CMC快得多，且二氧化硅以类似CMC的速率腐蚀。硅腐蚀速率比起CMC腐蚀速率的高选择 性对于去除粘合涂层是重要的，因为粘合涂层具有显著厚度(50-150μπι)，因此高选择性保 证在腐蚀过程期间对CMC无损伤。在加工和使用期间在CMC暴露表面上形成的氧化物皮层 (oxide scale)通常薄（〈ΙΟμπι)且具有很高的表面积，因此二氧化娃相对于CMC较低的选择 性是