一种用于连续纤维增强的热结构复合材料的多层高温涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及了一种用于连续纤维增强的热结构复合材料的多层高温涂层及其制备方法，其中，上述涂层自基体向外依次包括硅粘结层、梯度莫来石层、YSZ层和二硅酸镱层。上述硅粘结层的厚度为40～60μm，上述梯度莫来石层的厚度为110～140μm，上述YSZ层的厚度为120～140μm，上述二硅酸镱层的厚度为140～170μm。本发明专利技术所提供用于连续纤维增强的热结构复合材料的多层高温涂层及其制备方法，可大幅延长上述涂层材料在航空发动机环境下的有效工作时间。

Multilayer high temperature coating for continuous fiber reinforced thermal structural composite material and preparation method thereof

The invention relates to a multilayer coating for high temperature thermal structural composites reinforced with continuous fibers and a preparation method thereof, wherein, the coating from the substrate outside including silicon bonding layer, graded mullite, YSZ layer and the two layer of ytterbium silicate. The thickness of the silicon bonding layer is 40~60 mu m, and the thickness of the gradient mullite layer is 110~140 mu m, and the thickness of the YSZ layer is 120~140 mu m, and the thickness of the two ytterbium silicate layer is 140~170 mu m. The invention provides a multilayer high temperature coating for continuous fiber reinforced thermal structural composite material and a preparation method thereof, which can substantially prolong the effective working time of said coating material in an aircraft engine environment.

【技术实现步骤摘要】
一种用于连续纤维增强的热结构复合材料的多层高温涂层及其制备方法
本专利技术涉及功能涂层材料领域，尤其涉及了一种用于连续纤维增强的热结构复合材料的多层高温涂层及其制备方法。
技术介绍
连续纤维增强的热结构复合材料由于具有耐高温、高韧性、密度低、耐腐蚀和抗氧化等优势，采用其制备航空发动机高压涡轮静子件等关键构件，可显著降低发动机构件的重量，并大幅降低航空发动机中冷却空气用量及油耗率。然而，面对航空发动机中复杂的水氧和熔盐环境，由上述连续纤维增强的热结构复合材料制备的热端部件并不能达到长时间有效工作的要求，因此，需要添加防护涂层以保护由上述材料制备的基体。目前常用的涂层材料包括热障涂层和环境障涂层，但上述两种涂层材料均存在一定的缺陷。如传统的热障涂层主要是以氧化钇稳定的氧化锆(ZrO2-Y2O3，YSZ)作为涂层的最外层材料，在大气氧化的环境中表现出很好的抗氧化性能，但在复杂的水汽环境中无法适用，在1300℃的航空发动机环境条件下有效工作时间(有效工作时间是指涂层发生失重失效之前的工作时间)尚不足150小时；而现有的最为先进的环境障涂层，即稀土硅酸盐涂层体系(以二硅酸镱为例)，在航空发动机环境条件下有效工作时间仅为200小时左右。因此，现有的涂层材料均不能在航空发动机环境下长时间的有效工作。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于连续纤维增强的热结构复合材料的多层高温涂层及其制备方法，可大幅延长上述涂层材料在航空发动机环境下的有效工作时间。为达到上述目的，本专利技术提供的技术方案为：第一方面，本专利技术提供了一种用于连续纤维增强的热结构复合材料的多层高温涂层，上述涂层自基体向外依次包括硅粘结层、梯度莫来石层、YSZ层和二硅酸镱层；其中，硅粘结层的厚度为40～60μm，梯度莫来石层的厚度为110～140μm，YSZ层的厚度为120～140μm，二硅酸镱层的厚度为140～170μm。本专利技术所提供的用于连续纤维增强的热结构复合材料的多层高温涂层，自基体向外依次包括硅粘结层、梯度莫来石层、YSZ层和二硅酸镱层，二硅酸镱的材料相结构更加稳定，使用其作为最外层，可有效地抵抗航空发动机中的水汽和熔盐侵蚀；且位于二硅酸镱层和梯度莫来石层之间的YSZ层起到较好的隔热作用，可防止航空发动机中的热量透过二硅酸镱层对内层涂层材料进行热侵蚀；上述梯度莫来石层是指热膨胀系数具有梯度性变化的莫来石层，在上述涂层中最内层的硅粘结层的热膨胀系数较小，一般为3.5～4.5×10-6/℃，而YSZ层的热膨胀系数较大，一般为10.6×10-6/℃，两者的热膨胀系数存在较大的差异，因此，两者之间难以直接配合，需要在其间添加过渡层，莫来石是由氧化铝和二氧化硅组成的化合物，其中氧化铝的热膨胀系数大于二氧化硅，在梯度莫来石层的制备过程中，可通过改变氧化铝和二氧化硅的比例来调整梯度莫来石层的热膨胀系数，使之与硅粘结层及YSZ层的相接触处均有良好的配合，从而较大程度地避免了涂层内部各层间内应力的产生。此外，上述涂层中各层之间由于涂层材料的不同，在各涂层之间存在一定的界面剪切应力，上述界面剪切应力与各层的厚度的平方存在正相关关系(例如硅粘结层与基体之间的界面剪切应力与硅粘结层的厚度的平方呈正相关关系)，即各层厚度越大，界面剪切应力也就越大，当涂层的厚度过大时，涂层的稳定性就会变差，出现涂层开裂或剥落的现象，但若各层的厚度过薄，在航空发动机的环境下亦较容易损坏。经过大量的实验研究，上述各层的厚度优选为：硅粘结层的厚度为40～60μm，梯度莫来石层的厚度为110～140μm，YSZ层的厚度为120～140μm，二硅酸镱层的厚度为140～170μm，当上述各层的厚度在上述范围时，本专利技术所提供的用于连续纤维增强的热结构复合材料的多层高温涂层，在航空发动机的环境中使用时可获得较长的有效工作时间。因此，本专利技术所提供用于连续纤维增强的热结构复合材料的多层高温涂层，可大幅延长其在航空发动机环境下的有效工作时间。第二方面，本专利技术还提供了一种上述用于连续纤维增强的热结构复合材料的多层高温涂层的制备方法，上述制备方法包括：步骤S1，利用电子束物理气相沉积工艺在已烘干的所述基体的表面喷涂一层硅作为硅粘结层；步骤S2，利用化学气相沉积工艺在硅粘结层的表面制备梯度莫来石层；步骤S3，利用料浆刷涂法在所述梯度莫来石层的表面涂覆YSZ材料制备YSZ层；步骤S4，利用超音速等离子喷涂工艺，在所述YSZ层的表面喷涂二硅酸镱材料制备二硅酸镱层。进一步地，上述硅粘结层的厚度为40～60μm，梯度莫来石层的厚度为110～140μm，YSZ层的厚度为120～140μm，二硅酸镱层的厚度为140～170μm。进一步地，在步骤S1之前还包括：将上述基体的表面进行打磨；将打磨后的基体放入无水乙醇中利用超声波进行清洗；将清洗后的基体放入烘箱中，在80-100℃条件下烘干2-5h。进一步地，上述电子束物理气相沉积工艺的参数设置为：电压为8～11.0KV，电流为0.55～0.65A，真空度为6～15.0×10-3Pa，硅靶材与基体的间距为180～220mm，上述基体的转速为9～11r/min，沉积速率为10～14μm/h，沉积时间为4～6h。进一步地，上述化学气相沉积工艺是在化学气相沉积炉中进行，上述化学气相沉积炉中的真空度设置为5×104Pa～7×104Pa，上述化学气相沉积炉中所用气相为AlCl3、SiCl4、CO2和H2组成的混合气体；以SiCl4气体为标准，上述混合气体的流量为2.5×10-5m3/s～3.5×10-5m3/s。进一步地，在上述化学气相沉积工艺的开始阶段，AlCl3气体的流量为7×10-5m3/s～10×10-5m3/s；随着上述化学气相沉积工艺的不断进行，逐渐增加所述AlCl3气体的流量，AlCl3气体的流量的增加速率为0.1×10-5m3/min～0.15×10-5m3/min；在上述化学气相沉积工艺的最后阶段，AlCl3气体的流量为9×10-5m3/s～12×10-5m3/s。进一步地，在步骤S3之后、步骤S4之前，还包括：将涂覆有YSZ材料的基体放入高温炉中，对高温炉先进行抽真空操作，然后通入高纯氩气；以15～20℃/min的升温速率将高温炉的炉温升至650～700℃，保温2～5h；以20～25℃/min的降温速率将高温炉的炉温降至300～450℃，关闭高温炉的电源，并自然降温至室温。进一步地，上述YSZ材料为ZrO2和Y2O3组成的混合物，其中，所述Y2O3的质量占所述混合物总质量的比例为6％～8％。进一步地，上述步骤S4具体包括：步骤S41，将粒度为10μm～20μm的SiO2和Yb2O3粉末按摩尔比2：1～2.5：1的比例制成悬浮液并放入氧化铝坩埚中混合；步骤S42，将混合后的所述悬浮液放入烘箱中，在110～130℃的条件下烘干，得到完全烘干的混合粉末；步骤S43，将混合粉末在1400～1500℃下反应20～24h，将反应后的混合粉末自然降温得到二硅酸镱粉体；步骤S44，使用无水乙醇对带有三层涂层的基体的表面进行超声波清洗，然后使用刚玉砂砾对其表面进行喷砂处理，最后使用压缩空气对其表面进行除杂；步骤S45，利用超音速等离子喷涂工艺，将所述二硅酸镱粉体喷涂于除杂后的带有三层涂层的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于连续纤维增强的热结构复合材料的多层高温涂层，其特征在于，所述涂层自基体向外依次包括硅粘结层、梯度莫来石层、YSZ层和二硅酸镱层；所述硅粘结层的厚度为40～60μm，所述梯度莫来石层的厚度为110～140μm，所述YSZ层的厚度为120～140μm，所述二硅酸镱层的厚度为140～170μm。

【技术特征摘要】
1.一种用于连续纤维增强的热结构复合材料的多层高温涂层，其特征在于，所述涂层自基体向外依次包括硅粘结层、梯度莫来石层、YSZ层和二硅酸镱层；所述硅粘结层的厚度为40～60μm，所述梯度莫来石层的厚度为110～140μm，所述YSZ层的厚度为120～140μm，所述二硅酸镱层的厚度为140～170μm。2.一种如权利要求1所述的用于连续纤维增强的热结构复合材料的多层高温涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：步骤S1，利用电子束物理气相沉积工艺在已烘干的所述基体的表面喷涂一层硅作为硅粘结层；步骤S2，利用化学气相沉积工艺在所述硅粘结层的表面制备梯度莫来石层；步骤S3，利用料浆刷涂法在所述梯度莫来石层的表面涂覆YSZ材料制备YSZ层；步骤S4，利用超音速等离子喷涂工艺，在所述YSZ层的表面喷涂二硅酸镱材料制备二硅酸镱层。3.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述硅粘结层的厚度为40～60μm，所述梯度莫来石层的厚度为110～140μm，所述YSZ层的厚度为120～140μm，所述二硅酸镱层的厚度为140～170μm。4.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，在所述步骤S1之前还包括：将所述基体的表面进行打磨；将打磨后的基体放入无水乙醇中利用超声波进行清洗；将清洗后的基体放入烘箱中，在80-100℃条件下烘干2-5h。5.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述电子束物理气相沉积工艺的参数设置为：电压为8～11.0KV，电流为0.55～0.65A，真空度为6～15.0×10-3Pa，硅靶材与所述基体的间距为180～220mm，所述基体的转速为9～11r/min，沉积速率为10～14μm/h，沉积时间为4～6h。6.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述化学气相沉积工艺是在化学气相沉积炉中进行；所述化学气相沉积炉中的真空度设置为5×104Pa～7×104Pa，所述化学气相沉积炉中所用气相为AlCl3、SiCl4、CO2和H2组成...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗瑞盈，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11