一种航空发动机热端构件用环境障涂层的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种航空发动机热端构件用环境障涂层的制备方法，通过喷涂工艺配合料浆法制备涂层，使用经过纳米SiC改性的有机高分子作为粘结剂，粘结剂与基体及涂层在界面上可以形成新的化学键，从而大大提高两种材料之间的粘结强度，并且粘结剂在适当的温度下发生降解，不会对涂层的使用环境产生影响。采用本发明专利技术制备的环境障涂层制备过程简单，成本相对降低，具有高结合强度，高致密性，且能够满足航空发动机热端构件的长时间服役要求。

Method for preparing environmental barrier coating for thermal end component of aircraft engine

The present invention provides a method for preparing environmental barrier coating for aircraft engine hot end components, by spraying slurry prepared by using organic polymer coating modified by nano SiC as binder, the binder and substrate and coating can be formed at the interface of new chemical bonds, thus greatly improving the bond strength between two materials, and binder degradation at the appropriate temperature, will not affect the coating environment. The environmental barrier coating prepared by the invention has the advantages of simple preparation process, relatively low cost, high bonding strength and high compactness, and can meet the long service requirement of the hot end component of an aircraft engine.

【技术实现步骤摘要】
一种航空发动机热端构件用环境障涂层的制备方法
本专利技术涉及涂层结构的设计与制备领域，特别是涉及一种航空发动机热端构件用环境障涂层的制备方法。
技术介绍
随着高性能燃气轮机的发展，所需要的涡轮进口温度不断提高，发动机热端结构部件的工作温度已超过高温合金的工作极限。为满足这一需求，陶瓷基高温复合材料进入了人们的视野，碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)用于发动机热端部件的制备，展现出良好的高温结构性能。CMC-SiC具有一系列性能优点，比如耐高温、高温强度高、韧性好、密度低及抗蠕变性能优良等，成为航空发动机热端部件上理想的候选材料。CMC-SiC在高温干燥环境下具有优异的抗氧化性能，然而，在发动机工作环境下腐蚀性介质—熔盐、水蒸气会对硅基陶瓷表面生成的氧化硅保护层进行侵蚀，丧失对基体的保护功能，最终导致材料的失效。因此为解决发动机工作环境下的腐蚀问题，需要在CMC-SiC表面制备一层环境障涂层(EBC)，阻止水蒸气、熔盐向基体的扩散，满足材料在腐蚀环境下的长时间服役要求。目前等离子喷涂工艺在制备环境障涂层方面工艺最为成熟，然而单纯的采用等离子喷涂工艺成本过于昂贵，料浆法相对于等离子喷涂、电子束物理气相沉积、化学气相沉积等工艺具有设备简单，操作方便、可人为控制涂层结构等一系列优点。采用喷涂工艺配合料浆法能显著地降低涂层制备的成本，然而这种涂层的结合强度不高，致密性不如喷涂工艺。因此，提出一种低成本，高结合强度，高致密性的环境障涂层成为本领域亟需解决的技术问题。
技术实现思路
为此，本专利技术提供了一种航空发动机热端构件用环境障涂层的制备方法，本专利技术的一个目的在于提出一种低成本，高结合强度，高致密性的环境障涂层的制备方法。本专利技术提供了一种航空发动机热端构件用环境障涂层的制备方法，包括：(1)预备步骤制备改性粘结剂，将0.5～1wt％纳米SiC颗粒加入到粘结剂中，室温下机械搅拌1h，再进行30min的超声分散，使纳米SiC颗粒均匀地分散在粘结剂中，所述粘结剂为环氧树脂或PVB；制备中间层料浆，将中间层原料、3～5wt％的烧结助剂、1～3wt％的分散剂与溶剂相混合，得到中间层混合溶液，使用高速球磨机对所述中间层混合溶液进行球磨混料，球磨后混入2～5wt％的改性后的粘结剂，继续球磨，直至获得粘度均匀的中间层料浆；制备面层料浆，将面层原料、3～5wt％的烧结助剂、1～3wt％的分散剂与溶剂相混合，得到面层混合溶液，使用高速球磨机对所述面层混合溶液进行球磨混料，球磨后混入2～5wt％的改性后的粘结剂，继续球磨，直至获得粘度均匀的面层浆料。(2)制备步骤对基体进行表面进行粗糙化处理，处理后用去离子水对基体进行清洗，并在烘箱中烘干；在基体的表面采用喷涂工艺制备内层；采用料浆法在涂覆有内层的基体的表面涂覆所述中间层料浆，制备中间层；采用料浆法在涂覆有中间层的基体的表面涂覆所述面层料浆，制备面层。本专利技术提供了一种航空发动机热端构件用环境障涂层的制备方法，通过喷涂工艺配合料浆法制备涂层，涂层具有多层梯度结构，具有良好的抗水氧腐蚀性能，采用料浆法制备涂层具有能耗低，设备简单，并可人为控制涂层结构厚度等优点。本专利技术中使用经过纳米SiC改性的有机高分子粘结剂，根据化学键理论，粘结剂与基体及涂层在界面上可以形成新的化学键，从而大大提高两种材料之间的粘结强度，并且粘结剂在适当的温度下发生降解，不会对涂层的使用环境产生影响。其中，采用环氧树脂作为粘结剂主体，添加少量的纳米SiC颗粒，纳米SiC颗粒良好的量子尺寸效应和表面效应，能有效提高粘结剂的分散性和粘结强度，粘结剂均匀地包覆在粉料颗粒的表面，纳米颗粒表面的悬空键与粉料颗粒及基体的表面相互结合，粘附力增强。而且环氧树脂分子链中固有的极性羟基和醚键的存在，同样对陶瓷粉料具有很高的粘附力。环氧树脂固化时的收缩性低，仅为0.05～0.1，产生的内应力小；在300℃时即开始降解，高于600℃时会降解完全，残留的纳米SiC颗粒与陶瓷粉料形成致密的涂层结构，因此该粘结剂不会对涂层的性能产生影响。另外，采用纳米SiC颗粒对PVB粘结剂进行改性，粘结强度同样能得到改善，涂层的结合强度大幅度提高。采用本专利技术制备的环境障涂层制备过程简单，成本相对降低，具有高结合强度，高致密性，且能够长时间应用于航空发动机的热端构件。在本专利技术的一个方面，所述料浆法包括：将料浆按固定方向均匀地刷涂在基体的表面或者将基体浸入料浆中浸渍3～5min后缓慢地将基体从料浆中提拉出来，使基体的表面形成均匀的薄膜层；将表面涂覆有料浆的基体在室温下干燥得到涂层生坯；将所述涂层生坯放入烧结炉中，在烧结炉中全程通入氩气，然后将烧结炉从室温开始以1℃/min升温至550℃～600℃并保温2h，然后再以2℃/min升温至1200℃～1400℃并保温3h，最后以2℃/min的速率冷却至室温。在本专利技术的一个方面，在制备中间层的过程中使用料浆法的次数为2～3次，在制备面层的过程中使用料浆法的次数为2～3次。在本专利技术的一个方面，所述喷涂工艺为等离子喷涂法或电子束物理气相沉积法。在本专利技术的一个方面，所述烧结助剂为氧化硼(B2O3)或氧化锂(Li2O3)。在本专利技术的一个方面，所述分散剂为聚乙烯醇或磷酸酯。在本专利技术的一个方面，所述中间层原料为莫来石或莫来石和BSAS的组合物。在本专利技术的一个方面，所述面层原料为BSAS、焦硅酸镱(Yb2Si2O7)、单硅酸镱(Yb2SiO5)、焦硅酸镥(Lu2Si2O7)或硅酸钇(Y2SiO5)。在本专利技术的一个方面，所述内层粘结层材料为硅粉，厚度为60～70μm，所述硅粉为200目。在本专利技术的一个方面，所述中间层厚度为60～80μm，所述面层厚度为100～120μm。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明以下附图仅旨在对本专利技术做示意性说明和解释，并不限定本专利技术的范围。图1为本专利技术实施例提供的一种航空发动机热端构件用环境障涂层的制备方法的流程框图；图2为本专利技术实施例提供的一种航空发动机热端构件用环境障涂层的结构示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例一如图1所示，本专利技术提供了一种航空发动机热端构件用环境障涂层的制备方法：预备步骤：制备改性粘结剂，取0.6wt％的纳米SiC颗粒，2wt％的聚酰胺树脂加入到环氧树脂粘结剂中，在室温下1000rpm搅拌1h，在进行30min的超声分散，使纳米颗粒均匀地分散在粘结剂中，制得环氧树脂改性粘结剂。制备中间层料浆，称取适量的莫来石粉体和3wt％的烧结助剂B2O3，及2wt％的分散剂磷酸酯溶解于无水乙醇中，使用高速球磨机对浆料进行球磨混料，在球磨混料一段时间后加入3wt％的环氧树脂改性粘结剂，在40℃左右的环境下继续球磨2h，制得粘度及流动性均匀的莫来石料浆，此时中间层料浆为莫来石料浆。制备面层料浆，称取适量的Yb2SiO5粉体和3wt％的烧结助剂B2O3，及2wt％的分散剂磷酸酯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航空发动机热端构件用环境障涂层的制备方法，其特征在于，包括：预备步骤：制备改性粘结剂，0.5～1wt％纳米SiC颗粒加入到粘结剂中，室温下机械搅拌1h，再进行30min的超声分散，使纳米SiC颗粒均匀地分散在粘结剂中，所述粘结剂为环氧树脂或PVB；制备中间层料浆，将中间层原料、3～5wt％的烧结助剂、1～3wt％的分散剂与溶剂相混合，得到中间层混合溶液，使用高速球磨机对所述中间层混合溶液进行球磨混料，球磨后混入2～5wt％的改性后的粘结剂，继续球磨，直至获得粘度均匀的中间层料浆；制备面层料浆，将面层原料、3～5wt％的烧结助剂、1～3wt％的分散剂与溶剂相混合，得到面层混合溶液，使用高速球磨机对所述面层混合溶液进行球磨混料，球磨后混入2～5wt％的改性后的粘结剂，继续球磨，直至获得粘度均匀的浆料；制备步骤：对基体进行表面进行粗糙化处理，处理后用去离子水对基体进行清洗，并在烘箱中烘干；在基体的表面采用喷涂工艺制备内层；采用料浆法在涂覆有内层的基体的表面涂覆所述中间层料浆，制备中间层；采用料浆法在涂覆有中间层的基体的表面涂覆所述面层料浆，制备面层。

【技术特征摘要】
1.一种航空发动机热端构件用环境障涂层的制备方法，其特征在于，包括：预备步骤：制备改性粘结剂，0.5～1wt％纳米SiC颗粒加入到粘结剂中，室温下机械搅拌1h，再进行30min的超声分散，使纳米SiC颗粒均匀地分散在粘结剂中，所述粘结剂为环氧树脂或PVB；制备中间层料浆，将中间层原料、3～5wt％的烧结助剂、1～3wt％的分散剂与溶剂相混合，得到中间层混合溶液，使用高速球磨机对所述中间层混合溶液进行球磨混料，球磨后混入2～5wt％的改性后的粘结剂，继续球磨，直至获得粘度均匀的中间层料浆；制备面层料浆，将面层原料、3～5wt％的烧结助剂、1～3wt％的分散剂与溶剂相混合，得到面层混合溶液，使用高速球磨机对所述面层混合溶液进行球磨混料，球磨后混入2～5wt％的改性后的粘结剂，继续球磨，直至获得粘度均匀的浆料；制备步骤：对基体进行表面进行粗糙化处理，处理后用去离子水对基体进行清洗，并在烘箱中烘干；在基体的表面采用喷涂工艺制备内层；采用料浆法在涂覆有内层的基体的表面涂覆所述中间层料浆，制备中间层；采用料浆法在涂覆有中间层的基体的表面涂覆所述面层料浆，制备面层。2.根据权利要求1所述的一种航空发动机热端构件用的环境障涂层的制备方法，其特征在于，所述料浆法包括：将料浆按固定方向均匀地刷涂在基体的表面或者将基体浸入料浆中浸渍3～5min后缓慢地将基体从料浆中提拉出来，使基体的表面形成均匀的薄膜层；将表面涂覆有料浆的基体在室温下干燥得到涂层生坯；将所述涂层生坯放入烧结炉中，在烧结炉中全程通入氩气，然后将烧结炉从室温开始以1℃/min升温至55...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗瑞盈，龙文彪，
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