一种用于陶瓷基复合材料的热/环境障涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种用于陶瓷基复合材料的热/环境障涂层及其制备方法。所述热/环境障涂层由内至外依次包括硅层、硅酸镱层、由氧化铪与硅酸镱混合而成的过渡层和氧化铪层。所述方法包括：将硅粉、硅酸镱粉和氧化铪粉分别装入低压等离子喷涂设备的送粉器中并进行干燥处理；将陶瓷基复合材料固定在低压等离子喷涂设备的真空室内的转动台上；通过低压等离子喷涂法在陶瓷基复合材料的表面依次制备硅层、硅酸镱层、过渡层和氧化铪层，由此在陶瓷基复合材料的表面制得所述热/环境障涂层。本发明专利技术中的热/环境障涂层的隔热效果好，高温抗水汽腐蚀性能优异；本发明专利技术方法具有沉积效率高、成本低廉、涂层均匀等优点，能快速、一体化制备所述热/环境障涂层。

【技术实现步骤摘要】
一种用于陶瓷基复合材料的热/环境障涂层及其制备方法
本专利技术属于防护涂层制备
，尤其涉及一种用于陶瓷基复合材料的热/环境障涂层及其制备方法。
技术介绍
陶瓷基复合材料由于具有耐高温、低密度、高比强度、高韧性等优点，常采用其制备航空发动机叶片等关键部件，可显著降低油耗、提高发动机的工作效率。然而，由于发动机内部叶片的使用温度越来越高，其服役环境如高温水汽、熔盐等愈加恶劣，单独靠陶瓷基复合材料基体、单层热障涂层或单层环境障涂层难以满足新一代高性能发动机的需求。因此，需要在发动机叶片表面涂覆多层热/环境障复合涂层进行防护，提高发动机叶片的隔热、高温抗水汽腐蚀等性能，从而延长叶片的服役寿命。然而，由于热障涂层和环境障涂层之间的热膨胀系数差异，目前的热/环境障涂层一般通过在环境障涂层中加入改性成分来增强改性环境障涂层和热障涂层之间的物理相容性来在一定程度上避免热障涂层和环境障涂层之间的热膨胀匹配性能较差的问题，而这样的热/环境障涂层无法从根本上克服热障涂层和环境障涂层之间的热膨胀系数不匹配的问题，现有的热/环境障涂层在长时间使用过程中仍然容易出现应力收缩，产生裂纹或脱落等问题；此外，由于环境障涂层中改性成分的加入会影响环境障涂层中包含的耐环境成分性能的发挥，导致热/环境障涂层的综合性能较差。专利申请CN201380027664.0公开了一种陶瓷基复合材料构件，该构件从基材向外依次包括碳化硅层、硅层、由富铝红柱石和硅酸镱混合而成的混合层和氧化物层，该构件中包括的混合层中所含的富铝红柱石提高了混合层和氧化物层之间的密合性，但是该富铝红柱石的加入在一定程度上会影响硅酸镱的高温抗水汽腐蚀性能。现有热障涂层、环境障涂层的制备技术比较多样，其中主要包括大气等离子喷涂、电子束物理气相沉积、磁控溅射、化学气相沉积、电弧离子镀等。然而，对于多层复杂体系的热/环境障涂层，上述制备方法均存在一定的局限性，包括喷涂时粉末发生氧化、沉积速率低、成本高昂等。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的技术问题，本专利技术提供了一种用于陶瓷基复合材料的热/环境障涂层及其制备方法。本专利技术中的热/环境障涂层的隔热效果好，高温抗水汽腐蚀性能优异；本专利技术方法具有沉积效率高、成本低廉、涂层均匀等优点，能实现多层热/环境障涂层的快速、一体化制备。为了实现上述目的，本专利技术在第一方面提供了一种用于陶瓷基复合材料的热/环境障涂层，所述热/环境障涂层自陶瓷基复合材料向外依次包括硅层、硅酸镱层、由氧化铪与硅酸镱混合而成的过渡层和氧化铪层。优选地，在所述过渡层中，所述氧化铪与所述硅酸镱的摩尔比为(0.8～1.2):1，优选为1:1。优选地，所述硅层的厚度为40～60μm，所述硅酸镱层的厚度为50～100μm，所述过渡层的厚度为50～100μm，和/或所述氧化铪层的厚度为100～200μm。本专利技术在第二方面提供了本专利技术在第一方面所述的热/环境障涂层的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)将硅粉、硅酸镱粉和氧化铪粉分别装入低压等离子喷涂设备的送粉器中并进行干燥处理；(2)将陶瓷基复合材料固定在低压等离子喷涂设备的真空室内的转动台上；和(3)通过低压等离子喷涂法在陶瓷基复合材料的表面依次制备所述硅层、所述硅酸镱层、由氧化铪与硅酸镱混合而成的所述过渡层和所述氧化铪层，由此在陶瓷基复合材料的表面制得所述热/环境障涂层。优选地，在制备所述热/环境障涂层的过程中，采用等离子射流加热的方式使得所述陶瓷基复合材料的表面的温度为600～850℃；和/或在制备所述热/环境障涂层的过程中，所述真空室内的绝对压力为7×103～8×103Pa。优选地，在制备所述硅层的过程中，以氩气和氦气为等离子气体，氩气的流量为20～50L/min，氦气的流量为2～15L/min，喷涂距离为200～500mm，转动台的转速为3～10r/min，低压等离子喷涂设备的电弧电压为10～20V，电弧电流为400～700A，硅粉的送粉速率为10～20g/min。优选地，在制备所述硅酸镱层的过程中，以氩气和氦气为等离子气体，氩气的流量为20～50L/min，氦气的流量为30～60L/min，喷涂距离为400～700mm，转动台的转速为3～10r/min，低压等离子喷涂设备的电弧电压为20～40V，电弧电流为1000～1300A，硅酸镱的送粉速率为30～40g/min。优选地，在制备所述过渡层的过程中，以氩气和氦气为等离子气体，氩气的流量为20～50L/min，氦气的流量为30～60L/min，喷涂距离为500～700mm，转动台的转速为5～15r/min，低压等离子喷涂设备的电弧电压为30～40V，电弧电流为1600～2000A，氧化铪的送粉速率为10～15g/min，硅酸镱的送粉速率为20～30g/min。优选地，在制备所述氧化铪层的过程中，以氩气和氦气为等离子气体，氩气的流量为20～50L/min，氦气的流量为30～60L/min，喷涂距离为500～700mm，转动台的转速为5～15r/min，低压等离子喷涂设备的电弧电压为30～40V，电弧电流为1500～2000A，氧化铪的送粉速率为15～30g/min。优选地，所述干燥处理的温度为60～75℃，所述干燥处理的时间为3～5h；和/或所述硅粉的粒径为3～10μm，所述硅酸镱粉的粒径为5～30μm，和/或所述氧化铪粉的粒径为5～40μm。本专利技术与现有技术相比至少具有如下有益效果：(1)本专利技术中的所述热/环境障涂层中氧化铪层的主要作用是隔热、抗燃气冲刷，防止航空发动机中的热量对内层涂层材料和基体进行热侵蚀；硅酸镱层主要用于阻挡水蒸气与陶瓷基复合材料的接触，提高材料抗高温水汽腐蚀的性能，延长其高温使用寿命；其包括的硅层能缓解硅酸镱层与基体(陶瓷基复合材料)之间热膨胀系数不匹配的问题，由氧化铪与硅酸镱混合而成的过渡层作为成分过渡层能起到缓解氧化铪层与硅酸镱层之间热膨胀系数不匹配的问题，使得所述热/环境障涂层中的环境障涂层能充分发挥高温抗水汽腐蚀性能，热障涂层能充分发挥隔热性能，并且所述热/环境障涂层中的过渡层中的两种成分也能充分发挥协同作用，进一步保证了所述热/环境障涂层的隔热性能和高温抗水汽腐蚀性能，使得本专利技术中的所述热/环境障涂层的隔热效果好，高温抗水汽腐蚀性能优异。(2)本专利技术首次通过低压等离子喷涂的方法在低压、惰性气体环境下快速一体化制备了所述热/环境障涂层，本专利技术的一体化制备过程可以进一步有效地缓解由于热障涂层和环境障涂层之间热膨胀系数不匹配性的问题，避免涂层内部缺陷的产生，从而更有效地保证制得的所述热/环境障涂层具有优异的隔热性能以及优异的高温抗水汽腐蚀性能；本专利技术方法可在低压、惰性气体环境下进行大功率喷涂、射流温度高、速度快，具有沉积效率高、成本低廉、涂层均匀等优点。附图说明本专利技术附图仅仅为说明目的提供，图中各层的比例与尺寸不一定与实际产品一致。图1是本专利技术一个具体实施方式中在陶瓷基复合材料的表面制得的所述热/环境障涂层的截面结构示意图。图中：1：陶瓷基复合材料；2：硅层；3：硅酸镱层；4：过渡层；5：氧化铪层。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于陶瓷基复合材料的热/环境障涂层，其特征在于：所述热/环境障涂层自陶瓷基复合材料向外依次包括硅层、硅酸镱层、由氧化铪与硅酸镱混合而成的过渡层和氧化铪层。

【技术特征摘要】
1.一种用于陶瓷基复合材料的热/环境障涂层，其特征在于：所述热/环境障涂层自陶瓷基复合材料向外依次包括硅层、硅酸镱层、由氧化铪与硅酸镱混合而成的过渡层和氧化铪层。2.根据权利要求1所述的热/环境障涂层，其特征在于：在所述过渡层中，所述氧化铪与所述硅酸镱的摩尔比为(0.8～1.2):1，优选为1:1。3.根据权利要求1或2所述的热/环境障涂层，其特征在于：所述硅层的厚度为40～60μm，所述硅酸镱层的厚度为50～100μm，所述过渡层的厚度为50～100μm，和/或所述氧化铪层的厚度为100～200μm。4.根据权利要求1至3任一项所述的热/环境障涂层的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)将硅粉、硅酸镱粉和氧化铪粉分别装入低压等离子喷涂设备的送粉器中并进行干燥处理；(2)将陶瓷基复合材料固定在低压等离子喷涂设备的真空室内的转动台上；和(3)通过低压等离子喷涂法在陶瓷基复合材料的表面依次制备所述硅层、所述硅酸镱层、由氧化铪与硅酸镱混合而成的所述过渡层和所述氧化铪层，由此在陶瓷基复合材料的表面制得所述热/环境障涂层。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：在制备所述热/环境障涂层的过程中，采用等离子射流加热的方式使得所述陶瓷基复合材料的表面的温度为600～850℃；和/或在制备所述热/环境障涂层的过程中，所述真空室内的绝对压力为7×103～8×103Pa。6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于：在制备所述硅层的过程中，以氩气和氦气为等离子气体，氩气的流量为20～50L/min，氦气的流量为2～15L/min，喷涂距离为200～500mm，转动台的转速为3～10r/min，低压等...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宝鹏，刘伟，杨冰洋，王鹏，宋环君，于艺，于新民，刘俊鹏，
申请(专利权)人：航天特种材料及工艺技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11