一种多层结构稀土硅酸盐环境屏障涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种环境屏障涂层，具体涉及一种多层结构稀土硅酸盐环境屏障涂层及其制备方法，以解决现有技术中存在的涂层材料与基体材料热匹配差、抗热震性能差，在高温条件下易发生开裂、剥落的问题。该涂层底层为硅层，中间层为莫来石层，顶层为稀土硅酸盐复合层，稀土硅酸盐复合层的层数为3‑10层，稀土硅酸盐复合层中的稀土硅酸盐包括稀土单硅酸盐和稀土双硅酸盐，自与莫来石层相邻的起始层至远离莫来石层方向，稀土双硅酸盐含量逐层线性递增，且相邻两层增幅不超过稀土硅酸盐总含量的20％，稀土单硅酸盐含量相应逐层线性递减，底层厚度为10‑150μm，中间层厚度为10‑300μm，顶层厚度为10‑300μm，涂层总厚度≥100μm。采用对基体进等离子喷涂的方法可制得该涂层。

A multilayer rare earth silicate environmental barrier coating and its preparation

【技术实现步骤摘要】
一种多层结构稀土硅酸盐环境屏障涂层及其制备方法
本专利技术涉及一种环境屏障涂层，具体涉及一种多层结构稀土硅酸盐环境屏障涂层。本专利技术还涉及上述多层结构稀土硅酸盐环境屏障涂层的制备方法。
技术介绍
随着航空发动机向大推力、高效率、低油耗的趋势发展，航空发动机所服役的环境条件将更加苛刻。为了实现航空发动机在高推重比及高效能上的突破，必须提高发动机中燃气的温度，而燃气温度的提高势必造成高压涡轮热端部件表面温度的提高。由于高推重比航空发动机高压涡轮热端部件表面温度通常在1400℃以上，大大超过了现有镍基高温合金所能承受的温度范围，要满足先进航空发动机对材料的要求，就必须研制出能够取代镍基高温合金在更高温度下使用的新型高温结构材料。硅基非氧化物陶瓷SiC、Si3N4被认为是最有希望取代镍基高温合金的高温结构材料。但是在发动机工作环境中，由于高温、高压、水蒸气、氧、高速燃气冲刷等因素，硅基非氧化物陶瓷表面稳定性急剧恶化，产生极为严重的腐蚀问题。这成为目前制约硅基结构陶瓷在航空发动机热端部件中使用的主要因素。因此，如何提高硅基非氧化物陶瓷在发动机工作环境下的表面稳定性就成为能否将其应用于航空发动机热端部件的关键。环境屏障涂层(EnvironmentBarrierCoatings，EBCs)是一种重要的热喷涂功能涂层，其生产工艺简单，维护和性能调整便捷，封严效果极佳，可服役于较高温度和高速气流冲刷的恶劣条件下，被广泛应用于航空发动机领域，其对提高发动机效率、降低油耗进而提升发动机整体性能具有重要意义。因此，在对硅基非氧化物结构体系进行设计时，不仅需要结合复合材料自身性能特点，同时还要与EBCs涂层进行一体化设计与优化，改善材料的使用性能。目前针对硅基非氧化物陶瓷的环境屏障涂层以单层结构、双层结构及三层结构为主，制备方法多选用化学气相沉积、等离子喷涂及熔渗等单一方法来制备，且大部分材料都不能胜任在1400℃以上环境下工作，涂层材料与基体材料存在热匹配差、抗热震性能差，在高温条件尤其是热循环的工作条件下涂层容易发生开裂、剥落现象，导致涂层失效、基体材料氧化。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有技术中存在的环境屏障涂层不能胜任在1400℃以上环境下工作，涂层材料与基体材料热匹配差、抗热震性能差，在高温条件尤其是热循环的工作条件下涂层容易发生开裂、剥落的问题，而提供一种多层结构稀土硅酸盐环境屏障涂层。本专利技术的另一目的是提供上述多层结构稀土硅酸盐环境屏障涂层的制备方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种多层结构稀土硅酸盐环境屏障涂层，其特殊之处在于：包括底层、中间层和顶层；所述底层为硅层，中间层为莫来石层，顶层为稀土硅酸盐复合层；所述稀土硅酸盐复合层的层数为3-10层；所述稀土硅酸盐复合层中的稀土硅酸盐包括稀土单硅酸盐和稀土双硅酸盐；所述稀土硅酸盐复合层中，自与莫来石层相邻的起始层至远离莫来石层方向，稀土双硅酸盐含量逐层线性递增，且相邻两层增幅不超过稀土硅酸盐总含量的20％；稀土单硅酸盐含量相应逐层线性递减；上述“含量”均为质量百分含量；所述底层厚度为10-150μm，中间层厚度为10-300μm，顶层厚度为10-300μm，涂层总厚度≥100μm。进一步地，所述稀土硅酸盐的稀土元素为Y、Yb、Er、Gd、Dy、La或Sm。进一步地，所述稀土硅酸盐复合层的层数为4-6层。进一步地，所述底层厚度为10-90μm，中间层厚度为30-170μm，顶层厚度为30-170μm，涂层总厚度为200-500μm。进一步地，所述多层结构稀土硅酸盐环境屏障涂层的基体为SiC基体或C/SiC复合材料基体或SiC/SiC复合材料基体。本专利技术还提供了上述多层结构稀土硅酸盐环境屏障涂层的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：1)制备硅层采用等离子喷涂方法，将粉末粒度为100至600目的硅粉喷涂到基体材料上；喷涂时，等离子体气体总气量为150-250lpm，其中Ar占比为0-10％，N2占比为65-85％，H2占比为15-30％；载气为4-10slpm；喷涂距离为90-200mm；送粉速率为30-95g/min；2)制备莫来石层采用等离子喷涂方法，将粉末粒度为100至600目的莫来石粉末喷涂到步骤1制备的硅层上；喷涂时，等离子体气体总气量为120-200lpm，其中N2占比为60-80％，H2占比为20-40％；载气为4-10slpm；喷涂距离为90-200mm；送粉速率为30-95g/min；3)制备稀土硅酸盐复合层采用等离子喷涂方法，将化学纯度为99.5％以上，粉末粒度为100至600目的稀土单硅酸盐粉末和稀土双硅酸盐粉末，按照上述多层结构稀土硅酸盐环境屏障涂层中的配比逐次喷涂到步骤2制备的莫来石层上；喷涂时，等离子体气体总气量为120-200lpm，其中N2占比为60-80％，H2占比20-40％；载气为4-10slpm；喷涂距离为90-200mm；送粉速率为30-95g/min。进一步地，步骤1所述等离子体气体总气量为180-220lpm，其中Ar占比为5％，N2占比为75-80％，H2占比为15-20％；载气为7slpm；送粉速率为70-90g/min；步骤2所述等离子体气体总气量为150-180lpm，其中N2占比为70-75％，H2占比为25-30％；载气为8slpm；送粉速率为30-70g/min；步骤3所述等离子体气体总气量为150-180lpm，其中N2占比为70-75％，H2占比为25-30％；载气为8slpm；送粉速率为30-70g/min。本专利技术相比现有技术的有益效果是：(1)本专利技术所提供的一种多层结构稀土硅酸盐环境屏障涂层能够胜任在1400℃以上环境下工作，涂层材料与基体材料热匹配好、抗热震性能优异，在高温条件尤其是繁热循环的工作条件下不易发生开裂、剥落；(2)本专利技术选用硅层作为涂层的底层，硅层与基体复合材料具有极为接近的热膨胀系数，避免了涂层自基体开裂剥落的现象；(3)顶层选用稀土硅酸盐复合层，自与莫来石层相邻的起始层至远离莫来石层方向，稀土双硅酸盐含量逐层线性递增，由于稀土双硅酸盐抵抗恶劣环境的性能优异，则涂层表面稳定性更好；由于稀土双硅酸盐相邻两层增幅≤20％，有效避免了稀土硅酸盐复合层内部热应力不匹配的情况，保证了环境障碍涂层的抗高温性能；(4)自与莫来石层相邻的起始层至远离莫来石层方向，稀土单硅酸盐含量相应逐层线性递减，由于稀土单硅酸盐与莫来石热膨胀系数相近，两者具有更强的结合力，涂层内部不易开裂；(5)适度的涂层总厚度，不但可以有效抵御服役环境下恶劣气氛对基体表面的侵蚀，还可以有效控制涂层内部的缺陷和孔隙率；(6)在SiC基体或C/SiC复合材料基体或SiC/SiC复合材料基体上施加该涂层，可应用于航空发动机及地面燃气轮机热端部件，有效提升发动机及燃气轮机的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多层结构稀土硅酸盐环境屏障涂层，其特征在于：/n包括底层、中间层和顶层；/n所述底层为硅层，中间层为莫来石层，顶层为稀土硅酸盐复合层；/n所述稀土硅酸盐复合层的层数为3-10层；/n所述稀土硅酸盐复合层中的稀土硅酸盐包括稀土单硅酸盐和稀土双硅酸盐；/n所述稀土硅酸盐复合层中，自与莫来石层相邻的起始层至远离莫来石层方向，稀土双硅酸盐含量逐层线性递增，且相邻两层增幅不超过稀土硅酸盐总含量的20％；稀土单硅酸盐含量相应逐层线性递减；/n所述底层厚度为10-150μm，中间层厚度为10-300μm，顶层厚度为10-300μm，涂层总厚度≥100μm。/n

【技术特征摘要】
1.一种多层结构稀土硅酸盐环境屏障涂层，其特征在于：
包括底层、中间层和顶层；
所述底层为硅层，中间层为莫来石层，顶层为稀土硅酸盐复合层；
所述稀土硅酸盐复合层的层数为3-10层；
所述稀土硅酸盐复合层中的稀土硅酸盐包括稀土单硅酸盐和稀土双硅酸盐；
所述稀土硅酸盐复合层中，自与莫来石层相邻的起始层至远离莫来石层方向，稀土双硅酸盐含量逐层线性递增，且相邻两层增幅不超过稀土硅酸盐总含量的20％；稀土单硅酸盐含量相应逐层线性递减；
所述底层厚度为10-150μm，中间层厚度为10-300μm，顶层厚度为10-300μm，涂层总厚度≥100μm。


2.根据权利要求1所述的一种多层结构稀土硅酸盐环境屏障涂层，其特征在于：
所述稀土硅酸盐的稀土元素为Y、Yb、Er、Gd、Dy、La或Sm。


3.根据权利要求1所述的一种多层结构稀土硅酸盐环境屏障涂层，其特征在于：
所述稀土硅酸盐复合层的层数为4-6层。


4.根据权利要求1所述的一种多层结构稀土硅酸盐环境屏障涂层，其特征在于：
所述底层厚度为10-90μm，中间层厚度为30-170μm，顶层厚度为30-170μm，涂层总厚度为200-500μm。


5.根据权利要求1-4任一所述的一种多层结构稀土硅酸盐环境屏障涂层，其特征在于：
所述多层结构稀土硅酸盐环境屏障涂层的基体为SiC基体或C/SiC复合材料基体或SiC/SiC复合材料基体。


6.一种多层结构稀土硅酸盐环境屏障涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备硅层
采用等离子喷涂方法，将粉末粒度为100至600目的硅粉喷涂到基体材料上；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晰，李建章，王鹏，张海昇，马文科，成来飞，
申请(专利权)人：西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61