一种成分梯度变化的环境障碍涂层及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种成分梯度变化的环境障碍涂层及制备方法。所述环境障碍涂层依次包括基体、位于所述基体表面的粘结层和梯度陶瓷外层；所述梯度陶瓷外层包括两种成分：C1和C2，所述C1选自稀土单硅酸盐Y2SiO5、Sc2SiO5、Er2SiO5、Yb2SiO5、Lu2SiO5中的一种，C2选自对应的稀土焦硅酸盐Y2Si2O7、Sc2Si2O7、Er2Si2O7、Yb2Si2O7、Lu2Si2O7中的一种；所述梯度陶瓷外层的层数为4～10层，从第一层到最后一层，C1的体积百分含量从0％～100％逐层递增，C2的体积百分含量从100％～0％逐层递减；每层C1与C2的质量百分含量之和为100％。量之和为100％。量之和为100％。

【技术实现步骤摘要】
一种成分梯度变化的环境障碍涂层及制备方法


[0001]本专利技术属于无机材料领域，具体涉及一种可以用于陶瓷基材料表面成分梯度变化的环境障碍涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着航空工业的迅猛发展，高推重比发动机已成为航空发动机发展的重点。陶瓷基复合材料具有密度低、高温强度好、疲劳极限高等特点，被视为新一代高推重比航空发动机热端部件的主要候选材料。在航空发动机长时间服役过程中，陶瓷基复合材料会受到高温水蒸气的腐蚀(水氧腐蚀)，从而导致材料性能急剧下降。环境障涂层(Environmental Barrier Coating,EBC)涂覆于陶瓷基复合材料表面，能够将基体材料与服役环境中的腐蚀性产物(高温水蒸气、熔盐等)隔离开来，从而提高陶瓷基复合材料在发动机环境中的表面稳定性。EBC作为未来先进航空发动机热端部件使用的重要材料，在航空发动机的发展中有着举足轻重的地位。
[0003]研究发现，稀土硅酸盐一般具有较低的热膨胀系数和良好的相稳定性以及优良的抗水蒸气腐蚀能力，是最具潜力的环境障碍涂层材料。稀土硅酸盐包括稀土单硅酸盐(RE2SiO5)和稀土焦硅酸盐(RE2Si2O7)。一般而言，与RE2Si2O7相比，RE2SiO5具有较好耐水氧腐蚀性能、较低的热导率和较高的热膨胀系数。目前报道性能较为优越的稀土硅酸盐环境障碍涂层为Si/Mullite/稀土硅酸盐涂层体系，这些涂层体系虽然在一定程度上可以起到保护基体材料的作用，但其性能和服役寿命都受到了材料本身特性的限制，存在着一些不足之处。比如，稀土硅酸盐与莫来石的化学相容性并不理想；热循环过程中出现贯穿稀土硅酸盐面层和莫来石中间层的裂纹，加速涂层体系失效。
[0004]所以，综合利用不同稀土硅酸盐材料的优点，制备出与基体材料物理化学性能匹配，可缓解涂层与基体、涂层与涂层间的热应力，具有良好的抗热冲击和耐水氧腐蚀性能的涂层体系，是目前研究的一个重要方向。
[0005]梯度功能涂层是两种或多种材料复合且通过结构和组成要素的连续梯度变化以获得性能相应于结构与组成的变化而渐变的非均质复合涂层材料。在环境障碍涂层中引入梯度涂层的思想，使涂层成分和结构要素沿其厚度方向逐渐改变，涂层性能呈连续梯度变化，是减缓涂层内部应力集中、降低涂层的热应力、减少裂纹萌生，提高涂层抗热震和耐蚀性能的有效方法之一。

技术实现思路

[0006]针对上述问题，本专利技术旨在提供一种成分梯度变化的环境障碍涂层及制备方法。
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种成分梯度变化的环境障碍涂层，所述环境障碍涂层依次包括基体、位于所述基体表面的粘结层和梯度陶瓷外层。
[0008]所述梯度陶瓷外层包括两种成分：C1和C2，所述C1选自稀土单硅酸盐(RE2SiO5)Y2SiO5、Sc2SiO5、Er2SiO5、Yb2SiO5、Lu2SiO5中的一种，C2选自对应的稀土焦硅酸盐(RE2Si2O7)
Y2Si2O7、Sc2Si2O7、Er2Si2O7、Yb2Si2O7、Lu2Si2O7中的一种。
[0009]所述梯度陶瓷外层的层数为4～10层，从第一层到最后一层，C1的体积百分含量从0％～100％逐层递增，C2的体积百分含量从100％～0％逐层递减；每层C1与C2的质量百分含量之和为100％。
[0010]所述第一层是指与粘结层直接接触的一层，所述最后一层是指与粘结层距离最远的一层。
[0011]由于稀土硅酸盐材料本身具有良好的耐腐蚀性能，本专利技术通过梯度结构降低热应力，减少裂纹萌生，无需增加隔氧层就能减少了氧化性物质进入涂层体系的通道，具有良好的隔氧效果。因此，本专利技术舍弃隔氧层(莫来石)，直接以Yb2Si2O7作为内部涂层材料。研究表明，Yb2Si2O7存在以孪晶变形和平行位错滑移为主的塑性变形，其损伤容限优异；具有良好的抗裂纹扩展性能。
[0012]本专利技术设计的4～10层结构主要是保持梯度结构，满足涂层成分和结构要素沿其厚度方向逐渐改变，涂层性能呈连续梯度变化。少于4层则梯度结构和性能不明显，多于10层则制备工艺过于繁琐。
[0013]优选的，所述基体选自SiC基体、Si3N4基体、C/C复合材料基体、C/SiC复合材料基体和SiC/SiC复合材料基体中的一种。
[0014]优选的，所述粘结层为Si层，厚度为20～130μm。
[0015]优选的，所述梯度陶瓷涂层的每一层复合材料的厚度为10～200μm。
[0016]优选的，所述梯度陶瓷涂层的总厚度大于200μm，进一步优选为200μm～1000μm。
[0017]第二方面，本专利技术提供了上述环境障碍涂层的制备方法，包括：将C1粉体和C2粉体混合，然后造粒获得复合粉体，按照不同比例分别配置各层复合粉体；对基体材料表面进行预处理；采用等离子体喷涂法将造粒后的复合粉体依次逐层喷涂在带有粘结层的基体上，制备梯度陶瓷外层。
[0018]本专利技术采用的制备工艺为等离子体喷涂法，具有沉积速率快、成本低、生产效率高、重复性好、喷涂层厚度可调范围大、以及对部件形状和尺寸适应性强等优点。
[0019]优选的，所述粉体混合的方法为球磨混合，采用的混粉剂为乙醇或水。
[0020]优选的，所述造粒的方法为喷雾造粒法或筛分造粒法，制备的复合粉体的粒径为10μm～100μm。
[0021]所述预处理步骤包括：表面粗糙化和制备粘结层；表面粗糙化方法为喷砂预处理或激光图案化处理；制备粘结层的方法为采用等离子喷涂法在粗糙化的基体表面进行喷涂。
[0022]优选的，所述制备Si涂层采用的等离子喷涂法的参数包括：等离子体气体Ar：35～48slpm；粉末载气Ar：2～7slpm；等离子体气体H2：5～13slpm；喷涂距离：90～200mm；喷涂功率：30～45kw；送粉速率：10～35r/min。
[0023]优选的，所述制备梯度陶瓷外层采用的等离子喷涂法的参数包括：等离子体气体Ar流量：30～55slpm；粉末载气Ar流量：2～7slpm；等离子体气体H2流量：5～15slpm；喷涂距离：90～200mm；喷涂功率：30～50kw；送粉速率：10～35r/min。
[0024]优选的，所述制备梯度陶瓷外层采用的等离子喷涂法的参数包括：等离子体气体Ar流量：35～48slpm；等离子体气体H2流量：5～13slpm；喷涂功率：30～45kw。
[0025]有益效果：1、RE2SiO5具有较高的热膨胀系数、较好的耐蚀性能和更低的挥发性，而RE2Si2O7具有较低的热膨胀系数、较弱的耐蚀性能和较高的挥发性，因此，RE2SiO5更适合作为EBC的面层材料。本专利技术设计的梯度涂层综合了RE2SiO5和RE2Si2O7两种材料的优点，通过调节组分的梯度变化实现涂层体系热膨胀系数由内到外亦呈现梯度变化，这减小了涂层与基体材料之间的热应力。2、由于稀土硅酸盐材料本身具有良好的耐腐蚀性能，本专利技术通过梯度结构降低热应力，减少裂纹萌生，无需增加隔氧层就能减少了氧化性物质进入涂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种成分梯度变化的环境障碍涂层，其特征在于，所述环境障碍涂层依次包括基体、位于所述基体表面的粘结层和梯度陶瓷外层；所述梯度陶瓷外层包括两种成分：C1和C2，所述 C1 选自稀土单硅酸盐Y2SiO5、Sc2SiO5、Er2SiO5、Yb2SiO5、Lu2SiO5中的一种，C2选自对应的稀土焦硅酸盐Y2Si2O7、Sc2Si2O7、Er2Si2O7、Yb2Si2O7、Lu2Si2O7中的一种；所述梯度陶瓷外层的层数为4～10层，从第一层到最后一层，C1的体积百分含量从0％～100％逐层递增，C2的体积百分含量从100％～0％逐层递减；每层C1与C2的质量百分含量之和为100％；所述第一层是指与粘结层直接接触的一层，所述最后一层是指与粘结层距离最远的一层。2.根据权利要求1所述的环境障碍涂层，其特征在于，所述基体选自SiC基体、Si3N4基体、C/C复合材料基体、C/SiC复合材料基体和SiC/SiC复合材料基体中的一种。3.根据权利要求1或2所述的环境障碍涂层，其特征在于，所述粘结层为Si层，厚度为20～130μm。4.根据权利要求1-3中任一项所述的环境障碍涂层，其特征在于，所述梯度陶瓷涂层的每一层复合材料的厚度为10～200μm。5.根据权利要求1-4中任一项所述的环境障碍涂层，其特征在于，所述梯度陶瓷涂层的总厚度大于200μm，优选为 200μm ～1000μm。6.一种权利要求1-5中任一项所述环境障碍涂层的制备方法，其特征在于，包括：将C1粉体和C2粉体混合，然后造粒获得复合粉体，按照不同比例分别配置各层复合粉体；对基体材料表面进行预处理；采用等离子体喷涂法将造粒后的...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟鑫，牛亚然，毛枫岐，黄利平，郑学斌，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：