CN102249735B

CN102249735B - 一种低温制备环境障碍涂层的方法

Info

Publication number: CN102249735B
Application number: CN 201110100525
Authority: CN
Inventors: 王一光; 刘佳; 张立同; 成来飞
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2031-04-21
Also published as: CN102249735A

Abstract

本发明涉及一种低温制备环境障碍涂层的方法。实施方法为，以有机硅为先驱体混合适当粉体为填料，再加入适量烧结助剂制备浆料。具体配比为：有机硅+40％～80％环境障碍涂层粉料+2％～10％烧结助剂。经球磨混料后制备涂层生坯。根据不同的环境障碍涂层粉料，在1200℃～1350℃温度范围内低温烧结得到致密的涂层。该方法较正常的浆料法制备涂层温度低100℃～200℃可有效保护基体材料中的碳纤维或者碳化硅纤维。并且烧结助剂的加入不会影响所制备涂层的高温环境性能。

Description

一种低温制备环境障碍涂层的方法

技术领域

本发明涉及一种低温制备环境障碍涂层的方法，通过添加烧结助剂来降低环境障碍涂层制备温度的方法，属于涂层的制备领域。

背景技术

连续纤维增韧碳化硅陶瓷复合材料(CFCC-SiC)拥有高比强度、高比模量、抗烧蚀、抗氧化和低密度等特点，现已成为航空发动机热端部件上理想的候选材料。在CFCC-SiC复合材料表面，通过化学气相沉积碳化硅涂层可有效提高复合材料的抗氧化性能，但是在发动机燃烧室环境下碳化硅涂层表面所形成的氧化硅保护膜会被燃气中的水和熔盐所侵蚀，从而使CFCC-SiC复合材料部件的抗氧化性能急剧下降。而在碳化硅涂层表面涂覆环境障碍涂层，可以克服CFCC-SiC复合材料在发动机燃烧室环境下抗氧化性能失效的问题，保障CFCC-SiC复合材料部件在有水蒸气及腐蚀性杂质存在条件下的环境耐久性，满足航空发动机部件长寿命的要求。

环境障碍涂层的制备方法有等离子喷涂、化学气相沉积(CVD)、溶胶-凝胶法和电子束辅助物理气相沉积等。其中使用溶胶-凝胶法可以完成对复杂形状构件表面涂层的制备，但使用溶胶-凝胶法制备的涂层在热处理时体积收缩较大，很难制备致密涂层。因此，后来人们又发展使用浆料法来代替溶胶-凝胶法。浆料法是指使用粉体和适当粘结剂与水或者酒精混合制成浆料，再涂刷或使用浸蘸提拉的方法在构件表面制备涂层生坯，经过高温烧结而得到涂层。浆料法存在的主要问题就是涂层必须在较高的温度下才能烧结，比如使用浆料法在CFCC-SiC复合材料上制备BaO-SrO-Al₂O₃-SiO₂(BSAS)涂层时的烧结温度为1350℃，而CFCC-SiC复合材料的增强纤维一般为C纤维和SiC纤维，在如此高温度下对复合材料的C纤维或者SiC纤维都会有一定程度的损伤。因此环境障碍涂层的低温制备方法是一种很重要且有实用意义的技术。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种低温制备环境障碍涂层的方法，通过向浆料中添加烧结助剂，可以有效地降低涂层的制备温度，从而避免对复合材料的损伤。

技术方案

一种低温制备环境障碍涂层的方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1、浆料的配制：以有机硅为先驱体混合适当粉体为填料，再加入烧结助剂制备浆料，具体配比为：有机硅加上占重量40wt％～80wt％环境障碍涂层粉料，再加上占总重量2wt％～10wt％烧结助剂；

步骤2：使用球磨机对添加了烧结助剂的浆料进行球磨混料；

步骤3：采用直接涂刷或者使用浸蘸提拉的方法将步骤2混合好的混料在复合材料表面涂覆得到涂层生坯；

步骤4：使用可通入保护气氛的炉子并在全过程中通入氩气作为保护气体进行涂层的烧结，具体烧结工艺参数为：从室温开始1℃/min升温至900℃保温2小时完成对有机物的裂解，再1℃/min升温至目标温度1200℃～1350℃完成对涂层的烧结，最后1℃/min冷却至室温。

所述有机硅为聚硅氧烷、聚碳硅烷或聚氮硅烷。

所述环境障碍涂层粉料为BSAS、Sc₂Si₂O₇、Y₂SiO₅或Lu₂SiO₅。

所述烧结助剂为H₃BO₃、B₂O₃、Li₂CO₃或Li₂O₃。

所述步骤2的球磨过程使用星型球磨机、振摆球磨机或者简易的滚动式轻型球磨机。

有益效果

本发明提出的一种低温制备环境障碍涂层的方法，通过向浆料中添加烧结助剂后，使得：(1)烧结助剂的引入使晶格空位增加，易于扩散，烧结速度加快而易于烧结；(2)烧结助剂的引入使液相在较低的温度下生成，出现液相后晶体能作粘性流动，因而在较低的温度下就可以烧结；(3)烧结助剂的引入可以提高表面能/界面能比值，直接提高烧结动力；(4)烧结助剂主要包括含硼化合物(如氧化硼，硼酸)和含锂化合物(如氧化锂，碳酸锂)，对于以含硼化合物作为烧结助剂的涂层，在高温下含硼化合物中的硼元素会以化合物的形式从涂层中挥发出去，从而不影响涂层的环境使用性能。而对于以含锂化合物作为烧结助剂的涂层，由于涂层中锂的含量很少(大约为1％左右)，也不会影响涂层的环境使用性能。

本发明可以避免复合材料中的C纤维或者SiC纤维在制备涂层时因为温度过高而造成的损伤，从而可以保证其在使用时的良好性能。主要优点就是：(1)实现了涂层的低温制备高温使用。(2)使复合材料在制备过程中免遭损伤，有效的保证了复合材料在高温使用时的良好性能。(3)所使用的烧结助剂不会影响涂层的环境使用性能。(4)实施过程简单易行，对设备没有特殊要求。

附图说明

图1：使用浆料法以硼酸作为烧结助剂在1200℃制备的BSAS涂层表面；

图2：使用浆料法以硼酸作为烧结助剂在1200℃制备的BSAS涂层截面；

图3：使用浆料法以硼酸作为烧结助剂在1200℃制备的BSAS涂层的XRD图谱；

图4：使用浆料法以硼酸作为烧结助剂在1200℃制备的BSAS涂层在1250℃，50％H₂O-50％O₂环境下水氧腐蚀200h后的截面；

图5：没有涂覆BSAS涂层的试样在1250℃，50％H₂O-50％O₂环境下水氧腐蚀200h后的截面；

图6：使用浆料法以硼酸作为烧结助剂在1200℃制备的BSAS涂层在1250℃，50％H₂O-50％O₂环境下水氧腐蚀200h后的氧化失重与温度曲线；

图7：使用浆料法以硼酸作为烧结助剂在1200℃制备的BSAS涂层在1250℃，50％H₂O-50％O₂环境下水氧腐蚀200h后的残余弯曲强度与温度曲线；

图8：使用浆料法以Li₂CO₃作为烧结助剂在1250℃制备的Sc₂Si₂O₇涂层表面。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施例1：

1.将40wt％的BSAS粉体加入到聚硅氧烷先躯体中，再混合5wt％的硼酸作为烧结助剂。使用振摆球磨机球磨30分钟。

2.将混合好的浆料涂刷到C/SiC试样表面，于120℃固化10分钟。

3.在真空管式炉中通氩气作为保护气体，于1200℃热处理2小时。即可得到致密的BSAS涂层。

4.在水氧腐蚀装置中进行涂层的性能考核。整个水氧腐蚀实验条件如下：炉内温度1250℃，气氛为50％H₂O-50％O₂，气体流速为8.5×10^-4m/s(该流速为室温下的估计值)，压力为1atm，整个水氧腐蚀时间为200小时。从水氧腐蚀后的试样截面就可以看到，有涂层的试样，基体材料中的C纤维和SiC基体都得到了很好保护，而没有涂层保护的试样，基体已经被严重破坏。

5.在水氧实验的第0，5，10，20，50，100，150，200小时测试试样的重量，在第0，10，50，100，200小时测试试样的残余抗弯强度。

6.从所获得的氧化失重与温度曲线和残余抗弯强度与温度曲线中可以看到，涂覆有BSAS涂层的C/SiC复合材料与没有涂覆BSAS涂层的C/SiC复合材料相比，两者之间的氧化失重和残余弯曲强度有巨大差距，有涂层试样的各项性能明显高于没有涂层试样。这说明使用硼酸作为烧结助剂制备的BSAS涂层可作为C/SiC复合材料的环境障碍涂层。而且可将制备温度从1350℃降低到1200℃，使基体材料的得到了一定程度的保护。

实施例2：以聚氮硅烷作为前躯体混合Sc₂Si₂O₇粉体制备浆料，使用Li₂CO₃作为烧结助剂于1250℃制备Sc₂Si₂O₇环境障碍涂层。

1.将70wt％的Sc₂Si₂O₇粉体加入到聚氮硅烷先躯体中，再混合5wt％的Li₂CO₃作为烧结助剂，加入适量酒精降低浆料粘度。使用振摆球磨机球磨30分钟。

2.将混合好的浆料涂刷到C/SiC试样表面，于120℃固化8小时。

3.在真空管式炉中通氩气作为保护气体，于1250℃热处理2小时。即可得到致密的Sc₂Si₂O₇涂层。

Claims

1.一种低温制备环境障碍涂层的方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1、浆料的配制：以有机硅为先驱体混合适当粉体为填料，再加入烧结助剂制备浆料，具体配比为：有机硅加上占重量40wt％～80wt％环境障碍涂层粉料，再加上占总重量2wt％～10wt％烧结助剂；所述环境障碍涂层粉料为BSAS、Sc₂Si₂O₇、Y₂SiO₅或Lu₂SiO₅；所述烧结助剂为H₃BO₃、B₂O₃或Li₂CO₃；

步骤2：使用球磨机对添加了烧结助剂的浆料进行球磨混料；

2.根据权利要求1所述低温制备环境障碍涂层的方法，其特征在于：所述有机硅为聚硅氧烷、聚碳硅烷或聚氮硅烷。

3.根据权利要求1所述低温制备环境障碍涂层的方法，其特征在于：所述步骤2的球磨过程使用星型球磨机、振摆球磨机或者简易的滚动式轻型球磨机。