CN106435443B - 一种环境障涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种环境障涂层的制备方法，其步骤是采用等离子喷涂‑物理沉积技术，分别以粒径15~45μm的Si粉末，粒径15~40μm团聚的莫来石粉末和粒径10~40μm团聚的Yb2SiO5粉末为原料，依次在硅基复合材料上制备Si涂层，在Si涂层上制备莫来石涂层和在莫来石涂层上制备Yb2SiO5涂层，喷涂过程中，硅基复合材料的温度控制在900~1100℃，制得所述硅基复合材料环境障涂层。本发明提供一种环境障涂层的制备方法，该环境障涂层较传统制备技术可减少涂层中裂纹的数量、可降低Si涂层的氧化以及避免莫来石涂层中晶粒的非晶化现象。

Description

一种环境障涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种硅基复合材料防护涂层的制备方法。
背景技术
要实现航空发动机在高推重比和高效能上的重大突破，就必须提高发动机中燃气的温度，而燃气温度的提高相应的就会造成高压涡轮热端部件表面温度的提高。高推重比航空发动机高压涡轮热端部件表面温度达到1400℃以上，这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在发动机热端部件中得以应用的高温结构材料，新型硅基陶瓷材料的高温力学性能较好，在实验室干燥环境中，硅基非氧化物陶瓷还表现出了良好的稳定性。然而，在干燥环境中具有良好稳定性的硅基非氧化物陶瓷在发动机工作环境中表面稳定性却发生了急剧恶化，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。环境障涂层(Environmental Barrier Coatings，简称EBCs)的制备正是解决这一难题的关键技术。环境障涂层是指在发动机环境下使用的高温结构材料表面的防护涂层，该涂层能够在高温结构材料和发动机恶劣环境(腐蚀性介质、高速气流冲刷等)间设立一道屏障，阻止或减小发动机环境对高温结构材料性能的影响。
硅基结构陶瓷在干燥、无杂质的氧气(空气)中具有优良的高温表面稳定性，这和硅基结构陶瓷表面生成的一层致密、稳定的SiO2有关。由于SiO2层的存在，阻断了环境中的氧气和硅基陶瓷的直接接触。在实验室环境下，具有较好表面稳定性的硅基结构陶瓷在发动机工作环境下表面保护层却会迅速退化，这是由于航空发动机中，燃油的燃烧会产生多种腐蚀性的盐，同时还含有大量的水蒸汽。水蒸汽的存在对于硅基陶瓷表面稳定性的下降有着重要影响。水蒸汽能够和硅基陶瓷表面的SiO2保护层发生化学反应生成挥发性的Si(OH)4。挥发性的Si(OH)4被高速运动的气流带走，使得硅基结构陶瓷暴露于高温燃烧气体中，重新生成SiO2层。硅基陶瓷氧化生成SiO2的过程和SiO2跟水蒸汽反应生成挥发性Si(OH)4被带走的过程同时发生，两者最终达到平衡，使得表面SiO2层厚度维持恒定，而硅基陶瓷尺寸成线性减小。
制约硅基结构陶瓷在发动机热端部件中使用的一个重要因素是其在发动机环境中的表面稳定性不足，解决这一问题的方法是在陶瓷基体上沉积或涂敷涂层。通过涂层，将硅基陶瓷基体同发动机中的腐蚀性产物，尤其是水蒸汽隔离开来，减少硅基陶瓷表面保护层的挥发，提高陶瓷在发动机环境中的表面稳定性，使得硅基结构陶瓷的表面退化行为不成为制约高温结构部件使用寿命的瓶颈。作为早期的第一代环境障涂层，其主要着眼于提高涂层的抗熔盐腐蚀性能。氧化物陶瓷相对于非氧化物陶瓷有较好的高温抗腐蚀性和长期稳定性，是硅基非氧化物陶瓷表面环境障涂层材料的首选。莫来石(3Al2O3-2SiO2)因其和硅基陶瓷材料有相近的热膨胀系数、良好的化学相容性以及自身优异的抗腐蚀性能首先进入人们的视野(Federer J. I., Alumina base coatings for protection of SiCceramic,《Journal of Materials Engineering》, 1990(12), p141-149)。第一代环境障涂层主要是指在硅基陶瓷表面用大气等离子喷涂(APS)方法沉积的莫来石涂层，该涂层的主要问题是在使用过程中会产生较多的裂纹，使得腐蚀性物质能够沿着裂纹渗入并与基体接触，造成基体的破坏。实验发现，采用传统APS方法制备莫来石环境障涂层时，在莫来石固化凝结过程中，由于温降速率较大，使得涂层中存在较多的亚稳态莫来石晶粒。涂层在较高温度的使用过程中，这些亚稳态的莫来石要转化成自由能较低的稳态莫来石。两者的密度不同，在转变过程中就会产生热应力，从而造成裂纹的发生。因此人们随后发展了第二代涂层，第二代环境障涂层采用莫来石作为中间层，而使用BSAS(1-xBaO-xSrO-Al2O3-2SiO2，0≤x≤1)作为环境障涂层面层(Lee K. N., et al., Upper temperature limit ofenvironment barrier coatings based on mullite and BSAS,《Journal of theAmerican Ceramic Society》, 2003(8), p1299-1306)。第二代环境障涂层较第一代环境障涂层最显著的优点是大大提高了涂层对基体保护的持久性，在实践中获得了良好的应用。但第二代环境障涂层存在的不足是其使用温度较低。在更高的使用温度下，虽然BSAS中的SiO2活度较莫来石低，但涂层表面稳定性，如挥发性较大，仍满足不了发动机设计的要求。人们希望环境障涂层表面能够承受1482℃，而目前BSAS尚不能满足，而稀土硅酸盐(Lu2Si2O7、Lu2SiO5、Yb2SiO5)相对于BSAS在航空发动机工作环境下具有较低的挥发性，是有可能取代BSAS在更高温度下使用的环境障涂层面层候选材料，这从而发展为后来的第三代环境障涂层。稀土硅酸盐本身和硅基陶瓷结合不好，不能直接涂敷在硅基陶瓷上，一般需要在硅基陶瓷表面制备一层Si底层，然后再制备一层莫来石中间层，最后在制备稀土硅酸盐作为环境障涂层的面层。
在第三代环境障涂层制备技术中，大气等离子喷涂(APS)占据主导地位(焦春荣等，等离子喷涂BSAS环境障涂层性能研究,《中国材料进展》, 2016(35), p466-471)，但这种技术存在几种弊端，首先是在喷涂过程中，由于在大气环境下制备，基体预热温度不高，涂层材料沉积在基体表面时，由于热应力较大导致涂层出现较多裂纹，另外喷涂莫来石中间层时，莫来石晶粒固化凝结过程中的降温速度过快，使得涂层存在较多的亚稳态莫来石，导致其在服役过程中发生相变，进而诱发裂纹的产生。其次，由于APS在大气环境下工作，制备Si涂层时，会发生氧化形成二氧化硅，进而与莫来石中间层产生热不匹配性，导致环境障涂层热循环性能降低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种硅基复合材料环境障涂层的制备方法，步骤如下：将硅基复合材料依次用汽油、丙酮和酒精进行超声波除污清洗；将清洗后的硅基复合材料安装在样品台上，放置在真空罐中，抽真空至0.5mbar，再回填氩气至40mbar，再把真空罐抽真空至1.5mbar；采用等离子喷涂-物理沉积技术，分别以粒径15~45μm的Si粉末，粒径15~40μm团聚的莫来石粉末和粒径10~40μm团聚的Yb2SiO5粉末为原料，依次在硅基复合材料上制备Si涂层，在Si涂层上制备莫来石涂层和在莫来石涂层上制备Yb2SiO5涂层，喷涂过程中，硅基复合材料的温度控制在900~1100℃，制得所述硅基复合材料环境障涂层。
所述制备Si涂层的参数为：等离子喷涂净功率为40~50kW，等离子气体中氩气为90~120NSPM，等离子气体中氢气为5~10NSPM，送粉量为15~20g/min，喷涂距离30~50mm。
所述制备莫来石涂层的参数为：等离子喷涂净功率为60~70kW，等离子气体中氩气为60~80NSPM，等离子气体中氦气为40~60NSPM，送粉量为18~25g/min，喷涂距离950~1050mm。
所述制备Yb2SiO5涂层的参数为：等离子喷涂净功率为40~50kW，等离子气体中氩气为80~120NSPM，等离子气体中氢气为10~20NSPM，送粉量为5~10g/min，喷涂距离1000~1050mm。
本发明提供一种满足先进航空发动机硅基复合材料热端部件的致密环境障涂层制备方法，其中致密涂层包括Si底层、莫来石中间层以及Yb2SiO5面层。环境障涂层中三种致密涂层均采用等离子喷涂-物理气相沉积技术制备，当等离子喷涂-物理气相沉积的真空罐压力为1.5mbar时，等离子焰流拥有较高的温度(>10000℃)和速度(>800m/s)。喷涂过程中，喷涂粉末通过双内送粉方式送入等离子喷枪，其中粉末在高温等离子体焰流的作用下逐渐发生熔融形成熔滴，最终喷涂粉末以熔滴的形式撞击基体表面，并在高速等离子的作用下高速撞击基体的熔滴迅速扁平化，由于基体温度较高，扁平熔滴产生的热残余应力较低从而避免了热应力释放诱发大量裂纹产生现象。此外，在喷涂Si涂层过程中，由于真空罐压力为1.5mbar且填充有氩气，因此氧分压较低，这从而避免了Si涂层的氧化。另外，在喷涂莫来石涂层时，由于为低压环境，基体温度可控制在1050℃，较高的基体温度从而避免了传统大气等离子喷涂技术中莫来石晶粒降温迅速导致的涂层非晶化现象产生。
附图说明
图1实施例1的环境障涂层断面电子扫描形貌。
图中：1.硅基复合材料；2.Si涂层；3.莫来石涂层；4.Yb2SiO5涂层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的制备方法做进一步说明。
实施例1
以SiC复合材料为基体，使用汽油、丙酮和酒精依次对基体进行超声波除污清洗，然后把基体安装在夹具上。采用等离子喷涂-物理气相沉积技术在清洗过的基体上依次制备Si涂层、莫来石涂层以及Yb2SiO5涂层。其中制备Si涂层参数为：喷枪净功率为40kW，等离子气体中氩气为90NSPM，等离子气体中氢气为5NSPM，送粉量为15g/min，喷涂距离30mm，基体温度控制在900℃。其中喷涂莫来石涂层参数为：喷枪净功率为60kW，等离子气体中氩气为60NSPM，等离子气体中氦气为40NSPM，送粉量为18g/min，喷涂距离950mm，基体温度控制在1050℃。其中喷涂Yb2SiO5涂层参数为：喷枪净功率为40kW，等离子气体中氩气为80NSPM，等离子气体中氢气为10NSPM，送粉量为5g/min，喷涂距离1000mm，基体温度控制在900℃。
实施例2
以SiC复合材料为基体，使用汽油、丙酮和酒精依次对基体进行超声波除污清洗，然后把基体安装在夹具上。采用等离子喷涂-物理气相沉积技术在清洗过的基体上依次制备Si涂层、莫来石涂层以及Yb2SiO5涂层。其中制备Si涂层参数为：喷枪净功率为45kW，等离子气体中氩气为100NSPM，等离子气体中氢气为7NSPM，送粉量为17g/min，喷涂距离40mm，基体温度控制在900℃。其中喷涂莫来石涂层参数为：喷枪净功率为65kW，等离子气体中氩气为70NSPM，等离子气体中氦气为50NSPM，送粉量为20g/min，喷涂距离1000mm，基体温度控制在1050℃。其中喷涂Yb2SiO5涂层参数为：喷枪净功率为45kW，等离子气体中氩气为90NSPM，等离子气体中氢气为15NSPM，送粉量为7g/min，喷涂距离1010mm，基体温度控制在900℃。
实施例3
以SiC复合材料为基体，使用汽油、丙酮和酒精依次对基体进行超声波除污清洗，然后把基体安装在夹具上。采用等离子喷涂-物理气相沉积技术在清洗过的基体上依次制备Si涂层、莫来石涂层以及Yb2SiO5涂层。其中制备Si涂层参数为：喷枪净功率为50kW，等离子气体中氩气为110NSPM，等离子气体中氢气为10NSPM，送粉量为20g/min，喷涂距离50mm，基体温度控制在900℃。其中喷涂莫来石涂层参数为：喷枪净功率为70kW，等离子气体中氩气为80NSPM，等离子气体中氦气为60NSPM，送粉量为25g/min，喷涂距离1050mm，基体温度控制在1050℃。其中喷涂Yb2SiO5涂层参数为：喷枪净功率为50kW，等离子气体中氩气为100NSPM，等离子气体中氢气为20NSPM，送粉量为10g/min，喷涂距离1050mm，基体温度控制在900℃。
实施例4
以SiC复合材料为基体，使用汽油、丙酮和酒精依次对基体进行超声波除污清洗，然后把基体安装在夹具上。采用等离子喷涂-物理气相沉积技术在清洗过的基体上依次制备Si涂层、莫来石涂层以及Yb2SiO5涂层。其中制备Si涂层参数为：喷枪净功率为42kW，等离子气体中氩气为120NSPM，等离子气体中氢气为10NSPM，送粉量为20g/min，喷涂距离50mm，基体温度控制在900℃。其中喷涂莫来石涂层参数为：喷枪净功率为63kW，等离子气体中氩气为75NSPM，等离子气体中氦气为60NSPM，送粉量为25g/min，喷涂距离1050mm，基体温度控制在1050℃。其中喷涂Yb2SiO5涂层参数为：喷枪净功率为47kW，等离子气体中氩气为110NSPM，等离子气体中氢气为20NSPM，送粉量为10g/min，喷涂距离1050mm，基体温度控制在900℃。
实施例5
以SiC复合材料为基体，使用汽油、丙酮和酒精依次对基体进行超声波除污清洗，然后把基体安装在夹具上。采用等离子喷涂-物理气相沉积技术在清洗过的基体上依次制备Si涂层、莫来石涂层以及Yb2SiO5涂层。其中制备Si涂层参数为：喷枪净功率为47 kW，等离子气体中氩气为115NSPM，等离子气体中氢气为7NSPM，送粉量为18g/min，喷涂距离50mm，基体温度控制在900℃。其中喷涂莫来石涂层参数为：喷枪净功率为67kW，等离子气体中氩气为70NSPM，等离子气体中氦气为60NSPM，送粉量为22g/min，喷涂距离1050mm，基体温度控制在1050℃。其中喷涂Yb2SiO5涂层参数为：喷枪净功率为47kW，等离子气体中氩气为120NSPM，等离子气体中氢气为20NSPM，送粉量为10g/min，喷涂距离1050mm，基体温度控制在900℃。
实施例6
以SiC复合材料为基体，使用汽油、丙酮和酒精依次对基体进行超声波除污清洗，然后把基体安装在夹具上。采用等离子喷涂-物理气相沉积技术在清洗过的基体上依次制备Si涂层、莫来石涂层以及Yb2SiO5涂层。其中制备Si涂层参数为：喷枪净功率为47kW，等离子气体中氩气为120NSPM，等离子气体中氢气为10NSPM，送粉量为18g/min，喷涂距离50mm，基体温度控制在900℃。其中喷涂莫来石涂层参数为：喷枪净功率为67kW，等离子气体中氩气为70NSPM，等离子气体中氦气为60NSPM，送粉量为22g/min，喷涂距离1000mm，基体温度控制在1050℃。其中喷涂Yb2SiO5涂层参数为：喷枪净功率为47kW，等离子气体中氩气为120NSPM，等离子气体中氢气为15NSPM，送粉量为10g/min，喷涂距离1000mm，基体温度控制在900℃。

Claims (1)

1.一种环境障涂层的制备方法，其特征是将硅基复合材料依次用汽油、丙酮和酒精进行超声波除污清洗；将清洗后的硅基复合材料安装在样品台上，放置在真空罐中，抽真空至0.5mbar，再回填氩气至40mbar，再把真空罐抽真空至1.5mbar；采用等离子喷涂-物理沉积技术，分别以粒径15~45μm的Si粉末，粒径15~40μm团聚的莫来石粉末和粒径10~40μm团聚的Yb2SiO5粉末为原料，依次在硅基复合材料上制备Si涂层，在Si涂层上制备莫来石涂层和在莫来石涂层上制备Yb2SiO5涂层，喷涂过程中，硅基复合材料的温度控制在900~1100℃，制得所述硅基复合材料环境障涂层；
所述制备Si涂层的参数为：等离子喷涂净功率为40~50kW，等离子气体中氩气为90~120NSPM，等离子气体中氢气为5~10NSPM，送粉量为15~20g/min，喷涂距离30~50mm；
所述制备莫来石涂层的参数为：等离子喷涂净功率为60~70kW，等离子气体中氩气为60~80NSPM，等离子气体中氦气为40~60NSPM，送粉量为18~25g/min，喷涂距离950~1050mm；
所述制备Yb2SiO5涂层的参数为：等离子喷涂净功率为40~50kW，等离子气体中氩气为80~120NSPM，等离子气体中氢气为10~20NSPM，送粉量为5~10g/min，喷涂距离1000~1050mm。
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