CN106966761A - 具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层及其制备方法 - Google Patents

具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106966761A
CN106966761A CN201610390915.7A CN201610390915A CN106966761A CN 106966761 A CN106966761 A CN 106966761A CN 201610390915 A CN201610390915 A CN 201610390915A CN 106966761 A CN106966761 A CN 106966761A
Authority
CN
China
Prior art keywords
self
healing
bsas
sio
multilayer composite
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201610390915.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106966761B (zh
Inventor
罗瑞盈
王连毅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beihang University
Original Assignee
Beihang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University filed Critical Beihang University
Priority to CN201610390915.7A priority Critical patent/CN106966761B/zh
Publication of CN106966761A publication Critical patent/CN106966761A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106966761B publication Critical patent/CN106966761B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/52—Multiple coating or impregnating multiple coating or impregnating with the same composition or with compositions only differing in the concentration of the constituents, is classified as single coating or impregnation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/009—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81—Coating or impregnation
    • C04B41/89—Coating or impregnation for obtaining at least two superposed coatings having different compositions

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

本发明涉及一种具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层及其制备方法。根据本发明的一种具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层的制备方法，包括如下步骤：S101：在基材上制备粘结层；S102：在粘结层上制备隔氧层；S103：在隔氧层上制备自愈合密封层；S104：在自愈合密封层上制备抗水氧腐蚀层。其中，自愈合密封层的材料为BSAS‑SiO2共熔合金。根据本发明的一种具有裂纹自愈合功能的环境障涂层，可以有效阻止贯穿性裂纹的出现，保护基材不受水氧气氛的腐蚀，延长环境障涂层的使用时效。

Description

具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料领域，具体地，涉及一种具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层及其制备方法。
背景技术
硅基陶瓷及其复合材料具有低密度、高强度、良好的高温稳定性和抗氧化性能、高温条件下良好的机械性能等优良特性，使其在航空发动机的高温热端部件上具有良好的应用前景，因此得到广泛关注。研究显示，硅基陶瓷及其复合材料在干燥环境下表现出优良的高温稳定性、良好的力学性能，但在水氧气氛中，其高温性能衰减严重，尤其是在高温、高速燃烧、高速气流冲刷的发动机工况条件下。这是因为发动机运转过程中会生成大量水蒸气，而水蒸气能与SiO2发生以下反应：
SiO2(s)+2H2O(g)＝Si(OH)4(g)
反应生成的Si(OH)4结构疏松，很容易被高速气流带走，这使得硅基陶瓷基底直接与高温环境接触，表面重新生成SiO2薄膜。反应的结果是陶瓷基底表面SiO2薄膜厚度基本不变，但是陶瓷基底尺寸持续减小，造成结构部件的失效。环境障涂层(Environmentalbarrier coating，EBC)可大大降低水蒸汽对硅基陶瓷及其复合材料的腐蚀，有效地解决硅基陶瓷及其复合材料在燃气环境中性能急剧下降的难题。
随着对EBC涂层研究的加深，已逐渐从最初的单层涂层体系发展出双层涂层体系、多组分复合涂层体系，这也使得硅基陶瓷及其复合材料可以在更为广泛的范围内使用。目前具有应用价值的EBC涂层体系有YSZ(6-8％wt％Y2O3稳定的ZrO2)体系、BSAS((1-x)BaO-xSrO-Al2O3-2SiO2，0≤x≤1)涂层体系。
EBC涂层的耐久性很大程度上决定了硅基陶瓷及其复合材料的使用寿命，随着对EBC涂层的失效研究表明，除涂层材料自身性能的限制外，由热应力或热失配导致的贯穿性裂纹是涂层失效的最主要的原因。水氧气氛沿着贯穿性裂纹进入涂层底部，腐蚀底层涂层及基材，并形成孔洞，降低了涂层与基材的结合，导致涂层的分层脱落，以致失效。因此，研究开发具有裂纹自愈合功能的环境障涂层尤为重要。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种具有裂纹自愈合功能的环境障涂层的制备方法，可以有效阻止贯穿性裂纹的出现，保护基材不受水氧气氛的腐蚀，延长环境障涂层的使用时效。
根据本发明实施例的一种具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层的制备方法，包括如下步骤：S101：在基材上制备粘结层；S102：在粘结层上制备隔氧层；S103：在隔氧层上制备自愈合密封层；S104：在自愈合密封层上制备抗水氧腐蚀层。其中，自愈合密封层的材料为BSAS-SiO2共熔合金。
该制备方法在传统的环境障涂层内加入BSAS-SiO2共熔合金作自愈合密封层，BSAS会与SiO2生成低共熔化合物，形成玻璃相，在高温工作状态时，可以有效阻止贯穿性裂纹的出现，保护基材不受水氧气氛的腐蚀，从而延长环境障涂层的使用时效。
另外，根据本发明上述实施例的一种具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层的制备方法，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，BSAS-SiO2共熔合金中BSAS与SiO2的重量比为(6:4)～(5:5)。
进一步地，步骤S103包括如下步骤：将BSAS-SiO2共熔合金与有机溶剂和有机高分子混合，配制成浆料，并涂覆到隔氧层上；将涂覆有浆料的基材加热至第一预设温度并保温第一预设时间，然后以第一预设升温速率升温至第二预设温度并保温第二预设时间，最后以第二预设升温速率升温至第三预设温度并保温第三预设时间。其中，BSAS-SiO2共熔合金的重量分数为40％～50％，有机溶剂的重量分数为45％～55％，有机高分子的重量分数为3％～10％。
进一步地，第一预设温度为90℃～110℃，第一预设时间为0.5h～1.5h，第一预设升温速率为5℃/min～10℃/min，第二预设温度为450℃～550℃，第二预设时间为0.5h～1.5h，第二预设升温速率为1℃/min～5℃/min，第三预设温度为1200℃～1300℃，第三预设时间为0.5h～1.5h。
进一步地，粘结层为硅，隔氧层为莫来石，抗水氧腐蚀层为BSAS。
进一步地，粘结层厚度为20μm～50μm，隔氧层厚度为70μm～120μm，自愈合密封层的厚度为10μm～30μm，抗水氧腐蚀层厚度为70μm～120μm。
本发明的另一个目的在于提出一种具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层。
根据本发明提供的一种具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层，包括：粘结层，粘结层包裹基材；隔氧层，隔氧层包裹粘结层；自愈合密封层，自愈合密封层包裹隔氧层；抗水氧腐蚀层，抗水氧腐蚀层包裹自愈合密封层。其中，自愈合密封层的材料为BSAS-SiO2共熔合金。
进一步地，BSAS-SiO2共熔合金中BSAS与SiO2的重量比为(6:4)～(5:5)。
进一步地，粘结层为硅，隔氧层为莫来石，抗水氧腐蚀层为BSAS。
进一步地，粘结层厚度为20μm～50μm，隔氧层厚度为70μm～120μm，自愈合密封层的厚度为10μm～30μm，抗水氧腐蚀层厚度为70μm～120μm。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明实施例的一种具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层的制备方法流程图；
图2是本发明实施例的一种具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层的结构示意图；
图3是本发明实施例2、实施例4和对比例2的多层复合环境障涂层水氧腐蚀的重量变化曲线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，以下实施方式仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，根据本发明实施例的一种具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层的制备方法，包括如下步骤：
S101：在基材上制备粘结层。基材可以选择硅基陶瓷，硅基陶瓷及其复合材料具有低密度、高强度、良好的高温稳定性、抗氧化性能和高温条件下良好的机械性能等优良特性，使其在航空发动机的高温热端部件上具有良好的应用前景，因此得到广泛关注。粘结层选择Si，硅粘结层的作用主要是将基材与中间层结合到一起，进一步增强隔氧层与基材的附着力。如果粘结层厚度过大，会影响材料的整体性能，所以粘结层的厚度较小，约为20μm～50μm。硅粘结层的制备方法包括：熔体渗透、等离子喷涂、电子束辅助物理气相沉积等。
S102：在粘结层上制备隔氧层。隔氧层材料可以选用高纯莫来石(3Al2O3·2SiO2)。高纯莫来石是一种优质的耐火材料，它具有膨胀均匀、热震稳定性极好、荷重软化点高、高温蠕变值小、硬度大和抗化学腐蚀性好等特点。特别是高性能高纯莫来石陶瓷，在1300℃时，抗弯强度达570MPa，断裂韧性达5.7MPa，均比常温时高1.6倍，这种随温度升高，强度和韧性不仅不衰减反而大幅度提高，是高纯莫来石陶瓷作为高温材料机加的特性。制备方法包括：化学气相沉积、等离子喷涂、电子束辅助物理气相沉积、溶胶-凝胶法、浆料法等。具体地，可以选择仲丁醇铝(ASB)作为铝源，正硅酸乙酯(TEO)作为硅源，乙酰乙酸乙酯(EAcAc)作为螯合剂，按照一定的质量比混合。然后向混合液中加入蒸馏水，并搅拌使之均匀水解。采用浸渍提拉的方法在涂有硅粘结层的基材上涂覆3Al2O3·2SiO2涂层生坯，并使之凝胶化。然后在保护气氛下，挥发凝胶中游离的有机单质，使有机物裂解转化为无机物，并使Al2O3和SiO2反应产生莫来石。隔氧层的厚度约为70μm～120μm。
S103：在隔氧层上制备自愈合密封层。其中，自愈合密封层的材料为BSAS-SiO2共熔合金。在1200℃～1300℃时，BSAS会与SiO2生成低共熔化合物，形成玻璃相。在高温工作状态时，可以有效阻止贯穿性裂纹的出现，保护基材不受水氧气氛的腐蚀，从而延长环境障涂层的使用时效。自愈合密封层的厚度约为10μm～30μm，如果自愈合密封层厚度过大，会影响材料的整体性能。具体地，自愈合密封层的制备包括如下步骤：将BSAS-SiO2共熔合金与有机溶剂和有机高分子混合，配制成浆料，并涂覆到隔氧层上；将涂覆有浆料的基材加热至90℃～110℃并保温0.5h～1.5h，然后以5℃/min～10℃/min的升温速率升温至450℃～550℃并保温0.5h～1.5h，最后以1℃/min～5℃/min的升温速率升温至1200℃～1300℃并保温0.5h～1.5h。其中，BSAS-SiO2共熔合金的重量分数为40％～50％，有机溶剂的重量分数为45％～55％，有机高分子的重量分数为3％～10％。缓慢升温的方式保证制备出的自愈合密封层结构紧密，孔洞和缺陷较少，防止在复杂的发动机环境下造成水氧侵入出现裂纹进而造成涂层短时间失效。最终升温至1200℃～1300℃，BSAS会与SiO2生成低共熔化合物，形成玻璃相。在高温工作状态时，可以有效阻止贯穿性裂纹的出现，保护基材不受水氧气氛的腐蚀，从而延长环境障涂层的使用时效。
有利地，BSAS-SiO2共熔合金中BSAS与SiO2的重量比为(6:4)～(5:5)。经发明人研究发现，BAS与49％(质量分数)的SiO2可得到熔点为1311℃的低共熔物。相对于BAS，BSAS((1-x)BaO-xSrO-Al2O3-2SiO2，0≤x≤1)中的BaO被部分替换为SrO，因此BSAS也将会与相似质量分数的SiO2形成与之类似的低共熔物。选用BSAS与SiO2的重量比为(6:4)～(5:5)，在制备过程后期的降温过程中，低共熔合金中的两种物质无法及时析出结晶而形成玻璃相。在高温工作状态时，玻璃相具有一定的流动性，可以有效阻止贯穿性裂纹的出现，保护基材不受水氧气氛的腐蚀，从而延长环境障涂层的使用时效。
S104：在自愈合密封层上制备抗水氧腐蚀层。抗水氧腐蚀层可以选择BSAS，与自愈合密封层的匹配性较好，拥有极好的抗裂纹扩展能力，同时具有较低的SiO2活度(约0.1)，能减少涂层在腐蚀环境中的挥发，配合莫来石中间层，在1300℃以下具有优异的性能。具体地，抗水氧腐蚀层的制备方法包括：化学气相沉积、等离子喷涂、电子束辅助物理气相沉积、溶胶-凝胶法、浆料法等。抗水氧腐蚀层的厚度约为70μm～120μm。隔氧层和抗水氧腐蚀层的厚度均设置在70μm～120μm左右。当涂层厚度过大时，涂层与基体间界面上的剪切应力与涂层厚度之间的关系如图中公式所示：
στ∝S2
式中：στ为界面剪切应力，S为涂层厚度。
因此，涂层越厚，界面剪切应力必然越大，当厚度达到一定数值时，涂层的稳定性变差，因此会发生涂层开裂或剥落现象。因此，必须控制涂层的厚度在适当范围内，确保涂层的性能达到最优。经试验验证，隔氧层和抗水氧腐蚀层设置在70μm～120μm左右时，涂层的性能达到最优。
如图2所示，根据本发明实施例的一种具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层，包括：基材201，粘结层202，隔氧层203，自愈合密封层204和抗水氧腐蚀层205。
基材201。基材201可以选择硅基陶瓷，硅基陶瓷及其复合材料具有低密度、高强度、良好的高温稳定性、抗氧化性能和高温条件下良好的机械性能等优良特性，使其在航空发动机的高温热端部件上具有良好的应用前景，因此得到广泛关注。
粘结层202，粘结层202包裹基材201。粘结层202选择Si，硅粘结层的作用主要是将基材201与隔氧层203结合到一起，进一步增强隔氧层203与基材201的附着力。如果粘结层202厚度过大，会影响材料的整体性能，所以粘结层202的厚度较小，约为20μm～50μm。硅粘结层的制备方法包括：熔体渗透、等离子喷涂、电子束辅助物理气相沉积等。
隔氧层203，隔氧层203包裹粘结层。隔氧层203材料可以选用高纯莫来石(3Al2O3·2SiO2)。高纯莫来石是一种优质的耐火材料，它具有膨胀均匀、热震稳定性极好、荷重软化点高、高温蠕变值小、硬度大和抗化学腐蚀性好等特点。特别是高性能高纯莫来石陶瓷，在1300℃时，抗弯强度达570MPa，断裂韧性达5.7MPa，均比常温时高1.6倍，这种随温度升高，强度和韧性不仅不衰减反而大幅度提高，是高纯莫来石陶瓷作为高温材料机加的特性。制备方法包括：化学气相沉积、等离子喷涂、电子束辅助物理气相沉积、溶胶-凝胶法、浆料法等。具体地，可以选择仲丁醇铝(ASB)作为铝源，正硅酸乙酯(TEO)作为硅源，乙酰乙酸乙酯(EAcAc)作为螯合剂，按照一定的质量比混合。然后向混合液中加入蒸馏水，并搅拌使之均匀水解。采用浸渍提拉的方法在涂有硅粘结层的基材上涂覆3Al2O3·2SiO2涂层生坯，并使之凝胶化。然后在保护气氛下，挥发凝胶中游离的有机单质，使有机物裂解转化为无机物，并使Al2O3和SiO2反应产生莫来石。隔氧层203的厚度约为70μm～120μm。
自愈合密封层204，自愈合密封层204包裹隔氧层203。其中，自愈合密封层204的材料为BSAS-SiO2共熔合金。在1200℃～1300℃时，BSAS会与SiO2生成低共熔化合物，形成玻璃相。在高温工作状态时，可以有效阻止贯穿性裂纹的出现，保护基材201不受水氧气氛的腐蚀，从而延长环境障涂层的使用时效。自愈合密封层204的厚度约为10μm～30μm，如果自愈合密封层204厚度过大，会影响材料的整体性能。具体地，自愈合密封层204的制备包括如下步骤：将BSAS-SiO2共熔合金与有机溶剂和有机高分子混合，配制成浆料，并涂覆到隔氧层上；将涂覆有浆料的基材加热至90℃～110℃并保温0.5h～1.5h，然后以5℃/min～10℃/min的升温速率升温至450℃～550℃并保温0.5h～1.5h，最后以1℃/min～5℃/min的升温速率升温至1200℃～1300℃并保温0.5h～1.5h。其中，BSAS-SiO2共熔合金的重量分数为40％～50％，有机溶剂的重量分数为45％～55％，有机高分子的重量分数为3％～10％。缓慢升温的方式保证制备出的自愈合密封层204结构紧密，孔洞和缺陷较少，防止在复杂的发动机环境下造成水氧侵入出现裂纹进而造成涂层短时间失效。最终升温至1200℃～1300℃，BSAS会与SiO2生成低共熔化合物，形成玻璃相。在高温工作状态时，可以有效阻止贯穿性裂纹的出现，保护基材201不受水氧气氛的腐蚀，从而延长环境障涂层的使用时效。
抗水氧腐蚀层205，抗水氧腐蚀层205包裹自愈合密封层204。抗水氧腐蚀层205可以选择BSAS，与自愈合密封层204的匹配性较好，拥有极好的抗裂纹扩展能力，同时具有较低的SiO2活度(约0.1)，能减少涂层在腐蚀环境中的挥发，配合莫来石隔氧层，在1300℃以下具有优异的性能。具体地，抗水氧腐蚀层的制备方法包括：化学气相沉积、等离子喷涂、电子束辅助物理气相沉积、溶胶-凝胶法、浆料法等。抗水氧腐蚀层的厚度约为70μm～120μm。
隔氧层203和抗水氧腐蚀层205的厚度均设置在70μm～120μm左右。当涂层厚度过大时，涂层与基体间界面上的剪切应力与涂层厚度之间的关系如图中公式所示：
στ∝S2
式中：στ为界面剪切应力，S为涂层厚度。
因此，涂层越厚，界面剪切应力必然越大，当厚度达到一定数值时，涂层的稳定性变差，因此会发生涂层开裂或剥落现象。因此，必须控制涂层的厚度在适当范围内，确保涂层的性能达到最优。经试验验证，隔氧层203和抗水氧腐蚀层205设置在70μm～120μm左右时，涂层的性能达到最优。
下面结合实施例具体对本发明作详细说明。
实施例1
实施例1提供了一种SiC/SiC复合材料涂层的制备过程，选用等离子喷涂的方法制备粘结层，粘结层材料选用硅；选用溶胶-凝胶的方法制备隔氧层，隔氧层材料选用莫来石(3Al2O3·2SiO2)；选用浆料法制备自愈合密封层，自愈合密封层材料为BSAS-SiO2共熔合金；选用等离子喷涂的方法制备抗水氧腐蚀层，抗水氧腐蚀层材料选用BSAS。具体制备步骤如下：
1.选用SiC/SiC复合材料作基材，利用等离子喷涂的方法喷涂单质硅于基材上，涂层厚度为20μm～50μm。
2.隔氧层的材料准备及涂层制备
1)将仲丁醇铝(ASB)作为铝源，正硅酸乙酯(TEO)作为硅源，乙酰乙酸乙酯(EAcAc)作为螯合剂，按照质量比(ASB：TEO：EAcAc)为50:1:26，混合均匀。
2)按照质量比(H2O：ASB)为1:2向混合液中加入蒸馏水，并搅拌使之均匀水解。
3)采用浸渍提拉的方法在涂有Si粘结层的基材上涂覆3Al2O3·2SiO2涂层生坯，并在70℃保温5h，使之凝胶化。
4)通N2保护，在管式炉中加热至100℃保温1h，挥发凝胶中游离的有机单质，随后以5℃/min升温至500℃保温1h，使有机物裂解转化为无机物，随后以1℃/min升温至1200℃保温1h，使Al2O3和SiO2反应产生莫来石，再以1℃/min降温至室温，得到致密的莫来石涂层。
5)重复步骤2中的3)、4)，直到涂层厚度达到70μm～120μm。
3.自愈合密封层的材料准备及涂层制备
1)将占总质量1％的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)作为分散剂加入到占总质量50％乙醇中，得到PVB乙醇溶液。
2)将BSAS与SiO2按质量比5:5，加入到的PVB乙醇溶液中，在行星球磨机中混合40min。
3)向步骤2)得到的溶液中加入占总质量5％的PVB作为粘结剂，搅拌均匀，得到BSAS-SiO2浆料。
4)利用浸渍提拉的方法在步骤2的基材上涂覆BSAS-SiO2涂层生坯。
5)通N2保护，在管式炉中加热至100℃保温1h，挥发凝胶中游离的有机单质，随后以5℃/min升温至500℃保温1h，使有机物裂解转化为无机物，随后以1℃/min升温至1200℃～1300℃保温1h，得到致密的自愈合密封涂层。
6)重复步骤3中的4)、5)，直到得到厚度为10μm～30μm的涂层。
4.在步骤3处理后的基材上，利用等离子喷涂的方法喷涂BSAS，涂层厚度为70μm～120μm。
实施例2
对实施例1所制备的EBC涂层进行水氧腐蚀的性能考核。考核条件为：炉内温度为1300℃，气氛为50％H2O-50％O2，总气压为1atm，空气流速4.4cm/s，总时长为300h。分别在0、5h、10h、25h、50h、100h、150h、200h、250h、300h测量试样重量。
实施例3
实施例3提供了一种SiC/SiC复合材料涂层的制备过程，选用等离子喷涂的方法制备粘结层，粘结层材料选用硅；选用溶胶-凝胶的方法制备隔氧层，隔氧层材料选用莫来石(3Al2O3·2SiO2)；选用浆料法制备自愈合密封层，自愈合密封层材料为BSAS-SiO2共熔合金；选用等离子喷涂的方法制备抗水氧腐蚀层，抗水氧腐蚀层材料选用BSAS。具体制备步骤如下：
1.选用SiC/SiC复合材料作基材，利用等离子喷涂的方法喷涂单质硅于基材上，涂层厚度为20μm～50μm。
2.隔氧层的材料准备及涂层制备
1)将仲丁醇铝(ASB)作为铝源，正硅酸乙酯(TEO)作为硅源，乙酰乙酸乙酯(EAcAc)作为螯合剂，按照质量比(ASB：TEO：EAcAc)为50:1:26，混合均匀。
2)按照质量比(H2O：ASB)为1:2向混合液中加入蒸馏水，并搅拌使之均匀水解。
3)采用浸渍提拉的方法在涂有Si粘结层的基材上涂覆3Al2O3·2SiO2涂层生坯，并在70℃保温5h，使之凝胶化。
4)通N2保护，在管式炉中加热至100℃保温1h，挥发凝胶中游离的有机单质，随后以5℃/min升温至500℃保温1h，使有机物裂解转化为无机物，随后以1℃/min升温至1200℃保温1h，使Al2O3和SiO2反应产生莫来石，再以1℃/min降温至室温，得到致密的莫来石涂层。
5)重复步骤2中的3)、4)，直到涂层厚度达到70μm～120μm。
3.自愈合密封层的材料准备及涂层制备
1)将占总质量1％的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)作为分散剂加入到占总质量50％乙醇中，得到PVB乙醇溶液。
2)将BSAS与SiO2按质量比6:4，加入到的PVB乙醇溶液中，在行星球磨机中混合40min。
3)向步骤2)得到的溶液中加入占总质量5％的PVB作为粘结剂，搅拌均匀，得到BSAS-SiO2浆料。
4)利用浸渍提拉的方法在步骤2的基材上涂覆BSAS-SiO2涂层生坯。
5)通N2保护，在管式炉中加热至100℃保温1h，挥发凝胶中游离的有机单质，随后以5℃/min升温至500℃保温1h，使有机物裂解转化为无机物，随后以1℃/min升温至1200℃～1300℃保温1h，得到致密的自愈合密封涂层。
6)重复步骤3中的4)、5)，直到得到厚度为10μm～30μm的涂层。
5.在步骤3处理后的基材上，利用等离子喷涂的方法喷涂BSAS，涂层厚度为70μm～120μm。
实施例4
对实施例3所制备的EBC涂层进行水氧腐蚀的性能考核。考核条件为：炉内温度为1300℃，气氛为50％H2O-50％O2，总气压为1atm，空气流速4.4cm/s，总时长为300h。分别在0、5h、10h、25h、50h、100h、150h、200h、250h、300h测量试样重量。
对比例1
对比例1提供了一种SiC/SiC复合材料涂层的制备过程，选用等离子喷涂的方法制备粘结层，粘结层材料选用硅；选用溶胶-凝胶的方法制备隔氧层，隔氧层材料选用莫来石(3Al2O3·2SiO2)；选用等离子喷涂的方法制备抗水氧腐蚀层，抗水氧腐蚀层材料选用BSAS。具体制备步骤如下：
1.选用SiC/SiC复合材料作基材，利用等离子喷涂的方法喷涂单质硅于基材上，涂层厚度为20μm～50μm。
2.隔氧层的材料准备及涂层制备
1)将仲丁醇铝(ASB)作为铝源，正硅酸乙酯(TEO)作为硅源，乙酰乙酸乙酯(EAcAc)作为螯合剂，按照质量比(ASB：TEO：EAcAc)为50:1:26，混合均匀。
2)按照质量比(H2O：ASB)为1:2向混合液中加入蒸馏水，并搅拌使之均匀水解。
3)采用浸渍提拉的方法在涂有Si粘结层的基材上涂覆3Al2O3·2SiO2涂层生坯，并在70℃保温5h，使之凝胶化。
4)通N2保护，在管式炉中加热至100℃保温1h，挥发凝胶中游离的有机单质，随后以5℃/min升温至500℃保温1h，使有机物裂解转化为无机物，随后以1℃/min升温至1200℃保温1h，使Al2O3和SiO2反应产生莫来石，再以1℃/min降温至室温，得到致密的莫来石涂层。
5)重复步骤2中的3)、4)，直到涂层厚度达到70μm～120μm。
3.在步骤2处理后的基材上，利用等离子喷涂的方法喷涂BSAS，涂层厚度为70μm～120μm。
对比例2
对对比例1所制备的EBC涂层进行水氧腐蚀的性能考核。考核条件为：炉内温度为1300℃，气氛为50％H2O-50％O2，总气压为1atm，空气流速4.4cm/s，总时长为300h。分别在0、5h、10h、25h、50h、100h、150h、200h、250h、300h测量试样重量。
比较实施例1、实施例3和对比例1，其区别仅在于，实施例1的多层复合环境障涂层的制备过程中制备了BSAS-SiO2(重量比为5:5)共熔合金作自愈合密封层，实施例2的多层复合环境障涂层的制备过程中制备了BSAS-SiO2(重量比为6:4)共熔合金作自愈合密封层，而对比例的多层复合环境障涂层中没有加入自愈合密封层。
如图3所示，图3中曲线1表示BSAS-SiO2(重量比为5:5)共熔合金作自愈合密封层的多层复合环境障涂层水氧腐蚀的重量变化曲线，曲线2表示BSAS-SiO2(重量比为6:4)共熔合金作自愈合密封层的多层复合环境障涂层水氧腐蚀的重量变化曲线，曲线3表示没有加入自愈合密封层的多层复合环境障涂层水氧腐蚀的重量变化曲线，通过比较实施例2、实施例4和对比例2可以发现，在水氧腐蚀300h后，各试样均具有较低的失重，其中曲线1、2所代表的试样的失重及失重速率明显低于曲线3所代表试样的失重及其失重速率，表明带有自愈合涂层的多层复合环境障涂层对硅基陶瓷及其复合材料具有更卓越的水氧防护性能。
根据本发明实施例的一种具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层的制备方法，在传统的环境障涂层内加入BSAS-SiO2共熔合金作自愈合密封层，BSAS会与SiO2生成低共熔化合物，形成玻璃相，在高温工作状态时，可以有效阻止贯穿性裂纹的出现，保护基材不受水氧气氛的腐蚀，从而延长环境障涂层的使用时效。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101：在基材上制备粘结层；
S102：在所述粘结层上制备隔氧层；
S103：在所述隔氧层上制备自愈合密封层；
S104：在所述自愈合密封层上制备抗水氧腐蚀层；
其中，所述自愈合密封层的材料为BSAS-SiO2共熔合金。
2.根据权利要求1所述的一种具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层的制备方法，其特征在于，所述BSAS-SiO2共熔合金中BSAS与SiO2的重量比为(6:4)～(5:5)。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S103包括如下步骤：
将所述BSAS-SiO2共熔合金与有机溶剂和有机高分子混合，配制成浆料，并涂覆到所述隔氧层上；
将涂覆有所述浆料的基材加热至第一预设温度并保温第一预设时间，然后以第一预设升温速率升温至第二预设温度并保温第二预设时间，最后以第二预设升温速率升温至第三预设温度并保温第三预设时间；
其中，所述BSAS-SiO2共熔合金的重量分数为40％～50％，所述有机溶剂的重量分数为45％～55％，所述有机高分子的重量分数为3％～10％。
4.根据权利要求3所述的一种具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层的制备方法，其特征在于，所述第一预设温度为90℃～110℃，所述第一预设时间为0.5h～1.5h，所述第一预设升温速率为5℃/min～10℃/min，所述第二预设温度为450℃～550℃，所述第二预设时间为0.5h～1.5h，所述第二预设升温速率为1℃/min～5℃/min，所述第三预设温度为1200℃～1300℃，所述第三预设时间为0.5h～1.5h。
5.根据权利要求1或2所述的一种具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层的制备方法，其特征在于，所述粘结层为硅，所述隔氧层为莫来石，所述抗水氧腐蚀层为BSAS。
6.根据权利要求5所述的一种具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层的制备方法，其特征在于，所述粘结层厚度为20μm～50μm，所述隔氧层厚度为70μm～120μm，所述自愈合密封层的厚度为10μm～30μm，所述抗水氧腐蚀层厚度为70μm～120μm。
7.一种具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层，其特征在于，包括：
粘结层，所述粘结层包裹基材；
隔氧层，所述隔氧层包裹所述粘结层；
自愈合密封层，所述自愈合密封层包裹所述隔氧层；
抗水氧腐蚀层，所述抗水氧腐蚀层包裹所述自愈合密封层；
其中，所述自愈合密封层的材料为BSAS-SiO2共熔合金。
8.根据权利要求7所述的一种具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层，其特征在于，所述BSAS-SiO2共熔合金中BSAS与SiO2的重量比为(6:4)～(5:5)。
9.根据权利要求7或8所述的一种具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层，其特征在于，所述粘结层为硅，所述隔氧层为莫来石，所述抗水氧腐蚀层为BSAS。
10.根据权利要求9所述的一种具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层，其特征在于，所述粘结层厚度为20μm～50μm，所述隔氧层厚度为70μm～120μm，所述自愈合密封层的厚度为10μm～30μm，所述抗水氧腐蚀层厚度为70μm～120μm。
CN201610390915.7A 2016-06-02 2016-06-02 具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层及其制备方法 Active CN106966761B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610390915.7A CN106966761B (zh) 2016-06-02 2016-06-02 具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610390915.7A CN106966761B (zh) 2016-06-02 2016-06-02 具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106966761A true CN106966761A (zh) 2017-07-21
CN106966761B CN106966761B (zh) 2020-03-31

Family

ID=59334778

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610390915.7A Active CN106966761B (zh) 2016-06-02 2016-06-02 具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106966761B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112811938A (zh) * 2020-12-30 2021-05-18 西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司 一种多层结构钡长石环境屏障涂层及其用途和制备方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102127738A (zh) * 2010-11-25 2011-07-20 北京航空航天大学 一种多层热障涂层及其制备方法
CN102746032A (zh) * 2012-06-25 2012-10-24 西北工业大学 一种碳纤维增韧碳化硅基复合材料中温1000～1400℃涂层的修补方法
CN102757260A (zh) * 2012-07-17 2012-10-31 西北工业大学 一种陶瓷基复合材料使用温度大于等于1400℃的涂层的修补方法
CN103483009A (zh) * 2013-08-30 2014-01-01 西北工业大学 具备抗裂纹扩展能力的多层环境障碍涂层结构的制备方法
CN103980006A (zh) * 2014-05-12 2014-08-13 西北工业大学 构件表面具有自愈合能力的环境屏障涂层及制备方法
CN104744081A (zh) * 2015-03-20 2015-07-01 中国人民解放军国防科学技术大学 一种抗高温湿氧腐蚀涂层及其制备方法
CN105000917A (zh) * 2015-08-14 2015-10-28 中南大学 一种莫来石抗氧化涂层的制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102127738A (zh) * 2010-11-25 2011-07-20 北京航空航天大学 一种多层热障涂层及其制备方法
CN102746032A (zh) * 2012-06-25 2012-10-24 西北工业大学 一种碳纤维增韧碳化硅基复合材料中温1000～1400℃涂层的修补方法
CN102757260A (zh) * 2012-07-17 2012-10-31 西北工业大学 一种陶瓷基复合材料使用温度大于等于1400℃的涂层的修补方法
CN103483009A (zh) * 2013-08-30 2014-01-01 西北工业大学 具备抗裂纹扩展能力的多层环境障碍涂层结构的制备方法
CN103980006A (zh) * 2014-05-12 2014-08-13 西北工业大学 构件表面具有自愈合能力的环境屏障涂层及制备方法
CN104744081A (zh) * 2015-03-20 2015-07-01 中国人民解放军国防科学技术大学 一种抗高温湿氧腐蚀涂层及其制备方法
CN105000917A (zh) * 2015-08-14 2015-10-28 中南大学 一种莫来石抗氧化涂层的制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
贺世美等: "Si/3Al2O3 2SiO2+BSAS/Yb2SiO5环境障涂层1300℃抗水蒸气性能研究", 《材料工程》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112811938A (zh) * 2020-12-30 2021-05-18 西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司 一种多层结构钡长石环境屏障涂层及其用途和制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN106966761B (zh) 2020-03-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106977234B (zh) 超高温多层梯度复合环境障涂层的制备方法
US11802093B2 (en) Silicon oxycarbide environmental barrier coating
CN105384467B (zh) 一种用于陶瓷基复合材料基体的环境障碍涂层及制备方法
US6610370B2 (en) Coated article and method of making
JP6865554B2 (ja) 高温性能に優れた物品
CN105967759B (zh) 一种稀土氧化物改性Si-Mo-O梯度抗氧化涂层及制备方法
US9365725B2 (en) Articles for high temperature service and methods for their manufacture
US20090004427A1 (en) Articles for high temperature service and methods for their manufacture
US20050112381A1 (en) Oxidation barrier coatings for silicon based ceramics
CN104908396A (zh) 具有减小的膨胀和密封环境隔离涂层的制品及其制造方法
CN103740284A (zh) 一种耐高温复合无机粘结剂及其制备方法与应用
WO2008098421A1 (fr) Adhésif composite inorganique résistant à des températures élevées
CN101193835A (zh) 绝热复合材料及其制备方法
JP2002087896A (ja) 自己修復性高耐熱耐酸化性皮膜及び積層体
WO2006030738A1 (ja) 白金材料用コーティング材及び該コーティング材が被覆された白金材料並びにガラス製造装置
CN100381516C (zh) 高温远红外绝缘节能涂料及其制备方法
JPH07315966A (ja) セラミック基材上に設けた高温コーティングおよびこれを得るための非焼成方法
JP4395359B2 (ja) 高温適用のための、低温硬化セラミックコーティングを形成するためのシステム及び方法
CN108950463A (zh) 一种高温环境障碍涂层结构及其制备方法
CN106966763B (zh) 一种发动机环境下纤维增强的复合材料表面涂层及其制备方法
Zhang et al. Cyclic oxidation performances of new environmental barrier coatings of HfO2-SiO2/Yb2Si2O7 coated SiC at 1375° C and 1475° C in the air environment
CN104193173A (zh) 一种钛合金表面烧制搪瓷隔热涂层材料及其制备方法
CN106966761A (zh) 具有裂纹自愈合功能的多层复合环境障涂层及其制备方法
CN104276838B (zh) 陶瓷与金属双玻璃化的封接方法
Solntsev High-temperature composite materials and coatings on the basis of glass and ceramics for aerospace technics

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant