CN107032831B - 一种稀土系t/ebc陶瓷基复合环境障涂层及其制备方法 - Google Patents

一种稀土系t/ebc陶瓷基复合环境障涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种稀土系T/EBC陶瓷基复合环境障涂层及其制备方法，陶瓷基体为碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料，复合环境障涂层由内到外依次包括抗水氧腐蚀层、化学阻挡层、能量耗散层和热防护屏蔽层，抗水氧腐蚀层制备在陶瓷基体的表面；其中，抗水氧腐蚀层的材料包括莫来石和硅酸镥；化学阻挡层的材料包括氮化锆；能量耗散层的材料包括钇铝石榴石；热防护屏蔽层的材料包括锆酸镧。本发明提供的陶瓷基复合环境障涂层具有优异的综合性能，可以提高涂层的界面强度、断裂韧性和硬度，显著延长涂层使用寿命，降低涂层导热系数，使SiCf/SiC陶瓷基体在1900K以上的高温环境下多周次循环使用后能保持综合性能稳定。

Description

一种稀土系T/EBC陶瓷基复合环境障涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及环境障涂层制备技术领域，具体涉及一种长寿命、低导热稀土系T/EBC陶瓷基复合环境障涂层及其制备方法。
背景技术
提高涡轮叶片、隔热屏、尾喷管等航空发动机关键热端构件材料的耐超高温性能，是满足研制高推重比、大推力、低油耗先进航空发动机的重要前提。目前，我国某型航空发动机热端构件基本为高温合金材料，此类材料的最大容限温度只有1130℃左右，并且其具有的高密度特点已经严重限制了其在可靠高温结构材料上的应用，难以继续适应推重比达15～20的大推力、高推重比的高性能航空发动机的任务需求。寻求耐超高温、轻质的陶瓷基复合材料成为解决这一问题的重要突破口。
以Si3N4、SiC、C/SiC、SiC/SiC为代表的硅基结构陶瓷及其复合材料具有优异的物理性能和高温力学性能，在航空发动机的高温热端部件上展示出了巨大的应用潜力。在干燥环境下具有良好力学稳定性的硅基结构陶瓷，然而其在发动机高温湿氧环境中的表面稳定性不足，易与水蒸汽等反应生成挥发性的产物造成陶瓷表面结构退化、尺寸减小。因此，在硅基非氧化物陶瓷表面涂敷或沉积环境障涂层(Environmental Barrier Coating，简称EBC)，阻止腐蚀性气氛和陶瓷基体的接触成为提高陶瓷基体的表面稳定性一条重要的可行途径。但是当前EBC还普遍存在耐高温冲刷性性能不足，最大容限温度过低的问题。着眼于未来新型航空发动机更大推重比(15～20)的性能要求，提出发展和应用耐高温性能更高(>1650℃)的热防护涂层成为至关重要的科研课题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明目的在于提供一种稀土系T/EBC陶瓷基复合环境障涂层及其制备方法，以提高复合环境障涂层的界面强度、断裂韧性和硬度，显著延长涂层使用寿命，降低涂层导热系数，使SiCf/SiC陶瓷基体在1900K以上的高温环境下多周次循环使用后能保持综合性能稳定。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：
第一方面，本发明提供了一种陶瓷基复合环境障涂层，包括陶瓷基体和复合环境障涂层，复合环境障涂层由内到外依次包括抗水氧腐蚀层、化学阻挡层、能量耗散层和热防护屏蔽层，抗水氧腐蚀层制备在陶瓷基体的表面；其中，抗水氧腐蚀层包括莫来石层和硅酸镥层，莫来石层的材料包括莫来石，硅酸镥层的材料包括硅酸镥；化学阻挡层的材料包括氮化锆；能量耗散层的材料包括钇铝石榴石；热防护屏蔽层的材料包括锆酸镧。
在本发明的进一步实施方式中，莫来石层制备在陶瓷基体的表面，硅酸镥层制备在莫来石层的表面；其中，莫来石层的厚度为50～90μm，硅酸镥层的厚度为50～90μm；化学阻挡层的厚度为4～12μm，孔隙率小于3％；能量耗散层的厚度为30～60μm，孔隙率为20％～30％；热防护屏蔽层厚度为80～140μm；陶瓷基体的材料为碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。
第二方面，本发明提供了一种陶瓷基复合环境障涂层的制备方法，包括如下步骤：S101：采用大气等离子喷涂法，在SiCf/SiC陶瓷基体表面依次制备莫来石层和硅酸镥层；S102：采用低压等离子喷涂法，在硅酸镥层的表面制备化学阻挡层；S103：采用气罩等离子喷涂法，在化学阻挡层的表面制备能量耗散层；S104：采用大气等离子喷涂法，在能量耗散层的表面制备热防护屏蔽层，得到陶瓷基复合环境障涂层。需要说明的是，在陶瓷基体表面制备莫来石层前，优选分别采用丙酮、酒精和去离子水对基体层进行表面超声处理，除去基体表面的杂质、细碎颗粒和有机污染物。
在本发明的进一步实施方式中，S101具体包括步骤：S201：将莫来石粉(3Al2O3·2SiO2)和硅粉混合后研磨均匀，然后干燥，得到混合粉体；采用大气等离子喷涂法，将混合粉体制备在陶瓷基体的表面，得到莫来石层；S202：采用大气等离子喷涂法，将硅酸镥粉(Lu2SiO5)制备在莫来石层的表面，得到硅酸镥层；S203：将S202得到的产物进行去应力退火；其中，S201中，莫来石粉和硅粉的质量比为100:(18～32)，莫来石粉的粒径为47～73μm，干燥的温度为110℃，干燥的时间为1h；S202中，硅酸镥粉的粒径为30～90μm，松装密度为2～3g/cm3，流动性为10～13s/50g；S203中，去应力退火的温度为600～950℃，时间为2～4h，保护气氛为氩气。需要说明的是，硅酸镥粉优选为采用溶胶凝胶法制备，具体方法可以参照Mansuy等公开的A New Sol-Gel Route to Lu2SiO5,(LSO)Scintillator:Powders andThin Films中的制备方法；莫来石粉优选购买于石家庄通磊公司的47～73μm超细粉体。
在本发明的进一步实施方式中，S202中，在采用大气等离子喷涂法之前，将硅酸镥粉进行喷雾造粒球化处理，然后进行热处理；其中，喷雾造粒球化具体包括：喷嘴转速为40rpm，进料速度12～17g/min，进口温度为300～360℃，出口温度为60～80℃，聚乙烯醇粘结剂(PVA)含量为0.5％～0.9％，固含量为50％；热处理温度为1000℃，时间为2h。
在本发明的进一步实施方式中，S201和S202中，大气等离子喷涂法中：喷涂功率为28～44kW，喷涂距离为90～135mm，喷枪移动速度为260～600mm/s，主气氩气流量为40～96L/min，辅气氢气流量为12～30L/min，载气氦气流量为0.4～1.65L/min，送粉速率为20～35g/min，电流范围为450～530A。
在本发明的进一步实施方式中，S102中，氮化锆粉末(ZrN)的粒径为23～46μm；低压等离子喷涂法中：喷涂功率为20～26kW，喷涂距离为50～80mm，喷枪移动速度为260～600mm/s，送粉气体氦气流量为0.2～0.55L/min，送粉速率为8～15g/min，电流范围为220～320A，真空度小于15kPa。需要说明的是，ZrN优选为购自国药集团的超细氮化锆粉末，颗粒尺寸23～46μm；在放入送粉器之前，优选将购置的超细ZrN粉在110℃恒温干燥箱烘干1h。
在本发明的进一步实施方式中，S103中，钇铝石榴石粉末(Y3Al5O12，YAG)的粒径为3～5μm，气罩等离子喷涂法中：喷涂功率为30～46kW，喷涂距离为80～155mm，主气氩气流量为60～90L/min，辅气氢气流量为8～12L/min，载气氦气流量为0.2～1.55L/min。需要说明的是，钇铝石榴石优选为购自上海皓锡纳米科技有限公司的超细粉体，颗粒尺寸分布3～5μm；在放入送粉器之前，优选将购置的超细YAG粉在110℃恒温干燥箱烘干1h。
在本发明的进一步实施方式中，S104具体包括：将锆酸镧粉(La2Zr2O7)进行喷雾造粒球化处理后进行热处理，然后采用大气等离子喷涂法，在能量耗散层的表面制备热防护屏蔽层，将得到的产物去应力退火处理，得到陶瓷基复合环境障涂层；其中，大气等离子喷涂法中：喷涂功率为28～44kW，喷涂距离为90～135mm，喷枪移动速度为300～600mm/s，主气氩气流量为70～90L/min，辅气氢气流量为12～30L/min，载气氦气流量为0.4～1.65L/min，送粉速率为25～55g/min，电流范围为450～650A；喷雾造粒球化处理中：喷嘴转速为40rpm，进料速度12～17g/min，进口温度为300～360℃，出口温度为60～80℃，聚乙烯醇粘结剂含量为0.5％～0.9％，固含量为50％；热处理的温度为1200℃，时间为2h；去应力退火的温度为900～1300℃，时间为2～4h，保护气氛为氩气。需要说明的是，锆酸镧粉优选为采用溶胶凝胶法制备，具体方法可以参照Kido等公开的Preparation of La2Zr2O7by Sol-Gel Route中的制备方法。
第三方面，本发明提供了陶瓷基复合环境障涂层在制备发动机尤其是航空发动机中的应用。
本发明提供的技术方案，具有如下的有益效果：
(1)本发明采用具有良好耐高温性能的莫来石(3Al2O3·2SiO2)和抗高温水氧腐蚀性好的硅酸镥(Lu2SiO5)作为抗水氧腐蚀层，能够有效保护在高温水氧腐蚀环境下服役硅基陶瓷基体显著提高其稳定性和服役寿命；
(2)本发明采用结构致密、高温性能好、热扩散系数小的氮化锆(ZrN)作为化学阻挡层，能够有效抑制上下涂层间的元素的互扩散，提高涂层的相结构稳定性，可以很好保护各涂层的本征性能；
(3)本发明设计具有多孔结构的钇铝石榴石YAG能量耗散层，能够利用涂层本身的不连续模量特征抑制来自表面涂层破坏产生的裂纹的深扩展，并且所具有的多孔结构有助于降低涂层的热导率，同时提高涂层界面结合的机械强度，可以减缓或抵消涂层服役期间裂纹、剥落等破坏行为的速度；
(4)本发明采用无高温相变、超低热导率(1.2～1.6W/(m·K))、耐高温气流冲刷的锆酸镧La2Zr2O7作为表面层，对下面涂层和基体起到热防护和屏蔽作用，降低下面层的温度，提高基体的耐高温性能；
(5)本发明采用等离子喷涂制备多层结构涂层，综合发挥各涂层的特性，使涂层既具有优异的抗水氧腐蚀能力，又能有效降低基体层的温度，提高材料的实际工作许可温度。
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为本发明实施例中的复合环境障涂层的结构示意图；
图2为本发明实施例中的溶胶凝胶法制备得到的Lu2SiO5的SEM形貌图；
图3为本发明实施例中的溶胶凝胶法制备得到的Lu2SiO5的XRD成分相图；
图4为本发明实施例中的制备得到的多孔型YAG表面形貌图；
图5为本发明实施例中的复合环境障涂层考核后的表面形貌图；
图6为本发明设计的结合强度测试拉伸夹具原理示意图。
附图标记：
1-SiCf/SiC陶瓷基复合材料，2-莫来石与硅酸镥抗水氧腐蚀层，3-致密型ZrN化学阻挡层，4-多孔型钇铝石榴石能量耗散层，5-锆酸镧热防护屏蔽层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规试剂商店购买得到的。以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，数据为三次重复实验的平均值或平均值±标准差。本发明实施例采用的莫来石粉为购买于石家庄通磊公司的47～73μm超细粉体，ZrN为购自国药集团的颗粒尺寸为23～46μm的超细氮化锆粉末，钇铝石榴石为购自上海皓锡纳米科技有限公司的粒径为3～5μm的超细粉体。
实施例一
本实施例提供一种陶瓷基复合环境障涂层，包括陶瓷基体和复合环境障涂层，复合环境障涂层由内到外依次包括抗水氧腐蚀层、化学阻挡层、能量耗散层和热防护屏蔽层，抗水氧腐蚀层制备在陶瓷基体的表面；陶瓷基体的材料为碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料；抗水氧腐蚀层包括厚度为50μm的莫来石层和厚度为70μm的硅酸镥层，莫来石层的材料包括莫来石，硅酸镥层的材料包括硅酸镥；化学阻挡层的材料包括氮化锆，厚度为7μm，孔隙率小于3％；能量耗散层的材料包括钇铝石榴石，厚度为50μm，孔隙率为24.66％；热防护屏蔽层的材料包括锆酸镧，厚度为120μm。
制备方法包括如下步骤：
陶瓷基体准备：截切1.5cm×1.5cm×1.5cm的SiCf/SiC陶瓷基复合材料，使用磨石将棱角边缘磨削成弧形倒角，以减缓涂层在边缘处的应力集中；分别使用丙酮、酒精和去离子水超声震荡10min，在110℃恒温干燥箱烘干。
S101：采用大气等离子喷涂法，在陶瓷基体表面依次制备莫来石层和硅酸镥层；具体包括：S201：将粒径为47～73μm的莫来石粉和硅粉以100:20的质量比混合后研磨均匀，然后在110℃干燥1h，得到混合粉体；采用大气等离子喷涂法，将混合粉体制备在陶瓷基体的表面，得到厚度为50μm的莫来石层；其中，大气等离子喷涂法中：喷涂功率为36kW，喷涂距离为90mm，喷枪移动速度为350mm/s，主气氩气流量为68L/min，辅气氢气流量为15L/min，载气氦气流量为0.95L/min，送粉速率为27g/min，电流为500A；S202：将硅酸镥粉进行喷雾造粒球化处理，然后进行热处理，再采用大气等离子喷涂法，将硅酸镥粉制备在莫来石层的表面，得到厚度为70μm的硅酸镥层；其中，喷雾造粒球化处理，具体包括：喷嘴转速为40rpm，进料速度12g/min，进口温度为350℃，出口温度为80℃，聚乙烯醇粘结剂含量为0.75％，固含量为50％，球化后的硅酸镥粉的粒径为40～80μm，松装密度为2.38g/cm3，流动性为11.2s/50g；热处理温度为1000℃，时间为2h；大气等离子喷涂法中：喷涂功率为36kW，喷涂距离为90mm，喷枪移动速度为350mm/s，主气氩气流量为68L/min，辅气氢气流量为15L/min，载气氦气流量为0.95L/min，送粉速率为27g/min，电流为500A；S203：将S202得到的产物进行去应力退火，去应力退火的温度为800℃，时间为2h，保护气氛为氩气。
S102：采用低压等离子喷涂法，在硅酸镥层的表面制备化学阻挡层；其中：氮化锆粉末的粒径为23～46μm；低压等离子喷涂法中：喷涂功率为26kW，喷涂距离为55mm，喷枪移动速度为480mm/s，送粉气体氦气流量为0.38L/min，送粉速率为14g/min，电流为295A，真空度小于15kPa。
S103：采用气罩等离子喷涂法，在化学阻挡层的表面制备能量耗散层；其中，钇铝石榴石粉末的粒径为3～5μm，气罩等离子喷涂法中：喷涂功率为40kW，喷涂距离为125mm，主气氩气流量为90L/min，辅气氢气流量为9L/min，载气氦气流量为1.15L/min。
S104：采用大气等离子喷涂法，在能量耗散层的表面制备热防护屏蔽层，得到陶瓷基复合环境障涂层；具体包括：将锆酸镧粉进行喷雾造粒球化处理后，1200℃热处理2h，然后采用大气等离子喷涂法，在能量耗散层的表面制备热防护屏蔽层，将得到的产物去应力退火处理，得到陶瓷基复合环境障涂层；其中，大气等离子喷涂法中：喷涂功率为44kW，喷涂距离为90mm，喷枪移动速度为400mm/s，主气氩气流量为76L/min，辅气氢气流量为14L/min，载气氦气流量为1.35L/min，送粉速率为44g/min，电流为500A；喷雾造粒球化处理中：喷嘴转速为40rpm，进料速度16g/min，进口温度为350℃，出口温度为80℃，聚乙烯醇粘结剂含量为0.9％，固含量为50％；球化后待喷涂粉体的松装密度2.92g/cm3，流动性10.6s/50g，颗粒尺寸分布65～95μm；去应力退火的温度为1200℃，时间为4h，保护气氛为氩气。
实施例二
本实施例提供一种陶瓷基复合环境障涂层，包括陶瓷基体和复合环境障涂层，复合环境障涂层由内到外依次包括抗水氧腐蚀层、化学阻挡层、能量耗散层和热防护屏蔽层；陶瓷基体的材料为碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料，抗水氧腐蚀层制备在陶瓷基体的表面；抗水氧腐蚀层包括厚度为58μm的莫来石层和厚度为65μm的硅酸镥层，莫来石层的材料包括莫来石，硅酸镥层的材料包括硅酸镥；化学阻挡层的材料包括氮化锆，厚度为9μm，孔隙率小于3％；能量耗散层的材料包括钇铝石榴石，厚度为60μm，孔隙率为27.83％；热防护屏蔽层的材料包括锆酸镧，厚度为108μm。
制备方法包括如下步骤：
陶瓷基体准备：截切1.5cm×1.5cm×1.5cm的SiCf/SiC陶瓷基复合材料，使用磨石将棱角边缘磨削成弧形倒角，以减缓涂层在边缘处的应力集中；分别使用丙酮、酒精和去离子水超声震荡10min，在110℃恒温干燥箱烘干。
S101：采用大气等离子喷涂法，在陶瓷基体表面依次制备莫来石层和硅酸镥层；具体包括：S201：将粒径为47～73μm的莫来石粉和硅粉以100:30的质量比混合后研磨均匀，然后在110℃干燥1h，得到混合粉体；采用大气等离子喷涂法，将混合粉体制备在陶瓷基体的表面，得到厚度为58μm的莫来石层；其中，大气等离子喷涂法中：喷涂功率为40kW，喷涂距离为110mm，喷枪移动速度为400mm/s，主气氩气流量为60L/min，辅气氢气流量为24L/min，载气氦气流量为1.25L/min，送粉速率为22g/min，电流为500A；S202：将硅酸镥粉进行喷雾造粒球化处理，然后进行热处理，再采用大气等离子喷涂法，将硅酸镥粉制备在莫来石层的表面，得到厚度为65μm的硅酸镥层；其中，喷雾造粒球化处理，具体包括：喷嘴转速为40rpm，进料速度15g/min，进口温度为360℃，出口温度为70℃，聚乙烯醇粘结剂含量为0.6％，固含量为50％，球化后的硅酸镥粉的粒径为37～68μm，松装密度为2.16g/cm3，流动性为10.8s/50g；热处理温度为1000℃，时间为2h；大气等离子喷涂法中：喷涂功率为40kW，喷涂距离为110mm，喷枪移动速度为400mm/s，主气氩气流量为60L/min，辅气氢气流量为24L/min，载气氦气流量为1.25L/min，送粉速率为22g/min，电流为500A；S203：将S202得到的产物进行去应力退火，去应力退火的温度为900℃，时间为3h，保护气为氩气。
S102：采用低压等离子喷涂法，在硅酸镥层的表面制备化学阻挡层；其中：氮化锆粉末的粒径为23～46μm；低压等离子喷涂法中：喷涂功率为22kW，喷涂距离为70mm，喷枪移动速度为350mm/s，送粉气体氦气流量为0.22L/min，送粉速率为10g/min，电流为320A，真空度小于15kPa。
S103：采用气罩等离子喷涂法，在化学阻挡层的表面制备能量耗散层；其中，钇铝石榴石粉末的粒径为3～5μm，气罩等离子喷涂法中：喷涂功率为45kW，喷涂距离为145mm，主气氩气流量为78L/min，辅气氢气流量为8L/min，载气氦气流量为0.85L/min。
S104：采用大气等离子喷涂法，在能量耗散层的表面制备热防护屏蔽层，得到陶瓷基复合环境障涂层；具体包括：将锆酸镧粉进行喷雾造粒球化处理后，1200℃热处理2h，然后采用大气等离子喷涂法，在能量耗散层的表面制备热防护屏蔽层，将得到的产物去应力退火处理，得到陶瓷基复合环境障涂层；其中，大气等离子喷涂法中：喷涂功率为40kW，喷涂距离为125mm，喷枪移动速度为300mm/s，主气氩气流量为84L/min，辅气氢气流量为18L/min，载气氦气流量为1.22L/min，送粉速率为36g/min，电流为500A；喷雾造粒球化处理中：喷嘴转速为40rpm，进料速度16g/min，进口温度为350℃，出口温度为80℃，聚乙烯醇粘结剂含量为0.9％，固含量为50％；球化后待喷涂粉体的松装密度2.92g/cm3，流动性10.6s/50g，颗粒尺寸分布65～95μm；去应力退火的温度为1250℃，时间为3h，保护气氛为氩气。
将本发明实施例一至实施例二制备得到的陶瓷基复合环境障涂层进行性能测定，并且以现有技术中的惯用的热喷涂技术所制备的双层结构环境障涂层(粘结层/抗水氧腐蚀层)为对比例。
测试方法：依据GB8642-88《热喷涂层结合强度的测定》，设计了如附图6所示的拉伸试验夹具，测试其相关性能。
测试结果：具体结果如下表1所示：
表1复合环境障涂层性能测试结果统计表
需要说明的是，除了上述实施例一至实施例二列举的情况，选用其他制备方法参数也是可行的。
本发明提供的陶瓷基复合环境障涂层具有优异的综合性能，可以提高高温热防护涂层的界面强度、断裂韧性和硬度，显著延长涂层使用寿命，降低涂层导热系数，使SiCf/SiC陶瓷基体在1900K以上的高温环境下多周次循环使用后能保持综合性能稳定。本发明提供的技术方案，具有如下优点：(1)本发明采用具有良好耐高温性能的莫来石(3Al2O3·2SiO2)和抗高温水氧腐蚀性好的硅酸镥(Lu2SiO5)作为抗水氧腐蚀层，能够有效保护在高温水氧腐蚀环境下服役硅基陶瓷基体显著提高其稳定性和服役寿命；(2)本发明采用结构致密、高温性能好、热扩散系数小的氮化锆(ZrN)作为化学阻挡层，能够有效抑制上下涂层间的元素的互扩散，提高涂层的相结构稳定性，可以很好保护各涂层的本征性能；(3)本发明设计具有多孔结构的钇铝石榴石YAG能量耗散层，能够利用涂层本身的不连续模量特征抑制来自表面涂层破坏产生的裂纹的深扩展，并且所具有的多孔结构有助于降低涂层的热导率，同时提高涂层界面结合的机械强度，可以减缓或抵消涂层服役期间裂纹、剥落等破坏行为的速度。(4)本发明采用无高温相变、超低热导率(1.2～1.6W/(m·K))、耐高温气流冲刷的锆酸镧La2Zr2O7作为表面层，对下面涂层和基体起到热防护和屏蔽作用，降低下面层的温度，提高基体的耐高温性能；(5)本发明采用等离子喷涂制备多层结构涂层，综合发挥各涂层的特性，使涂层既具有优异的抗水氧腐蚀能力，又能有效降低基体层的温度，提高材料的实际工作许可温度。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。在这里示出和描述的所有示例中，除非另有规定，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (11)

1.一种陶瓷基复合环境障涂层，其特征在于：包括陶瓷基体和复合环境障涂层，所述复合环境障涂层由内到外依次包括抗水氧腐蚀层、化学阻挡层、能量耗散层和热防护屏蔽层，所述抗水氧腐蚀层制备在所述陶瓷基体的表面；
其中，所述抗水氧腐蚀层包括莫来石层和硅酸镥层，所述莫来石层的材料包括莫来石，所述硅酸镥层的材料包括硅酸镥；
所述化学阻挡层的材料包括氮化锆；
所述能量耗散层的材料包括钇铝石榴石；
所述热防护屏蔽层的材料包括锆酸镧。
2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合环境障涂层，其特征在于：
所述莫来石层制备在所述陶瓷基体的表面，所述硅酸镥层制备在所述莫来石层的表面；其中，所述莫来石层的厚度为50～90μm，所述硅酸镥层的厚度为50～90μm；
所述化学阻挡层的厚度为4～12μm，孔隙率小于3％；
所述能量耗散层的厚度为30～60μm，孔隙率为20％～30％；
所述热防护屏蔽层厚度为80～140μm；
所述陶瓷基体的材料为碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。
3.权利要求1或2所述的陶瓷基复合环境障涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101：采用大气等离子喷涂法，在所述陶瓷基体的表面依次制备莫来石层和硅酸镥层；
S102：采用低压等离子喷涂法，在所述硅酸镥层的表面制备化学阻挡层；
S103：采用气罩等离子喷涂法，在所述化学阻挡层的表面制备能量耗散层；
S104：采用大气等离子喷涂法，在所述能量耗散层的表面制备热防护屏蔽层，得到所述陶瓷基复合环境障涂层。
4.根据权利要求3所述的陶瓷基复合环境障涂层的制备方法，其特征在于，
所述S101具体包括步骤：
S201：将莫来石粉和硅粉混合后研磨均匀，然后干燥，得到混合粉体；采用大气等离子喷涂法，将所述混合粉体制备在所述陶瓷基体的表面，得到莫来石层；
S202：采用大气等离子喷涂法，将硅酸镥粉制备在所述莫来石层的表面，得到硅酸镥层；
S203：将所述S202得到的产物进行去应力退火；
其中，所述S201中，所述莫来石粉和硅粉的质量比为100:(18～32)，所述莫来石粉的粒径为47～73μm，所述干燥的温度为110℃，所述干燥的时间为1h；
所述S202中，所述硅酸镥粉的粒径为30～90μm，松装密度为2～3g/cm3，流动性为10～13s/50g；
所述S203中，所述去应力退火的温度为600～950℃，时间为2～4h，保护气氛为氩气。
5.根据权利要求4所述的陶瓷基复合环境障涂层的制备方法，其特征在于，
所述S202中，在采用所述大气等离子喷涂法之前，将所述硅酸镥粉进行喷雾造粒球化处理，然后进行热处理；其中，所述喷雾造粒球化处理具体包括：喷嘴转速为40rpm，进料速度12～17g/min，进口温度为300～360℃，出口温度为60～80℃，聚乙烯醇粘结剂含量为0.5％～0.9％，固含量为50％；所述热处理温度为1000℃，时间为2h。
6.根据权利要求4所述的陶瓷基复合环境障涂层的制备方法，其特征在于，
所述S201和S202中，所述大气等离子喷涂法中：喷涂功率为28～44kW，喷涂距离为90～135mm，喷枪移动速度为260～600mm/s，主气氩气流量为40～96L/min，辅气氢气流量为12～30L/min，载气氦气流量为0.4～1.65L/min，送粉速率为20～35g/min，电流范围为450～530A。
7.根据权利要求3所述的陶瓷基复合环境障涂层的制备方法，其特征在于，
所述S102中，氮化锆粉末的粒径为23～46μm；所述低压等离子喷涂法中：喷涂功率为20～26kW，喷涂距离为50～80mm，喷枪移动速度为260～600mm/s，送粉气体氦气流量为0.2～0.55L/min，送粉速率为8～15g/min，电流范围为220～320A，真空度小于15kPa。
8.根据权利要求3所述的陶瓷基复合环境障涂层的制备方法，其特征在于，
所述S103中，钇铝石榴石粉末的粒径为3～5μm，所述气罩等离子喷涂法中：喷涂功率为30～46kW，喷涂距离为80～155mm，主气氩气流量为60～90L/min，辅气氢气流量为8～12L/min，载气氦气流量为0.2～1.55L/min。
9.根据权利要求3所述的陶瓷基复合环境障涂层的制备方法，其特征在于，
所述S104具体包括：将锆酸镧粉进行喷雾造粒球化处理后进行热处理，然后采用大气等离子喷涂法，在所述能量耗散层的表面制备热防护屏蔽层，将得到的产物去应力退火处理，得到所述陶瓷基复合环境障涂层；
其中，所述大气等离子喷涂法中：喷涂功率为28～44kW，喷涂距离为90～135mm，喷枪移动速度为300～600mm/s，主气氩气流量为70～90L/min，辅气氢气流量为12～30L/min，载气氦气流量为0.4～1.65L/min，送粉速率为25～55g/min，电流范围为450～650A；
所述喷雾造粒球化处理中：喷嘴转速为40rpm，进料速度12～17g/min，进口温度为300～360℃，出口温度为60～80℃，聚乙烯醇粘结剂含量为0.5％～0.9％，固含量为50％；
所述热处理的温度为1200℃，时间为2h；
所述去应力退火的温度为900～1300℃，时间为2～4h，保护气氛为氩气。
10.权利要求1或2所述的陶瓷基复合环境障涂层在制备发动机中的应用。
11.权利要求1或2所述的陶瓷基复合环境障涂层在制备航空发动机中的应用。
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