CN108911791B - 环境障涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环境障涂层及其制备方法，该环境障涂层包括依次设于非氧化物硅基陶瓷复合材料表面的SiC层、双稀土硅酸盐层和单稀土硅酸盐层。制备方法，包括：(1)采用化学气相沉积法或大气等离子喷涂法在非氧化物硅基陶瓷复合材料表面制备SiC层；(2)采用大气等离子喷涂法在SiC层表面制备双稀土硅酸盐层；(3)采用大气等离子喷涂法在双稀土硅酸盐层表面制备单稀土硅酸盐层，得到环境障涂层。该环境障涂层抗热震性能和抗水汽性能高，热循环寿命得以大幅提高。

Description

环境障涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及涂层材料及其制备技术领域，尤其涉及一种环境障涂层及其制备方法，特别涉及一种可应用于非氧化物硅基陶瓷材料表面的环境障涂层及其制备方法。

背景技术

目前航空、燃气轮机和航空发动机等先进动力系统的涡轮机叶片主要材质为非氧化物硅基陶瓷及其复合材料，因其服务环境为高温、富水汽、富氧的环境，虽然非氧化物硅基陶瓷及其复合材料具有高强度、高韧性、耐高温、抗氧化烧蚀等优点，但其抗高温湿氧腐蚀性能却不尽人意。目前常用的解决办法是在该材料表面制备抗高温湿氧腐蚀的环境障涂层，以阻止或减小发动机环境对高温结构材料性能的影响。

目前，常见的环境障涂层有莫来石涂层、硅酸钇涂层等。其中，SiC内层+硅酸钇表层涂层是目前研究较为成熟的抗高温湿氧腐蚀性能比较好的环境障涂层，但研究表明，其抗热震性能的效果并不够好。由于抗热震性能不好，会导致表层产生贯穿裂纹，为水汽提供了传输到粘接层的快速通道，导致粘接层被腐蚀，粘接层被完全腐蚀后，就会危害基体。最重要的是，随着贯穿裂纹的产生，表层作为保护层的功能已经消失，无法再阻挡环境中的水汽，无法再为基体提供保护。

发明内容

基于此，有必要提供一种抗热震性能高、避免贯穿裂纹产生的环境障涂层及其制备方法。

具体的技术方案如下：

一种环境障涂层，包括由下至上依次设于非氧化物硅基陶瓷复合材料表面的SiC层、双稀土硅酸盐层和单稀土硅酸盐层。

在其中一个实施例中，所述双稀土硅酸盐层与非氧化物硅基陶瓷复合材料的热胀系数差的绝对值≤3×10^-6/K，所述双稀土硅酸盐层与SiC层的热胀系数差的绝对值≤3×10^-6/K。

在其中一个实施例中，所述双稀土硅酸盐层中的双稀土硅酸盐为Lu₂Si₂O₇、Yb₂Si₂O₇、Y₂Si₂O₇、Er₂Si₂O₇及ScSi₂O₇中的一种或多种。

在其中一个实施例中，所述单稀土硅酸盐层中的单稀土硅酸盐为Lu₂SiO₅。

在其中一个实施例中，所述SiC层的厚度为50μm～150μm，所述双稀土硅酸盐层的厚度为50μm～150μm，所述单稀土硅酸盐层的厚度为50μm～100μm。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的环境障涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用化学气相沉积法或大气等离子喷涂法在非氧化物硅基陶瓷复合材料表面制备SiC层；

(2)采用大气等离子喷涂法在SiC层表面制备双稀土硅酸盐层；

(3)采用大气等离子喷涂法在双稀土硅酸盐层表面制备单稀土硅酸盐层，得到环境障涂层。

在其中一个实施例中，所述步骤(3)后还包括以下步骤：

(4)将环境障涂层在1400～1500℃下保温10～20h。

在其中一个实施例中，所述步骤(2)中，所述大气等离子喷涂法制备双稀土硅酸盐层的过程为：

(2.1)将双稀土硅酸盐粉末与助剂球磨混合，得到第一混合浆料；

(2.2)将所述第一混合浆料进行喷雾造粒，得到第一混合粉末；

(2.3)以所述第一混合粉末为大气等离子喷涂源，以氩气和氢气为工作气体，控制沉积电流为200～400A，沉积功率为13～18kW，在SiC层表面成型双稀土硅酸盐层。

在其中一个实施例中，所述步骤(3)中，所述大气等离子喷涂工艺制备单稀土硅酸盐层的过程为：

(3.1)将单稀土硅酸盐粉末与助剂球磨混合，得到第二混合浆料；

(3.2)将所述第二混合浆料进行喷雾造粒，得到第二混合粉末；

(3.3)以所述第二混合粉末为大气等离子喷涂源，以氩气和氢气为工作气体，控制沉积电流为200～400A，沉积功率为13～18kW，在双稀土硅酸盐层表面成型单稀土硅酸盐层。

在其中一个实施例中，所述步骤(1)中，所述化学气相沉积法制备SiC层的工艺为：以甲基三氧硅烷为沉积源，控制沉积功率为80～120KW，沉积温度为1050～1200℃，沉积时间为60～120h，在非氧化物硅基陶瓷复合材料表面沉积SiC层。

在其中一个实施例中，所述步骤(1)中，所述大气等离子喷涂工艺制备SiC层的过程为：

(1.1)将SiC粉末与助剂球磨混合，得到第三混合浆料；

(1.2)将所述第三混合浆料进行喷雾造粒，得到第三混合粉末；

(1.3)以所述第三混合粉末为大气等离子喷涂源，以氩气和氢气为工作气体，控制沉积电流为200～400A，沉积功率为13～24kW，在双稀土硅酸盐层表面沉积单稀土硅酸盐层。

附图说明

图1为本发明实施例3所制备的环境障涂层的截面SEM图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明一实施方式的环境障涂层，包括由下至上依次设于非氧化物硅基陶瓷复合材料表面的SiC层、双稀土硅酸盐层和单稀土硅酸盐层。

可以理解，非氧化物硅基陶瓷复合材料可包括纤维增强碳化硅陶瓷复合材料或纤维增强氮化硅陶瓷复合材料。

其中，纤维增强碳化硅陶瓷复合材料可以为碳纤维增强碳化硅陶瓷复合材料或碳化硅纤维增强碳化硅复合材料；纤维增强氮化硅陶瓷复合材料可以为碳化硅纤维增强氮化硅陶瓷复合材料。

传统的非氧化物硅基陶瓷复合材料表面的环境障涂层体系一般包括粘接层和表层。研究表明，选用热胀系数和基体接近的粘接层和表层做为环境障涂层体系，理论上粘接层和表层在热循环过程中产生的残余热应力较小，更不容易产生贯穿裂纹，因此可以更长时间的保护基体。虽然传统的Si粘接层热胀系数低，但是由于熔点在1414℃左右，无法应用于高温环境，因此温度要求更高的环境一般采用熔点更高的SiC做为粘接层。

本发明通过研究发现，双稀土硅酸盐具有低热导率，较好的高温相稳定性和较好的抗水汽性能；在与单稀土硅酸盐热胀系数相当的前提下，采用双稀土硅酸盐作为环境障涂层的表层，与传统的采用单稀土硅酸盐作为环境障涂层的表层相比，SiC粘接层+双稀土硅酸盐表层的环境障涂层产生的残余热应力更小，因而抗热震性能更好，应用过程中不易产生贯穿裂纹。由于抗热震性能大幅提高，延缓了裂纹的产生，使得双稀土硅酸盐和SiC的优异性能得到充分的发挥。双稀土硅酸盐高温相稳定性好且具有较低的热导率；SiC与基体的附着力好，能够形成抗高温氧化的SiO₂热生长氧化层。

本发明通过进一步研究发现，SiC/双稀土硅酸盐组成的环境障涂层体系的抗水汽性能不如SiC/单稀土硅酸盐组成的环境障涂层体系，究其原因，这是因为在高速的水汽环境下，水蒸气会和双稀土硅酸盐表层反应产生挥发性的气态氢氧化硅，使得表层不断减薄，从而降低了环境障涂层体系的服役寿命。

在经过大量理论探究和实践探索后，本发明通过在双稀土硅酸盐表面制备一层单稀土硅酸盐，即形成SiC层-双稀土硅酸盐层-单稀土硅酸盐层的三明治结构，该环境障涂层体系的抗水汽性能得以大幅提高。本研究领域普遍认为，三明治结构涂层中，中间层在降温过程中会产生严重的热应力，从而降低整个涂层的抗热震性能。而本发明的研究表明，只要严格选择合适的单稀土硅酸盐表层，本发明的环境障涂层体系的抗热震性能将不受影响，因而本发明的环境障涂层体系的热循环寿命得以大幅提高。

优选的，双稀土硅酸盐层与非氧化物硅基陶瓷复合材料的热胀系数差的绝对值≤3×10^-6/K，双稀土硅酸盐层与SiC层的热胀系数差的绝对值≤3×10^-6/K，可保证环境障涂层体系具备优异的抗热震性能，使用过程中不易产生贯穿裂纹。

更优选的，双稀土硅酸盐层中的双稀土硅酸盐为所述双稀土硅酸盐层中的双稀土硅酸盐为双硅酸镥(Lu₂Si₂O₇)、双硅酸镱(Yb₂Si₂O₇)、双硅酸钇(Y₂Si₂O₇)、双硅酸钪(ScSi₂O₇)及双硅酸锶(Sr₂Si₂O₇)中的一种或多种。

优选的，单稀土硅酸盐层中的单稀土硅酸盐为Lu₂SiO₅。相比单硅酸镱，单硅酸钇，单硅酸铒以及单硅酸钪等单稀土硅酸盐，Lu₂SiO₅与双稀土硅酸盐的热胀系数差更低，小于1ppm，因此选择单硅酸镥可防止环境障涂层组层之间的热胀系数失配，避免在降温过程中产生较大热应力，提高涂层体系的抗热震性能，延长其热循环寿命。

在本实施方式中，SiC层的厚度优选为50μm～150μm，双稀土硅酸盐层的厚度优选为50～150μm，单稀土硅酸盐层的厚度优选为50μm～100μm。研究表明，本发明的SiC层-双稀土硅酸盐层-单稀土硅酸盐层的三明治环境障涂层体系中，表层和中间层厚度匹配失调在降温时会造成较大的热应力，从而降低环境障涂层体系的热震性能；同时，各涂层厚度不宜过厚，过厚会影响复合材料基体的性能发挥。

本发明还提供上述的环境障涂层的一实施方式的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用化学气相沉积法或大气等离子喷涂法在非氧化物硅基陶瓷复合材料表面制备SiC层；

通过化学气相沉积制备的SiC粘接层具有成分均匀，性能均匀的性质，避免了传统泥浆法等制备的SiC层局部性能不均匀从而导致环境障涂层的突然失效的问题。

在本实施方式中，化学气相沉积法制备SiC层的工艺为：以甲基三氧硅烷(MST)为沉积源，控制沉积功率为80～120KW，沉积温度为1050～1200℃，沉积时间为60～120h，在非氧化物硅基陶瓷复合材料表面成型SiC层。

在其他的实施方式中，大气等离子喷涂法制备SiC层的工艺过程为：

(1.1)将SiC粉末与助剂球磨混合，得到第三混合浆料；

(1.2)将所述第三混合浆料进行喷雾造粒，得到第三混合粉末；

(1.3)以所述第三混合粉末为大气等离子喷涂源，以氩气和氢气为工作气体，控制沉积电流为200～400A，沉积功率为13～24KW，沉积时间为30～60min，在双稀土硅酸盐层表面沉积单稀土硅酸盐层。

(2)采用大气等离子喷涂法在SiC层表面制备双稀土硅酸盐层；本发明通过研究发现，与物理气相沉积等传统的沉积方法相比，采用大气等离子喷涂方法制备的双稀土硅酸盐层具有更好的隔热效果，从而使得传导到基体的温度更小，更好的保持基体的力学强度。

采用大气等离子喷涂法在SiC层表面制备双稀土硅酸盐层具体过程为：

(2.1)将双稀土硅酸盐粉末与助剂球磨混合，得到混合浆料；

其中，双稀土硅酸盐粉末粒径优选不超过5μm，粉粒太大，在造粒的过程中容易产生过大且形状不规则的粉粒，会降低喷雾造粒的流动性。

其中，助剂优选包括液态助剂、粘结剂和消泡剂。液体助剂优选去离子水或酒精，粘结剂优选阿拉伯树胶粉，消泡剂优选柠檬酸三铵。

双稀土硅酸盐粉末、液态助剂、粘结剂和消泡剂的质量比优选为0.8～1.2:0.8～1.2:0.01～0.03:0.007～0.009。

其中，球磨转速优选为250r/min～350r/min，球磨时间优选为24h～30h。

(2.2)以第一混合粉末为大气等离子喷涂源，以氩气为主工作气流，以氢气为次工作气流，以氩气为承载喷涂源的载气流，控制沉积电流为200～400A，沉积功率为13～18kW，沉积时间为30～60min，在SiC层表面成型双稀土硅酸盐层。

本发明通过研究发现，喷涂过程中应严格控制沉积功率在之间，若喷涂功率大于18kW，双稀土硅酸盐在喷涂过程中会大量分解形成单稀土硅酸盐；喷涂功率小于13kW，喷涂则无法进行。

其中，氩气流量优选为34～38L/min，氢气流量优选为5～6L/min，载气流速优选为2.4～2.8L/min，送粉器的转速优选为25r/min～35r/min。

(3)采用大气等离子喷涂法在双稀土硅酸盐层表面制备单稀土硅酸盐层，得到环境障涂层。

大气等离子喷涂工艺制备单稀土硅酸盐层的过程为：

(3.1)将单稀土硅酸盐粉末与助剂球磨混合，得到第二混合浆料；

(3.2)将所述第二混合浆料进行喷雾造粒，得到第二混合粉末；

(3.3)以所述第二混合粉末为大气等离子喷涂源，以氩气和氢气为工作气体，控制沉积电流为200～400A，沉积功率为13～18kW，沉积时间为30～60min，在双稀土硅酸盐层表面成型单稀土硅酸盐层。

本实施方式中尽量将单稀土硅酸盐层沉积参数与双稀土硅酸盐层沉积参数保持一致，避免已沉积的双稀土硅酸盐层在单稀土硅酸盐层沉积过程中被分解。

在本实施方式中，步骤(3)后还包括以下步骤：

(4)将环境障涂层在1400～1500℃下保温10～20h。

本发明经研究发现，双稀土硅酸盐在大气等离子喷涂过程中会有小部分分解成单稀土硅酸盐和二氧化硅，通过高温热处理(1400℃以上)可以有效将单稀土硅酸盐和二氧化硅重新合成双稀土硅酸盐。同时保温时间不能太短，时间过短合成不完全。因此，经热处理后的环境障涂层，表层的高温相稳定性更好。

以下为具体实施例。

其中，下列实施例和对比例中用到的大气等离子喷涂设备为中航工业生产，型号为APS-3000K。喷雾造粒设备为无锡施洛华机械有限公司生产，型号为LX-10。

实施例1

一种本实施例的环境障涂层，包括由下至上依次设于碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷复合材料基体表面的SiC层、Lu₂Si₂O₇层和Lu₂SiO₅层。

其中，SiC层的厚度为100μm，Lu₂Si₂O₇层的厚度为100μm，Lu₂SiO₅层的厚度为100μm。

上述本实施例的环境障涂层通过以下方法制备：

(1)沉积SiC粘接层：以甲基三氯硅烷为沉积源，控制沉积功率为100KW，沉积温度为1000℃，沉积时间为80h，在碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷复合材料基体表面成型厚度为100μm的SiC层。

(2)沉积Lu₂Si₂O₇层：

(2.1)将粒径不超过5μm的Lu₂Si₂O₇粉末、阿拉伯树胶粉和柠檬酸三铵组成的混合粉末置于聚氨酯球磨罐中，再将球磨罐置于行星式球磨仪中，用锆珠在去离子水中以300转/min的转速球磨24h。其中，Lu₂Si₂O₇原料粉末、去离子水、阿拉伯树胶粉、柠檬酸三铵按照质量比为1:1:2％:0.8％的比例称量，配成混合浆料。

(2.2)将球磨罐中的含Lu₂Si₂O₇的混合浆料倒入容器中，然后用于喷雾造粒。喷雾造粒具体过程为：先将喷雾造粒的设备打开送风，然后清洗，之后将入口温度加热到120℃，出口温度加热到250℃，打开雾化器和送料器，将20h含Lu₂Si₂O₇的混合浆料输入雾化器里面，雾化器马达的转速为20r/min，2h后造粒完成，得到260g流动性好的球形双硅酸镥粉末。将干燥后的粉末用200目的筛子过筛，密封干燥保存。

(2.3)将沉积SiC层的碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷复合材料基体用夹具夹住后装入大气等离子喷涂设备的工作腔中的送粉器上，并将步骤(2.2)得到的球形双硅酸镥粉末装入送粉器中，以氩气为主工作气流，以氢气为次工作气流，以氩气为承载喷涂源的载气流，控制沉积电流为300A，氩气流速为36L/min，氢气流速为5.5L/min，载气流速为2.6L/min，送粉器的转速为30r/min，沉积功率为18kW，沉积时间为45min，在SiC层表面成型双稀土硅酸盐层。

(3)沉积Lu₂SiO₅层：

(3.1)将粒径不超过5μm的Lu₂SiO₅粉末、阿拉伯树胶粉和柠檬酸三铵组成的混合粉末置于聚氨酯球磨罐中，再将球磨罐置于行星式球磨仪中，用锆珠在去离子水中以300转/min的转速球磨24h。其中，Lu₂SiO₅原料粉末、去离子水、阿拉伯树胶粉、柠檬酸三铵按照质量比为1:1:2％:0.8％的比例称量，配成混合浆料。

(3.2)将球磨罐中的含Lu₂SiO₅的混合浆料倒入容器中，然后用于喷雾造粒。喷雾造粒具体过程为：先将喷雾造粒的设备打开送风，然后清洗，之后将入口温度加热到120℃，出口温度加热到250℃，打开雾化器和送料器，将24h含Lu₂Si₂O₇的混合浆料输入雾化器里面，雾化器马达的转速为20r/min，2h后造粒完成，得到260g流动性好的球形单硅酸镥粉末。将干燥后的粉末用200目的筛子过筛，密封干燥保存。

(3.3)将沉积Lu₂Si₂O₇层的碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷复合材料基体用夹具夹住后装入大气等离子喷涂设备的工作腔中的送粉器上，并将步骤(3.2)得到的球形单硅酸镥粉末装入送粉器中，以氩气为主工作气流，以氢气为次工作气流，以氩气为承载喷涂源的载气流，控制沉积电流为300A，氩气流速为36L/min，氢气流速为5.5L/min，载气流速为2.6L/min，送粉器的转速为30r/min，沉积功率为18kW，沉积时间为45min，在双稀土硅酸盐层表面成型单稀土硅酸盐层。

实施例2

一种本实施例的环境障涂层，包括由下至上依次设于碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷复合材料基体表面的SiC层、Sc₂Si₂O₇层和Lu₂SiO₅层。

其中，SiC层的厚度为100μm，Sc₂Si₂O₇层的厚度为150μm，Lu₂SiO₅层的厚度为100μm。

上述本实施例的环境障涂层通过以下方法制备：

(1)沉积SiC粘接层：使用流动性较好，粒径为40-60微米的SiC球形颗粒，将大气等离子喷涂设备的参数调为控制沉积电流为300A，氩气流速为36L/min，氢气流速为5.5L/min，载气流速为2.6L/min，送粉器的转速为30r/min，沉积功率为18kW，沉积时间为45min，在SiC基体上面沉积SiC粉末。开始沉积之前，用夹具夹住基板，然后开始喷涂，喷涂时间为20-30min。

(2)沉积Sc₂Si₂O₇层：

(2.1)将粒径集中为2μm的Sc₂Si₂O₇粉末、阿拉伯树胶粉和柠檬酸三铵组成的混合粉末置于聚氨酯球磨罐中，再将球磨罐置于行星式球磨仪中，用锆珠在去离子水中以350转/min的转速球磨28h。其中，Sc₂Si₂O₇原料粉末、去离子水、阿拉伯树胶粉、柠檬酸三铵按照质量比为1:1:2％:0.8％的比例称量，配成混合浆料。

(2.2)将球磨罐中的含Sc₂Si₂O₇的混合浆料倒入容器中，然后用于喷雾造粒。喷雾造粒具体过程为：先将喷雾造粒的设备打开送风，然后清洗，之后将入口温度加热到120℃，出口温度加热到250℃，打开雾化器和送料器，将28h含Lu₂Si₂O₇的混合浆料输入雾化器里面，雾化器马达的转速为20r/min，2h后造粒完成，得到260g流动性好的球形双硅酸镥粉末。将干燥后的粉末用200目的筛子过筛，密封干燥保存。

(2.3)将沉积SiC层的碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷复合材料基体用夹具夹住后装入大气等离子喷涂设备的工作腔中的送粉器上，并将步骤(2.2)得到的球形双硅酸镥粉末装入送粉器中，以氩气为主工作气流，以氢气为次工作气流，以氩气为承载喷涂源的载气流，控制沉积电流为300A，氩气流速为36L/min，氢气流速为5.5L/min，载气流速为2.6L/min，送粉器的转速为30r/min，沉积功率为18kW，沉积时间为60min，在SiC层表面成型双稀土硅酸盐层。

(3)沉积Lu₂SiO₅层：

(3.1)将粒径不超过5μm的Lu₂SiO₅粉末、阿拉伯树胶粉和柠檬酸三铵组成的混合粉末置于聚氨酯球磨罐中，再将球磨罐置于行星式球磨仪中，用锆珠在去离子水中以300转/min的转速球磨24h。其中，Lu₂SiO₅原料粉末、去离子水、阿拉伯树胶粉、柠檬酸三铵按照质量比为1:1:2％:0.8％的比例称量，配成混合浆料。

(3.2)将球磨罐中的含Lu₂SiO₅的混合浆料倒入容器中，然后用于喷雾造粒。喷雾造粒具体过程为：先将喷雾造粒的设备打开送风，然后清洗，之后将入口温度加热到120℃，出口温度加热到250℃，打开雾化器和送料器，将20h含Sc₂Si₂O₇的混合浆料输入雾化器里面，雾化器马达的转速为20r/min，2h后造粒完成，得到300g流动性好的球形单硅酸镥粉末。将干燥后的粉末用200目的筛子过筛，密封干燥保存。

(3.3)将沉积Sc₂Si₂O₇层的碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷复合材料基体用夹具夹住后装入大气等离子喷涂设备的工作腔中的送粉器上，并将步骤(3.2)得到的球形单硅酸镥粉末装入送粉器中，以氩气为主工作气流，以氢气为次工作气流，以氩气为承载喷涂源的载气流，控制沉积电流为350A，氩气流速为38L/min，氢气流速为5L/min，载气流速为2.4L/min，送粉器的转速为35r/min，沉积功率为15kW，沉积时间为45min，在双稀土硅酸盐层表面成型单稀土硅酸盐层。

实施例3

一种本实施例的环境障涂层，包括碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷复合材料基体表面的SiC层、Yb₂Si₂O₇层和Lu₂SiO₅层。

其中，SiC层的厚度为100μm，Yb₂Si₂O₇层的厚度为150μm，Lu₂SiO₅层的厚度为50μm。

上述本实施例的环境障涂层通过以下方法制备：

(1)沉积SiC粘接层：以甲基三氯硅烷为沉积源，控制沉积功率为120KW，沉积温度为1200℃，沉积时间为60h，在碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷复合材料基体表面成型厚度为100μm的SiC层。

(2)沉积Yb₂Si₂O₇层：

(2.1)将粒径集中为4μm的Yb₂Si₂O₇粉末、阿拉伯树胶粉和柠檬酸三铵组成的混合粉末置于聚氨酯球磨罐中，再将球磨罐置于行星式球磨仪中，用锆珠在去离子水中以300转/min的转速球磨24h。其中，Yb₂Si₂O₇原料粉末、去离子水、阿拉伯树胶粉、柠檬酸三铵按照质量比为1:1:2％:0.8％的比例称量，配成混合浆料。

(2.2)将球磨罐中的含Yb₂Si₂O₇的混合浆料倒入容器中，然后用于喷雾造粒。喷雾造粒具体过程为：先将喷雾造粒的设备打开送风，然后清洗，之后将入口温度加热到120℃，出口温度加热到250℃，打开雾化器和送料器，将25h含Lu₂Si₂O₇的混合浆料输入雾化器里面，雾化器马达的转速为20r/min，2.5h后造粒完成，得到220g流动性好的球形双硅酸镥粉末。将干燥后的粉末用200目的筛子过筛，密封干燥保存。

(2.3)将沉积SiC层的碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷复合材料基体用夹具夹住后装入大气等离子喷涂设备的工作腔中的送粉器上，并将步骤(2.2)得到的球形双硅酸镥粉末装入送粉器中，以氩气为主工作气流，以氢气为次工作气流，以氩气为承载喷涂源的载气流，控制沉积电流为400A，氩气流速为34L/min，氢气流速为5L/min，载气流速为2.6L/min，送粉器的转速为25r/min，沉积功率为13kW，沉积时间为60min，在SiC层表面成型双稀土硅酸盐层。

(3)沉积Lu₂SiO₅层：

(3.1)将粒径不超过5μm的Lu₂SiO₅粉末、阿拉伯树胶粉和柠檬酸三铵组成的混合粉末置于聚氨酯球磨罐中，再将球磨罐置于行星式球磨仪中，用锆珠在去离子水中以300转/min的转速球磨24h。其中，Lu₂SiO₅原料粉末、去离子水、阿拉伯树胶粉、柠檬酸三铵按照质量比为1:1:2％:0.8％的比例称量，配成混合浆料。

(3.2)将球磨罐中的含Lu₂SiO₅的混合浆料倒入容器中，然后用于喷雾造粒。喷雾造粒具体过程为：先将喷雾造粒的设备打开送风，然后清洗，之后将入口温度加热到120℃，出口温度加热到250℃，打开雾化器和送料器，将24h含Lu₂SiO₅的混合浆料输入雾化器里面，雾化器马达的转速为20r/min，2h后造粒完成，得到260g流动性好的球形单硅酸镥粉末。将干燥后的粉末用200目的筛子过筛，密封干燥保存。

(3.3)将沉积Yb₂Si₂O₇层的碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷复合材料基体用夹具夹住后装入大气等离子喷涂设备的工作腔中的送粉器上，并将步骤(3.2)得到的球形单硅酸镥粉末装入送粉器中，以氩气为主工作气流，以氢气为次工作气流，以氩气为承载喷涂源的载气流，控制沉积电流为300A，氩气流速为36L/min，氢气流速为5.5L/min，载气流速为2.6L/min，送粉器的转速为30r/min，沉积功率为18kW，沉积时间为30min，在双稀土硅酸盐层表面成型单稀土硅酸盐层。

图1为本实施例制备的环境障涂层截面的SEM图，由图可知，各镀层厚度均匀。

对比例1

本对比例的环境障涂层，包括由下至上依次设于碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷复合材料基体表面的SiC层和Yb₂SiO₅层。

本对比例的环境障涂层制备方法与实施例3基本相同，其不同点仅在于：步骤(2.1)中的Lu₂Si₂O₇粉末替换为Yb₂SiO₅粉末，且不包括步骤(3)。

对比例2

本对比例的环境障涂层，包括由下至上依次设于碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷复合材料基体表面的SiC层和Yb₂Si₂O₇层。

本对比例的环境障涂层制备方法与实施例3基本相同，其不同点仅在于：不包括步骤(3)。

实施例4

一种本实施例的环境障涂层，包括由下至上依次设于碳化硅纤维增强碳化硅基体表面的SiC层、Yb₂Si₂O₇层和Lu₂SiO₅层。

其中，SiC层的厚度为100μm，Yb₂Si₂O₇层的厚度为150微米，Lu₂SiO₅层的厚度为200微米。

本实施例的环境障涂层制备方法与实施例3基本相同，其不同点仅在于：步骤(3)中沉积时间为60min。

实施例5

一种本实施例的环境障涂层，包括由下至上依次设于碳化硅纤维增强碳化硅基体表面的SiC层、Yb₂Si₂O₇层和Yb₂SiO₅。

其中，SiC层的厚度为100μm，Yb₂Si₂O₇层的厚度为150微米，Yb₂SiO₅层的厚度为200微米。

本实施例的环境障涂层制备方法与实施例3基本相同，其不同点仅在于：步骤(3)中，采用Yb₂SiO₅粉末替换Lu₂SiO₅粉末。

对实施例1～5、对比例1和2的环境障涂层进行抗热震性能测试和抗水汽性能测试，测试结果如表1所示。

抗热震性能测试方法如下：在1500℃保温6分钟，空冷1分钟，再0℃下水冷5分钟。重复保温-空冷-水冷的过程，肉眼观察裂纹和剥落情况，至涂层剥落量超过涂层总量的5％，结束抗热震性能测试。

抗水汽性能测试方法如下：将待测试样放入管式炉中，设置程序加热至1500℃，并通入0.02cm/s的气压比为50％∶50％的总压为一个大气压的水蒸气和氧气，持续氧化20h后开始降温，并关闭水蒸气的通入，继续保持炉内为1个大气压。重复10次，水汽腐蚀时间共200h，测量表层的减薄厚度。

表1

组别	抗热震性能	抗水汽性能
			实施例1	35次	减薄20微米
实施例2	60次	减薄20微米
			实施例3	90次	减薄20微米
实施例4	60次	减薄20微米
			实施例5	70次	减薄23微米
对比例1	9次	减薄20微米
			对比例2	80次	减薄50微米

以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (4)

1.一种环境障涂层，用于涂覆于非氧化物硅基陶瓷复合材料表面，其特征在于，包括从下至上依次层叠设于非氧化物硅基陶瓷复合材料表面的SiC层、双稀土硅酸盐层和单稀土硅酸盐层；

所述双稀土硅酸盐层中的双稀土硅酸盐为Lu₂Si₂O₇、Yb₂Si₂O₇、Y₂Si₂O₇、Er₂Si₂O₇及ScSi₂O₇中的一种或多种；

所述单稀土硅酸盐层中的单稀土硅酸盐为Lu₂SiO₅；所述SiC层的厚度为50μm~150μm，所述双稀土硅酸盐层的厚度为50μm~150μm，所述单稀土硅酸盐层的厚度为50μm~100μm。

2.根据权利要求 1 所述的环境障涂层，其特征在于，所述双稀土硅酸盐层与非氧化物硅基陶瓷复合材料的热胀系数差的绝对值≤3*10^-6/K，所述双稀土硅酸盐层与 SiC 层的热胀系数差的绝对值≤3*10^-6/K。

3.一种如权利要求 1~2 任一项所述的环境障涂层的制备方法，包括以下步骤：（1）采用化学气相沉积法或大气等离子喷涂法在非氧化物硅基陶瓷复合材料表面制备SiC 层；

（2）采用大气等离子喷涂法在 SiC 层表面制备双稀土硅酸盐层；

其中，所述大气等离子喷涂法制备双稀土硅酸盐层的过程为：

（2.1）将双稀土硅酸盐粉末与助剂球磨混合，得到第一混合浆料；

（2.2）将所述第一混合浆料进行喷雾造粒，得到第一混合粉末；

（2.3）以所述第一混合粉末为大气等离子喷涂源，以氩气和氢气为工作气体，控制沉积电流为200~400A，沉积功率为13~18kW，在SiC层表面成型双稀土硅酸盐层；

（3）采用大气等离子喷涂法在双稀土硅酸盐层表面制备单稀土硅酸盐层，得到环境障涂层；

其中，所述大气等离子喷涂法制备单稀土硅酸盐层的过程为：

（3.1）将单稀土硅酸盐粉末与助剂球磨混合，得到第二混合浆料；

（3.2）将所述第二混合浆料进行喷雾造粒，得到第二混合粉末；

（3.3）以所述第二混合粉末为大气等离子喷涂源，以氩气和氢气为工作气体，控制沉积电流为200~400A，沉积功率为13~18kW，在双稀土硅酸盐层表面成型单稀土硅酸盐层；

（4）将环境障涂层在1400~1500℃下保温10~20h。

4.根据权利要求 3所述的环境障涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述化学气相沉积法制备SiC层的工艺为：以甲基三氧硅烷为沉积源，控制沉积功率为80~120KW，沉积温度为1050~1200℃，沉积时间为60~120h，在非氧化物硅基陶瓷复合材料表面沉积 SiC 层；

所述步骤（1）中，所述大气等离子喷涂法制备 SiC 层的过程为：

（1.1）将 SiC 粉末与助剂球磨混合，得到第三混合浆料；

（1.2）将所述第三混合浆料进行喷雾造粒，得到第三混合粉末；

（1.3）以所述第三混合粉末为大气等离子喷涂源，以氩气和氢气为工作气体，控制沉积电流为 200~400A，沉积功率为 13~24kW，在非氧化物硅基陶瓷复合材料表面沉积 SiC 层。

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