CN108947591A - 一种高温隔热防护涂层结构及其制备方法 - Google Patents

一种高温隔热防护涂层结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高温隔热防护涂层结构及其制备方法，包括依次层叠在SiC/SiC复合材料基体表面的添加MoSi2或SiC的ZrB2抗氧化底层，Sc2O3、Y2O3共掺杂ZrO2隔热层以及LaMgAl11O19耐烧蚀功能层。本发明把功能不同的抗氧化、隔热、耐烧蚀涂层结合起来，形成三层结构复合涂层体系，本发明的高温隔热防护涂层可应用于SiC/SiC复合材料超高温部件的热防护。

Description

一种高温隔热防护涂层结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及高温涂层制备技术领域，尤其是一种高温隔热防护涂层结构及其制备方法。
背景技术
目前碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC/SiC)部件工作温度已经提高到1700℃甚至更高。由于无热防护涂层的SiC/SiC复合材料在高温水蒸汽及有氧环境中性能将严重退化，因此高温隔热防护涂层对于SiC/SiC复合材料的高温应用十分必要。
目前SiC/SiC复合材料表面含氧化硅的钡锶铝硅(BSAS)、稀土硅酸盐热防护涂层工作温度不高于1500℃。采用单一碳化锆或二硼化锆的热防护涂层1700℃环境下单独使用容易在加热过程中产生裂纹甚至剥落，工作寿命很短。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种新型高温隔热防护涂层结构及其制备方法，该涂层与SiC/SiC复合材料物理及化学性能相容性好，涂层与SiC/SiC复合材料结合良好，具有抗氧化、隔热及耐烧蚀的显著特点，工作温度可达1700℃，本发明的高温隔热防护涂层导热系数低、抗高温氧化、耐烧蚀、高温组织结构稳定，可用于SiC/SiC复合材料超高温部件抗氧化、隔热及耐烧蚀防护，具有明显的应用前景。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下：
一方面，提供一种高温隔热防护涂层结构，包括：
依次层叠在SiC/SiC复合材料基体表面的添加MoSi2或SiC的ZrB2抗氧化底层，Sc2O3、Y2O3共掺杂ZrO2材料的隔热层以及LaMgAl11O19耐烧蚀功能层；
优选地，所述抗氧化底层是采用真空等离子喷涂技术在所述基体上喷涂制备，MoSi2或SiC的体积分数为20～30％，添加MoSi2或SiC的ZrB2粉末材料粒径处于5～40um；真空等离子喷涂功率40～50KW，送粉速率20～30g/min，喷涂距离180～240mm，底层厚度0.15～0.20mm。
优选地，所述隔热层是采用大气等离子喷涂技术在所述抗氧化底层上喷涂制备，Sc2O3摩尔分数为5.0～7.5％、Y2O3摩尔分数为0.5～1.5％，粉末材料粒径处于10～50μm；大气等离子喷涂功率40～45KW，送粉速率30～40g/min，喷涂距离60～80mm，隔热层厚度0.20～0.25mm。
优选地，所述耐烧蚀功能层是采用大气等离子喷涂技术在所述隔热层上喷涂制备，LaMgAl11O19粉末材料粒径处于10～50μm；大气等离子喷涂功率35～40KW，送粉速率25～35g/min，喷涂距离60～80mm，耐烧蚀功能层厚度0.15～0.25mm。
另一方面，还提供了一种高温隔热防护涂层的制备方法，包括：
采用真空等离子喷涂技术在SiC/SiC复合材料基体上制备添加MoSi2或SiC的ZrB2抗氧化底层；
采用大气等离子喷涂技术在所述抗氧化底层上制备隔热层；其中，所述隔热层为Sc2O3、Y2O3共掺杂ZrO2涂层；
采用大气等离子喷涂技术在所述隔热层上制备LaMgAl11O19耐烧蚀功能层。
优选地，MoSi2或SiC的体积分数为20～30％，添加MoSi2或SiC的ZrB2粉末材料粒径处于5～40μm。
优选地，所述采用真空等离子喷涂技术在SiC/SiC复合材料基体上制备添加MoSi2或SiC的ZrB2抗氧化底层具体包括：真空等离子喷涂功率40～50KW，送粉速率20～30g/min，喷涂距离180～240mm，底层厚度0.15～0.20mm。
优选地，Sc2O3摩尔分数为5.0～7.5％、Y2O3摩尔分数为0.5～1.5％，粉末材料粒径处于10～50μm。
优选地，所述采用大气等离子喷涂技术在所述抗氧化底层上制备隔热层具体包括：大气等离子喷涂功率40～45KW，送粉速率30～40g/min，喷涂距离60～80mm，隔热层厚度0.20～0.25mm。
优选地，LaMgAl11O19粉末材料粒径处于10～50μm；所述采用大气等离子喷涂技术在所述隔热层上制备LaMgAl11O19耐烧蚀功能层具体包括：大气等离子喷涂功率35～40KW，送粉速率25～35g/min，喷涂距离60～80mm，耐烧蚀功能层厚度0.15～0.25mm。
本发明的实施例具有以下有益效果：
上述方案中，本发明是一种SiC/SiC复合材料表面高温隔热防护涂层结构及其制备方法，本发明把功能不同的抗氧化、隔热、耐烧蚀涂层结合起来，发挥各自优势，形成三层结构复合涂层体系。其中添加MoSi2或SiC的二硼化锆(ZrB2)抗氧化底层改善了涂层与SiC/SiC复合材料间的界面匹配性，提高了涂层与碳化硅基体界面的结合强度，且高温抗氧化，同时具备高温下阻止氧原子的扩散和侵入、防止基体元素的逸出的功能。稀土氧化钪(Sc2O3)、氧化钇(Y2O3)共掺杂氧化锆(ZrO2)隔热层降低了SiC/SiC复合材料温度、防止碳化硅复合材料性能高温条件下性能退化。镁基六铝酸镧(LaMgAl11O19)耐烧蚀功能层阻止了涂层在高速气流中的烧蚀损失，且可阻止氧元素向涂层体系内部扩散渗透，本发明的高温隔热防护涂层可应用于SiC/SiC复合材料超高温部件的热防护。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种高温隔热防护涂层结构的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种高温隔热防护涂层制备方法的步骤流程图。
具体实施方式
为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明的实施例针对现有技术中SiC/SiC复合材料表面含氧化硅的钡锶铝硅(BSAS)、稀土硅酸盐热防护涂层工作温度不高于1500℃。碳化锆、二硼化锆涂层1700℃环境下抗烧蚀性能良好，但涂层本身不具有隔热功能，且单独使用容易在加热过程中产生裂纹甚至剥落，工作寿命太短的问题。而提供了一种高温隔热防护涂层结构及其制备方法，尤其是应用于高温涂层制备技术领域，尤其是一种高温隔热防护涂层的涂层结构及其制备方法。高温隔热防护涂层结构包括：
依次层叠在SiC/SiC复合材料基体表面的添加MoSi2或SiC的ZrB2抗氧化底层，Sc2O3、Y2O3共掺杂ZrO2隔热层以及LaMgAl11O19耐烧蚀功能层。
具体地，如图1为本发明实施例提供的一种高温隔热防护涂层的结构示意图，涂层结构由碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC/SiC复合材料基体)1、添加二硅化钼或碳化硅的二硼化锆抗氧化底层(添加MoSi2或SiC的ZrB2抗氧化底层)2、稀土氧化钪、氧化钇共掺杂氧化锆隔热层(Sc2O3、Y2O3共掺杂ZrO2隔热层)3、以及LaMgAl11O19耐烧蚀功能层4构成。
具体地，添加二硅化钼或碳化硅的二硼化锆抗氧化底层(添加MoSi2或SiC的ZrB2抗氧化底层)2是采用真空等离子喷涂技术在碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC/SiC复合材料基体)1上喷涂制备，MoSi2或SiC的体积分数为20～30％，添加MoSi2或SiC的ZrB2粉末材料粒径处于5～40μm范围；真空等离子喷涂功率40～50KW，送粉速率20～30g/min，喷涂距离180～240mm，底层厚度0.15～0.20mm。
具体地，稀土氧化钪、氧化钇共掺杂氧化锆隔热层(Sc2O3、Y2O3共掺杂ZrO2隔热层)3是采用大气等离子喷涂技术在添加二硅化钼或碳化硅的二硼化锆抗氧化底层(添加MoSi2或SiC的ZrB2抗氧化底层)2上喷涂制备，Sc2O3摩尔分数为5.0～7.5％、Y2O3摩尔分数为0.5～1.5％、其余为ZrO2，粉末材料粒径处于10～50μm范围；大气等离子喷涂功率40～45KW，送粉速率30～40g/min，喷涂距离60～80mm，隔热层厚度0.20～0.25mm。
具体地，LaMgAl11O19耐烧蚀功能层4是采用大气等离子喷涂技术在稀土氧化钪、氧化钇共掺杂氧化锆隔热层(Sc2O3、Y2O3共掺杂ZrO2隔热层)3上喷涂制备，LaMgAl11O19粉末材料粒径处于10～50μm范围；大气等离子喷涂功率35～40KW，送粉速率25～35g/min，喷涂距离60～80mm，耐烧蚀功能层厚度0.15～0.25mm。
另一方面，如图2所示为本发明实施例提供的一种高温隔热防护涂层制备方法，具体包括：
S101：采用真空等离子喷涂技术在SiC/SiC复合材料基体上制备添加MoSi2或SiC的ZrB2抗氧化底层；
S102：采用大气等离子喷涂技术在所述抗氧化底层上制备隔热层，其中，所述隔热层为Sc2O3、Y2O3共掺杂ZrO2；
S103：采用大气等离子喷涂技术在所述隔热层上制备LaMgAl11O19耐烧蚀功能层。
具体地，MoSi2或SiC的体积分数为20～30％，添加MoSi2或SiC的ZrB2粉末材料粒径处于5～40μm范围。采用真空等离子喷涂技术在SiC/SiC复合材料基体上制备添加MoSi2或SiC的ZrB2抗氧化底层即S101具体包括：真空等离子喷涂功率40～50KW，送粉速率20～30g/min，喷涂距离180～240mm，底层厚度0.15～0.20mm。
具体地，Sc2O3摩尔分数为5.0～7.5％、Y2O3摩尔分数为0.5～1.5％，其余为ZrO2，粉末材料粒径处于10～50μm范围。采用大气等离子喷涂技术在所述抗氧化底层上制备隔热层即S102具体包括：大气等离子喷涂功率40～45KW，送粉速率30～40g/min，喷涂距离60～80mm，隔热层厚度0.20～0.25mm。
具体地，LaMgAl11O19粉末材料粒径处于10～50μm范围。采用大气等离子喷涂技术在所述隔热层上制备LaMgAl11O19耐烧蚀功能层即S103具体包括：大气等离子喷涂功率35～40KW，送粉速率25～35g/min，喷涂距离60～80mm，耐烧蚀功能层厚度0.15～0.25mm。
下面为本发明实施例提供的高温隔热防护涂层的具体制备方法，
实施例一
用干燥清洁的压缩空气清理SiC/SiC复合材料表面。采用真空等离子喷涂工艺在SiC/SiC复合材料表面上喷涂添加MoSi2的ZrB2抗氧化底层，粉末材料中MoSi2体积分数为30％，粉末材料粒径处于5～40微米范围，真空等离子喷涂功率45KW，送粉速率20g/min，喷涂距离240mm，底层厚度0.15mm。
在上述真空等离子喷涂抗氧化底层上采用大气等离子喷涂工艺制备隔热层，隔热层粉末材料为稀土Sc2O3、Y2O3共掺杂ZrO2，其中Sc2O3摩尔分数为5.5％、Y2O3摩尔分数为0.9％，其余为ZrO2，粉末材料粒径处于10～50微米范围，大气等离子喷涂功率42KW，送粉速率30g/min，喷涂距离70mm，隔热层厚度0.25mm。
在上述大气等离子喷涂隔热层上采用大气等离子喷涂工艺制备耐烧蚀功能层，耐烧蚀功能层材料为镁基六铝酸镧(LaMgAl11O19)，粉末材料粒径处于10～50微米范围，大气等离子喷涂功率35KW，送粉速率35g/min，喷涂距离70mm，耐烧蚀功能层0.20mm。
实施例二
用干燥清洁的压缩空气清理SiC/SiC复合材料表面。采用真空等离子喷涂工艺在SiC/SiC复合材料表面上喷涂添加SiC的ZrB2抗氧化底层，粉末材料中SiC体积分数为25％，粉末材料粒径处于5～40微米范围，真空等离子喷涂功率45KW，送粉速率20g/min，喷涂距离200mm，底层厚度0.15mm。
在上述真空等离子喷涂抗氧化底层上采用大气等离子喷涂工艺制备隔热层，隔热层粉末材料为稀土Sc2O3、Y2O3共掺杂ZrO2，其中Sc2O3摩尔分数为5.5％、Y2O3摩尔分数为0.9％，其余为ZrO2，粉末材料粒径处于10～50微米范围，大气等离子喷涂功率42KW，送粉速率30g/min，喷涂距离70mm，隔热层厚度0.25mm。
在上述大气等离子喷涂隔热层上采用大气等离子喷涂工艺制备耐烧蚀功能层，耐烧蚀功能层材料为镁基六铝酸镧(LaMgAl11O19)，LaMgAl11O19粉末材料粒径处于10～50微米范围，大气等离子喷涂功率35KW，送粉速率35g/min，喷涂距离70mm，耐烧蚀功能层0.15mm。
上述方案中，本发明是一种SiC/SiC复合材料表面高温隔热防护涂层的涂层结构及其制备方法，本发明把功能不同的抗氧化、隔热、耐烧蚀涂层结合起来，发挥各自优势，形成三层结构复合涂层体系。其中添加MoSi2或SiC的ZrB2抗氧化底层改善了涂层与SiC/SiC复合材料间的界面匹配性，提高了涂层与碳化硅基体界面的结合强度，且高温抗氧化，同时具备高温下阻止氧原子的扩散和侵入、防止基体元素的逸出的功能。稀土氧化钪(Sc2O3)、氧化钇(Y2O3)共掺杂氧化锆(ZrO2)隔热层降低了SiC/SiC复合材料温度、防止碳化硅复合材料性能高温条件下性能退化。镁基六铝酸镧(LaMgAl11O19)耐烧蚀功能层阻止了涂层在高速气流中的烧蚀损失，且可阻止氧元素向涂层体系内部扩散渗透，本发明的高温隔热防护涂层可应用于SiC/SiC复合材料超高温部件的热防护。
在本发明各方法实施例中，所述各步骤的序号并不能用于限定各步骤的先后顺序，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，对各步骤的先后变化也在本发明的保护范围之内。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高温隔热防护涂层结构，其特征在于，包括：
依次层叠在SiC/SiC复合材料基体表面的添加MoSi2或SiC的ZrB2抗氧化底层，Sc2O3、Y2O3共掺杂ZrO2的隔热层以及LaMgAl11O19耐烧蚀功能层。
2.根据权利要求1所述的涂层结构，其特征在于，所述抗氧化底层是采用真空等离子喷涂技术在所述基体上喷涂制备，MoSi2或SiC的体积分数为20～30％，添加MoSi2或SiC的ZrB2粉末材料粒径处于5～40μm；真空等离子喷涂功率40～50KW，送粉速率20～30g/min，喷涂距离180～240mm，底层厚度0.15～0.20mm。
3.根据权利要求1所述的涂层结构，其特征在于，所述隔热层是采用大气等离子喷涂技术在所述抗氧化底层上喷涂制备，Sc2O3摩尔分数为5.0～7.5％、Y2O3摩尔分数为0.5～1.5％，粉末材料粒径处于10～50μm；大气等离子喷涂功率40～45KW，送粉速率30～40g/min，喷涂距离60～80mm，隔热层厚度0.20～0.25mm。
4.根据权利要求1所述的涂层结构，其特征在于，所述耐烧蚀功能层是采用大气等离子喷涂技术在所述隔热层上喷涂制备，LaMgAl11O19粉末材料粒径处于10～50μm；大气等离子喷涂功率35～40KW，送粉速率25～35g/min，喷涂距离60～80mm，耐烧蚀功能层厚度0.15～0.25mm。
5.一种高温隔热防护涂层的制备方法，其特征在于，包括：
采用真空等离子喷涂技术在SiC/SiC复合材料基体上制备ZrB2抗氧化底层；其中，所述抗氧化底层中添加MoSi2或SiC；
采用大气等离子喷涂技术在所述抗氧化底层上制备隔热层；其中，所述隔热层为Sc2O3、Y2O3共掺杂ZrO2材料；
采用大气等离子喷涂技术在所述隔热层上制备LaMgAl11O19耐烧蚀功能层。
6.根据权利要求5所述的涂层的制备方法，其特征在于，MoSi2或SiC的体积分数为20～30％，添加MoSi2或SiC的ZrB2粉末材料粒径处于5～40μm。
7.根据权利要求5所述的涂层的制备方法，其特征在于，所述采用真空等离子喷涂技术在SiC/SiC复合材料基体上制备添加MoSi2或SiC的ZrB2抗氧化底层具体包括：真空等离子喷涂功率40～50KW，送粉速率20～30g/min，喷涂距离180～240mm，底层厚度0.15～0.20mm。
8.根据权利要求5所述的涂层的制备方法，其特征在于，Sc2O3摩尔分数为5.0～7.5％、Y2O3摩尔分数为0.5～1.5％，粉末材料粒径处于10～50um。
9.根据权利要求5所述的涂层的制备方法，其特征在于，所述采用大气等离子喷涂技术在所述抗氧化底层上制备隔热层具体包括：大气等离子喷涂功率40～45KW，送粉速率30～40g/min，喷涂距离60～80mm，隔热层厚度0.20～0.25mm。
10.根据权利要求5所述的涂层的制备方法，其特征在于，LaMgAl11O19粉末材料粒径处于10～50um；所述采用大气等离子喷涂技术在所述隔热层上制备LaMgAl11O19耐烧蚀功能层具体包括：大气等离子喷涂功率35～40KW，送粉速率25～35g/min，喷涂距离60～80mm，耐烧蚀功能层厚度0.15～0.25mm。
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