CN108950463B - 一种高温环境障碍涂层结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高温环境障碍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Gd2O3掺杂Si粘结底层、Gd2SiO5中间层以及Yb2SiO5面层。环境障碍涂层为真空等离子喷涂氧化钆掺杂Si粘结底层+真空等离子喷涂硅酸钆中间层+真空等离子喷涂硅酸镱面层三层结构。采用真空等离子喷涂工艺制备Gd2SiO5涂层、Yb2SiO5涂层，涂层成分保持好，几乎没有材料成分损失及硅酸盐分解，相组成稳定，涂层抗热震性能优良。各层热物理性能匹配良好，可有效缓解涂层热应力，工作温度可达1400℃，大幅度提高了环境障碍涂层抗热冲击性能、抗热循环性能及使用寿命。

Description

一种高温环境障碍涂层结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及航空发动机及地面燃气轮机高温涂层制备技术领域，特别是指一种高温环境障碍涂层结构及其制备方法。
背景技术
SiC纤维增强SiC复合材料(SiC/SiC)具有重量轻、结构强度高、耐高温、抗氧化、耐冲刷等优点，作为高温热结构材料在航空发动机及地面燃气轮机领域具有重要的应用。但在发动机的高温水蒸气的燃气环境且温度高于1300℃时，SiC/SiC复合材料易被水蒸气腐蚀，使SiC/SiC材料性能严重退化甚至材料失效，为此必须采用环境障碍涂层对SiC/SiC复合材料进行热防护。
目前国内外广泛应用的环境障碍涂层为Si粘结底层+莫来石或(莫来石+BSAS)中间层+BSAS面层，BSAS代表BaO-SrO-Al2O3-SiO2材料，最高工作温度为1300℃。这主要是因为莫来石(3Al2O3·2SiO2)和BSAS在1300℃以上环境工作存在严重的化学稳定性问题，BSAS会与SiO2反应生成一种低熔点玻璃相(熔点低于1300℃)，导致涂层在工作温度超过1300℃时过早剥落失效，这就限制了其在更高温度下的使用。且在高温下BSAS的化学活性高，与发动机环境中的水蒸气、熔盐等物质都能发生化学反应，不具有抗CMAS腐蚀的能力。CMAS为CaO、MgO、Al2O3、SiO2等组成的硅酸盐类物质，CMAS在1250℃左右熔化，它可以熔解BSAS涂层材料，还会浸润环境障碍涂层、通过毛细作用沿孔隙渗入涂层内部，使涂层表面变粗糙、内部变疏松，并且在发动机停车冷却循环过程中，CMAS融盐凝固成玻璃态物质，其贯穿层模量会上升，环境障碍涂层应变容限将急剧下降，在随后的热循环过程中环境障碍涂层将会大范围剥落，大幅度降低环境障碍涂层耐久性。
目前也有Si粘结底层+莫来石中间层+稀土硅酸盐面层环境障碍涂层，稀土硅酸盐Re2SiO5/Re2Si2O7(Re为Yb、Gd、Er及Dy等)具有良好的高温化学稳定性，在1400℃环境的抗水蒸气腐蚀能力、抗CMAS腐蚀能力优于BSAS，但粘结底层Si材料熔点只有1414℃，Si粘结底层在1300℃以上软化，强度迅速下降，导致该体系环境障碍涂层使用温度也在1300℃以下。并且目前莫来石中间层及稀土硅酸盐面层基本采用大气等离子喷涂方法制备，稀土硅酸盐在大气等离子喷涂过程中存在分解现象，生成稀土氧化物和氧化硅玻璃相，将显著影响涂层的高温稳定性能，导致涂层的抗热震性能降低，使用寿命缩短。同时，大气等离子喷涂稀土硅酸盐面层在冷却过程中，会形成较多的非晶相，非晶相显著改变涂层的热膨胀系数，造成涂层开裂剥落。
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环境障碍涂层的结构及其制备方法，该涂层具有抗氧化、抗CMAS腐蚀、抗水蒸气腐蚀，涂层高温组织结构稳定，与SiC纤维增强SiC复合材料结合力高的特点，工作温度可达1400℃，大幅度提高了环境障碍涂层使用寿命，可应用于航空发动机及地面燃气轮机SiC/SiC复合材料高温部件热防护。
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，提供一种高温环境障碍涂层结构，包括：
依次层叠在SiC/SiC复合材料基体表面的Gd2O3掺杂Si粘结底层、Gd2SiO5中间层以及Yb2SiO5面层。
优选地，采用机械球磨方法将Gd2O3粉末与Si粉末均匀混合。
优选地，Gd2O3粉末粒径范围20～100nm，Si粉末粒径范围5～45μm，Gd2O3粉末质量百分数为1.0～8.0％；所述粘结底层是采用真空等离子喷涂技术在所述SiC/SiC复合材料基体上制备，真空等离子喷涂功率35～40KW，喷涂距离240-280mm，所述粘结底层厚度0.10～0.15mm。
优选地，Gd2SiO5粉末粒径范围5～45μm，所述中间层是采用真空等离子喷涂技术在所述粘结底层上制备，真空等离子喷涂功率45～55KW，喷涂距离180～220mm，所述中间层厚度0.15～0.20mm。
优选地，Yb2SiO5粉末粒径范围5～45μm，所述面层采用真空等离子喷涂技术在所述中间层上制备，真空等离子喷涂功率45～55KW，喷涂距离180～220mm，Yb2SiO5面层厚度0.15～0.25mm。
另一方面，还提供了一种高温环境障碍涂层的制备方法，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粘结底层，其中所述粘结底层的真空等离子喷涂粉末材料为Gd2O3粉末掺杂Si粉末；
采用真空等离子喷涂技术在所述粘结底层上制备中间层，其中所述中间层的真空等离子喷涂粉末材料为Gd2SiO5粉末；
采用真空等离子喷涂技术在所述中间层上制备面层，其中所述面层的真空等离子喷涂粉末材料为Yb2SiO5粉末。
优选地，还包括：
采用机械球磨方法将Gd2O3粉末与Si粉末均匀混合。
优选地，Gd2O3粉末粒径范围20～100nm，Si粉末粒径范围5～45μm，Gd2O3粉末质量百分数为1.0～8.0％。
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粘结底层具体包括：真空等离子喷涂功率35～40KW，喷涂距离240-280mm，所述粘结底层厚度0.10～0.15mm。
优选地，Gd2SiO5粉末粒径范围5～45μm，所述采用真空等离子喷涂技术在所述粘结底层上制备中间层具体包括：真空等离子喷涂功率45～55KW，喷涂距离180～220mm，所述中间层厚度0.15～0.20mm。
优选地，Yb2SiO5粉末粒径范围5～45μm，所述采用真空等离子喷涂技术在所述中间层上制备面层具体包括：真空等离子喷涂功率45～55KW，喷涂距离180～220mm，Yb2SiO5面层厚度0.15～0.25mm。
本发明的实施例具有以下有益效果：
上述方案中，本发明中环境障碍涂层为真空等离子喷涂氧化钆(Gd2O3)掺杂硅(Si)粘结底层+真空等离子喷涂硅酸钆(Gd2SiO5)中间层+真空等离子喷涂硅酸镱(Yb2SiO5)面层三层结构。采用真空等离子喷涂工艺制备Gd2SiO5涂层、Yb2SiO5涂层，涂层成分保持好，几乎没有材料成分损失及硅酸盐分解，相组成稳定，涂层抗热震性能优良。Gd2SiO5中间层与Gd2O3掺杂Si粘结底层及Yb2SiO5面层物理及化学相容性好，结合强度高。特别是在高温下Yb2SiO5具有出色的抗水蒸气腐蚀及抗CMAS腐蚀能力，环境稳定性明显优于莫来石及BSAS材料。本发明的真空等离子喷涂的Gd2O3掺杂Si粘结底层+真空等离子喷涂Gd2SiO5中间层+真空等离子喷涂Yb2SiO5面层三层结构环境障碍涂层可在1400℃环境下长期稳定工作。
本发明是一种三层结构高温环境障碍涂层的真空等离子喷涂制备方法。粒径20～100纳米的Gd2O3掺杂至Si粉体中，细小均匀分布的Gd2O3抑制了高温环境下Si晶粒长大，并且具有弥散强化作用，明显提高Si涂层高温强度、组织结构稳定性及涂层与SiC/SiC复合材料基体间结合强度，提高了高温环境障碍涂层工作寿命及使用可靠性，属国内首创技术。真空等离子喷涂Gd2SiO5中间层、Yb2SiO5面层，涂层成分保持好，几乎没有材料成分损失及硅酸盐分解，相组成稳定，涂层抗热震性能优良。Gd2SiO5中间层与Gd2O3掺杂Si粘结底层及Yb2SiO5面层物理及化学相容性好、结合强度高。特别是在高温下Yb2SiO5涂层具有出色的抗水蒸气腐蚀及抗CMAS腐蚀能力，高温环境稳定性优异。高温环境障碍涂层采用真空等离子喷涂Gd2O3掺杂Si粘结底层+真空等离子喷涂Gd2SiO5中间层+真空等离子喷涂Yb2SiO5面层三层结构设计，各层热物理性能匹配良好，可有效缓解涂层热应力，工作温度可达1400℃，大幅度提高了环境障碍涂层抗热冲击性能、抗热循环性能及使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种高温环境障碍涂层结构的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种高温环境障碍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。
本发明的实施例提供了一种高温环境障碍涂层结构及其制备方法，尤其是应用于航空发动机及地面燃气轮机高温涂层制备技术领域中的高温环境障碍涂层结构及其制备方法。高温环境障碍涂层结构包括：
依次层叠在SiC/SiC复合材料基体表面的Gd2O3掺杂Si粘结底层、Gd2SiO5中间层以及Yb2SiO5面层。具体地，如图1为本发明实施例提供的一种高温环境障碍涂层结构示意图，涂层结构由SiC/SiC复合材料零件基体1、真空等离子喷涂Gd2O3掺杂Si粘结底层2、真空等离子喷涂Gd2SiO5中间层3以及真空等离子喷涂Yb2SiO5面层4构成。
具体地，采用机械球磨方法将Gd2O3粉末与Si粉末进行均匀混合，本实施例中球磨时间为48小时，但并不以此为限能够实现即可。细小均匀分布的Gd2O3抑制了高温环境下Si晶粒长大，并且具有弥散强化作用，明显提高Si涂层高温强度、组织结构稳定性及涂层与SiC/SiC复合材料基体间结合强度，提高了高温环境障碍涂层工作寿命及使用可靠性。
具体地，Gd2O3粉末粒径范围20～100nm，Si粉末粒径范围5～45μm，Gd2O3粉末质量百分数为1.0～8.0％；真空等离子喷涂Gd2O3掺杂Si粘结底层2是采用真空等离子喷涂技术在SiC/SiC复合材料零件基体1上制备，真空等离子喷涂功率35～40KW，喷涂距离240-280mm，真空等离子喷涂Gd2O3掺杂Si粘结底层2厚度0.10～0.15mm。
具体地，Gd2SiO5粉末粒径范围5～45μm，真空等离子喷涂Gd2SiO5中间层3采用真空等离子喷涂技术在真空等离子喷涂Gd2O3掺杂Si粘结底层2上制备，真空等离子喷涂功率45～55KW，喷涂距离180～220mm，真空等离子喷涂Gd2SiO5中间层3厚度0.15～0.20mm。
具体地，Yb2SiO5粉末粒径范围5～45μm，真空等离子喷涂Yb2SiO5面层4采用真空等离子喷涂技术在真空等离子喷涂Gd2SiO5中间层3上制备，真空等离子喷涂功率45～55KW，喷涂距离180～220mm，真空等离子喷涂Yb2SiO5面层4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环境障碍涂层制备方法，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粘结底层，其中所述粘结底层的真空等离子喷涂粉末材料为Gd2O3掺杂Si粉末；
S102：采用真空等离子喷涂技术在所述粘结底层上制备中间层，其中所述中间层的真空等离子喷涂粉末材料为Gd2SiO5粉末；
S103：采用真空等离子喷涂技术在所述中间层上制备面层，其中所述面层的真空等离子喷涂粉末材料为Yb2SiO5粉末。
具体地，还包括：采用机械球磨方法将Gd2O3粉末与Si粉末均匀混合，本实施例中球磨时间为48小时，但并不以此为限能够实现即可。细小均匀分布的Gd2O3抑制了高温环境下Si晶粒长大，并且具有弥散强化作用，明显提高Si涂层高温强度、组织结构稳定性及涂层与SiC/SiC复合材料基体间结合强度，提高了高温环境障碍涂层工作寿命及使用可靠性。
具体地，Gd2O3粉末粒径范围20～100nm，Si粉末粒径范围5～45μm，Gd2O3粉末质量百分数为1.0～8.0％。
优选地，步骤S101具体包括：真空等离子喷涂功率35～40KW，喷涂距离240-280mm，所述粘结底层厚度0.10～0.15mm。
优选地，Gd2SiO5粉末粒径范围5～45μm，步骤S102具体包括：真空等离子喷涂功率45～55KW，喷涂距离180～220mm，所述中间层厚度0.15～0.20mm。
优选地，Yb2SiO5粉末粒径范围5～45μm，步骤S103具体包括：真空等离子喷涂功率45～55KW，喷涂距离180～220mm，Yb2SiO5面层厚度0.15～0.25mm。
下面为本发明实施例提供的高温环境障碍涂层的具体制备方法，
实施例一：
采用真空等离子喷涂工艺在经清洗的SiC/SiC复合材料零件上喷涂Gd2O3掺杂Si粘结底层，真空等离子喷涂功率35KW，喷涂距离260mm，控制粘结底层厚度处于0.10mm～0.15mm范围。
在Gd2O3掺杂Si粘结底层上采用真空等离子喷涂工艺制备Gd2SiO5中间层，真空等离子喷涂功率50KW，喷涂距离220mm,控制中间层厚度处于0.15mm～0.20mm范围。
在Gd2SiO5中间层上采用真空等离子喷涂工艺制备Yb2SiO5面层，真空等离子喷涂功率50KW，喷涂距离220mm,控制面层厚度处于0.15mm～0.25mm范围。
实施例二
采用真空等离子喷涂工艺在经清洗的SiC/SiC复合材料零件上喷涂Gd2O3掺杂Si粘结底层，真空等离子喷涂功率38KW，喷涂距离240mm，控制粘结底层厚度处于0.10mm-0.15mm范围。
在Gd2O3掺杂Si粘结底层上采用真空等离子喷涂工艺制备Gd2SiO5中间层，真空等离子喷涂功率52KW，喷涂距离200mm,控制中间层厚度处于0.15mm-0.20mm范围。
在Gd2SiO5中间层上采用真空等离子喷涂工艺制备Yb2SiO5面层，真空等离子喷涂功率52KW，喷涂距离200mm,控制面层厚度处于0.15mm-0.25mm范围。
上述方案中，本发明中环境障碍涂层为真空等离子喷涂氧化钆(Gd2O3)掺杂硅(Si)粘结底层+真空等离子喷涂硅酸钆(Gd2SiO5)中间层+真空等离子喷涂硅酸镱(Yb2SiO5)面层三层结构。采用真空等离子喷涂工艺制备Gd2SiO5涂层、Yb2SiO5涂层，涂层成分保持好，几乎没有材料成分损失及硅酸盐分解，相组成稳定，涂层抗热震性能优良。Gd2SiO5中间层与Gd2O3掺杂Si粘结底层及Yb2SiO5面层物理及化学相容性好，结合强度高。特别是在高温下Yb2SiO5具有出色的抗水蒸气腐蚀及抗CMAS腐蚀能力，环境稳定性明显优于莫来石及BSAS材料。本发明的真空等离子喷涂的Gd2O3掺杂Si粘结底层+真空等离子喷涂Gd2SiO5中间层+真空等离子喷涂Yb2SiO5面层三层结构环境障碍涂层可在1400℃环境下长期稳定工作。
本发明是一种三层结构高温环境障碍涂层的真空等离子喷涂制备方法。粒径20～100纳米的Gd2O3掺杂至Si粉体中，细小均匀分布的Gd2O3抑制了高温环境下Si晶粒长大，并且具有弥散强化作用，明显提高Si涂层高温强度、组织结构稳定性及涂层与SiC/SiC复合材料基体间结合强度，提高了高温环境障碍涂层工作寿命及使用可靠性，属国内首创技术。真空等离子喷涂Gd2SiO5中间层、Yb2SiO5面层，涂层成分保持好，几乎没有材料成分损失及硅酸盐分解，相组成稳定，涂层抗热震性能优良。Gd2SiO5中间层与Gd2O3掺杂Si粘结底层及Yb2SiO5面层物理及化学相容性好、结合强度高。特别是在高温下Yb2SiO5涂层具有出色的抗水蒸气腐蚀及抗CMAS腐蚀能力，高温环境稳定性优异。高温环境障碍涂层采用真空等离子喷涂Gd2O3掺杂Si粘结底层+真空等离子喷涂Gd2SiO5中间层+真空等离子喷涂Yb2SiO5面层三层结构设计，各层热物理性能匹配良好，可有效缓解涂层热应力，工作温度可达1400℃，大幅度提高了环境障碍涂层抗热冲击性能、抗热循环性能及使用寿命。
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)

1.一种高温环境障碍涂层结构，其特征在于，包括：
依次层叠在SiC/SiC复合材料基体表面的Gd2O3掺杂Si的粘结底层、Gd2SiO5的中间层以及Yb2SiO5的面层；所述涂层结构中的粘结底层、Gd2SiO5的中间层以及Yb2SiO5的面层均采用真空等离子喷涂技术制备。
2.根据权利要求1所述的涂层结构，其特征在于，采用机械球磨方法将Gd2O3粉末与Si粉末均匀混合。
3.根据权利要求1所述的涂层结构，其特征在于，Gd2O3粉末粒径范围20～100nm，Si粉末粒径范围5～45μm，Gd2O3粉末质量百分数为1.0～8.0％；所述粘结底层是采用真空等离子喷涂技术在所述SiC/SiC复合材料基体上制备，真空等离子喷涂功率35～40KW，喷涂距离240-280mm，所述粘结底层厚度0.10～0.15mm。
4.根据权利要求1所述的涂层结构，其特征在于，Gd2SiO5粉末粒径范围5～45μm，所述中间层是采用真空等离子喷涂技术在所述粘结底层上制备，真空等离子喷涂功率45～55KW，喷涂距离180～220mm，所述中间层厚度0.15～0.20mm。
5.根据权利要求1所述的涂层结构，其特征在于，Yb2SiO5粉末粒径范围5～45μm，所述面层采用真空等离子喷涂技术在所述中间层上制备，真空等离子喷涂功率45～55KW，喷涂距离180～220mm，Yb2SiO5面层厚度0.15～0.25mm。
6.一种高温环境障碍涂层的制备方法，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粘结底层，其中所述粘结底层的真空等离子喷涂粉末材料为Gd2O3粉末掺杂Si粉末；
采用真空等离子喷涂技术在所述粘结底层上制备中间层，其中所述中间层的真空等离子喷涂粉末材料为Gd2SiO5粉末；
采用真空等离子喷涂技术在所述中间层上制备面层，其中所述面层的真空等离子喷涂粉末材料为Yb2SiO5粉末。
7.根据权利要求6所述的涂层的制备方法，其特征在于，还包括：
采用机械球磨方法将Gd2O3粉末与Si粉末均匀混合。
8.根据权利要求6所述的涂层的制备方法，其特征在于，Gd2O3粉末粒径范围20～100nm，Si粉末粒径范围5～45μm，Gd2O3粉末质量百分数为1.0～8.0％；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粘结底层具体包括：真空等离子喷涂功率35～40KW，喷涂距离240-280mm，所述粘结底层厚度0.10～0.15mm。
9.根据权利要求6所述的涂层的制备方法，其特征在于，Gd2SiO5粉末粒径范围5～45μm，所述采用真空等离子喷涂技术在所述粘结底层上制备中间层具体包括：真空等离子喷涂功率45～55KW，喷涂距离180～220mm，所述中间层厚度0.15～0.20mm。
10.根据权利要求6所述的涂层的制备方法，其特征在于，Yb2SiO5粉末粒径范围5～45μm，所述采用真空等离子喷涂技术在所述中间层上制备面层具体包括：真空等离子喷涂功率45～55KW，喷涂距离180～220mm，Yb2SiO5面层厚度0.15～0.25mm。
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