CN109485387A - 一种环境障涂层用空心球形bsas粉末的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种环境障涂层用空心球形BSAS粉末的制备方法，属于陶瓷粉末加工技术领域。该粉末制备方法包括以下步骤：一、将钡盐、锶盐、铝盐按比例加入去离子水中搅拌至完全溶解，得到混合溶液；二、进行共沉淀处理，得到混合物；三、将混合物与硅酸进行水热反应；四、将水热反应产物经过滤、洗涤和烘干后，与去离子水及粘结剂混合均匀，得到浆料；五、进行喷雾干燥处理，得到粒料；六、进行烧结处理；七、进行等离子球化和筛分处理，得到空心球形BSAS粉末。采用本发明制备的BSAS粉末为单斜相、空心球形结构，各成分分布均匀、纯度高、结晶度高；本发明工艺过程中设备简单，生产成本低，适于工业化大规模生产。

Description

一种环境障涂层用空心球形BSAS粉末的制备方法
技术领域
本发明涉及一种环境障涂层用空心球形BSAS粉末的制备方法，属于陶瓷粉末加工技术领域。
背景技术
新一代高推重比航空发动机的迅速发展，使得高压涡轮热端部件的工作温度不断提高，提高涡轮前进口温度可以有效提升发动机的推重比和热效率，并且同时提升发动机运行的经济性。Si基陶瓷复合材料，如SiC纤维增强SiC陶瓷复合材料以及Si3N4等，具有耐高温(长期使用温度最高达到1650℃)、低密度、高强度、高模量、抗氧化、抗烧蚀和对裂纹不敏感等特点，是新一代大推重比航空发动机理想的高温热结构材料。虽然Si基陶瓷复合材料具有很多优良的性能，但是在高温有氧环境下的氧化敏感性成为制约其在高推比航空发动机应用的主要原因。在干燥的O2环境中，Si基陶瓷复合材料其表面能够形成一层致密的SiO2，具有极好抗氧化性。然而发动机实际服役环境中包含许多腐蚀性介质，如高温、高压水蒸气、O2以及各种熔盐杂质(Na、Cl和S等)，这些腐蚀性介质，尤其是水蒸气和熔盐杂质，能够与Si基陶瓷复合材料氧化生成的SiO2保护层反应，生成易挥发的气态物质Si(OH)x，使其丧失保护基体的作用，导致Si基陶瓷复合材料性能不断恶化，成为制约Si基陶瓷复合材料在发动机热端部件中应用的重要因素。因此解决高温燃气环境下的抗氧化和抗腐蚀问题是Si基陶瓷复合材料在航空发动机上应用的关键。
通过在热端部件表面涂覆环境障涂层(Environmental barrier coatings，简称EBCs)，利用陶瓷面层耐腐蚀、低热导率的特性，在高温工作介质和热端部件之间形成隔热屏障，可减缓发动机工作环境对部件的腐蚀，从而延长部件使用寿命的目的。使用EBCs同时还可以避免高温燃气对热端部件的直接腐蚀，降低系统对燃料品质的要求，节约系统运行成本；还可以在不改变部件工作温度的基础上，提高发动机涡轮前进口温度，提升系统的性能并降低燃料消耗率和污染物的排放。
EBCs一般由粘接层、中间层和面层组成。目前，通常选用Si作为粘接层、莫来石作为中间层、BSAS(1-xBaO-xSrO-Al2O3-2SiO2，0<x<1)作为面层防护材料。目前应用较为普遍的EBCs制备技术主要有浆料浸渍和等离子喷涂。但浆料浸渍存在着制备周期长且涂层性能差等缺点。等离子喷涂具有成本低、工艺简单、可进行大规模生产等优点，是目前应用最广泛的热障涂层制备方法。BSAS面层作为环境障涂层的核心，BSAS涂层的性能如热导率和力学强度等主要由其微观结构如扁平粒子间的结合率、扁平粒子的界面比和孔隙率等决定。研究表明，采用空心结构的粉末等离子喷涂涂层时，在粉末被喷枪焰流加热熔化后，空心粉末中的气泡能够被保留在熔滴中，含有气泡的熔滴与基体碰撞、铺展凝固后，所形成的“扁平粒子”厚度更加均匀，缺陷更少，由此类“扁平粒子”堆叠形成的涂层将具有适中的孔隙率，高的“扁平粒子”界面比，涂层不仅具有高的力学强度，同时也具有极低的热导率。
目前制备BSAS粉末大多采用固相烧结法。通常以SiO2、Al2O3、BaO、SrO为原料，混料后高温烧结获得氧化物复合粉末，烧结温度一般在2000℃以上，冷却后再进行机械破碎和筛分。固相合成粉末为实心结构，且合成温度较高，反应时间长，能耗高，成本大；而且采用机械破碎方式，粉末颗粒形貌不规则，制备过程中易引入杂质，较难获得纯度高、相结构单一的BSAS粉末材料，影响最终涂层的使用寿命。因此，制备高性能BSAS粉末对于未来环境障涂层技术的发展具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种环境障涂层用空心球形BSAS粉末的制备方法，所述BSAS粉末为单斜相的空心球形结构，具有钡锶铝硅酸盐单一相，Ba、Sr、Al、Si元素分布均匀，无游离SiO2存在，所述方法工艺设备简单，制备过程不涉及高温熔融和机械破碎，生产成本低，适于工业化大规模生产。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种环境障涂层用空心球形BSAS粉末的制备方法，所述方法步骤如下：
步骤一：将钡盐、锶盐、铝盐按照(Ba+Sr):Al＝1:2的摩尔比例混合均匀，然后加入到去离子水中搅拌至三者完全溶解，得到混合溶液；其中，所述钡盐为水溶性二价钡盐，所述锶盐为水溶性二价锶盐，所述铝盐为水溶性三价铝盐；
步骤二：采用氨水为沉淀剂对步骤一中所述混合溶液进行共沉淀处理，直至混合溶液的pH值大于等于8，得到混合物；
步骤三：将原硅酸、去离子水与步骤二中所述混合物按Si:Al＝1:1的摩尔比混合均匀，然后加入到水热反应釜中，在温度为180℃～250℃，压力为1.5MPa～4MPa的条件下保温3h～8h进行水热反应，得到水热反应产物；
步骤四：对步骤三中所述水热反应产物充分洗涤至中性后，过滤取截留物，然后将截留物烘干后，与去离子水以及粘结剂混合均匀，得到浆料；所述浆料中粘结剂的质量百分含量为0.5％～2％，烘干后的截留物的质量百分含量为15％～35％，余量为去离子水；
步骤五：对步骤四中所述浆料进行喷雾干燥处理，得到粒料；
步骤六：将步骤五中所述粒料置于烧结炉中，在温度为800℃～1200℃的条件下保温2h～6h进行烧结处理；
步骤七：利用等离子喷枪对步骤六中烧结处理后的粒料进行等离子球化处理，自然冷却后进行筛分处理，得到一种环境障涂层用空心球形BSAS粉末。
优选的，步骤一中所述水溶性二价钡为硝酸钡、醋酸钡或氯化钡。
优选的，步骤一中所述水溶性二价锶盐为硝酸锶、氯化锶或醋酸锶。
优选的，步骤一中所述水溶性三价铝盐为硝酸铝或氯化铝。
优选的，步骤二中所述氨水的质量百分比浓度为25％～30％。
优选的，步骤三中水热反应在压力1.5MPa～3MPa下保温3h～5h。
优选的，步骤四中所述粘结剂为聚乙烯醇或阿拉伯树胶。
优选的，步骤四中烘干后的截留物的质量百分含量为25％～35％。
优选的，步骤七中所述等离子球化处理的功率为20kW～45kW，所述粒料的进料速率为2kg/h～5kg/h。
优选的，所述环境障涂层用空心球形BSAS粉末的粒径为10μm～110μm。
有益效果：
(1)本发明首先采用氨水为沉淀剂对铝盐、钡盐和锆盐进行共沉淀处理，从而得到氢氧化铝、氢氧化钡和氢氧化锶的混合物，与传统的熔融破碎工艺相比，本发明通过共沉淀过程，初步提升了钡元素、锶元素、铝元素分布的均匀性。
(2)本发明采用水热结晶的方法，即通过实施一定的温度和压力，将氢氧化铝、氢氧化钡、氢氧化锶和硅酸的混合物在溶液中重新溶解和共结晶，由于对混合物进行了重新溶解，大幅提升了各元素分布的均匀性，并且共结晶能够使BaO、SrO、Al2O3、SiO2在结晶过程时就形成了固溶合金粉，避免了熔融破碎法通过高温处理实施的“固溶合金”化过程。
(3)本发明将喷雾造粒和烧结后的BSAS粉末送入等离子喷枪的焰流中，粉末表面快速熔化，将粉末孔隙中的气体包裹，形成空心结构，粉末经历了重新熔化和凝固，在表面张力的作用下，粉末表面光滑，提高了粉末的流动性。
综上所述，本发明所制备的环境障涂层用空心球形BSAS粉末为单斜相，各元素分布均匀、粉末为空心球形，并且工艺过程中设备简单，整个生产过程不涉及高温和机械破碎，适用于大规模工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的空心球形BSAS粉末的X射线衍射图。
图2为本发明实施例1制备的空心球形BSAS粉末的表面形貌图。
图3为本发明实施例1制备的空心球形BSAS粉末的截面形貌图。
图4为本发明实施例1制备的空心球形BSAS粉末中Ba的面扫描分布图。
图5为本发明实施例1制备的空心球形BSAS粉末中Sr的面扫描分布图。
图6为本发明实施例1制备的空心球形BSAS粉末中Al的面扫描分布图。
图7为本发明实施例1制备的空心球形BSAS粉末中Si的面扫描分布图。
图8为本发明实施例2制备的空心球形BSAS粉末的X射线衍射图。
图9为本发明实施例2制备的空心球形BSAS粉末的表面形貌图。
图10为本发明实施例2制备的空心球形BSAS粉末的截面形貌图。
图11为本发明实施例2制备的空心球形BSAS粉末中Ba的面扫描分布图。
图12为本发明实施例2制备的空心球形BSAS粉末中Sr的面扫描分布图。
图13为本发明实施例2制备的空心球形BSAS粉末中Al的面扫描分布图。
图14为本发明实施例2制备的空心球形BSAS粉末中Si的面扫描分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
以下是实施例中：
(1)X射线衍射测试：设备为Bruker advanced D8(Bruker，German)衍射仪，扫描范围10°-80°，扫描步长0.02°，单步停留时间2S。
(2)扫描电子显微镜测试：设备为JEOL JSM―6460LV型扫描电子显微镜(SEM)。
(3)元素面扫描分布测试：设备为JEOL JSM―6460LV型扫描电子显微镜(SEM-EDS)。
实施例1
一种环境障涂层用空心球形0.75BaO-0.25SrO-Al2O3-2SiO2(BSAS)粉末的制备方法，所述方法步骤如下：
步骤一：将钡盐、锶盐、铝盐按照Ba:Sr:Al＝0.75:0.25:2的摩尔比例混合均匀，然后加入去离子水搅拌至钡盐、锶盐、铝盐完全溶解，得到混合溶液；所述钡盐为氯化钡；所述锶盐为氯化锶；所述铝盐为氯化铝；
步骤二：采用质量百分比浓度为28％的氨水为沉淀剂对步骤一中所述混合溶液进行共沉淀处理，直至混合溶液的pH值不低于8为止，得到混合物；
步骤三：将原硅酸和去离子水加入步骤二中所述混合物中，按照Si:Al＝1:1的摩尔比例混合均匀，然后加入到水热反应釜中，在温度为200℃，压力为2.5MPa的条件下保温4h进行水热反应，得到水热反应产物；
步骤四：对步骤三中所述的水热反应产物充分洗涤至中性，沉降，并倒掉上层的清水，过滤取截留物，将截留物烘干后，与去离子水以及粘结剂混合均匀，得到浆料；所述浆料中粘结剂的质量百分含量为1.5％，烘干后的截留物的质量百分含量为25％，余量为去离子水；所述粘结剂为聚乙烯醇；
步骤五：对步骤四中所述浆料进行喷雾干燥处理，喷雾干燥机中，转盘转速控制在180～250r/min，进口温度设置为180℃，出口温度设置为110℃，得到粒料；
步骤六：将步骤五中所述粒料置于烧结炉中，在温度为1200℃的条件下保温2.5h进行烧结处理；
步骤七：利用等离子喷枪对步骤六中烧结处理后的粒料进行等离子球化处理，等离子球化过程中控制等离子球化功率为30kW，控制粒料的进料速率为3kg/h，自然冷却后进行筛分处理，得到粒径为10μm～110μm的空心球形BSAS粉末。
终产物的X射线衍射测试结果如图1所示，从图1中可以看出经过水热工艺合成的0.75BaO-0.25SrO-Al2O3-2SiO2(BSAS)粉末成分单一，粉末的固熔合金度高，无单一游离的氧化物出现。
终产物的表面形貌测试结果如图2所示，从图2中可以看出粉末表面光滑，粒径在10～110μm，粉末的球形度较好。
终产物的截面测试结果如图3所示，从图3中可以看出粉末内部为空心结构。
终产物中Ba元素面扫描分布测试结果如图4所示，从图4中可以看出Ba元素分布均匀。
终产物中Sr元素面扫描分布测试结果如图5所示，从图5中可以看出Sr元素分布均匀。
终产物中Al元素面扫描分布测试结果如图6所示，从图6中可以看出Al元素分布均匀。
终产物中Si元素面扫描分布测试结果如图7所示，从图7中可以看出Al元素分布均匀。
实施例2
一种环境障涂层用空心球形0.5BaO-0.5SrO-Al2O3-2SiO2(BSAS)粉末的制备方法，所述方法步骤如下：
步骤一：将钡盐、锶盐、铝盐按照Ba:Sr:Al＝0.5:0.5:2的摩尔比例混合均匀，然后加入到去离子水中搅拌至钡盐、锶盐、铝盐完全溶解，得到混合溶液；所述钡盐为氯化钡；所述锶盐为氯化锶；所述铝盐为氯化铝；
步骤二：采用质量百分比浓度为28％的氨水为沉淀剂对步骤一中所述混合溶液进行共沉淀处理，直至混合溶液的pH值不低于8为止，得到混合物；
步骤三：将原硅酸和去离子水加入到所述混合物中，按照Si:Al＝1:1的摩尔比例混合均匀，然后加入到水热反应釜中，在200℃，2.5MPa下保温4h进行水热反应，得到水热反应产物；
步骤四：对所述的水热反应产物充分洗涤至中性，沉降，并倒掉上层的清水，过滤取截留物，将截留物烘干后，与去离子水以及粘结剂混合均匀，得到浆料；所述浆料中粘结剂的质量百分含量为1.5％，烘干后的截留物的质量百分含量为25％，余量为去离子水；所述粘结剂为聚乙烯醇；
步骤五：对步骤四中所述浆料进行喷雾干燥处理，喷雾干燥机中，转盘转速控制在180～250r/min，进口温度设置为180℃，出口温度设置为110℃，得到粒料；
步骤六：将步骤五中所述粒料置于烧结炉中，在1200℃下保温2.5h进行烧结处理，得到烧结物；
步骤七：利用等离子喷枪对所述烧结物进行等离子球化处理，等离子球化过程中控制等离子球化功率为30kW，控制烧结物的进料速率为3kg/h，自然冷却后进行筛分处理，得到粒径为10μm～110μm的空心球形BSAS粉末。
终产物的X射线衍射测试结果如图8所示，从图8中可以看出经过水热工艺合成的0.5BaO-0.5SrO-Al2O3-2SiO2(BSAS)粉末成分单一，粉末的固熔合金度高，无单一游离的氧化物出现。
终产物的表面测试结果如图9所示，从图9中可以看出粉末表面光滑，粒径在10μm～110μmμm，粉末的球形度较好。
终产物的截面测试结果如图10所示，从图10中可以看出粉末内部为空心结构。
终产物中Ba元素面扫描分布测试结果如图11所示，从图11中可以看出Ba元素分布均匀。
终产物中Sr元素面扫描分布测试结果如图12所示，从图12中可以看出Sr元素分布均匀。
终产物中Al元素面扫描分布测试结果如图13所示，从图13中可以看出Al元素分布均匀。
终产物中Si元素面扫描分布测试结果如图14所示，从图14中可以看出Al元素分布均匀。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种环境障涂层用空心球形BSAS粉末的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
步骤一：将钡盐、锶盐、铝盐按照Ba+Sr:Al＝1:2的摩尔比例混合均匀，然后加入到去离子水中搅拌至三者完全溶解，得到混合溶液；其中，所述钡盐为水溶性二价钡盐，所述锶盐为水溶性二价锶盐，所述铝盐为水溶性三价铝盐；
步骤二：采用氨水为沉淀剂对步骤一中所述混合溶液进行共沉淀处理，直至混合溶液的pH值大于等于8，得到混合物；
步骤三：将原硅酸、去离子水与步骤二中所述混合物按Si:Al＝1:1的摩尔比混合均匀，然后加入到水热反应釜中，在温度为180℃～250℃，压力为1.5MPa～4MPa的条件下保温3h～8h进行水热反应，得到水热反应产物；
步骤四：对步骤三中所述水热反应产物充分洗涤至中性后，沉降，并倒掉上层的清水，过滤取截留物，然后将截留物烘干后，与去离子水以及粘结剂混合均匀，得到浆料；所述浆料中粘结剂的质量百分含量为0.5％～2％，烘干后的截留物的质量百分含量为15％～35％，余量为去离子水；
步骤五：对步骤四中所述浆料进行喷雾干燥处理，得到粒料；
步骤六：将步骤五中所述粒料置于烧结炉中，在温度为800℃～1200℃的条件下保温2h～6h进行烧结处理；
步骤七：利用等离子喷枪对步骤六中烧结处理后的粒料进行等离子球化处理，自然冷却后进行筛分处理，得到一种环境障涂层用空心球形BSAS粉末。
2.如权利要求1所述的一种环境障涂层用空心球形BSAS粉末的制备方法，其特征在于：步骤一中所述水溶性二价钡为硝酸钡、醋酸钡或氯化钡。
3.如权利要求1所述的一种环境障涂层用空心球形BSAS粉末的制备方法，其特征在于：步骤一中所述水溶性二价锶盐为硝酸锶、氯化锶或醋酸锶。
4.如权利要求1所述的一种环境障涂层用空心球形BSAS粉末的制备方法，其特征在于：步骤一中所述水溶性三价铝盐为硝酸铝或氯化铝。
5.如权利要求1所述的一种环境障涂层用空心球形BSAS粉末的制备方法，其特征在于：步骤二中所述氨水的质量百分比浓度为25％～30％。
6.如权利要求1所述的一种环境障涂层用空心球形BSAS粉末的制备方法，其特征在于：步骤三中水热反应在压力1.5MPa～3MPa下保温3h～5h。
7.如权利要求1所述的一种环境障涂层用空心球形BSAS粉末的制备方法，其特征在于：步骤四中所述粘结剂为聚乙烯醇或阿拉伯树胶。
8.如权利要求1所述的一种环境障涂层用空心球形BSAS粉末的制备方法，其特征在于：步骤四中烘干后的截留物的质量百分含量为25％～35％。
9.如权利要求1所述的一种环境障涂层用空心球形BSAS粉末的制备方法，其特征在于：步骤七中所述等离子球化处理的功率为20kW～45kW，所述粒料的进料速率为2kg/h～5kg/h。
10.如权利要求1所述的一种环境障涂层用空心球形BSAS粉末的制备方法，其特征在于：所述环境障涂层用空心球形BSAS粉末的粒径为10μm～110μm。
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