CN114763598A - 一种长寿命环境障碍涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种长寿命环境障碍涂层及其制备方法，所述长寿命环境障碍涂层包括：依次沉积在基体表面的RE2O3/Si复合粘结层、RE2Si2O7中间层和RE2SiO5面层；所述RE2O3/Si复合粘结层中RE2O3的含量为10vol.%～15vol.%；其中，RE选自Y、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少一种。
Description
技术领域
本发明涉及一种长寿命的环境障碍涂层及其制备方法，属于航空发动机和地面燃气轮机用涂层制备技术领域。
背景技术
推重比是衡量航空发动机和燃气轮机性能的重要指标。目前，提高推重比的主要方式是提高发动机的前端进口温度和降低发动机的质量。陶瓷基复合材料(CMCs)，例如SiC/SiC等，具有低密度、优异的高温力学性能等特点，可部分取代高温合金用于发动机热端部件。然而在发动机使用环境中，高温水氧耦合环境会导致该材料与高温水蒸气反应形成挥发性Si(OH)4气体，最终导致材料的失效。
在基体表面制备环境障碍涂层(EBC)可以有效保护基体，目前被认为最具有应用前景的面层材料为稀土硅酸盐材料。稀土硅酸盐(RE2SiO5、RE2Si2O7)具有良好的相稳定性、与陶瓷基材料相匹配的热膨胀系数、良好的损伤容限等特点，因此被广泛用作涂层中的面层材料。目前已有稀土硅酸盐面层/莫来石中间层/硅粘结层等EBC体系的相关报道，硅作为粘结层被引入涂层中，用于提高涂层面层材料与基体之间的结合强度。由于Si可以与氧化剂发生反应，因此Si粘结层可阻止氧化剂扩散至基体处。但高温下Si与中间层(或面层)界面处的Si被氧化后产生热生长氧化物(TGO)β-方石英，该物相在热循环过程中发生可逆相变，在约220℃时转化为α-方石英，该转变伴随着约5％体积收缩。当TGO厚度达到3～4μm时，热循环导致的应力会使TGO内部产生纵向裂纹，最终导致面层材料的剥落，影响EBC体系服役寿命。此外，稀土硅酸盐材料具有良好的高温化学稳定性，但粘结层所采用的Si材料熔点为1414℃，Si粘结层在1300℃发生以上软化，强度迅速下降，导致稀土硅酸盐面层/莫来石中间层/硅粘结层EBC体系长时间服役温度也不超过1300℃。
发明内容
为克服上述的技术问题，本发明的目的是提供一种长寿命环境障碍涂层及其制备方法。该环境障碍涂层具有抗水氧腐蚀、抗氧化、涂层结构稳定等特点，服役温度可达1350℃以上，大幅度提高了环境障碍涂层服役寿命，可应用于航空发动机热端部件的防护。
一方面，本发明提供了一种长寿命环境障碍涂层，包括：依次沉积在基体表面的RE2O3/Si复合粘结层、RE2Si2O7中间层和RE2SiO5面层；所述RE2O3/Si复合粘结层中RE2O3的含量为10～15vol.％；其中，RE选自Y、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少一种。
本公开中，长寿命环境障碍涂层可有效避免TGO层的生成，RE2O3可与TGO层中SiO2反应，反应生成的RE2Si2O7具有良好的相稳定性，可大幅度提高环境障碍涂层的抗热冲击性能和使用寿命。
较佳的，所述RE2O3/Si复合粘结层(或称RE2O3改性Si粘结层)中RE2O3的含量为15vol.％。
较佳的，所述RE2O3/Si复合粘结层的厚度为50～100μm。
较佳的，所述RE2Si2O7中间层的厚度为50～200μm。
较佳的，所述RE2SiO5面层的厚度为50～200μm。
较佳的，所述基体为陶瓷基复合材料，优选为碳化硅基陶瓷材料。
另一方面，本发明还提供了一种上述长寿命环境障碍涂层的制备方法，采用等离子喷涂技术在基体上依次制备RE2O3/Si复合粘结层、RE2Si2O7中间层和RE2SiO5面层。优选地，在制备RE2O3/Si复合粘结层之前，对基体进行喷砂处理。该长寿命环境障碍涂层采用的制备方法为等离子喷涂技术，所制备的涂层结构致密，成分均匀，抗热震性能良好。且涂层与基体之间、各层之间热物理性能匹配良好，可有效缓解涂层体系热应力。
较佳的，采用等离子喷涂技术在基体上制备RE2O3/Si复合粘结层的参数包括：罐体真空度100～500mbar，RE2O3/Si复合粉体的粒径1～100μm，等离子喷涂功率30～50kW，喷涂距离100～300mm，电流550～700A，氩气流量30～60slm，氢气流量5～10slm，送粉速率8～20g/min。
较佳的，采用等离子喷涂技术制备RE2Si2O7中间层的参数包括：罐体真空度100～500mbar，RE2Si2O7粉体粒径范围1～100μm，等离子喷涂功率30～45kW，喷涂距离100～300mm，电流550～700A，氩气流量40～60slm，氢气流量5～10slm，送粉速率20～50g/min，真空度100～500mbar。
较佳的，采用等离子喷涂技术RE2SiO5面层的参数包括：罐体真空度100～500mbar，RE2SiO5粉体粒径范围1～100μm，等离子喷涂功率35～50kW，喷涂距离150～300mm，电流500～700A，氩气流量40～55slm，氢气流量5～15slm，送粉速率25～60g/min。
有益效果：
1、本发明中，采用稀土氧化物改性Si粘结层的环境障碍涂层与Si粘结层的涂层体系相比，热生长氧化物TGO层内的纵向裂纹减少，粘结层/中间层界面处结合更为良好，从而使涂层具有更长的服役寿命；
2、本发明中，采用稀土氧化物改性Si材料为粘结层，服役过程中RE2O3-Si复合粘结层氧化后产物与原TGO产物(SiO2)相比，具有更好的相稳定性，有利于提高涂层服役寿命；
3、本发明中，所制备的RE2O3-Si复合粘结层，RE2O3均匀分布，可有效抑制高温环境下Si晶粒长大，提高Si涂层高温强度、组织结构稳定性，进而提高了高温环境障碍涂层工作寿命及使用可靠性。RE2Si2O7中间层与RE2O3掺杂Si粘结底层及RE2SiO5面层物理及化学相容性好、结合强度高，各层热物理性能匹配良好，可有效缓解涂层热应力，可满足1350℃以上长时间服役需求，提高了环境障碍涂层使用寿命；
4、本发明中，采用等离子喷涂法制备该涂层，该方法具有的特点包括：工艺简单，厚度可控，重复性良好，涂层不易氧化，适合工业化生产等。
附图说明
图1为陶瓷基复合材料表面环境障碍涂层的结构示意图；
图2为实施例1中制备的环境障碍涂层中改性Si粘结层的截面形貌；
图3为实施例1中涂层氧化300h前后的宏观形貌；
图4为实施例1中涂层氧化300h后改性Si粘结层与Yb2Si2O7中间层界面处的截面形貌；
图5为实施例2中涂层水氧腐蚀300h后改性Si粘结层与Yb2Si2O7中间层界面处的截面形貌；
图6为实施例2中涂层水氧腐蚀200h前后的宏观形貌；
图7为实施例3中涂层氧化300h前后的宏观形貌；
图8为对比例1中涂层氧化300h后Si粘结层与Yb2Si2O7中间层界面处的截面形貌；
图9为对比例2中涂层水氧腐蚀200h后Si粘结层与Yb2Si2O7中间层界面处的截面形貌；
图10为对比例3中涂层氧化300h后的截面形貌；
图11为对比例4中涂层水氧腐蚀200h后的截面形貌；
图12为对比例5中涂层氧化300h前后的宏观形貌；
图13为对比例5中涂层氧化300h后改性Si粘结层与Yb2Si2O7中间层界面处的截面形貌。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
在本公开中，长寿命环境障碍涂层包括：陶瓷基复合材料包括碳化硅基陶瓷材料等基体、以及依次沉积在基体表面的稀土氧化物(RE2O3，RE＝Y、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少一种)掺杂Si粘结层(或称RE2O3/Si复合粘结层)、RE2Si2O7中间层和RE2SiO5面层。
以下示例性地说明长寿命环境障碍涂层的制备过程。涂层采用具备F4-VB喷枪的真空等离子体喷涂系统(Sulzer Metco，瑞士)制备。其中，基体可为陶瓷基复合材料，优选为碳化硅基陶瓷材料。优选，在制备长寿命环境障碍涂层之前，对基体进行喷砂处理。
制备RE2O3/Si复合粉体。采用机械球磨方法将RE2O3粉体与Si粉末均匀混合，得到混合粉体。然后将混合粉体配置浆料，粘结剂为聚乙烯醇(PVA)，添加质量为粉体质量的0.6％～0.8％，采用喷雾造粒法制备RE2O3/Si复合粉体。所述RE2O3/Si复合粉体的粒径范围可为1μm～100μm，RE2O3体积百分数可为10～15％。
作为一个RE2O3/Si复合粉体的制备示例，先将RE2O3粉及Si粉按一定比例混合后，球磨至其混合粉体的平均粒径可为1～5μm。采用喷雾干燥法制备适合喷涂的粉体，喷雾干燥法的参数包括：喷雾干燥时进料速度可为20～40rpm，雾化盘转速可为100～300Hz，进口温度可为200～250℃，出口温度可为95～120℃。
采用等离子喷涂技术在基体制备RE2O3/Si复合粘结层。所述RE2O3/Si复合粘结层厚度可为50～100μm。所述等离子喷涂技术的参数可包括：等离子喷涂功率30～50kW，喷涂距离100～300mm，电流550～700A，氩气流量30～60slm，氢气流量5～10slm，送粉速率8～20g/min，真空度100～500mbar，喷涂时间可为1～10分钟。
采用等离子喷涂技术RE2O3/Si复合粘结层表面制备RE2Si2O7中间层。所述中间层厚度50～200μm可。所述等离子喷涂技术的参数包括：等离子喷涂功率30～45kW，喷涂距离100～300mm，电流550～700A，氩气流量40～60slm，氢气流量5～10slm，送粉速率20～50g/min，真空度100～500mbar，喷涂时间可为1～10分钟。所用RE2Si2O7粉体粒径范围可为1～100μm。优选，RE2Si2O7中间层中RE与RE2O3/Si复合粘结层中RE元素相同。
采用等离子喷涂技术在RE2Si2O7中间层表面制备RE2SiO5面层。所述面层厚度50～200μm。所述等离子喷涂技术的参数包括：等离子喷涂功率35～50kW，喷涂距离150～300mm，电流500～700A，氩气流量40～55slm，氢气流量5～15slm，送粉速率25～60g/min，真空度100～500mbar，喷涂时间可为1～10分钟。所用RE2SiO5粉体的粒径范围可为1～100μm。优选，RE2SiO5面层中RE与RE2O3/Si复合粘结层中RE元素相同。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
步骤1：对SiC基体表面进行喷砂处理，喷砂压力为0.6MPa，得到表面预处理的基体。
步骤2：采用等离子喷涂方法在预处理的基体表面制备Yb2O3/Si复合粘结层(Yb2O3占15vol％)，喷涂工艺参数见表1。
表1为实施例1中真空等离子喷涂Yb2O3/Si复合粘结层的工艺参数：
| 等离子体气体Ar | 50slpm | 粉末载气Ar | 2slpm | 电流 | 600A |
| 等离子体气体H<sub>2</sub> | 10slpm | 喷涂距离 | 250mm | 真空度 | 200mbar |
| 喷涂功率 | 39kW | 送粉速率 | 13g/min(20rpm) | 时间 | 2分钟 |
所得Yb2O3/Si复合粘结层的平均厚度为80μm。
步骤3：采用等离子喷涂方法，在Yb2O3/Si复合粘结层表面喷涂Yb2Si2O7中间层，喷涂工艺参数见表2。
表2为真空等离子喷涂Yb2Si2O7中间层的工艺参数
| 等离子体气体Ar | 46slpm | 粉末载气Ar | 3.5slpm | 电流 | 650A |
| 等离子体气体H<sub>2</sub> | 8slpm | 喷涂距离 | 300mm | 真空度 | 100mbar |
| 喷涂功率 | 39kW | 送粉速率 | 43g/min(25rpm) | 时间 | 3分钟 |
所得Yb2Si2O7中间层的平均厚度为80μm。
步骤4：采用真空等离子喷涂方法，在Yb2Si2O7中间层表面喷涂Yb2SiO5面层，喷涂工艺参数见表3。
表3为真空等离子喷涂Yb2SiO5面层的工艺参数
| 等离子体气体Ar | 50slpm | 粉末载气Ar | 2slpm | 电流 | 630A |
| 等离子体气体H<sub>2</sub> | 10slpm | 喷涂距离 | 230mm | 真空度 | 100mbar |
| 喷涂功率 | 43kW | 送粉速率 | 50g/min(25rpm) | 时间 | 3分钟 |
所得Yb2SiO5面层的平均厚度为90μm。
图2是通过扫描电子显微镜获得的改性粘结层处的截面形貌。涂层为典型的等离子喷涂层状结构，微观组织均匀。采用静态氧化实验对涂层抗氧化能力进行考核，其条件为：将涂层样品置于马弗炉后随炉升温至1350℃，每隔25小时停止加热，取出试样观察，记录出现裂纹时间；氧化300h或涂层剥落面积超过10％时停止试验。涂层氧化前后的宏观形貌如图3所示。该环境障碍涂层氧化300h后截面形貌如图4所示，粘结层与中间层界面处出现TGO，TGO内部存在的白色衬度为Yb2Si2O7，该相由Yb2O3与SiO2反应产生。TGO层内部无明显纵向裂纹产生，且与粘结层和中间层结合良好。说明本发明的涂层具有良好的耐久性。
实施例2
本实施例2与实施例1中区别在于：采用水氧耦合实验对实施例1所得涂层的耐蚀性进行考核，其条件为：将涂层样品置于氧化铝管式炉中，随炉升温至1350℃后通入30％H2O-70％空气，混合气体流速为2.5×10-4m/s，每隔10小时停止加热。腐蚀200小时或涂层剥落面积超过10％时停止试验。该环境障碍涂层水氧腐蚀200h后截面形貌如图5所示，粘结层与中间层界面处出现TGO，TGO内部无明显裂纹产生。说明本发明的涂层具有良好的耐久性。该体系水氧耦合前后的宏观形貌如图6所示。
实施例3
本实施例3与实施例1中所述区别在于：Yb2O3/Si复合粘结层中Yb2O3的掺杂量为10vol.％，其余同实施例1。经300h氧化考核，样品表面涂层仍保持完整，未出现剥落现象，其氧化前后宏观形貌如图7所示。说明本实施例所制得的涂层结构在1350℃环境下保持了良好的耐久性。
实施例4
本实施例4与实施例1中所述涂层区别在于：所用基体材料为SiC/SiC复合材料，其余同实施例1。经300h氧化考核，样品表面涂层仍保持完整，未出现剥落现象。说明本实施例所制得的涂层结构在1350℃环境下保持了良好的耐久性。
实施例5
本实施例5长寿命环境障碍涂层的制备过程参照实施例1，区别在于：RE2O3/Si复合粘结层中RE2O3为Lu2O3，中间层为Lu2Si2O7，面层为Lu2SiO5，其余同实施例1。经300h氧化考核，样品表面涂层仍保持完整，未出现剥落现象。说明本实施例所制得的涂层结构在1350℃环境下保持了良好的耐久性。
对比例1
本对比例1中长寿命环境障碍涂层工艺参数参照实施例1，区别在于：Si为粘结层。对所得涂层进行相同时间的氧化考核，其氧化300h后的截面形貌如图8所示，可以看出，Si与Yb2Si2O7界面处均出现TGO，且内部存在明显的纵向裂纹分布，说明该涂层的耐久性较差，远不如实施例1中的涂层。
对比例2
本对比例2中长寿命环境障碍涂层工艺参数参照实施例1，区别在于：Si为粘结层。对涂层进行水氧腐蚀考核，具体方法同实施例2。对所得涂层进行相同时间的水氧腐蚀考核，可以看出，Si与Yb2Si2O7界面处均出现TGO，TGO内部存在大量纵向裂纹，其截面形貌如图9所示，说明该涂层的耐久性较差，远不如实施例2中的涂层。
对比例3
本对比例3中长寿命环境障碍涂层工艺参数参照实施例1，区别在于：Yb2O3/Si复合粘结层中Yb2O3的体积分数为20vol.％。参照实施例1，对所得长寿命环境障碍涂层进行相同时间的氧化考核，其截面形貌如图10所示，改性Si层被快速消耗，同时在粘结层与中间层界面处出现大量孔洞，导致涂层结合减弱，远不如实施例1中的涂层。
对比例4
本对比例3中长寿命环境障碍涂层工艺参数参照实施例1，区别在于：Yb2O3/Si复合粘结层中Yb2O3的体积分数为20vol.％。参照实施例2，对所得长寿命环境障碍涂层进行水氧腐蚀考核，其截面形貌如图11所示，改性Si层内部被快速氧化，氧化产生的SiO2在热循环过程中发生开裂，从而导致考核后的改性粘结层内部存在大量的裂纹，远不如实施例2中的涂层。
对比例5
本对比例5中长寿命环境障碍涂层工艺参数参照实施例1，区别在于：Yb2O3/Si复合粘结层中Yb2O3的体积分数为5vol.％。参照实施例1，对所得长寿命环境障碍涂层进行相同时间的氧化考核，其氧化前后宏观形貌如图12所示，基体表面涂层在300h氧化后出现大量剥落。涂层氧化300h后改性Si粘结层与Yb2Si2O7中间层界面处的截面形貌如图13所示，TGO与中间层界面处出现了明显界面裂纹，远不如实施例1中的涂层。
Claims (10)
1.一种长寿命环境障碍涂层，其特征在于，包括：依次沉积在基体表面的RE2O3/Si复合粘结层、RE2Si2O7中间层和RE2SiO5面层；所述RE2O3/Si复合粘结层中RE2O3的含量为10vol.%～15vol.%；其中，RE选自Y、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的长寿命环境障碍涂层，其特征在于，所述RE2O3/Si复合粘结层中RE2O3的含量为15vol.%。
3.根据权利要求1或2所述的长寿命环境障碍涂层，其特征在于，所述RE2O3/Si复合粘结层的厚度为50～100μm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的长寿命环境障碍涂层，其特征在于，所述RE2Si2O7中间层的厚度为50～200μm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的长寿命环境障碍涂层，其特征在于，所述RE2SiO5面层的厚度为50～200μm。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的长寿命环境障碍涂层，其特征在于，所述基体为陶瓷基复合材料，优选为碳化硅基陶瓷材料。
7.一种权利要求1-6中任一项所述的长寿命环境障碍涂层的制备方法，其特征在于，采用等离子喷涂技术在基体上依次制备RE2O3/Si复合粘结层、RE2Si2O7中间层和RE2SiO5面层；优选地，在制备RE2O3/Si复合粘结层之前，对基体进行喷砂处理。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，采用等离子喷涂技术在基体上制备RE2O3/Si复合粘结层的参数包括：罐体真空度100～500 mbar，RE2O3/Si复合粉体的粒径1～100 μm，等离子喷涂功率30～50 kW，喷涂距离100～300 mm，电流550～700 A，氩气流量30～60 slm，氢气流量5～10 slm，送粉速率8～20 g/min。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，采用等离子喷涂技术制备RE2Si2O7中间层的参数包括：罐体真空度100～500 mbar，RE2Si2O7粉体粒径范围1～100 μm，等离子喷涂功率30～45 kW，喷涂距离100～300 mm，电流550～700 A，氩气流量40～60 slm，氢气流量5～10 slm，送粉速率20～50 g/min，真空度100～500 mbar。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的制备方法，其特征在于，采用等离子喷涂技术RE2SiO5面层的参数包括：罐体真空度100～500 mbar，RE2SiO5粉体粒径范围1～100μm，等离子喷涂功率35～50 kW，喷涂距离150～300 mm，电流500～700 A，氩气流量40～55 slm，氢气流量5～15 slm，送粉速率25～60 g/min。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115894081A (zh) * | 2022-12-15 | 2023-04-04 | 西安交通大学 | 一种高熔点、长寿命环境障涂层粘接层的制备方法及材料 |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050214563A1 (en) * | 2004-03-29 | 2005-09-29 | General Electric Company | Modified bond coat for increasing the cyclic spallation life of thermal barrier coating |
| US20080107920A1 (en) * | 2006-01-06 | 2008-05-08 | Raymond Grant Rowe | Thermal barrier coated articles and methods of making the same |
| US7740960B1 (en) * | 2005-08-26 | 2010-06-22 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Multifunctionally graded environmental barrier coatings for silicon-base ceramic components |
| US20130129938A1 (en) * | 2010-01-06 | 2013-05-23 | Direct Vapor Technologies International | Method for the co-evaporation and deposition of materials with differing vapor pressures |
| US20140050930A1 (en) * | 2012-08-16 | 2014-02-20 | General Electric Company | Creep-resistant environmental barrier coatings |
| WO2016129591A1 (ja) * | 2015-02-09 | 2016-08-18 | 三菱重工航空エンジン株式会社 | コーティング部材及びコーティング部材の製造方法 |
| CN108342678A (zh) * | 2018-03-15 | 2018-07-31 | 北京矿冶科技集团有限公司 | 具有结构梯度的热障涂层及其制备方法 |
| CN108950463A (zh) * | 2018-08-24 | 2018-12-07 | 中国航空制造技术研究院 | 一种高温环境障碍涂层结构及其制备方法 |
| CN109468568A (zh) * | 2017-09-07 | 2019-03-15 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种抗裂纹扩展的稀土硅酸盐环境障碍涂层及制备方法 |
| CN109468574A (zh) * | 2017-09-07 | 2019-03-15 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种耐高温环境障碍涂层及制备方法 |
| US10604454B1 (en) * | 2016-06-16 | 2020-03-31 | United States Of America As Represented By The Administrator Of National Aeronautics And Space Administration | Advanced high temperature environmental barrier coating for SiC/SiC ceramic matrix composites |
| CN111233446A (zh) * | 2020-03-12 | 2020-06-05 | 武汉理工大学 | 一种用于陶瓷基复合材料基体的硅酸铪环境障涂层及其制备方法 |
-
2021
- 2021-01-13 CN CN202110042850.8A patent/CN114763598B/zh active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050214563A1 (en) * | 2004-03-29 | 2005-09-29 | General Electric Company | Modified bond coat for increasing the cyclic spallation life of thermal barrier coating |
| US7740960B1 (en) * | 2005-08-26 | 2010-06-22 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Multifunctionally graded environmental barrier coatings for silicon-base ceramic components |
| US20080107920A1 (en) * | 2006-01-06 | 2008-05-08 | Raymond Grant Rowe | Thermal barrier coated articles and methods of making the same |
| US20130129938A1 (en) * | 2010-01-06 | 2013-05-23 | Direct Vapor Technologies International | Method for the co-evaporation and deposition of materials with differing vapor pressures |
| US20140050930A1 (en) * | 2012-08-16 | 2014-02-20 | General Electric Company | Creep-resistant environmental barrier coatings |
| WO2016129591A1 (ja) * | 2015-02-09 | 2016-08-18 | 三菱重工航空エンジン株式会社 | コーティング部材及びコーティング部材の製造方法 |
| US10604454B1 (en) * | 2016-06-16 | 2020-03-31 | United States Of America As Represented By The Administrator Of National Aeronautics And Space Administration | Advanced high temperature environmental barrier coating for SiC/SiC ceramic matrix composites |
| CN109468568A (zh) * | 2017-09-07 | 2019-03-15 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种抗裂纹扩展的稀土硅酸盐环境障碍涂层及制备方法 |
| CN109468574A (zh) * | 2017-09-07 | 2019-03-15 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种耐高温环境障碍涂层及制备方法 |
| CN108342678A (zh) * | 2018-03-15 | 2018-07-31 | 北京矿冶科技集团有限公司 | 具有结构梯度的热障涂层及其制备方法 |
| CN108950463A (zh) * | 2018-08-24 | 2018-12-07 | 中国航空制造技术研究院 | 一种高温环境障碍涂层结构及其制备方法 |
| CN111233446A (zh) * | 2020-03-12 | 2020-06-05 | 武汉理工大学 | 一种用于陶瓷基复合材料基体的硅酸铪环境障涂层及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 马壮: "环境障涂层的发展瓶颈及应对措施", 中国表面工程, vol. 33, no. 5, 31 October 2020 (2020-10-31), pages 100 - 114 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115894081A (zh) * | 2022-12-15 | 2023-04-04 | 西安交通大学 | 一种高熔点、长寿命环境障涂层粘接层的制备方法及材料 |
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| Publication number | Publication date |
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