CN116253584A - 一种用于陶瓷基复合材料的全氧化物热/环境障涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于热防护涂层材料技术领域，涉及一种用于陶瓷基复合材料的全氧化物热/环境障涂层及其制备方法。所述涂层自基体向外依次包括厚度为50～100μm的RE‑Al‑Si‑O微晶玻璃粘结层、厚度为150～200μm的Yb2Si2O7‑Yb2SiO5梯度环境障层和厚度为150～200μm的多元稀土改性HfO2热障面层；梯度环境障层包括由Yb2Si2O7‑Yb2SiO5内层和Yb2Si2O7‑Yb2SiO5外层组成；内层中，Yb2Si2O7与Yb2SiO5的摩尔比为2～4:1；外层中，Yb2Si2O7与Yb2SiO5的摩尔比为0.25～0.5:1；制备方法为采用浆料涂刷法制备粘结层；采用大气等离子喷涂技术制备梯度环境障层；采用电子束物理气相沉积技术制备多元稀土改性HfO2热障面层。涂层与基体热匹配度高、隔热性能好、热冲击寿命长和抗高温水氧腐蚀性能优异，可大幅提高陶瓷基复合材料的服役温度与使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于热防护涂层材料技术领域，具体涉及一种用于陶瓷基复合材料的全氧化物热/环境障涂层及其制备方法。
背景技术
陶瓷基复合材料因具有耐高温、低密度、高比强度/比模量、抗疲劳、抗蠕变等一系列性能优势，是新一代大推重比航空发动机热端部件的理想材料，有望大幅提高发动机燃油效率。然而，在发动机工作环境中，燃料燃烧产生的高温水蒸气与陶瓷基复合材料表面氧化形成的SiO2反应，生成挥发性的Si(OH)4，导致复合材料制件尺寸和性能迅速衰退。
在陶瓷基复合材料表面涂覆耐高温水氧腐蚀的环境障涂层是提升其抗水氧腐蚀性能的主要途径。随着航空发动机相高推重比发展，涡轮进口温度不断提高，推重比12-15的航空发动机设计进口温度将达到1700℃-1800℃。目前，以稀土硅酸盐为面层材料的第三代环境障涂层的长期使用温度极限为1350℃，无法满足新一代高性能发动机的设计需求。
近年来，研究者通过结合热障涂层技术，提出了热/环境障涂层的概念，即在环境障涂层表面制备一层高熔点、低热导率、高温相稳定的隔热面层，以期实现涂层表面处于超高温度而陶瓷基复合材料保持较低温度的设计目的。然而，热/环境涂层在实际服役条件下仍存在一定的局限性：冷热循环过程中，面层、环境障层和基体由于热膨胀系数失配产生较大热应力，导致涂层内部出现裂纹，裂纹作为燃气进入陶瓷基部件的快速通道，造成涂层过早剥落失效。此外，Si的熔点温度低(～1410℃)，在1350℃-1400℃环境中传统Si粘结层软化甚至熔融现象限制了热/环境涂层面向更高温度的应用。
因此，亟需研发一种新型耐高温、高隔热、抗高温水氧腐蚀性能优异的热/环境障涂层及其制备方法，以提高航空发动机热端部件的服役温度和使用寿命。
发明内容
本发明的目的是：在于提供在1600℃高温环境下具有隔热效果好、与基体热匹配度高、热冲击寿命长和抗水氧腐蚀性能优异的全氧化物热/环境障涂层。以期所述涂层可有效提高陶瓷基复合材料在该温度下的力学性能保留率，从而提升热端部件在航空发动机中的服役稳定性。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一方面，提供一种用于陶瓷基复合材料的全氧化物热/环境障涂层，所述涂层为三层结构，由内向外依次包括RE-Al-Si-O微晶玻璃粘结层、Yb2Si2O7-Yb2SiO5梯度环境障层和多元稀土改性HfO2热障面层；
所述Yb2Si2O7-Yb2SiO5梯度环境障层包括由不同摩尔比的Yb2Si2O7和Yb2SiO5混合而成的Yb2Si2O7-Yb2SiO5内层和Yb2Si2O7-Yb2SiO5外层；
在所述Yb2Si2O7-Yb2SiO5内层中，Yb2Si2O7与Yb2SiO5的摩尔比为2～4:1；
在所述Yb2Si2O7-Yb2SiO5外层中，Yb2Si2O7与Yb2SiO5的摩尔比为0.25～0.5:1。
所述RE-Al-Si-O微晶玻璃粘结层厚度为50～100μm；所述Yb2Si2O7-Yb2SiO5梯度环境障层厚度为150～200μm；所述多元稀土改性HfO2热障面层厚度为150～200μm。
所述多元稀土改性HfO2热障面层中稀土氧化物(RE2O3)与HfO2的摩尔比为1:9～1:1.5；
所述RE为Yb、Y、Gd和Nd中的一种或几种。
所述RE-Al-Si-O微晶玻璃粘结层由摩尔比为1～1.5:1～1.5:1.5～3的Al2O3：SiO2：RE2O3组成；所述RE为Y、Lu、Yb中的一种。
在优选的方案中，所述Yb2Si2O7-Yb2SiO5内层中，Yb2Si2O7与Yb2SiO5的摩尔比为(2.5～3.3):1。
在优选的方案中，所述Yb2Si2O7-Yb2SiO5外层中，Yb2Si2O7与Yb2SiO5的摩尔比为(0.32～0.46):1。
另一方面，提供一种用于陶瓷基复合材料的全氧化物热/环境障涂层的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：
S1：采用浆料涂刷法制备YAS微晶玻璃粘结层；
S2：采用大气等离子喷涂技术制备Yb2Si2O7-Yb2SiO5梯度环境障层：
以氩气和氢气为等离子气体，氩气的流量为40-60L/min，氢气的流量为6-12L/min，喷涂距离为100-250mm，喷涂电流为500-700A，送粉率为10-30％，喷涂角度为30°-90°，Yb2Si2O7和Yb2SiO5粉末粒径为10-60μm；
S3：采用电子束物理气相沉积技术制备多元稀土改性HfO2热障面层：
S301、将原材料RE2O3和HfO2按设定的摩尔比混合，采用高温固相反应法制备RE2O3-HfO2复合粉体；将粉体置于不锈钢模具中，成型压力为80-90KN；将压制后的块材在1600℃-1800℃的高温炉中烧结10h-12h，得到RE2O3-HfO2靶材；模具内径为68.5mm，高度为180mm；
S302、将RE2O3-HfO2靶材装入电子束物理气相沉积设备，通过蒸发RE2O3-HfO2靶材在Yb2Si2O7-Yb2SiO5梯度环境障层表面制备多元稀土改性HfO2热障面层，蒸发电流为1.2-1.6A，基体温度为850℃-950℃，真空度～10-3Pa，沉积时间40-80min；
S4：将S3所得涂层放入真空热处理炉中进行真空热处理。
所述S1中，具体步骤为：
S101、将Al2O3、SiO2和RE2O3原料按成分配比称重，并与适量酒精混合，经球磨后得到氧化物浆料；在大气环境下对氧化物浆料进行高温热处理，温度为1500℃-1700℃，时间为2-6h；热处理结束后将其放到冷水中形成透明玻璃块体，将玻璃块体球磨后过100-200目筛得到RE-Al-Si-O玻璃粉。
S102、将RE-Al-Si-O玻璃粉与酒精混合，球磨后得到RE-Al-Si-O玻璃粉浆料，把浆料涂覆到陶瓷基复合材料表面并进行高温热处理，热处理温度为1300℃-1400℃。
所述S4中，真空热处理参数为：温度为1000-1200℃，时间为4-6h，真空度～10-3Pa。
本发明所制备的涂层：在1600℃水氧耦合腐蚀条件下，涂层寿命不低于300小时；在1600℃、速度0.5马赫的氧煤油燃气热冲击寿命不低于200次。
本发明的有益效果是：
(1)本发明涂层的RE-Al-Si-O微晶玻璃粘结层具有极低的氧化膜生长速率和良好的抗水氧渗透能力，同时使用温度可达到1482℃，避免了传统Si粘结层在1350℃-1400℃范围内软化甚至熔融的问题，显著提高涂层的服役稳定性。
(2)本发明涂层的Yb2Si2O7-Yb2SiO5梯度环境障层的Yb2Si2O7-Yb2SiO5内层中，Yb2Si2O7与Yb2SiO5的摩尔比为(2～4):1；在Yb2Si2O7-Yb2SiO5外层中，Yb2Si2O7与Yb2SiO5的摩尔比为(0.25～0.5):1，Yb2SiO5具有熔点高，抗水氧腐蚀性能优异的特点，而Yb2Si2O7与陶瓷基复合材料的热膨胀系数匹配较好，将这两种稀土硅酸盐根据本发明的配方搭配使用时，在保持良好抗水氧腐蚀性能的同时，还可有效解决环境障涂层与陶瓷基复合材料的热失配问题。
(3)本发明中所述的多元稀土改性HfO2热障面层的主要作用是隔热、抗燃气冲刷和抗熔盐腐蚀，稀土元素掺杂提高了HfO2的抗烧结性能，而柱状晶结构增大了应变容限，有利于提高涂层的抗热冲击性能。
(4)在本发明中RE-Al-Si-O微晶玻璃粘结层的厚度优选为50～100μm，在这一厚度的RE-Al-Si-O层可充分深入基体形成钉扎型机械互锁，从而与基体之间的结合力。同时具有优异的抗水氧腐蚀性能。
在本发明中Yb2Si2O7-Yb2SiO5梯度环境障层的厚度优选为150～200μm，在这一厚度的环境障层能最大限度的发挥两种硅酸盐的协同作用，保证环境障层具有与陶瓷基复合材料和HfO2适配的热膨胀系数以及优异的抗水氧腐蚀性能。
在本发明中稀土改性HfO2热障面层的厚度优选为150～200μm。当热障面层的厚度小于150μm时，会降低热障面层的抗冲刷性能以及隔热性能；而当其厚度大于200μm时，会导致涂层热应力增大，使用过程中容易产生裂纹，从而降低涂层的服役寿命。
(5)传统热/环境障涂层体系中的粘结层、环境障层和热障面层均采取等离子喷涂技术制备，涂层内部存在一定数量的微裂纹、孔隙以及非晶相，显著影响涂层的服役性能。同时，等离子喷涂制备的涂层为层状结构，由于层间结合力较差，导致涂层的热循环寿命较低。本发明采用浆料涂刷法+大气等离子喷涂+电子束物理气相沉积相结合的方法制备热/环境障涂层，采用本发明中相互匹配的工艺参数，所得涂层与基体结合紧密，涂层内部缺陷少、致密度高，且具备优异的抗热震性能。
(6)本发明中所述的全氧化物热/环境障涂层抗热冲击能好，在1600℃、速度0.5马赫的氧煤油燃气条件下，热冲击200次，涂层与陶瓷基复合材料结合良好，无剥落、鼓包等失效现象。同时，所述涂层具有优异的抗水氧腐蚀性能，在1600℃水氧耦合腐蚀条件下，涂层寿命不低于300小时(具体的测试条件请见实施例)。
附图说明
图1是本发明陶瓷基复合材料表面制得的全氧化物热/环境障涂层的截面结构示意图；
图2是本发明陶瓷基复合材料表面制得的全氧化物热/环境障涂层的制备方法流程图；
图3大气等离子工艺制得的Si/Yb2SiO5环境障涂层。
其中，1-陶瓷基复合材料，2-RE-Al-Si-O微晶玻璃粘结层，3-Yb2Si2O7-Yb2SiO5梯度环境障层，4-多元稀土改性HfO2热障面层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。在各个附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。
图1是本发明的陶瓷基复合材料表面制得的全氧化物热/环境障涂层的截面结构示意图。所述全氧化物热/环境障涂层自陶瓷基复合材料基体1向外依次包括RE-Al-Si-O微晶玻璃粘结层2、Yb2Si2O7-Yb2SiO5梯度环境障层3和多元稀土改性HfO2热障面层4。Yb2Si2O7-Yb2SiO5梯度环境障层3包括由不同摩尔比的Yb2Si2O7和Yb2SiO5混合而成的Yb2Si2O7-Yb2SiO5内层和Yb2Si2O7-Yb2SiO5外层。
本发明的多元稀土改性HfO2热障面层中，稀土元素为Yb、Y、Gd和Nd中的几种。稀土氧化物(RE2O3)与HfO2的摩尔比为1:9～1:1.5。本发明发现，将RE2O3和HfO2的摩尔比按照上述成分搭配使用时，所获得的热障面层具有较低的热导率，在室温-1650℃无相变。
图2是本发明一个实施例中在陶瓷基复合材料表面制得的全氧化物热/环境障涂层制备方法流程图。
所述方法包括如下步骤：
S1：采用浆料涂刷法制备YAS微晶玻璃粘结层：
S101、将Al2O3、SiO2和RE2O3原料按成分配比称重，并与适量酒精混合，经球磨后得到氧化物浆料；在大气环境下对氧化物浆料进行高温热处理，温度为1500℃-1700℃，时间为2-6h；热处理结束后将其放到冷水中形成透明玻璃块体，将玻璃块体球磨后过100-200目筛得到RE-Al-Si-O玻璃粉。
S102、将RE-Al-Si-O玻璃粉与酒精混合，球磨后得到RE-Al-Si-O玻璃粉浆料，把浆料涂覆到陶瓷基复合材料表面并进行高温热处理，热处理温度为1300℃-1400℃。S2：采用大气等离子喷涂技术制备Yb2Si2O7-Yb2SiO5梯度环境障层：
Yb2Si2O7和Yb2SiO5粉末粒径为10-60μm，粉末形貌为中空球形微米粉，有利于提高沉积效率和涂层的组织均匀性；以氩气和氢气为等离子气体，氩气的流量为40-60L/min，氢气的流量为6-12L/min，喷涂距离为100-250mm，喷涂电流为500-700A，送粉率为10-30％，喷涂角度为30°-90°。
S3：采用电子束物理气相沉积技术制备多元稀土改性HfO2热障面层：
蒸发电流为1.2-1.6A，基体温度为850-950℃，真空度～10-3Pa，沉积时间40-80min。
S4：将S3所得涂层放入真空热处理炉中进行真空热处理：
温度为1000-1200℃，时间为4-6h，真空度～10-3Pa(即数量级为10-3Pa)。
实施例1
(1)准备SiCf/SiC陶瓷复合材料基体试片，尺寸为20mm×10mm×3mm，采用丙酮超声波清洗20min，然后干燥。
(2)选择喷雾造粒后Yb2Si2O7-Yb2SiO5混合粉末A(Yb2Si2O7与Yb2SiO5的摩尔比为3:1)的粒度为15-45μm，Yb2Si2O7-Yb2SiO5混合粉末B(Yb2Si2O7与Yb2SiO5的摩尔比为0.33:1)的粒度为15-45μm，粉末形状为中空球形粉末。将上述两种粉末分别加入大气等离子设备的送粉器中。
(3)将原材料Yb2O3、Y2O3和HfO2按0.10:0.15:0.75的摩尔比混合，采用高温固相反应法制备0.10Yb2O3-0.15Y2O3-0.75HfO2复合粉体；将粉体置于不锈钢磨具中，磨具内径为68.5mm，高度为180mm，成型压力为85KN；将压制后的块材在1600℃的高温炉中烧结12h，得到0.10Yb2O3-0.15Y2O3-0.75HfO2靶材。
(4)将Al2O3、SiO2和Y2O3原料按摩尔比1:1:1.5称重，并与适量酒精混合，经球磨后得到氧化物浆料；在大气环境下对氧化物浆料进行高温热处理，温度为1600℃，时间为5h；热处理结束后将其放到冷水中形成透明玻璃块体，将玻璃块体球磨后过200目筛得到Y-Al-Si-O玻璃粉。
(5)将Y-Al-Si-O玻璃粉与酒精混合，球磨后得到Y-Al-Si-O玻璃粉浆料，把浆料涂覆到陶瓷基复合材料表面并进行高温热处理，热处理温度为1350℃，得到Y-Al-Si-O微晶玻璃粘结层。
(6)采用大气等离子喷涂技术在Y-Al-Si-O粘结层表面制备Yb2Si2O7-Yb2SiO5梯度环境障层，调整工艺参数为：氩气的流量为50L/min，氢气的流量为8L/min，喷涂距离为130mm，喷涂电流为600A，喷涂角度为90°。预热一遍后，打开装有混合粉末A的送粉器，送粉率为20％，得到厚度为75μm的Yb2Si2O7-Yb2SiO5内层。
随后，关闭装有混合粉末A的送粉器，保持喷涂电流、气流量、喷涂距离和喷涂角度等参数不变，打开装有混合粉末A的送粉器，送粉率为20％，得到厚度为75μm的Yb2Si2O7-Yb2SiO5外层。
(7)采用电子束物理气相沉积技术在Yb2Si2O7-Yb2SiO5梯度环境障层表面制备多元稀土改性HfO2面层，调整工艺参数为：蒸发电流为1.4A，基体温度为900℃，真空度5×10-3Pa(即数量级为10-3Pa)，沉积时间70min，得到厚度为150μm的0.10Yb2O3-0.15Y2O3-0.75HfO2面层。
(8)对制备态涂层进行真空热处理，调整工艺参数为：温度为1200℃，时间为6h，真空度8×10-3Pa。
对实施例1中的全氧化物热/环境障涂层进行高温水氧腐蚀性能测试：
其中，抗水氧-腐蚀考核方式为：在1600℃、90％水汽-10％氧气(其中，90％和10％指的是体积百分比)、压力1atm环境下进行抗腐蚀测试，直至涂层出现明显剥落(剥落面积大于10％)，定义为失效。结果表明本实施例中的涂层具有全氧化物热/环境障涂层的陶瓷基复合材料的抗高温水氧腐蚀寿命不低于300小时。
实施例2
实施例2与实施例1流程基本相同，不同之处在于：
在(1)中，SiCf/SiC陶瓷复合材料基体试片，尺寸为φ25mm×3mm。
在(3)中，原材料Yb2O3、Y2O3和HfO2按0.05:0.15:0.80的摩尔比混合，得到0.05Yb2O3-0.15Y2O3-0.80HfO2靶材。
对实施例2中的全氧化物热/环境障涂层进行热冲击性能测试。其中，热冲击性能的测试方法为：在0.5马赫速度下，采用氧煤油燃气加热带有热/环境障涂层的试样，温度达到1600℃后开始计时，加热5min，随后取出并在空气中冷却5min，此为一个循环过程。重复上述操作，直至涂层出现明显剥落(剥落面积大于10％)，定义为失效。结果表明采用实施例2中的涂层方案，具有全氧化物热/环境障涂层的陶瓷基复合材料的热冲击寿命达到213次。
实施例3
另外，为了说明Yb2Si2O7-Yb2SiO5梯度环境障层中内层和外层Yb2Si2O7(YbDS)与Yb2SiO5(YbMS)不同摩尔比对梯度环境障层热膨胀行为和抗水氧腐蚀性能的影响，还进行了热膨胀系数和抗水氧腐蚀性能测试，如下表1所示选择了部分典型结果，可以看出：
Yb2Si2O7-Yb2SiO5内层中Yb2Si2O7(YbDS)与Yb2SiO5(YbMS)的摩尔比为(2～4):1，优选为2.5～3.3:1；在Yb2Si2O7-Yb2SiO5外层中，Yb2Si2O7与Yb2SiO5的摩尔比为(0.25～0.5):1，优选为0.32～0.46:1。发现，将Yb2Si2O7和Yb2SiO5按照上述成分梯度搭配使用时，所获得的环境障层与基体和多元稀土改性HfO2面层的热膨胀系数匹配较好(由于环境障层要与基体、面层均需要匹配，在本发明体系下热膨胀系数最优数值范围在6.4～6.8×10-6·K-1之间)；同时抗高温水氧腐蚀性能优异，具有更好的高温防护效果。如表1所示：
表1实施例3中不同摩尔比Yb2Si2O7-Yb2SiO5涂层的性能指标
对比例1
对比例与实施例相比，采用大气等离子喷涂技术制备Si粘结层和Yb2SiO5环境障层，制备具体步骤如下：
(1)在制备Si粘结层过程中，氩气的流量为40L/min，氢气的流量为8L/min，喷涂距离为90mm，喷涂电流为400A，喷涂角度为90°，送粉率为20％。预热一遍后，喷涂2遍，得到厚度为50μm的Si粘结层。
(2)在制备Yb2SiO5环境障层过程中，氩气的流量为50L/min，氢气的流量为8L/min，喷涂距离为120mm，喷涂电流为600A，喷涂角度为90°，送粉率为20％,。预热一遍后，喷涂4遍，得到厚度为100μm的Yb2SiO5环境障层。
如图3为本对比例制得的涂层截面形貌，可以看到，Si粘结层与基体界面保持平直，而本发明采用浆料涂刷法制备的RE-Al-Si-O微晶玻璃粘结层能够渗入基体形成“钉扎”型机械互锁，增大涂层/基体界面结合力。依据GB/T 8642 2002测试实施例3与本对比例制得的环境障涂层结合强度，试样1、2和3为实施例3中任一涂层，试样4、5和6为本对比例制得涂层，结果如表2所示：
表2实施例3和对比例1中环境障涂层结合强度
| 试样 | 结合强度(MPa) |
| 试样1 | 27 |
| 试样2 | 25 |
| 试样3 | 24 |
| 试样4 | 13 |
| 试样5 | 11 |
| 试样6 | 16 |
从表2可以看出，本对比例中的环境障涂层与基体平均结合强度为13.3Mpa，而实施例3制得的环境障涂层与基体平均结合强度为25.3MPa，结合强度提高近1倍。
采用与实施例3相同的测试方法对本对比例制得的环境障涂层的抗水氧腐蚀性能进行测试，其300h后的失重率达到12.81％。
对比例2
对比例与实施例相比，采用大气等离子喷涂技术制备Si粘结层、Yb2Si2O7环境障内层、Yb2SiO5环境障外层和0.05Yb2O3-0.15Y2O3-0.80HfO2热障面层，具体步骤如下：
(1)在制备Si粘结层过程中，氩气的流量为40L/min，氢气的流量为8L/min，喷涂距离为90mm，喷涂电流为400A，喷涂角度为90°，送粉率为20％。预热一遍后，喷涂2遍，得到厚度为50μm的Si粘结层。
(2)在制备Yb2Si2O7环境障层过程中，氩气的流量为50L/min，氢气的流量为8L/min，喷涂距离为120mm，喷涂电流为600A，喷涂角度为90°，送粉率为20％,。预热一遍后，喷涂3遍，得到厚度为75μm的Yb2Si2O7内层。
(3)在制备Yb2SiO5环境障层过程中，氩气的流量为50L/min，氢气的流量为8L/min，喷涂距离为120mm，喷涂电流为600A，喷涂角度为90°，送粉率为20％。预热一遍后，喷涂3遍，得到厚度为75μm的Yb2SiO5外层。
(4)在制备0.05Yb2O3-0.15Y2O3-0.80HfO2热障面层过程中，氩气的流量为40L/min，氢气的流量为10L/min，喷涂距离为120mm，喷涂电流为650A，喷涂角度为90°，送粉率为20％。预热一遍后，喷涂5遍，得到厚度为150μm的0.05Yb2O3-0.15Y2O3-0.80HfO2热障面层。
采用与实施例3相同的测试方法对本对比例制得的热/环境障涂层的热冲击性能进行测试，其热冲击寿命范围在56-67次，如表2所示。
表3对比例2中热/环境障涂层热冲击寿命
| 对比例2 | 热冲击循环次数(次) |
| 试样1 | 63 |
| 试样2 | 57 |
| 试样3 | 56 |
| 试样4 | 67 |
| 试样5 | 61 |
从表3可以看出，常规技术得到的热/环境障涂层的热冲击寿命范围在56-67次，而本发明的全氧化物热/环境障涂层各层热膨胀系数存在梯度过度，RE-Al-Si-O微晶玻璃粘结层与基体有较高的结合力，抗热冲击寿命达到200次以上，说明本发明的热/环境障涂层的热冲击性能有了大幅度提升，具有显著的效果。
Claims (10)
1.一种用于陶瓷基复合材料的全氧化物热/环境障涂层，其特征在于，所述涂层为三层结构，由内向外依次包括RE-Al-Si-O微晶玻璃粘结层、Yb2Si2O7-Yb2SiO5梯度环境障层和多元稀土改性HfO2热障面层；
所述Yb2Si2O7-Yb2SiO5梯度环境障层包括由不同摩尔比的Yb2Si2O7和Yb2SiO5混合而成的Yb2Si2O7-Yb2SiO5内层和Yb2Si2O7-Yb2SiO5外层；
在所述Yb2Si2O7-Yb2SiO5内层中，Yb2Si2O7与Yb2SiO5的摩尔比为2～4:1；
在所述Yb2Si2O7-Yb2SiO5外层中，Yb2Si2O7与Yb2SiO5的摩尔比为0.25～0.5:1。
2.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于：所述RE-Al-Si-O微晶玻璃粘结层厚度为50～100μm；所述Yb2Si2O7-Yb2SiO5梯度环境障层厚度为150～200μm；所述多元稀土改性HfO2热障面层厚度为150～200μm。
3.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于：所述多元稀土改性HfO2热障面层中稀土氧化物(RE2O3)与HfO2的摩尔比为1:9～1:1.5；
所述RE为Yb、Y、Gd和Nd中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于：所述RE-Al-Si-O微晶玻璃粘结层由摩尔比为1～1.5:1～1.5:1.5～3的Al2O3：SiO2：RE2O3组成；所述RE为Y、Lu、Yb中的一种。
5.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于：所述Yb2Si2O7-Yb2SiO5内层中，Yb2Si2O7与Yb2SiO5的摩尔比为(2.5～3.3):1。
6.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于：所述Yb2Si2O7-Yb2SiO5外层中，Yb2Si2O7与Yb2SiO5的摩尔比为(0.32～0.46):1。
7.根据权利要求1所述涂层的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括以下步骤：
S1：采用浆料涂刷法制备YAS微晶玻璃粘结层；
S2：采用大气等离子喷涂技术制备Yb2Si2O7-Yb2SiO5梯度环境障层：
以氩气和氢气为等离子气体，氩气的流量为40-60L/min，氢气的流量为6-12L/min，喷涂距离为100-250mm，喷涂电流为500-700A，送粉率为10-30％，喷涂角度为30°-90°，Yb2Si2O7和Yb2SiO5粉末粒径为10-60μm；
S3：采用电子束物理气相沉积技术制备多元稀土改性HfO2热障面层：
S301、将原材料RE2O3和HfO2按设定的摩尔比混合，采用高温固相反应法制备RE2O3-HfO2复合粉体；将粉体置于不锈钢模具中，成型压力为80-90KN；将压制后的块材在1600℃-1800℃的高温炉中烧结10h-12h，得到RE2O3-HfO2靶材；
S302、将RE2O3-HfO2靶材装入电子束物理气相沉积设备，通过蒸发RE2O3-HfO2靶材在Yb2Si2O7-Yb2SiO5梯度环境障层表面制备多元稀土改性HfO2热障面层，蒸发电流为1.2-1.6A，基体温度为850℃-950℃，真空度～10-3Pa，沉积时间40-80min；
S4：将S3所得涂层放入真空热处理炉中进行真空热处理。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述S1中，具体步骤为：
S101、将Al2O3、SiO2和RE2O3原料按成分配比称重，并与酒精混合，经球磨后得到氧化物浆料；在大气环境下对氧化物浆料进行高温热处理，温度为1500℃-1700℃，时间为2-6h；热处理结束后将其放到冷水中形成透明玻璃块体，将玻璃块体球磨后过筛得到RE-Al-Si-O玻璃粉。
S102、将RE-Al-Si-O玻璃粉与酒精混合，球磨后得到RE-Al-Si-O玻璃粉浆料，把浆料涂覆到陶瓷基复合材料表面并进行高温热处理，热处理温度为1300℃-1400℃。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述S4中，真空热处理参数为：温度为1000-1200℃，时间为4-6h，真空度～10-3Pa。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：制备的涂层在1600℃水氧耦合腐蚀条件下，涂层寿命不低于300小时；在1600℃、速度0.5马赫的氧煤油燃气热冲击寿命不低于200次。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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