CN117737664A - 一种陶瓷基复合材料的环境障涂层、制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃气轮机与航空发动机技术领域，具体涉及一种陶瓷基复合材料的环境障涂层、制备方法及其应用，利用物理气相沉积技术(EB‑PVD)制备的HfO2‑SiO2混合涂层作为新一代环境障涂层的粘结层，然后利用大气等离子喷涂技术(APS)沉积稀土硅酸盐作为顶层。制备的新一代环境障涂层可以在1475℃水蒸气环境中服役450小时以上，有效地提高了环境障涂层的服役温度和寿命。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机与航空发动机技术领域，具体涉及一种陶瓷基复合材料的环境障涂层、制备方法及其应用。
背景技术
航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，被誉为现代工业“皇冠上的明珠”。陶瓷基复合材料(CMC)等已逐渐替代高温镍基合金应用在航空发动机高压涡轮热端部件，如SiC等。但是，在航空发动机燃气环境中，CMC等与高温空气和水蒸气反应生成SiO2和挥发性Si(OH)4，造成陶瓷基的挥发与损伤,降低结构部件的力学性能与服役可靠性。因此，必须在热端部件表面涂覆环境障涂层(Environmental Barrier Coating,EBC)，阻止或减缓发动机燃气环境对陶瓷基复合材料高温结构部件的腐蚀与损伤。第三代环境障涂层主要由Si和稀土硅酸盐组成。Si被选作粘结层是因为它与SiC基体具有相似的热膨胀系数(CTE)和化学兼容性。但是，EBC在高温(<1350℃)水蒸气环境服役时，Si粘结层迅速氧化并在Si粘结层和稀土硅酸盐顶层之间的界面处生成热生长氧化物(TGO)SiO2层。由于Si粘结层的氧化和较低的熔点，含Si粘结层的EBC不能应用于≥1400℃环境中。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
本发明的目的在于解决目前环境障涂层工作服役温度低于1350℃，但工作温度超过1400℃，Si粘结层发生软化和融化现象，造成环境障涂层过早地失效，不能在高温环境中工作的问题，提供了一种陶瓷基复合材料的环境障涂层、制备方法及其应用。
为了实现上述目的，本发明公开了一种陶瓷基复合材料的环境障涂层的制备方法，包括以下步骤：
S1，将SiO2靶材和HfO2靶材分别放入相应的水冷坩埚中；
S2，利用EB-PVD沉积技术，同时将HfO2和SiO2靶材在SiC基体上沉积成HfO2-SiO2涂层。
所述步骤S2中EB-PVD沉积技术具体包括以下步骤：
S21，对EB-PVD腔室进行抽真空处理；
S22，利用电子束将SiC基体温度加热到80～300℃；
S23，同时调节蒸发HfO2和SiO2靶材的蒸发电流，开启传动设备，支撑SiC的支架以2cm/s的速率做往复运动；
S24，打开靶材和基体间的隔离板，使HfO2和SiO2靶材可以沉积在基体上，沉积结束后，缓慢降低靶材的蒸发电流，停止实验；
S25，待降到室温后，泄压，从腔室取出样品。
所述步骤S21中EB-PVD腔室的压力为2.0×10-6～5.0×10-6torr。
所述步骤S24中沉积HfO2和SiO2靶材的蒸发电流分别为390～410mA和170～190mA。
所述步骤S23中支撑SiC基体的支架由石墨制成，所述支架在所述HfO2和SiO2靶材上方往复运动。
所述步骤S24中沉积时间为8～10min。
本发明还公开了采用上述制备方法制得的陶瓷基复合材料的环境障涂层以及这种陶瓷基复合材料的环境障涂层在发动机燃气环境中的应用。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明利用物理气相沉积技术(EB-PVD)制备将沉积的HfO2-SiO2混合涂层作为新一代环境障涂层的粘结层，然后利用大气等离子喷涂技术沉积稀土硅酸盐作为顶层。制备的新一代环境障涂层可以在1475℃水蒸气环境中服役450小时以上，有效地提高了环境障涂层的服役温度和寿命。
附图说明
图1为利用EB-PVD沉积HfO2-SiO2涂层的示意图；
图2为支撑SiC基体的支架做往复运动示意图；
图3为HfO2-SiO2粘结层在1475℃热处理50小时的XRD图谱和FT-IR图谱；
图4为HfO2-SiO2/Y0.5Yb1.5Si2O7 EBC在1475℃90％H2O-10％O2水蒸气氛围中的光学显微镜图；
图5为不同沉积参数下的涂层形貌，A为实施例3制备的涂层，B为实施例4制备的涂层，C是实施例1制备的涂层。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例1
本实施例利用EB-PVD沉积技术，同时将HfO2和SiO2靶材沉积成HfO2-SiO2涂层，作为新一代EBC的粘结层。将SiO2靶材和HfO2靶材分别放入相应的水冷坩埚中(图第1(c)段)。支撑SiC基体的支架由石墨制成。EB-PVD腔室的压力为2.0-5.0×10-6torr。沉积HfO2和SiO2靶材的电子束电流分别为390mA和170mA，SiC基体的温度为80～300℃。HfO2-SiO2涂层的沉积示意图如图1所示。
为了获得沉积均匀的HfO2-SiO2涂层，支撑SiC基体的支架需要在靶材上方往复运动，其示意图如图2所示。
图3为HfO2-SiO2粘结层在1475℃热处理50小时的XRD图谱和FT-IR图谱。从图3可以看出，高含量的HfSiO4在HfO2-SiO2粘结层生成。
图4为HfO2-SiO2/Y0.5Yb1.5Si2O7 EBC在1475℃90％H2O-10％O2水蒸气氛围中的光学显微镜图。从图4可以看出，EBC在服役450h后，EBC并没有完全脱落，表明本实施例制备的EBC可以在1475℃温度下长时间服役，有效地保护SiC基体，降低SiC基体的氧化速率。
实施例2
本实施例利用EB-PVD沉积技术，同时将HfO2和SiO2靶材沉积成HfO2-SiO2涂层，作为新一代EBC的粘结层。将SiO2靶材和HfO2靶材分别放入相应的水冷坩埚中。支撑SiC基体的支架由石墨制成。EB-PVD腔室的压力为2.0-5.0×10-6torr。沉积HfO2和SiO2靶材的电子束电流分别为410mA和190mA，SiC基体的温度为80～300℃。HfO2-SiO2涂层的沉积示意图如图1所示。
为了获得沉积均匀的HfO2-SiO2涂层，支撑SiC基体的支架需要在靶材上方往复运动，其示意图如图2所示。
将Y0.5Yb1.5Si2O7 EBC沉积在HfO2-SiO2粘结层表面，然后在1475℃90％H2O-10％O2水蒸气环境中进行热循环实验，450h后，EBC并没有完全脱落，表明本实施例制备的EBC可以在1475℃温度下长时间服役，有效地保护SiC基体，降低SiC基体的氧化速率。
本实施例制备的HfO2-SiO2粘结层代替现有的环境障涂层的Si粘结层，将EBC的服役温度从1350℃提升到1475℃，服役寿命达到450小时。这是因为HfO2-SiO2粘结层在高温服役情况下，可以生成高温相稳定的HfSiO4，且HfSiO4的膨胀系数与SiC基体和EBC的稀土硅酸盐顶层相匹配，降低了界面处的热应力。
实施例3
本实施例利用EB-PVD沉积技术，同时将HfO2和SiO2靶材沉积成HfO2-SiO2涂层，作为新一代EBC的粘结层。将SiO2靶材和HfO2靶材分别放入相应的水冷坩埚中(图第1(c)段)。支撑SiC基体的支架由石墨制成。EB-PVD腔室的压力为2.0-5.0×10-6torr。沉积HfO2和SiO2靶材的电子束电流分别为390mA和170mA。SiC基体的温度为500～700℃。HfO2-SiO2涂层的沉积示意图如图1所示。
所制备的涂层如图5A所示，涂层在SiC基本上开裂，该参数不适合EB-PVD制备HfO2-SiO2涂层。
实施例4
本实施例利用EB-PVD沉积技术，同时将HfO2和SiO2靶材沉积成HfO2-SiO2涂层，作为新一代EBC的粘结层。将SiO2靶材和HfO2靶材分别放入相应的水冷坩埚中(图第1(c)段)。支撑SiC基体的支架由石墨制成。EB-PVD腔室的压力为2.0-5.0×10-6torr。沉积HfO2和SiO2靶材的电子束电流分别为390mA和170mA，SiC基体的温度为200～500℃。HfO2-SiO2涂层的沉积示意图如图1所示。
所制备的涂层如图5B所示，涂层在SiC基本上开裂，该参数不适合EB-PVD制备HfO2-SiO2涂层。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种陶瓷基复合材料的环境障涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将SiO2靶材和HfO2靶材分别放入相应的水冷坩埚中；
S2，利用EB-PVD沉积技术，同时将HfO2和SiO2靶材在SiC基体上沉积成HfO2-SiO2涂层。
2.如权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料的环境障涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中EB-PVD沉积技术具体包括以下步骤：
S21，对EB-PVD腔室进行抽真空处理；
S22，利用电子束将SiC基体温度加热到80～300℃；
S23，同时调节蒸发HfO2和SiO2靶材的蒸发电流，开启传动设备，支撑SiC的支架以2cm/s的速率做往复运动；
S24，打开靶材和基体间的隔离板，使HfO2和SiO2靶材可以沉积在基体上，沉积结束后，缓慢降低靶材的蒸发电流，停止实验；
S25，待降到室温后，泄压，从腔室取出样品。
3.如权利要求2所述的一种陶瓷基复合材料的环境障涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S21中EB-PVD腔室的压力为2.0×10-6～5.0×10-6torr。
4.如权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料的环境障涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S24中沉积HfO2和SiO2靶材的蒸发电流分别为390～410mA和170～190mA。
5.如权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料的环境障涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S23中支撑SiC基体的支架由石墨制成，所述支架在所述HfO2和SiO2靶材上方往复运动。
6.如权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料的环境障涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S24中沉积时间为8～10min。
7.一种采用如权利要求1～6任一项所述的制备方法制得的陶瓷基复合材料的环境障涂层。
8.一种如权利要求7所述的陶瓷基复合材料的环境障涂层在发动机燃气环境中的应用。
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