本發(fā)明屬于高溫防護(hù)涂層材料，尤其涉及一種耐高溫、高穩(wěn)定梯度結(jié)構(gòu)環(huán)境障涂層粘結(jié)層及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、陶瓷基復(fù)合材料(cmcs)憑借高承溫，低密度、高溫力學(xué)性能優(yōu)異等一系列性能優(yōu)勢，有望取代傳統(tǒng)的高溫合金，成為新一代高性能航空發(fā)動機熱端部件的主要候選材料。然而，在發(fā)動機燃?xì)猸h(huán)境中，cmcs構(gòu)件的服役性能因水蒸氣-氧氣耦合腐蝕而急劇衰退，必須在其表面制備超高溫、長壽命環(huán)境障涂層(ebcs)以提高復(fù)合材料的服役可靠性與穩(wěn)定性。

2、目前，應(yīng)用最為廣泛的第三代ebcs體系由si粘結(jié)層、莫來石中間層和稀土硅酸鹽環(huán)境障面層組成。其中，si粘結(jié)層具有與cmcs結(jié)合強度高、熱膨脹系數(shù)接近等特點，在整個cmcs-ebcs體系中起到至關(guān)重要的作用。然而，si粘結(jié)層的熔點僅為1410℃，在存在雜質(zhì)的情況下還會大大降低。此外，si氧化形成的sio2在冷熱交替過程中發(fā)生α-β相變，由此產(chǎn)生的拉應(yīng)力是導(dǎo)致si/sio2界面開裂的主要原因。更為嚴(yán)重的是，高溫下sio2與環(huán)境障層中的氧化物反應(yīng)生成玻璃態(tài)物相，造成涂層損傷失效。上述原因?qū)⒁詓i為粘結(jié)層的ebcs體系長期使用溫度限制在1350℃以下。隨著航空發(fā)動機向著更高推重比發(fā)展，對si粘結(jié)層進(jìn)行材料和結(jié)構(gòu)改性已迫在眉睫。

3、hfsio4作為硅酸鹽材料，不僅具有較高的熔點(～2758℃)，而且熱膨脹系數(shù)與cmcs基體相近(3.11-5.97×10-6k-1)，是極具應(yīng)用潛力的新型耐高溫粘結(jié)層材料。但是hfsio4自身與基體結(jié)合強度較低，并且在制備過程中由于sio2蒸發(fā)容易出現(xiàn)成分偏析和結(jié)構(gòu)疏松等不利現(xiàn)象，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種耐高溫、高穩(wěn)定梯度結(jié)構(gòu)環(huán)境障涂層粘結(jié)層及其制備方法，該粘結(jié)層與基體結(jié)合強度高，耐溫可達(dá)1450℃，且在該溫度下ebcs體系內(nèi)各異質(zhì)界面保持化學(xué)穩(wěn)定，可有效提高cmcs熱端部件的服役溫度和性能。

2、本發(fā)明提供了一種耐高溫、高穩(wěn)定梯度結(jié)構(gòu)環(huán)境障涂層粘結(jié)層，其特征在于，包括依次設(shè)置的點陣結(jié)構(gòu)的si底層、hfsio4-si中間層以及hfsio4頂層。

3、優(yōu)選地，hfsio4-si中間層中si以點狀形式均勻分布在hfsio4中；

4、所述hfsio4質(zhì)量含量介于70％～90％。

5、優(yōu)選地，hfsio4頂層中hfsio4質(zhì)量含量大于90％。

6、優(yōu)選地，所述點陣結(jié)構(gòu)的si底層的厚度為10～40μm；

7、所述hfsio4-si中間層厚度為10～50μm；

8、所述hfsio4頂層厚度為20～50μm。

9、本發(fā)明提供了一種上述技術(shù)方案所述的耐高溫、高穩(wěn)定梯度結(jié)構(gòu)環(huán)境障涂層粘結(jié)層的制備方法，包括以下步驟：

10、a)對陶瓷基復(fù)合材料基體進(jìn)行預(yù)處理；

11、b)采用大氣等離子噴涂技術(shù)在預(yù)處理后的陶瓷基復(fù)合材料基體表面依次制備點陣結(jié)構(gòu)的si底層、hfsio4-si中間層和hfsio4頂層；

12、c)對涂層進(jìn)行熱處理，得到耐高溫、高穩(wěn)定梯度結(jié)構(gòu)環(huán)境障涂層粘結(jié)層。

13、優(yōu)選地，所述基體材料為陶瓷基復(fù)合材料；

14、所述預(yù)處理包括對基體材料依次進(jìn)行清洗、噴砂和等離子射流加熱。

15、優(yōu)選地，大氣等離子噴涂形成點陣結(jié)構(gòu)的si底層過程中，以多孔網(wǎng)狀工裝對基體材料進(jìn)行遮擋，以氬氣和氫氣為等離子體，氬氣的流量為40～60l/min，氫氣的流量為5～15l/min，噴涂距離為80～150mm，噴涂電流為300～600a，送粉率為10～30％，si粉末的粒徑為15～60μm。

16、優(yōu)選地，大氣等離子噴涂形成hfsio4-si中間層過程中，以氬氣和氫氣為等離子體，氬氣的流量為40～80l/min，氫氣的流量為5～15l/min，噴涂距離為100～200mm，噴涂電流為500～800a，送粉率為10～30％，si粉末的粒徑為15～60μm，hfsio4粉末的粒徑為15～45μm。

17、優(yōu)選地，大氣等離子噴涂形成hfsio4頂層過程中，以摩爾比為1：(1.2～1.8)的hfo2和sio2為原料，以氬氣和氫氣為等離子體，氬氣的流量為40～80l/min，氫氣的流量為5～15l/min，噴涂距離為100～200mm，噴涂電流為400～600a，送粉率為10～30％，hfo2粉末的粒徑為15～45μm，sio2粉末的粒徑為15～60μm。

18、優(yōu)選地，所述步驟c)中熱處理溫度為1400～1600℃，熱處理時間為10～30h。

19、本發(fā)明提供了一種耐高溫、高穩(wěn)定梯度結(jié)構(gòu)環(huán)境障涂層粘結(jié)層，包括依次設(shè)置的點陣結(jié)構(gòu)的si底層、hfsio4-si中間層以及hfsio4頂層。本發(fā)明采用大氣等離子噴涂技術(shù)制得上述粘結(jié)層。本發(fā)明所述的梯度結(jié)構(gòu)粘結(jié)層具有耐高溫、強結(jié)合、高溫相穩(wěn)定的優(yōu)勢，有望突破現(xiàn)有環(huán)境障涂層粘結(jié)層體系承溫能力低和高溫化學(xué)失穩(wěn)的瓶頸。

技術(shù)特征：

1.一種耐高溫、高穩(wěn)定梯度結(jié)構(gòu)環(huán)境障涂層粘結(jié)層，其特征在于，包括依次設(shè)置的點陣結(jié)構(gòu)的si底層、hfsio4-si中間層以及hfsio4頂層。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高溫、高穩(wěn)定梯度結(jié)構(gòu)環(huán)境障涂層粘結(jié)層，其特征在于，hfsio4-si中間層中si以點狀形式均勻分布在hfsio4中；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高溫、高穩(wěn)定梯度結(jié)構(gòu)環(huán)境障涂層粘結(jié)層，其特征在于，hfsio4頂層中hfsio4質(zhì)量含量大于90％。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐高溫、高穩(wěn)定梯度結(jié)構(gòu)環(huán)境障涂層粘結(jié)層，其特征在于，所述點陣結(jié)構(gòu)的si底層的厚度為10～40μm；

5.一種權(quán)利要求1所述的耐高溫、高穩(wěn)定梯度結(jié)構(gòu)環(huán)境障涂層粘結(jié)層的制備方法，包括以下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述基體材料為陶瓷基復(fù)合材料；

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，大氣等離子噴涂形成點陣結(jié)構(gòu)的si底層過程中，以多孔網(wǎng)狀工裝對基體材料進(jìn)行遮擋，以氬氣和氫氣為等離子體，氬氣的流量為40～60l/min，氫氣的流量為5～15l/min，噴涂距離為80～150mm，噴涂電流為300～600a，送粉率為10～30％，si粉末的粒徑為15～60μm。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，大氣等離子噴涂形成hfsio4-si中間層過程中，以氬氣和氫氣為等離子體，氬氣的流量為40～80l/min，氫氣的流量為5～15l/min，噴涂距離為100～200mm，噴涂電流為500～800a，送粉率為10～30％，si粉末的粒徑為15～60μm，hfsio4粉末的粒徑為15～45μm。

9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，大氣等離子噴涂形成hfsio4頂層過程中，以摩爾比為1：(1.2～1.8)的hfo2和sio2為原料，以氬氣和氫氣為等離子體，氬氣的流量為40～80l/min，氫氣的流量為5～15l/min，噴涂距離為100～200mm，噴涂電流為400～600a，送粉率為10～30％，hfo2粉末的粒徑為15～45μm，sio2粉末的粒徑為15～60μm。

10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述步驟c)中熱處理溫度為1400～1600℃，熱處理時間為10～30h。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種耐高溫、高穩(wěn)定梯度結(jié)構(gòu)環(huán)境障涂層粘結(jié)層及其制備方法，包括依次設(shè)置的點陣結(jié)構(gòu)的Si底層、HfSiO4?Si中間層以及HfSiO4頂層。本發(fā)明采用大氣等離子噴涂技術(shù)制得上述粘結(jié)層。本發(fā)明所述的梯度結(jié)構(gòu)粘結(jié)層具有耐高溫、強結(jié)合、高溫相穩(wěn)定的優(yōu)勢，有望突破現(xiàn)有環(huán)境障涂層粘結(jié)層體系承溫能力低和高溫化學(xué)失穩(wěn)的瓶頸。

技術(shù)研發(fā)人員：周邦陽,任佳奇,王長亮,崔永靜,王天穎,郭孟秋,焦健
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國航發(fā)北京航空材料研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10