一種用于陶瓷基復(fù)合材料基體的環(huán)境障礙涂層及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)及地面燃?xì)廨啓C(jī)高溫涂層制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于陶瓷基復(fù)合材料基體的環(huán)境障礙涂層及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]環(huán)境障礙涂層(EBC)，也稱(chēng)高溫抗氧化涂層，是一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件，可以保護(hù)陶瓷基復(fù)合材料基體，避免氧化的熱防護(hù)涂層。為了進(jìn)一步減輕航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)重量、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、提高燃油效率、熱端部件工作溫度，陶瓷基復(fù)合材料因具有耐高溫、高強(qiáng)度、低密度及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注，是理想的航天航空高溫結(jié)構(gòu)材料。但是在發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境中陶瓷基復(fù)合材料表面穩(wěn)定性卻發(fā)生了急劇的惡化，復(fù)合材料在370°C的有氧氣氛中就開(kāi)始氧化，溫度高于500°C時(shí)迅速氧化，氧化問(wèn)題嚴(yán)重制約了陶瓷基復(fù)合材料在高溫條件下的應(yīng)用。采用環(huán)境障礙涂層是這一難題的有效解決辦法，該涂層能夠在高溫結(jié)構(gòu)材料和發(fā)動(dòng)機(jī)惡劣環(huán)境(腐蝕性介質(zhì)、高速氣流沖刷等)間設(shè)立一道屏障，阻止或減小發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境對(duì)高溫結(jié)構(gòu)材料性能的影響，延長(zhǎng)材料使用壽命。
[0003]目前針對(duì)C/SiC復(fù)合材料所設(shè)計(jì)的抗氧化涂層可以分為三大類(lèi):單層結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)和多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。單層結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu)涂層相對(duì)來(lái)說(shuō)加工簡(jiǎn)單，易于施工，在中低溫域有良好的抗氧化效果，但不能勝任長(zhǎng)期高溫苛刻環(huán)境工作要求。
[0004]銥(Ir)涂層是一種典型的單層結(jié)構(gòu)涂層，與復(fù)合材料具有很好的化學(xué)相容性，且同SiC涂層相比，熔點(diǎn)高，氧滲漏率極低，其缺點(diǎn)是加工工藝復(fù)雜，且使用壽命短。美國(guó)已經(jīng)將Ir用作航天飛機(jī)石墨鼻翼的保護(hù)涂層。Yamamoto等人在復(fù)合材料表面一次涂覆SiC和ZrSi04涂層，通過(guò)氧化研究發(fā)現(xiàn)，有涂層的在1000°C下氧化30h基本沒(méi)有質(zhì)量損失。在1400°C下氧化30h質(zhì)量損失也僅有1%。但在更高溫度下，SiC涂層因其內(nèi)部固然存在的微裂紋，不能滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作要求。
[0005]雙層涂層體系一般以硅化物涂層為內(nèi)涂層，給氧的擴(kuò)散提供障礙；以高溫玻璃涂層為外層，利用其良好的高溫自愈合性來(lái)愈合由于硅化物底層和復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的裂紋。最初的外層以B203為主要成分，但其對(duì)潮濕環(huán)境的高化學(xué)敏感性、高揮發(fā)性及潤(rùn)濕性隨溫度升高而降低的特點(diǎn)，極大地限制了涂層抗氧化能力，使用溫度僅在1000°C左右。目前使用最多的雙層體系是SiC/Si02涂層。玻璃態(tài)3102可愈合涂層中的裂紋，SiC與基體中的碳又有很好的物理化學(xué)相容性。此外目前GE、加拿大普惠及德國(guó)宇航中心在C/SiC復(fù)合材料上制備出一種以Si為粘結(jié)層，莫來(lái)石或莫來(lái)石與BSAS混合物為面層制備的復(fù)合涂層，預(yù)計(jì)2020年時(shí)有望實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用。
[0006]Smeacetto等人研究了一種含有YSi2復(fù)合抗氧化涂層體系，涂層為三層結(jié)構(gòu):最外層是質(zhì)量比為2:1的SABB+Y203，厚度為300?400 μπι，中間層是質(zhì)量比為2:1的SABB+MoSi2，厚度為300?400 μm，底層是β -SiC，僅5?10 μπι。其中SABB是一種硅鋁酸硼鋇玻璃。整個(gè)涂層顯示出一種功能梯度材料的特性，涂層中產(chǎn)生裂紋的幾率大大減小，而且SABB還能夠填充使用過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋，具有很好的自修復(fù)特性。經(jīng)過(guò)1300°C氧化120h沒(méi)有任何質(zhì)量損失，150h時(shí)僅為0.9%，該涂層體系具有良好的抗氧化效果。
[0007]國(guó)內(nèi)北京航空制造工程研究所、西北工業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)等機(jī)構(gòu)今年來(lái)對(duì)復(fù)合材料高溫抗氧化技術(shù)進(jìn)行了一系列的研究，取得了一定的進(jìn)展。北京航空制造工程研究所利用在C/SiC復(fù)合材料表面制備了 SiC/MoSi2復(fù)合涂層，1300°C靜態(tài)空氣中具有良好的長(zhǎng)期防氧化作用；西北工業(yè)大學(xué)利用漿料燒結(jié)法制備的BSAS在1250°C下有著良好的防護(hù)性能；中南大學(xué)利用化學(xué)氣相沉積制備了 SiC、HfC、ZrC等高溫抗氧化涂層，已經(jīng)成功應(yīng)用于航天領(lǐng)域，該涂層結(jié)合強(qiáng)度好，可在短時(shí)間內(nèi)勝任1500°C及以上高溫?zé)g環(huán)境，缺點(diǎn)是工作時(shí)間短，尚不能滿(mǎn)足長(zhǎng)壽命工作要求。
[0008]可見(jiàn)現(xiàn)有的環(huán)境障礙涂層一般采用單層或雙層結(jié)構(gòu)，涂層材料主要為SiC、HfC、BSAS或莫來(lái)石材料，在短時(shí)間內(nèi)有著良好的高溫抗氧化性能，但是不能勝任長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為克服上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種用于陶瓷基復(fù)合材料基體的環(huán)境障礙涂層，該環(huán)境障礙涂層具有熱匹配性好、抗氧化、壽命長(zhǎng)、裂紋萌生幾率小等特點(diǎn)。
[0010]本發(fā)明的另一目的是提供上述環(huán)境障礙涂層的制備方法。
[0011]本發(fā)明的又一目的是提供上述環(huán)境障礙涂層在航空發(fā)動(dòng)機(jī)及地面燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件上的應(yīng)用。
[0012]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種用于陶瓷基復(fù)合材料基體的環(huán)境障礙涂層，其中，該涂層的底層材料為SiC，面層為硅酸釔和/或莫來(lái)石組成的復(fù)合層；所述復(fù)合層包括復(fù)合層底層、復(fù)合層中間層和復(fù)合層頂層；在所述復(fù)合層底層中，硅酸釔的質(zhì)量百分含量為80%以上，其余為莫來(lái)石；在所述復(fù)合層頂層中，莫來(lái)石的質(zhì)量百分含量為80 %以上，其余為硅酸釔；所述復(fù)合層中間層由莫來(lái)石含量依次遞增的若干次級(jí)層組成；其中，莫來(lái)石含量遞增的幅度不超過(guò)25% ;復(fù)合層底層、與復(fù)合層底層接觸的次級(jí)層之間，硅酸釔的含量差不超過(guò)25% ;復(fù)合層頂層、與復(fù)合層頂層接觸的次級(jí)層之間，莫來(lái)石的含量差不超過(guò)25% ;在整個(gè)復(fù)合層中，從復(fù)合層底層至復(fù)合層頂層，硅酸釔的含量呈逐漸下降趨勢(shì)，莫來(lái)石的含量呈逐漸上升趨勢(shì)。
[0013]目前環(huán)境障礙涂層一般采用單層、雙層結(jié)構(gòu)或三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選用化學(xué)氣相沉積、等離子噴涂及熔滲等工藝制備，涂層材料為MoSi2、Hf02、BSAS或莫來(lái)石材料，但除莫來(lái)石夕卜，大部分材料都不能勝任在1400°C以上工作，涂層材料與基體材料存在熱匹配差，抗熱震性能差、在高溫條件尤其是頻繁熱循環(huán)的工作條件下涂層容易發(fā)生開(kāi)裂、剝落現(xiàn)象，導(dǎo)致涂層失效、基體材料氧化。
[0014]本發(fā)明提供的環(huán)境障礙涂層，底層選用化學(xué)氣相沉積SiC涂層(過(guò)渡層)，面層用等離子噴涂硅酸釔和/或莫來(lái)石涂層。SiC底層與陶瓷基復(fù)合材料基體有著極為接近的熱膨脹系數(shù)，避免了涂層自基體開(kāi)裂、剝落現(xiàn)象；面層材料選用硅酸釔摻雜莫來(lái)石材料，自?xún)?nèi)而外逐漸增加莫來(lái)石粉末材料比重，硅酸釔材料具有與SiC結(jié)合力強(qiáng)，與SiC熱膨脹系數(shù)匹配，低揮發(fā)率，低氧氣滲透率等特點(diǎn)，避免了涂層在底層-面層界面發(fā)生開(kāi)裂而失效，而莫來(lái)石材料具有抗沖刷性好，熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，可以勝任在高溫環(huán)境下工作。
[0015]另外，考慮到復(fù)合層內(nèi)部的熱匹配的問(wèn)題，將各層中莫來(lái)石、硅酸釔含量的變化梯度控制在不超過(guò)25%的范圍內(nèi)，保證了環(huán)境障礙涂層的抗高溫性能。本申請(qǐng)中未明確說(shuō)明的“含量”，均為的質(zhì)量百分含量。
[0016]在上述環(huán)境障礙涂層中，優(yōu)選地，次級(jí)層之間，莫來(lái)石含量遞增的幅度不超過(guò)20%。
[0017]在上述環(huán)境障礙涂層中，優(yōu)選地，復(fù)合層底層、與復(fù)合層底層接觸的次級(jí)層之間，硅酸釔的含量差不超過(guò)20%。
[0018]在上述環(huán)境障礙涂層中，優(yōu)選地，復(fù)合層頂層、與復(fù)合層頂層接觸的次級(jí)層之間，莫來(lái)石的含量差不超過(guò)20%。
[0019]在上述環(huán)境障礙涂層中，優(yōu)選地，所述次級(jí)層的層數(shù)不超過(guò)10層；進(jìn)一步優(yōu)選地，所述次級(jí)層的層數(shù)為4層。
[0020]在上述環(huán)境障礙涂層中，優(yōu)選地，在所述復(fù)合層底層中，硅酸釔的含量為100 %。[0021 ] 在上述環(huán)境障礙涂層中，優(yōu)選地，在所述復(fù)合層頂層中，莫來(lái)石的含量為100 %。
[0022]在上述環(huán)境障礙涂層中，優(yōu)選地，整個(gè)復(fù)合層的總厚度為0.2-0.4_。
[0023]在上述環(huán)境障礙涂層中，優(yōu)選地，底層材料SiC的厚度為100±20 μπι。
[0024]本發(fā)明另提供了上述環(huán)境障礙涂層的制備方法，該方法包括以下步驟:
[0025]利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在陶瓷基復(fù)合材料基體上制備SiC涂層，作為底層；
[0026]利用等離子噴涂技術(shù)在底層上噴涂由硅酸釔和/或莫來(lái)石組成的復(fù)合層，作為面層。
[0027]在上述環(huán)境障礙涂層的制備方法中，優(yōu)選地，噴涂由硅酸釔和/或莫來(lái)石組成的復(fù)合層時(shí)，使用的是化學(xué)純度為99.5 %，粉末粒度為100-200目的莫來(lái)石粉末，和/或，化學(xué)純度為99.448%，粉末粒度為100-200目的硅酸釔粉末。
[0028]本發(fā)明還提供了上述環(huán)境障礙涂層在航空發(fā)動(dòng)機(jī)及地面燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件上的應(yīng)用。
[0029]本發(fā)明提供的環(huán)境障礙涂層，利用化學(xué)氣相沉積制備過(guò)渡層，大氣等離子噴涂制備面層，結(jié)合涂層內(nèi)應(yīng)力控制技術(shù)，選用適宜涂層材料，采用復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小涂層內(nèi)部熱匹配差，有效緩解或消除涂層應(yīng)熱應(yīng)力過(guò)大而剝落開(kāi)裂。同時(shí)面層融合硅酸釔和莫來(lái)石材料的優(yōu)點(diǎn)，具有低揮發(fā)率，低氧滲漏率、抗沖刷性好，熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，可以勝任在高溫環(huán)境下工作。
【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1為實(shí)施例1制得的環(huán)境障礙涂層的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明:
[0032]1為復(fù)合材料基體