一種在基體材料上形成的復相環境障涂層及其制備方法技術

本發明專利技術涉及一種在基體材料上形成的復相環境障涂層及其制備方法。復相環境障涂層自基體材料向外依次包括硅粘結層、莫來石層和由硅酸镥與硅酸鈧混合而成的Lu

【技術實現步驟摘要】
一種在基體材料上形成的復相環境障涂層及其制備方法
本專利技術屬于熱噴涂
，尤其涉及一種在基體材料上形成的復相環境障涂層及其制備方法。
技術介紹
基體材料例如陶瓷基復合材料由于具有耐高溫、低密度、高比強度、高韌性等優勢，常采用其制備航空發動機葉片等關鍵部件，可顯著降低油耗、提高發動機的工作效率。然而，由于發動機內部葉片的使用溫度越來越高，高溫水汽、熔鹽等服役環境愈加惡劣，單靠陶瓷基復合材料基體，單層熱障涂層或單層環境障涂層難以滿足新一代高性能發動機的需求。因此，需要在發動機葉片表面涂覆多層環境障涂層進行防護，提高發動機葉片的隔熱、高溫抗水汽腐蝕等性能，從而延長葉片的服役壽命。稀土硅酸鹽材料具有低熱膨脹系數、低的SiO2活度，在高溫水-氧環境下具有很高的相結構穩定性，因此是高性能環境障涂層的一類重要的候選材料。然而，在航空發動機環境下，SiO2仍然具有一定的揮發性，可能會導致涂層使用過程中產生缺陷，降低環境障涂層的使用壽命。例如現有陶瓷基復合材料以單層或者多層硅酸鐿(Yb2SiO5)層作為環境障涂層時，該環境障涂層的抗熱沖擊性能和高溫抗水-氧腐蝕性能均有待提高。中國專利申請CN102249735A公開了一種低溫制備環境障礙涂層的方法，其公開了以聚氮硅烷作為前軀體混合硅酸鈧(Sc2Si2O7)粉體制備漿料，使用Li2CO3作為燒結助劑于1250℃制備Sc2Si2O7環境障礙涂層，同樣該環境障礙涂層的抗熱沖擊性能和高溫抗水-氧腐蝕性能有待進一步提高。目前，環境障涂層的制備技術很多，其中包括大氣等離子噴涂、電子束物理氣相沉積、化學氣相沉積等。然而，對于多層復雜體系的環境障涂層，上述制備方法均存在一定的局限性，包括涂層沉積速率低、成本高等。與上述制備方法相比，超低壓等離子噴涂技術可在極低的氣壓下進行噴涂、射流溫度很高(最高溫度超過10000K)、速度快(最快射流速度超過2000m/s)，因而具有沉積效率高、成本低廉、沉積面積大、涂層均勻等優點，有望實現多層環境障涂層的快速、低成本和一體化制備。綜上所述，非常有必要提供一種抗熱沖擊壽命長、高溫抗水-氧腐蝕性能優異的復相多層環境障涂層以及通過在超低壓環境下快速、低成本、一體化制備復相多層環境障涂層的方法。
技術實現思路
為了解決現有技術存在的技術問題，本專利技術提供了一種在基體材料上形成的復相環境障涂層及其制備方法。本專利技術中的復相環境障涂層的抗熱沖擊壽命長，高溫抗水-氧腐蝕性能優異；本專利技術方法能在超低壓環境下快速、低成本、一體化制備基體材料表面長壽命、耐高溫、高溫抗水-氧腐性能優異的復相環境障涂層。為了實現上述目的，本專利技術在第一方面提供了一種在基體材料上形成的復相環境障涂層，所述復相環境障涂層自基體材料向外依次包括硅粘結層、莫來石層和由硅酸镥與硅酸鈧混合而成的Lu2SiO5-Sc2Si2O7復相陶瓷層。優選地，在所述Lu2SiO5-Sc2Si2O7復相陶瓷層中，所述硅酸镥與所述硅酸鈧的摩爾比為(0.8～1.2):1。優選地，所述硅粘結層的厚度為60～100μm；所述莫來石層的厚度為60～100μm；和/或所述Lu2SiO5-Sc2Si2O7復相陶瓷層的厚度為150～200μm。本專利技術在第二方面提供了本專利技術在第一方面所述的復相環境障涂層的制備方法，所述方法包括如下步驟：(1)將硅粉、莫來石粉和由硅酸镥粉與硅酸鈧粉混合而成的混合粉分別裝入超低壓等離子噴涂設備的送粉器中并進行干燥處理；(2)將基體材料固定在超低壓等離子噴涂設備的噴涂艙室內的轉動臺上；和(3)通過超低壓等離子噴涂法在基體材料的表面依次制備所述硅粘結層、所述莫來石層和由硅酸镥與硅酸鈧混合而成的Lu2SiO5-Sc2Si2O7復相陶瓷層，由此在基體材料的表面制得所述復相環境障涂層。優選地，所述干燥處理的溫度為50～80℃，所述干燥處理的時間為3～5h；在制備所述復相環境障涂層的過程中，采用等離子射流加熱的方式使得所述基體材料的表面的溫度為800～1000℃；和/或在制備所述復相環境障涂層的過程中，所述噴涂艙室內的絕對壓力為100～500Pa。優選地，在制備所述硅粘結層的過程中，以氬氣和氦氣為等離子氣體，氬氣的流量為20～50L/min，氦氣的流量為40～60L/min，噴涂距離為800～1000mm，轉動臺的轉速為3～10r/min，超低壓等離子噴涂設備的電弧電壓為30～40V，電弧電流為1500～1800A，硅粉的送粉速率為10～20g/min。優選地，在制備所述莫來石層的過程中，以氬氣和氦氣為等離子氣體，氬氣的流量為20～50L/min，氦氣的流量為40～60L/min，噴涂距離為800～1000mm，轉動臺的轉速為3～10r/min，超低壓等離子噴涂設備的電弧電壓為30～40V，電弧電流為1500～1800A，莫來石粉的送粉速率為20～30g/min。優選地，在制備所述Lu2SiO5-Sc2Si2O7復相陶瓷層的過程中，以氬氣和氦氣為等離子氣體，氬氣的流量為20～50L/min，氦氣的流量為40～60L/min，噴涂距離為800～1000mm，轉動臺的轉速為3～10r/min，超低壓等離子噴涂設備的電弧電壓為30～40V，電弧電流為1500～1800A，由硅酸镥粉與硅酸鈧粉混合而成的混合粉的送粉速率為30～40g/min。優選地，所述硅粉的粒徑為5～20μm；所述莫來石粉的粒徑為5～30μm；和/或由硅酸镥粉與硅酸鈧粉混合而成的混合粉的粒徑為10～40μm。本專利技術在第三方面提供了包含本專利技術在第一方面所述的復相環境障涂層或本專利技術在第二方面所述的制備方法制得的復相環境障涂層的復合材料。本專利技術與現有技術相比至少具有如下有益效果：(1)本專利技術中的所述復相環境障涂層中自基體材料向外依次包括硅粘結層、莫來石層(莫來石成分過渡層)和Lu2SiO5-Sc2Si2O7復相陶瓷層，稀土硅酸鹽復相涂層(Lu2SiO5-Sc2Si2O7復相陶瓷層)主要用于阻擋水蒸氣與基體材料(例如陶瓷基復合材料)的接觸，提高材料抗高溫水-氧腐蝕的性能，延長高溫使用壽命；此外，使用莫來石成分過渡層及Si粘結層一起作用來緩解復相稀土硅酸鹽涂層與基體材料(基體)之間熱膨脹系數不匹配的問題。(2)本專利技術中的Lu2SiO5-Sc2Si2O7復相陶瓷層所用材料為硅酸镥(Lu2SiO5)與硅酸鈧(Sc2Si2O7)混合而成，在一些優選的實施方式中，在稀土硅酸鹽復相層中Lu2SiO5與Sc2Si2O7的摩爾比為(0.8～1.2)：1，與其他稀土硅酸鹽材料相比(如硅酸鐿等)，硅酸镥和硅酸鈧均具有熔點高，高溫化學穩定性及相結構穩定性好，與莫來石的熱膨脹系數匹配和化學相容性好；經過大量的實驗研究，將Lu2SiO5與Sc2Si2O7這兩種稀土硅酸鹽按照摩爾比為(0.8～1.2)：1的成分配比搭配使用時，所獲得的環境障涂層具有更好的高溫防護效果，使用壽命更長，高溫抗水-氧腐蝕性能更優異，而其它摩爾配比下的復相陶瓷層或單一成分的Lu2SiO5或Sc2Si本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種在基體材料上形成的復相環境障涂層，其特征在于：/n所述復相環境障涂層自基體材料向外依次包括硅粘結層、莫來石層和由硅酸镥與硅酸鈧混合而成的Lu

【技術特征摘要】
1.一種在基體材料上形成的復相環境障涂層，其特征在于：
所述復相環境障涂層自基體材料向外依次包括硅粘結層、莫來石層和由硅酸镥與硅酸鈧混合而成的Lu2SiO5-Sc2Si2O7復相陶瓷層。


2.根據權利要求1所述的復相環境障涂層，其特征在于：
在所述Lu2SiO5-Sc2Si2O7復相陶瓷層中，所述硅酸镥與所述硅酸鈧的摩爾比為(0.8～1.2):1。


3.根據權利要求1或2所述的復相環境障涂層，其特征在于：
所述硅粘結層的厚度為60～100μm；
所述莫來石層的厚度為60～100μm；和/或
所述Lu2SiO5-Sc2Si2O7復相陶瓷層的厚度為150～200μm。


4.根據權利要求1至3任一項所述的復相環境障涂層的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：
(1)將硅粉、莫來石粉和由硅酸镥粉與硅酸鈧粉混合而成的混合粉分別裝入超低壓等離子噴涂設備的送粉器中并進行干燥處理；
(2)將基體材料固定在超低壓等離子噴涂設備的噴涂艙室內的轉動臺上；和
(3)通過超低壓等離子噴涂法在基體材料的表面依次制備所述硅粘結層、所述莫來石層和由硅酸镥與硅酸鈧混合而成的Lu2SiO5-Sc2Si2O7復相陶瓷層，由此在基體材料的表面制得所述復相環境障涂層。


5.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于：
所述干燥處理的溫度為50～80℃，所述干燥處理的時間為3～5h；
在制備所述復相環境障涂層的過程中，采用等離子射流加熱的方式使得所述基體材料的表面的溫度為800～1000℃；和/或
在制備所述復相環境障涂層的過程中，所述噴涂艙室內的絕對壓力為100～500Pa。


6.根據權利要求4或...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張寶鵬，裴雨辰，于新民，劉偉，陳鑫陽，
申請(專利權)人：航天特種材料及工藝技術研究所，
類型：發明
國別省市：北京;11