【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于高溫防護涂層材料，特別涉及一種小厚度陶瓷基復合材料用熱環境障涂層及其制備方法、應用。
技術介紹
1、碳化硅纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料(sicf/sic-cmcs)與傳統高溫合金相比，具有密度低、比強度高、高溫力學性能優異等特性，是實現航空發動機性能跨越式發展的關鍵材料之一。目前，cmcs在航空發動機熱端部件大規模使用的主要挑戰是其在發動機燃燒環境中環境耐久性較弱。由于高速燃氣流中富含水蒸氣，cmcs基體會與水蒸氣反應生成揮發性的氫氧化硅(si(oh)4)，造成構件尺寸、穩定性等使用性能急劇下降。
2、在cmcs構件表面制備高性能的環境障涂層(ebcs)，對提高該材料使用溫度和服役壽命至關重要。美國nasa提出的“si粘結層+mullite中間層+硅酸鐿環境障層”的第三代ebcs體系，能夠在1350℃以下長時穩定服役，現階段已基本滿足各類型cmcs構件的高溫腐蝕防護需求。高溫腐蝕一般包括高溫條件水氧、cmas等腐蝕，其中，大氣中的粉塵如火山灰、沙石和灰塵等環境沉積物，其主要化學成分cao-mgo-alo1.5-sio2，簡稱為cmas。
3、然而，第三代ebcs體系的厚度一般在250～400μm，其厚度較大。一方面，涂層厚度越大，冷熱循環過程中熱應力積累越快，增大涂層剝落失效的風險。另一方面，涂層厚度增加將導致cmcs構件質量增大，并不符合航空發動機結構減重的設計需求。此外，涂層過厚勢必會減少cmcs構件喉道面積，進而對發動機動力性能產生一定的影響。因此，在不影響ebcs抗高溫腐蝕性能的前提
技術實現思路
1、有鑒于此，本專利技術提供一種小厚度陶瓷基復合材料用熱環境障涂層及其制備方法、應用，本專利技術提供的熱環境障涂層具有較小的厚度，其與基體結合強度高，且具有優異的抗高溫腐蝕性能，在提高cmcs構件的服役穩定性與可靠性的同時，能夠降低零件重量并減輕涂層對零件喉道面積的影響。
2、本專利技術提供一種小厚度陶瓷基復合材料用熱環境障涂層，其依次包括粘結層、環境障層和熱障面層，所述粘結層的組成為si-hfo2-x，其中x為y、yb、gd和er中的任意一種，所述粘結層與基體相接觸；
3、所述環境障層的組成為yb2si2o7；
4、所述熱障面層的組成為(re1mre21-m)2zr2o7，其中re1和re2分別為gd、yb、la、dy、sm和nd中的一種，m為原子占比。
5、優選地，所述粘結層中si、hfo2和x的摩爾比為50～60：25～35：5～25。
6、優選地，所述熱障面層具有柱狀晶結構。
7、優選地，所述粘結層的厚度為20～40μm，所述環境障層的厚度為30～50μm，所述熱障面層厚度為40～60μm。
8、本專利技術提供如前所述的小厚度陶瓷基復合材料用熱環境障涂層的制備方法，包括以下步驟：
9、在基體材料表面通過熱噴涂和/或物理氣相沉積的方式，使相應的原料粉體依次形成粘結層、環境障層和熱障面層，經熱處理，得到小厚度陶瓷基復合材料用熱環境障涂層。
10、優選地，所述粘結層采用大氣等離子噴涂方式形成，噴涂過程中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10～30g/min；其原料粉體為si-hfo2-x粉末，粒徑為15～60μm。
11、優選地，所述環境障層采用大氣等離子噴涂方式形成，噴涂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10～30g/min；其原料粉體為yb2si2o7粉末，粒徑為15～45μm。
12、優選地，所述熱障面層采用電子束物理氣相沉積方式形成，所述電子束物理氣相沉積過程包括：將(re1mre21-m)2zr2o7靶材裝入電子束物理氣相沉積設備，通過蒸發所述靶材在環境障層表面形成熱障面層，所述蒸發電流為1.2～1.8a，基體溫度為850℃～950℃，真空度～10-3pa，沉積時間為20～45min。
13、優選地，所述基體材料為陶瓷基復合材料；所述制備方法還包括對所述陶瓷基復合材料進行預處理，所述預處理包括清洗、噴砂和等離子射流加熱中的一種或多種；
14、所述熱處理的溫度為1100～1300℃，時間為8～16h。
15、本專利技術提供如前所述的熱環境障涂層作為陶瓷基復合材料高溫部件表面熱防護涂層在航空發動機中的應用。
16、與現有的環境障涂層體系相比，本專利技術實施例所述的小厚度熱環境障涂層中，具有si-hfo2-x粘結層(x為y、yb、gd和er中的任意一種)，并依次包括yb2si2o7環境障層和特定組成的(re1mre21-m)2zr2o7熱障面層。本專利技術實施例所述的si-hfo2-x粘結層中，部分hfo2高溫下會與sio2反應形成高溫熱穩定的hfsio4相，該相在涂層中具有“釘扎”作用，能夠使微裂紋發生偏轉甚至終止，提高涂層服役壽命；同時，x固溶進入部分hfo2晶格中，使hfo2由m相轉變為c相，該相在高溫下具有較低的熱導率，可對cmcs等基體起到一定的熱防護效果。所述的yb2si2o7環境障層設于粘結層和熱障面層之間，主要有利于減緩冷熱循環過程中的熱應力積累等。所述的(re1mre21-m)2zr2o7熱障面層兼具優異的抗高溫腐蝕性能(水氧、cmas等)和較低的熱導率，能夠為cmcs基體等提供良好的高溫腐蝕防護效果。本專利技術所述的熱環境障涂層體系厚度較小，有望在保障陶瓷基復合材料熱端部件使用壽命的同時，降低零件重量并減輕涂層對零件喉道面積的影響。
17、此外，本專利技術優選采用電子束物理氣相沉積制備所述的熱障面層，不僅能夠保證涂層具有較低的表面粗糙度和較高的致密度，同時涂層面層為柱狀晶結構，具有較高的應變容限。
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1.一種小厚度陶瓷基復合材料用熱環境障涂層，其特征在于，依次包括粘結層、環境障層和熱障面層，所述粘結層的組成為Si-HfO2-X，其中X為Y、Yb、Gd和Er中的任意一種，所述粘結層與基體相接觸；
2.根據權利要求1所述的小厚度陶瓷基復合材料用熱環境障涂層，其特征在于，所述粘結層中Si、HfO2和X的摩爾比為50～60：25～35：5～25。
3.根據權利要求1所述的小厚度陶瓷基復合材料用熱環境障涂層，其特征在于，所述熱障面層具有柱狀晶結構。
4.根據權利要求1-3任一項所述的小厚度陶瓷基復合材料用熱環境障涂層，其特征在于，所述粘結層的厚度為20～40μm，所述環境障層的厚度為30～50μm，所述熱障面層厚度為40～60μm。
5.如權利要求1-4任一項所述的小厚度陶瓷基復合材料用熱環境障涂層的制備方法，包括以下步驟：
6.根據權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述粘結層采用大氣等離子噴涂方式形成，噴涂過程中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80～15
7.根據權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述環境障層采用大氣等離子噴涂方式形成，噴涂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10～30g/min；其原料粉體為Yb2Si2O7粉末，粒徑為15～45μm。
8.根據權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述熱障面層采用電子束物理氣相沉積方式形成，所述電子束物理氣相沉積過程包括：將(RE1mRE21-m)2Zr2O7靶材裝入電子束物理氣相沉積設備，通過蒸發所述靶材在環境障層表面形成熱障面層，所述蒸發電流為1.2～1.8A，基體溫度為850℃～950℃，真空度～10-3Pa，沉積時間為20～45min。
9.根據權利要求5-8任一項所述的制備方法，其特征在于，所述基體材料為陶瓷基復合材料；所述制備方法還包括對所述陶瓷基復合材料進行預處理，所述預處理包括清洗、噴砂和等離子射流加熱中的一種或多種；
10.如權利要求1-4任一項所述的熱環境障涂層作為陶瓷基復合材料高溫部件表面熱防護涂層在航空發動機中的應用。
...【技術特征摘要】
1.一種小厚度陶瓷基復合材料用熱環境障涂層，其特征在于，依次包括粘結層、環境障層和熱障面層，所述粘結層的組成為si-hfo2-x，其中x為y、yb、gd和er中的任意一種，所述粘結層與基體相接觸；
2.根據權利要求1所述的小厚度陶瓷基復合材料用熱環境障涂層，其特征在于，所述粘結層中si、hfo2和x的摩爾比為50～60：25～35：5～25。
3.根據權利要求1所述的小厚度陶瓷基復合材料用熱環境障涂層，其特征在于，所述熱障面層具有柱狀晶結構。
4.根據權利要求1-3任一項所述的小厚度陶瓷基復合材料用熱環境障涂層，其特征在于，所述粘結層的厚度為20～40μm，所述環境障層的厚度為30～50μm，所述熱障面層厚度為40～60μm。
5.如權利要求1-4任一項所述的小厚度陶瓷基復合材料用熱環境障涂層的制備方法，包括以下步驟：
6.根據權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述粘結層采用大氣等離子噴涂方式形成，噴涂過程中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10～30g/min；其原料粉體為si...
【專利技術屬性】
技術研發人員：周邦陽，任佳奇，王長亮，崔永靜，王天穎，焦健，郭孟秋，
申請(專利權)人：中國航發北京航空材料研究院，
類型：發明
國別省市：
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