本发明专利技术涉及一种制备SiCN‑铪酸钇复合涂层的方法，将SiCN陶瓷粉末与纳米氧化钇粉体和纳米氧化铪粉体均匀混合，然后分散于乙酰丙酮中配置得到悬浮液，再加入单质硒及经过分析纯浓硝酸活化处理的石墨烯，最后利用脉冲电泳沉积以及放电等离子体烧结，制备得到致密且均匀的C/SiC复合材料SiCN‑铪酸钇复合外涂层。与现有技术相比，本发明专利技术具有外涂层致密且结晶性良好、涂层强度高、韧性好且界面结合较好，有效降低了涂层的孔隙率等优点，大大提高了涂层的高温抗CMAS腐蚀的性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种复合涂层的制备方法，尤其是涉及一种放电等离子体烧结辅助脉冲电泳沉积制备SiCN-铪酸钇复合涂层的方法。
技术介绍
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(C/SiC，CMCs)是一种新型高性能复合材料，20世纪70年代以来，成为结构材料研究领域的新热点。C/SiC复合材料由于其具有以下两方面优势：一方面连续碳纤维引入提高了复合材料的韧性，另一方面保留了SiC陶瓷基体强度高、耐高温等优点，是一种新型高温结构材料和功能材料。已在军用、民用的重要领域得到了越来越广泛的应用，例如作为航空发动机高温部件、高速制动材料、火箭喷管、航天飞机热防护系统、核反应堆第一壁材料等。但是C/SiC复合材料在高温高速燃气环境下，会迅速发生氧化生成SiO2相，可以使得C/SiC复合材料具有好的耐高温性能，然而SiO2相在高温条件下与水蒸气发生反应，形成气态的Si(OH)4相，造成C/SiC复合材料的失效。这将大大限制了其应用，因此C/SiC复合材料的氧化和水蒸气腐蚀防护问题成为近年来国内外研究的热点之一。同时对其进行高温抗氧化防护对其高温应用具有重要的意义。环境阻障涂层(Environmental barrier coatings,EBCs)被认为是解决SiC基复合材料高温氧化问题和水蒸气腐蚀问题的有效方法。Si涂层由于与C/SiC复合材料的物理、化学相容性好而普遍作为过渡粘结层使用，但是单一的Si涂层(3.4-4.5×10-6/℃)不能对C/SiC(4.5-5.5×10-6/℃)基体提供有效的保护，最终在高温有氧和水蒸气条件下很快失效。莫来石涂层(Mullite，CTE:5.5×10-6/℃)因其具有较好的高温稳定性，抗氧化性能，低氧渗透率，但是由于热喷涂的莫来石涂层在高温制备过程中，迅速冷却会发生结晶转变而引起体积收缩引起涂层中裂纹产生和涂层的剥落；另外，莫来石涂层在高温燃气冲刷条件下，会引起SiO2的挥发，残余的多孔Al2O3涂层容易层离导致涂层失效。为了解决以上问题，复合EBCs成为当前的研究热点。到目前为止环境阻障外涂层的制备方法多种多样，主要有以下几种：大气等离子喷涂法(APS)，化学气相沉积(CVD)，料浆涂覆法(Slurry dip-coating)，溶胶-凝胶法(Sol-gel)，磁控溅射法，电子束物理气相淀积(EB-PVD)和聚合物先驱体陶瓷涂层法等。采用大气等离子喷涂技术制备C/SiC复合材料环境阻障涂层虽然可以调控制备片层状结构，涂层结合力较好，但是涂层中存在一定的孔隙率，均匀性和涂层的成分难以调控，无法实现涂层多相复合和致密化制备；同时由于热应力的存在，导致涂层中出现垂直裂纹，这样将会对涂层后期性能不利。采用化学气相沉积制备的涂层需要在900-1200℃的高温条件下进行，且沉积效率低，成本高，涂层中组成难以控制，尾气难以回收处理。采用溶胶-凝胶法制备的外涂层表面容易开裂并且涂层厚度不足及需要后期高温热处理的缺点。而采用料浆涂覆法制备涂层仍然存要多次反复旋涂且不能一次制备完成，需要后期热处理的弊端。同样磁控溅射法和电子束物理气相沉积法虽然已经制备出环境阻障涂层，但是该工艺沉积效率低，需要前期靶材的制备，对设备要求较高且难以控制，所制备的高温环境阻障性能尚需要进一步的提高。还有采用聚合物先驱体陶瓷法制备涂层方法，此种方法直接制备涂层将会产生涂层体积收缩并且同时涂层的沉积效率低且致密性较差。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种工艺简单而且高效快速的利用放电等离子体烧结辅助脉冲电泳沉积制备SiCN-铪酸钇复合涂层的方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种制备SiCN-铪酸钇复合涂层的方法，采用以下步骤：(1)将加入过氧化二异丙苯交联后的聚硅氮烷在管式炉中，氩气气氛保护下热解得到SiCN陶瓷粉末，然后将该粉末与纳米氧化钇粉体和纳米氧化铪粉体均匀混合；(2)将上述混合粉体分散于乙酰丙酮中，配制成浓度为20-60g/L的悬浮液，放入超声波发生器中震荡，取出后在磁力搅拌器上搅拌6～36h；(3)向悬浮液中加入单质硒，控制单质硒的浓度为0.2～2.0g/L，再加入经过分析纯浓硝酸活化处理的石墨烯，控制石墨烯的固含量为0.1～1.0g/L，将悬浮液放入的超声波发生器中震荡，取出后在磁力搅拌器上搅拌6～36h；(4)将处理得到的悬浮液倒入容器内，然后将带有Si/mullite涂层的C/SiC复合材料平板试样夹在聚四氟乙烯容器盖的阴极夹上，以石墨电极为阳极浸入悬浮液中，密封容器；再将容器上的阴阳两极分别接到直流脉冲电源相应的两极上进行脉冲电泳沉积；(5)取出步骤(4)处理后的涂层试样，然后在40～80℃干燥2～6h，将所得到涂层试样放入铺着石墨纸的石墨模具中，进行放电等离子体烧结，制备得到致密且均匀的C/SiC复合材料SiCN-铪酸钇复合外涂层。步骤(1)中所述的SiCN陶瓷粉末的粒径为20-120nm，纳米氧化钇粉体的粒径为200-400nm，纳米氧化铪粉体的粒径为200-400nm。步骤(1)中所述的SiCN陶瓷粉末、纳米氧化钇粉体及纳米氧化铪粉体的质量比为1～10∶10～20∶10～20。步骤(1)中管式炉的温度控制在900-1400℃，热解1-5h，升温速率和降温速率均为2-8℃/min。步骤(2)及步骤(3)中超声波发生器的功率为500-1500W，震荡时间为10-60min。步骤(4)进行脉冲电泳沉积时控制脉冲电压在500～3000V，脉冲频率控制在500-5000Hz，脉冲占空比控制在10％-70％，脉冲电泳沉积时间为10～50min。步骤(5)进行放电等离子体烧结时利用高纯度的Ar产生放电等离子体，控制直流脉冲放电电流3000-12000A，烧结温度为800-1500℃，保温时间为3-20min，烧结施加压力为5-60MPa，升温速率为50-200℃/min，真空度为0-1.0mbar。放电等离子体烧结(Spark Plasma Sintering，SPS)工艺是将金属粉末或者陶瓷粉末等装入石墨等材质制成的模具内，利用上、下模冲及通电电极将特定烧结电源和压制压力施加于烧结粉末，经放电活化、热塑变形和冷却完成制取高性能材料的一种新的粉末冶金烧结技术。放电等离子烧结具有在加压过程中烧结的特点，脉冲电流产生的等离子体及烧结过程中的加压有利于降低粉末的烧结温度；通-断式直流脉冲电流的主要作用是产生放电等离子体、放电冲击压力、焦耳热和电场扩散作用。同时，低电压、高电流的特征，能使粉末快速高效地烧结致密。SPS装置主要包括以下几个部分：轴向压力装置；水冷冲头电极；真空腔体；气氛控制系统(真空、氩气)；直流脉冲及冷却水、位移测量、温度测量、和安全等控制单元。在SPS烧结过程中，电极通入直流脉冲电流时瞬间产生的放电等离子体，使烧结体内部各个颗粒均匀的自身产生焦耳热并使颗粒表面活化，是有效利用粉末内部的自身发热作用而进行烧结的。高温等离子的溅射和放电冲击清除了粉末颗粒表面杂质和吸附的气体。电场的作用是加快扩散过程。因此稀土氧化物在很短的时间内产生活化，并进行反应烧结生成稀土铪酸盐。另外，脉冲电泳沉积法其特点首先是由于阴阳两极间本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种制备SiCN‑铪酸钇复合涂层的方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)将加入过氧化二异丙苯交联后的聚硅氮烷在管式炉中，氩气气氛保护下热解得到SiCN陶瓷粉末，然后将该粉末与纳米氧化钇粉体和纳米氧化铪粉体均匀混合；(2)将上述混合粉体分散于乙酰丙酮中，配制成浓度为20‑60g/L的悬浮液，放入超声波发生器中震荡，取出后在磁力搅拌器上搅拌6～36h；(3)向悬浮液中加入单质硒，控制单质硒的浓度为0.2～2.0g/L，再加入经过分析纯浓硝酸活化处理的石墨烯，控制石墨烯的固含量为0.1～1.0g/L，将悬浮液放入的超声波发生器中震荡，取出后在磁力搅拌器上搅拌6～36h；(4)将处理得到的悬浮液倒入容器内，然后将带有Si/mullite涂层的C/SiC复合材料平板试样夹在聚四氟乙烯容器盖的阴极夹上，以石墨电极为阳极浸入悬浮液中，密封容器；再将容器上的阴阳两极分别接到直流脉冲电源相应的两极上进行脉冲电泳沉积；(5)取出步骤(4)处理后的涂层试样，然后在40～80℃干燥2～6h，将所得到涂层试样放入铺着石墨纸的石墨模具中，进行放电等离子体烧结，制备得到致密且均匀的C/SiC复合材料SiCN‑铪酸钇复合外涂层。...
【技术特征摘要】
1.一种制备SiCN-铪酸钇复合涂层的方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)将加入过氧化二异丙苯交联后的聚硅氮烷在管式炉中，氩气气氛保护下热解得到SiCN陶瓷粉末，然后将该粉末与纳米氧化钇粉体和纳米氧化铪粉体均匀混合；(2)将上述混合粉体分散于乙酰丙酮中，配制成浓度为20-60g/L的悬浮液，放入超声波发生器中震荡，取出后在磁力搅拌器上搅拌6～36h；(3)向悬浮液中加入单质硒，控制单质硒的浓度为0.2～2.0g/L，再加入经过分析纯浓硝酸活化处理的石墨烯，控制石墨烯的固含量为0.1～1.0g/L，将悬浮液放入的超声波发生器中震荡，取出后在磁力搅拌器上搅拌6～36h；(4)将处理得到的悬浮液倒入容器内，然后将带有Si/mullite涂层的C/SiC复合材料平板试样夹在聚四氟乙烯容器盖的阴极夹上，以石墨电极为阳极浸入悬浮液中，密封容器；再将容器上的阴阳两极分别接到直流脉冲电源相应的两极上进行脉冲电泳沉积；(5)取出步骤(4)处理后的涂层试样，然后在40～80℃干燥2～6h，将所得到涂层试样放入铺着石墨纸的石墨模具中，进行放电等离子体烧结，制备得到致密且均匀的C/SiC复合材料SiCN-铪酸钇复合外涂层。2.根据权利要求1所述的一种制备SiCN-铪酸钇复合涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的SiCN陶瓷粉末的粒径为20-120nm，纳米氧化钇粉体...
【专利技术属性】
技术研发人员：郝巍，赵晓峰，郭芳威，肖平，王欣，王鑫，陈文夫，郭松涛，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。