一种陶瓷基复合材料用抗高温氧化的自愈合环境障涂层及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种陶瓷基复合材料用抗高温氧化的自愈合环境障涂层及其制备方法。所述涂层为双层结构，从内至外依次包括粘结层和自愈合涂层，所述粘结层制备在碳化硅陶瓷基复合材料的表面，所述自愈合涂层制备在粘结层的表面。所述粘结层的材料为MoSi2或(Mo

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷基复合材料用抗高温氧化的自愈合环境障涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及材料
，具体而言，尤其涉及一种陶瓷基复合材料用抗高温氧化的自愈合环境障涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]提高航空发动机的推重比，要求提高涡轮前燃气进口温度，但是传统的镍基高温合金不能满足目前的服役温度。因此，具有低密度、高熔点、优异的高温力学性能等优点的陶瓷基复合材料是一种最有希望取代镍基高温合金应用在航空发动机高温部件的材料。
[0003]在干燥的高温燃烧环境下，陶瓷基复合材料表面生成一层致密的SiO2层，能够有效的阻碍氧气的进入，提高抗氧化性能。但是，航空发动机在实际运行过程中，航空煤油在燃烧过程中会产生8
‑
10vol％的水蒸气，SiO2与高温水蒸汽反应生成Si(OH)
x
，陶瓷基复合材料遭受严重的腐蚀，并且力学性能严重下降。因此，需要在其表面制备一层环境障涂层，以隔绝高温水蒸气，抑制高温水氧腐蚀的发生，对于陶瓷基复合材料热端部件的长寿命服役极其重要。
[0004]Si是环境障涂层中应用最广泛的粘结层，提高了环境障涂层与陶瓷基复合材料的结合强度，同时也为陶瓷基复合材料提供了优异的抗氧化性能。但是，Si的氧化产物SiO2在冷却过程中由于相变产生的应力会导致涂层的脱落和失效。此外，Si的熔点为1414℃，限制了环境障涂层在更高温度下的使用。因此，有必要开发一种新的材料，提高环境障涂层的服役温度和抗氧化、抗腐蚀性能。
[0005]稀土硅酸盐作为环境障涂层陶瓷层，起到了隔氧、隔绝燃气和燃烧杂质等有害物质的作用，通常采用大气等离子喷涂的方法进行制备。大气等离子喷涂作为一种经济、高效的涂层制备工艺，广泛的应用于涂层制备，但是大气环境中的喷涂条件很容易使硅、硅化物、碳化物等非氧化物产生氧化。因此，在粘结层的制备过程中，采用冷喷涂的方法制备涂层，结合保护气氛下的固相烧结法可以有效的制备出无氧化，高结合强度的粘结层。此外，稀土硅酸盐在等离子火焰中产生分解，制备的涂层由于淬火应力和热失配应力而产生裂纹、气孔等缺陷。通过掺杂的方法，可以制备具有自愈合功能的复合涂层，抑制涂层在服役过程中产生裂纹和气孔等缺陷，能够有效阻碍氧气、水蒸气的进入。

技术实现思路

[0006]根据上述提出的技术问题，而提供一种陶瓷基复合材料用抗高温氧化的自愈合环境障涂层及其制备方法。本专利技术主要通过制备Mo
‑
Si或Mo
‑
W
‑
Si混合浆料，采用更加便捷的冷喷涂法、浆料浸渍法两种不同的方法在陶瓷基复合材料表面制备MoSi2或(Mo
x
,W1‑
x
)Si2粘结层，避免了大气等离子喷涂过程中产生的氧化；通过喷雾造粒的方法，制备Re2SiO5‑
Si粉末(其中Re＝Yb、Y、Gd、Lu、Nd)，并采用大气等离子的方法在粘结层表面制备Re2SiO5‑
Si自愈合环境障涂层，有效的提高了涂层的抗震寿命和抗氧化能力。
[0007]本专利技术采用的技术手段如下：
[0008]一种陶瓷基复合材料用抗高温氧化的自愈合环境障涂层，所述涂层为双层结构，从内至外依次包括粘结层和自愈合涂层，所述粘结层制备在碳化硅陶瓷基复合材料的表面，所述自愈合涂层制备在粘结层的表面。
[0009]进一步地，所述粘结层的材料为MoSi2或(Mo
x
,W1‑
x
)Si2；
[0010]所述自愈合涂层的材料为Re2SiO5‑
Si，其中Re＝Yb、Y、Gd、Lu或Nd；
[0011]所述陶瓷基复合材料为碳化硅陶瓷基复合材料。
[0012]进一步地，所述粘结层的厚度为50～100μm；所述自愈合涂层的为100～200μm；所述陶瓷基复合材料的尺寸为50
×
50
×
5mm3。
[0013]本专利技术还提供了一种陶瓷基复合材料用抗高温氧化的自愈合环境障涂层的制备方法，包括如下步骤：
[0014]S1、以碳化硅纤维连续增韧的碳化硅陶瓷基复合材料为基体，对碳化硅陶瓷基复合材料基体依次进行打磨、表面喷砂处理、超声清洗、酒精浸泡、烘干，备用；
[0015]S2、采用冷喷涂法或浆料浸渍法在碳化硅陶瓷基复合材料基体上制备粘结层；
[0016]S3、采用大气等离子喷涂方法在粘结层的表面制备自愈合涂层，从而制备得到具有自愈合功能的复合涂层，即自愈合环境障涂层；
[0017]S4、试样性能考核：对制备得到的自愈合环境障涂层试样进行氧化测试、热震测试以及火焰热循环测试。
[0018]进一步地，所述步骤S1中，采用金刚石磨头将碳化硅陶瓷基复合材料基体打磨成圆角；在0.3MPa的压力下，使用220目的刚玉颗粒对打磨后的碳化硅陶瓷基复合材料基体表面进行喷砂处理，持续时间为15～20s；以无水乙醇作为溶剂，对喷砂处理后的碳化硅陶瓷基复合材料基体进行超声5min以去除杂质，再在无水乙醇中浸泡60min以去除油污，之后在～60℃的烘箱中干燥2h，用于涂层制备。
[0019]进一步地，所述步骤S2中，采用冷喷涂法制备粘结层的方法为：
[0020]S21、按照Mo:Si:结合剂＝64:35:1的质量比进行称重，或按照Mo:W:Si:结合剂＝32:32:36:0.5的质量比进行称重，以无水乙醇为溶剂，氧化锆球为球磨介质，进行球磨，球磨速度为500r/min，球磨时间为4h，制备得到Mo
‑
Si或Mo
‑
W
‑
Si混合溶液；
[0021]S22、通过冷喷涂的方法，在碳化硅陶瓷基复合材料基体表面冷喷涂Mo
‑
Si或Mo
‑
W
‑
Si混合溶液，之后在烘箱中分两步进行干燥，先在60℃温度下干燥24h，后在110℃温度下干燥12h，制备得到MoSi2或(Mo
x
,W1‑
x
)Si2粘结层。
[0022]进一步地，将步骤S22中制备的MoSi2或(Mo
x
,W1‑
x
)Si2粘结层，在氩气气氛的热压炉中，1500℃温度下固相烧结2h，以使涂层更好的与碳化硅陶瓷基复合材料基体结合；多次重复该过程，以获得理想的厚度(50～100μm)。
[0023]进一步地，所述步骤S2中，采用浆料浸渍法制备粘结层方法为：
[0024]S201、将Mo、Si原料按照Mo:Si:结合剂＝64:35:1的质量比进行称重，或将Mo、W、Si原料按照Mo:W:Si:结合剂＝32:32:36:0.5的质量比进行称重，采用机械混合球磨和喷雾干燥的方法，制备得到Mo
‑
Si或Mo
‑
W
‑
Si混合粉末，以乙醇为溶剂，将Mo
‑
Si或Mo
‑
W
‑
Si混合粉末本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷基复合材料用抗高温氧化的自愈合环境障涂层，其特征在于，所述涂层为双层结构，从内至外依次包括粘结层和自愈合涂层，所述粘结层制备在碳化硅陶瓷基复合材料的表面，所述自愈合涂层制备在粘结层的表面。2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料用抗高温氧化的自愈合环境障涂层，其特征在于，所述粘结层的材料为MoSi2或(Mo
x
,W1‑
x
)Si2；所述自愈合涂层的材料为Re2SiO5‑
Si，其中Re＝Yb、Y、Gd、Lu或Nd；所述陶瓷基复合材料为碳化硅陶瓷基复合材料。3.根据权利要求1或2所述的陶瓷基复合材料用抗高温氧化的自愈合环境障涂层，其特征在于，所述粘结层的厚度为50～100μm；所述自愈合涂层的为100～200μm；所述陶瓷基复合材料的尺寸为50
×
50
×
5mm3。4.一种如权利要求1
‑
3任意一项权利要求所述的陶瓷基复合材料用抗高温氧化的自愈合环境障涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、以碳化硅纤维连续增韧的碳化硅陶瓷基复合材料为基体，对碳化硅陶瓷基复合材料基体依次进行打磨、表面喷砂处理、超声清洗、酒精浸泡、烘干，备用；S2、采用冷喷涂法或浆料浸渍法在碳化硅陶瓷基复合材料基体上制备粘结层；S3、采用大气等离子喷涂方法在粘结层的表面制备自愈合涂层，从而制备得到具有自愈合功能的复合涂层，即自愈合环境障涂层；S4、试样性能考核：对制备得到的自愈合环境障涂层试样进行氧化测试、热震测试以及火焰热循环测试。5.根据权利要求4所述的陶瓷基复合材料用抗高温氧化的自愈合环境障涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，采用金刚石磨头将碳化硅陶瓷基复合材料基体打磨成圆角；在0.3MPa的压力下，使用220目的刚玉颗粒对打磨后的碳化硅陶瓷基复合材料基体表面进行喷砂处理，持续时间为15～20s；以无水乙醇作为溶剂，对喷砂处理后的碳化硅陶瓷基复合材料基体进行超声5min以去除杂质，再在无水乙醇中浸泡60min以去除油污，之后在～60℃的烘箱中干燥2h，用于涂层制备。6.根据权利要求4所述的陶瓷基复合材料用抗高温氧化的自愈合环境障涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用冷喷涂法制备粘结层的方法为：S21、按照Mo:Si:结合剂＝64:35:1的质量比进行称重，或按照Mo:W:Si:结合剂＝32:32:36:0.5的质量比进行称重，以无水乙醇为溶剂，氧化锆球为球磨介质，进行球磨，球磨速度为500r/min，球磨时间为4h，制备得到Mo
‑
Si或Mo
‑
W
‑
Si混合溶液；S22、通过冷喷涂的方法，在碳化硅陶瓷基复合材料基体表面冷喷涂Mo
‑
Si或Mo
‑
W
‑
Si混合溶液，之后在烘箱中分两步进行干燥，先在60℃温度下干燥24h，后在11...

【专利技术属性】
技术研发人员：李佳艳，李归，王博，谭毅，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：