【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及涂层制备，特别涉及一种抗水氧腐蚀的环境障涂层、制备方法及其应用。
技术介绍
1、随着航空发动机向高推重比发展，热端部件的表面温度将超过1450℃，即使在热障涂层和气膜冷却技术的双重保护下，镍基高温合金材料也难以满足上述要求；碳化硅纤维增韧增强sic陶瓷基复材(sicf/sic，cmc)因其比强度高、高温机械性能优异等特性，取代高温合金部件可达到结构减重、燃油效率提高的效果，已成为未来航空发动机热端部件的首先材料。
2、在清洁、干燥的高温氧气环境中cmc表面可形成保护性二氧化硅层，然而，在蒸汽或腐蚀性物质存在的情况下，二氧化硅层被不断加速降解，迫使构件结构强度逐步衰退，因此，环境障碍涂层(ebc)的保护成为cmc部件长寿命服役的必要条件。
3、西方发达国家对ebc研究起步较早，提出的第三代稀土硅酸盐环境障碍涂层体系，因具有良好的相稳定性和优异的抗水蒸气腐蚀性能，在高速燃气环境中具有较低的挥发率，已成为国内外环境障碍涂层的研发和应用首选；目前应用最广泛的ebcs制备方法为大气等离子喷涂(aps)技术，aps技术虽然成本较低，但其制备的涂层孔隙率较大，具有较大的热残余应力，在服役过程中易产生大量应力裂纹，促使涂层剥落而降低使用寿命。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是在于克服、补充现有技术中存在的不足，提供一种抗水氧腐蚀的环境障涂层、制备方法及其应用。
2、yb2si2o7的热膨胀系数(cte)接近于sic，(yb1-xlux)2sio
3、等离子喷涂-物理气相沉积工艺制备的涂层具有较高的致密度和均匀性，通过工艺调整可实现喷涂粉末的气、液、固多相沉积，沉积效率高，能实现非视线沉积，对制备sic/sic复合材料涡轮热端部件表面的ebc涂层具有较大优势；此外，真空退火技术致密化后处理，有利于降低涂层孔隙率，增强涂层致密性，可进一步涂层低于外界腐蚀介质的进入，从而提升服役温度和延长使用寿命。
4、本专利技术将等离子喷涂-物理气相沉积技术结合真空退火技术在cmc表面制备抗水氧腐蚀的si-hfo2/yb2si2o7/(yb1-xlux)2sio5环境障碍涂层，可以保障cmc作为航空发动机热端部件稳定服役，并免受苛刻高温燃气环境中的水氧腐蚀。
5、采用等离子喷涂-物理气相沉积技术在sicf/sic基体表面制备了si-hfo2/yb2si2o7/(yb1-xlux)2sio5涂层，其中x范围为0.1-0.3，并通过真空退火处理，获得的涂层具有较高的致密度和均匀性，与基体间呈现良好的机械结合，能够承受1450℃下的水氧腐蚀性能考核，本专利技术通过喷雾造粒技术制备的si-hfo2、yb2si2o7和(yb1-xlux)2sio5团聚粉末球形度高、流动性好、粒径适宜、成分均匀；si-hfo2粘结层在提供良好结合力的同时具有优异的高温性能，yb2si2o7中间层缓解了涂层与基体间的热膨胀系数不匹配问题，减少涂层开裂及剥落现象，(yb1-xlux)2sio5层具备优异的抗水氧腐蚀性能，复合涂层体系能够保障sic/sic复合材料免受苛刻高温燃气环境中的水氧腐蚀，使其作为航空发动机热端部件稳定服役。
6、本专利技术采用的技术方案是：
7、一种抗水氧腐蚀的环境障涂层，其中：环境障涂层从下至上依次包括基体层、si-hfo2粘结层、yb2si2o7中间层和(yb1-xlux)2sio5面层，所述si-hfo2粘结层包括摩尔比为80-90:10-20的si和hfo2，所述(yb1-xlux)2sio5面层中x的范围为0.1-0.3。
8、优选的是，所述的抗水氧腐蚀的环境障涂层，其中：所述si-hfo2粘结层的厚度为26-34μm，yb2si2o7中间层的厚度为109-130μm，所述(yb1-xlux)2sio5面层的厚度为70-86μm。
9、一种抗水氧腐蚀的环境障涂层的制备方法，其中：包括以下步骤：
10、步骤s1.将si和hfo2粉体烘干，随后按照摩尔比为80-90:10-20称量si和hfo2粉体，并将其加入球磨机中进行湿法球磨混料得到第一混合浆料，之后将第一混合浆料烘干得到第一粉体；
11、步骤s2.将yb2o3粉体和sio2粉体烘干，随后按照摩尔比1:2称量yb2o3和sio2，并将其加入球磨机中进行湿法球磨混料得到第二混合浆料，之后将第二混合浆料烘干，并将其加入高温炉中进行固相反应，最后将合成的粉体进行破碎、过筛，得到第二粉体；
12、步骤s3.将yb2o3、lu2o3和sio2粉体烘干，随后按照摩尔比(1-x):x:1称量yb2o3、lu2o3和sio2粉体，并将其加入球磨机中进行湿法球磨混料得到第三混合浆料，之后将第三混合浆料烘干，并将其加入高温炉中进行固相反应，最后将合成的粉体进行破碎、过筛，得到第三粉体；
13、步骤s4.将第一粉体、第二粉体、第三粉体中均加入胶粘剂和溶剂，配制成固含量为40-50％的浆液分别进行喷雾造粒得到si-hfo2粉体、yb2si2o7粉体和(yb1-xlux)2sio5粉体；
14、步骤s5.准备sicf/sic基体，对基体表面进行喷砂处理至平均粗糙度ra为5-8μm，随后对基体进行超声清洗，烘干后把基体固定在喷涂夹具上；
15、步骤s6.将舱内抽真空，随后对基体预热，当基体预热至设定温度后，切换至喷涂程序，控制送粉器依次输送si-hfo2粉体、yb2si2o7粉体和(yb1-xlux)2sio5粉体并通过喷枪依次在基体上喷涂si-hfo2粘结层、yb2si2o7中间层和(yb1-xlux)2sio5面层，冷却得到半成品；
16、步骤s7.将半成品置于真空管式炉，在高纯氩气保护下焙烧，随后冷却，得到抗水氧腐蚀的环境障涂层。
17、优选的是，所述的抗水氧腐蚀的环境障涂层的制备方法，其中：步骤s1、步骤s2和步骤s3中粉体烘干温度均为100-120℃，烘干时间均为1-3h；湿法球磨具体为：分别将si和hfo2粉体、yb2o3粉体和sio2粉体、yb2o3、lu2o3和sio2粉体以及溶剂、球磨珠加入球磨机中进行湿法球磨，所述粉体、无水乙醇以及球磨珠的质量比为1-1.2:0.7-0.9:1-1.2；湿法球磨的转速为450-500rpm，混料时间为10-12h，第一混合浆料、第二混合浆料和第三混合浆料的烘干温度为80-100℃，烘干时间为12-14h。
18、优选的是，所述的抗水氧腐蚀的环境障涂层的制备方法，其中：步骤s2和步骤s3中固相反应的温度为1400-1500℃，固相反应时间为4-5h，第二粉体和第三粉体的中位粒径为30-50μm。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种抗水氧腐蚀的环境障涂层，其特征在于：环境障涂层从下至上依次包括基体层、Si-HfO2粘结层、Yb2Si2O7中间层和(Yb1-xLux)2SiO5面层，所述Si-HfO2粘结层包括摩尔比为80-90:10-20的Si和HfO2，所述(Yb1-xLux)2SiO5面层中x的范围为0.1-0.3。
2.根据权利要求1所述的抗水氧腐蚀的环境障涂层，其特征在于：所述Si-HfO2粘结层的厚度为26-34μm，Yb2Si2O7中间层的厚度为109-130μm，所述(Yb1-xLux)2SiO5面层的厚度为70-86μm。
3.根据权利要求1-2任一项所述的抗水氧腐蚀的环境障涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的抗水氧腐蚀的环境障涂层的制备方法，其特征在于：步骤S1、步骤S2和步骤S3中粉体烘干温度均为100-120℃，烘干时间均为1-3h；湿法球磨具体为：分别将Si和HfO2粉体、Yb2O3粉体和SiO2粉体、Yb2O3、Lu2O3和SiO2粉体以及溶剂、球磨珠加入球磨机中进行湿法球磨，所述粉体、无水乙醇以及球磨珠的
5.根据权利要求3所述的抗水氧腐蚀的环境障涂层的制备方法，其特征在于：步骤S2和步骤S3中固相反应的温度为1400-1500℃，固相反应时间为4-5h，第二粉体和第三粉体的中位粒径为30-50μm。
6.根据权利要求3所述的抗水氧腐蚀的环境障涂层的制备方法，其特征在于：步骤S4中胶粘剂含量为4-6％，进口温度为200-300℃，出口温度为90-120℃，雾化盘频率为20-50Hz，给料泵速度为30-50rpm。
7.根据权利要求3述的抗水氧腐蚀的环境障涂层的制备方法，其特征在于：步骤S5中喷砂压力为0.3-0.4MPa，喷砂角度为50-60°，喷砂距离为120-150mm，喷砂时间为1-3min，超声清洗的溶剂依次为煤油、丙酮、酒精。
8.根据权利要求3述的抗水氧腐蚀的环境障涂层的制备方法，其特征在于：步骤S6中舱内抽真空具体为：将舱内气压抽至0.5mbar，然后回填Ar至40mbar，Ar回填完成后，开始喷枪点火，再次开启真空系统将舱压抽至1.5mbar；喷涂Si-HfO2粘结层的电流为1650-1700A，氩气的流量为110-120公升/分，氢气的流量为6-8公升/分，送粉率为8-10g/min，喷距为400-500mm，预热温度为500-550℃，压力为40-42mbar；喷涂Yb2Si2O7中间层的电流为2600-2650A，氩气的流量为100-105公升/分，氦气的流量为20-23公升/分，送粉率为10-12g/min，喷距为900-1000mm，预热温度为900-950℃，压力为1.5-2.0mbar；喷涂(Yb1-xLux)2SiO5面层的电流为2500-2550A，氩气的流量为100-105公升/分，氦气的流量为20-23公升/分，送粉率为18-20g/min，喷距为900-1000mm，预热温度为850-900℃，压力为1.7-2.0mbar。
9.根据权利要求3述的抗水氧腐蚀的环境障涂层的制备方法，其特征在于：步骤S7中焙烧温度为1300-1350℃，保温时间为7-8小时，焙烧的升温速率为3-4℃/min，冷却速率为2-3℃/min；抗水氧腐蚀的环境障涂层的表面孔隙率为4.3-4.9％。
10.根据权利要求1-2任一项所述的抗水氧腐蚀的环境障涂层的应用，其特征在于：环境障涂层应用于航空发动机防护涂层。
...【技术特征摘要】
1.一种抗水氧腐蚀的环境障涂层，其特征在于：环境障涂层从下至上依次包括基体层、si-hfo2粘结层、yb2si2o7中间层和(yb1-xlux)2sio5面层，所述si-hfo2粘结层包括摩尔比为80-90:10-20的si和hfo2，所述(yb1-xlux)2sio5面层中x的范围为0.1-0.3。
2.根据权利要求1所述的抗水氧腐蚀的环境障涂层，其特征在于：所述si-hfo2粘结层的厚度为26-34μm，yb2si2o7中间层的厚度为109-130μm，所述(yb1-xlux)2sio5面层的厚度为70-86μm。
3.根据权利要求1-2任一项所述的抗水氧腐蚀的环境障涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的抗水氧腐蚀的环境障涂层的制备方法，其特征在于：步骤s1、步骤s2和步骤s3中粉体烘干温度均为100-120℃，烘干时间均为1-3h；湿法球磨具体为：分别将si和hfo2粉体、yb2o3粉体和sio2粉体、yb2o3、lu2o3和sio2粉体以及溶剂、球磨珠加入球磨机中进行湿法球磨，所述粉体、无水乙醇以及球磨珠的质量比为1-1.2:0.7-0.9:1-1.2；湿法球磨的转速为450-500rpm，混料时间为10-12h，第一混合浆料、第二混合浆料和第三混合浆料的烘干温度为80-100℃，烘干时间为12-14h。
5.根据权利要求3所述的抗水氧腐蚀的环境障涂层的制备方法，其特征在于：步骤s2和步骤s3中固相反应的温度为1400-1500℃，固相反应时间为4-5h，第二粉体和第三粉体的中位粒径为30-50μm。
6.根据权利要求3所述的抗水氧腐蚀的环境障涂层的制备方法，其特征在于：步骤s4中胶粘剂含量为4-6％，进口温度为200-300℃，出口温度为90-120℃，雾化盘频率为20-50hz，给料泵...
【专利技术属性】
技术研发人员：梁文萍，刘睿翔，缪强，赵慧，吴敏，张猛，闫荣学，谭晓琪，刘淇嘉，
申请(专利权)人：南京航空航天大学无锡研究院，
类型：发明
国别省市：
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