一种新型环境障涂层中Si基多组元合金粘结层的制备方法

本发明涉及涂层，具体而言，尤其涉及一种新型环境障涂层中si基多组元合金粘结层的制备方法。

背景技术：

1、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，氧化层具有一定流动性能够愈合氧化过程所产生的裂纹和孔隙，能够有效的阻碍氧气的进入，增强抗氧化性能。但是，航空发动机在实际运行过程中，航空发动机的热端部件在燃烧过程中会产生8-10vol％的水蒸气，sio2与高温蒸汽反应生成si(oh)4，氧化层变得疏松多孔，成为o2-和oh-进入的通道，加剧材料失效。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。

2、第三代环境障涂层的主要是以si作为粘结层，re2sio5(其中re＝yb、y、gd、lu、nd)作为面层而构成的。由于re2sio5与sic具有较大的热膨胀系数差异，si粘结层的热膨胀系数介于两者之间，能够有效缓解热膨胀系数差异，减少热循环氧化过程中相邻层界面体积膨胀或收缩引起的热应力，其次si作为粘结层材料能够降低氧化剂的渗透率，其提供相邻层之间的优异粘附性；具有良好的化学相容性，能够减少或避免产生副产物的化学反应。

3、传统大气等离子喷涂是通过高温熔融固体颗粒再喷涂到基体表面从而实现涂层制备。但是，在大气环境中，熔融固体颗粒容易接触空气发生部分氧化，这一部分在相关文献有研究报道。除此之外极大过冷度使涂层产生非晶相，在xrd衍射图谱中能够观察到“馒头峰”，为此有文献报道对等离子喷涂si在1150℃热处理4h以降低非晶硅比例和减少未完全熔融的表面孤立颗粒si，但是静态氧化实验得到氧化速率是0.1622μm2/h，然而通过定向凝固提拉法获得的si粘结层的氧化速率最低可达到0.025μm2/h，相比前者氧化速率降低了～85％，该方法作为si粘结层的制备方法具有广阔前景。

技术实现思路

1、根据上述提出的技术问题，而提供一种新型环境障涂层中si基多组元合金粘结层的制备方法。本发明主要通过定向凝固提拉法制备环境障涂层体系中的si基多组元合金粘结层，si基合金熔融形成合金熔体，将sicf/sic复合材料基体浸入熔体中，以固定的速度缓慢提拉使基体脱离合金熔体，使si基合金在基体表面通过形核生长等方式形成粘结层，从而制备出致密的、晶粒尺度及形貌可控的si基合金粘结层涂层。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种新型环境障涂层中si基多组元合金粘结层的制备方法，包括如下步骤：

4、s1、基体准备：以sic纤维增强的sic复合材料为基体，对该基体进行打磨、清洗和烘干；

5、s2、si基多组元合金粘结层的制备：

6、s21、制备过程在定向凝固晶体生长炉中进行，定向凝固晶体生长炉包括石英玻璃管和加热装置，石英玻璃管内设有水平台，水平台上放置用于熔炼实验的石墨坩埚，水平台也可实现上下移动的功能；加热装置置于石英玻璃管外部，用于对石墨坩埚进行加热；

7、s22、向石墨坩埚中加入硅材料和x金属材料；

8、s23、将基体固定在石英玻璃管上方，且位于石墨坩埚口正上方；

9、s24、对石英玻璃管内部进行抽真空；

10、s25、通入冷却水，打开设备电源，设定加热功率对石墨坩埚进行加热，直至石墨坩埚内硅材料和x金属材料完全熔融成具有流动性的si基合金熔体；

11、s26、使预生长涂层的复合材料基体浸入熔体，之后使复合材料基体逐渐与si基合金熔体分离，si基合金在基体表面上均匀定向生长，制备得到si基多组元合金粘结层。

12、进一步地，所述步骤s1的具体步骤如下：

13、s11、以sic纤维增强的sic复合材料为基体，采用金刚石砂盘，将基体试样打磨成圆角，之后进行清洗；

14、s12、在乙醇溶液中超声清洗5-10min，之后放入去离子水中超声清洗5-10min，清洗结束后，取出置于50-70℃的烘干箱中2-3个小时。

15、进一步地，所述步骤s22中，向石墨坩埚中加入25～35g的纯度为99％的纯硅块，并向石墨坩埚中添加一定量的x金属材料，构成si-x合金，即si基合金，其中x金属至少为ti、mo、zr、yb、ni或cr中的一种，或一种以上的组合形式。

16、进一步地，所述步骤s23中，通过石墨夹具夹紧并固定基体，石墨夹具通过端部带有m6螺纹的石墨棒固定在石英玻璃管顶部，且位于石墨坩埚口的正上方，调整石墨夹具的高度和位置，确保在升降过程中整体不会触碰到石墨坩埚。

17、进一步地，所述步骤s24中，通过真空泵抽空石英玻璃管内部的空气，停用真空泵后用氩气填充石英玻璃管内空腔；重复氩气洗涤过程三次，以确保空气被完全去除；氩气在整个制备过程中保持连续流动，防止氧化并排出挥发性产物。

18、进一步地，所述石英玻璃管内还设有热电偶，所述热电偶位于支撑水平台的提拉棒内，直接连接石墨坩埚底部。

19、进一步地，所述步骤s25中，通过热电偶测量石墨坩埚底部的温度，加热过程中，将石墨坩埚内的熔体温度迅速提高到1600～1700℃并保持10分钟，确保石墨坩埚中熔体的均匀性和热场的稳定性。

20、进一步地，所述加热装置和水平台均具有上下移动功能。

21、进一步地，所述步骤s26的具体步骤如下：

22、s261、以20～60mm/min的速度同时向上提起加热装置和石墨坩埚，使预生长涂层的复合材料基体浸入熔体；

23、s262、减小加热装置的加热功率，保温两分钟，当温度降低至1450-1550℃时，以恒定的速度20～60mm/min缓慢将加热装置和盛有合金熔体的石墨坩埚一同下拉，使复合材料基体从si基合金熔体中缓慢提拉脱离，si基合金在基体表面上均匀定向生长，制备得到si基多组元合金粘结层。

24、进一步地，所述加热装置采用感应线圈，所述感应线圈通过升降结构安装在石英玻璃管外壁，用于产生30-80khz高频感应电流，通过高频感应电流加热石墨坩埚。

25、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

26、1、通过本发明方法在不同的提拉速度下，可以实现不同厚度si基多组元合金粘结层的制备，并且降低提拉速度，涂层厚度呈指数式上升。

27、2、通过本发明方法可以制备高致密度，枝晶状生长的si基多组元合金涂层，高真空度能够避免涂层在制备过程中产生氧化，同时提高涂层与基体的结合强度。

28、3、本发明制备的多组元粘结层具有出色的结晶度，不含非晶态si。硅晶粒表现出优越的取向性，在xrd结果中呈现极强的单一衍射峰。

29、4、通过本发明方法获得的粘结层表面观察不到明显的孔隙和裂纹，离子在晶界处进行交换，大的平均晶粒尺寸具有小晶界长度，大大降低了o2-和oh-的渗透扩散率，显著提高了抗氧化性能。

30、5、本发明制备的si基多组元合金粘结层具有良好的抗氧化和抗水氧腐蚀性能，分别在1300℃静态氧化和水氧腐蚀200h无明显脱落，能够保证涂层的完整性。

31、基于上述理由本发明可在涂层制备等领域广泛推广。