一种热障/环境障一体化防护涂层及其制备方法

本发明属于涂层，具体涉及一种热障/环境障一体化防护涂层及其制备方法。

背景技术：

1、航空涡轮发动机高推重比、高燃油效率的要求促使其热端部件向轻质、高强、高温稳定性方向发展。碳/碳(c/c)复合材料具有低密度(<2.0g/cm3)、低热膨胀系数(cte，1–2×10-6k-1)和力学性能随温度升高不降反升的独特优势，是目前涡轮发动机的重要候选材料。在其基础上的sic涂层可缓解c/c复合材料高温氧化问题，但面对苛刻航空发动机环境存在的水蒸气、氧气等腐蚀介质时，sic涂层防护效果欠佳，因此需制备环境障碍涂层(ebc)减少达到sic涂层表面的蒸汽通量。而ebc的耐用性与服役温度密切相关，涡轮前的超高温环境(超过1500℃)将加快ebc材料的蒸汽挥发和sic表面的热生长层(tgo)的增厚，当ebc系统进行高低温蒸汽循环时，tgo层会由于方石英相变不断产生拉应力而开裂，最终导致ebc涂层失效。大量研究表明，在ebc表面沉积低导热率热障涂层(tbc)可降低ebc系统温度，减小tgo层增厚速率。因此，t/ebcs也受到研究学者的广泛关注。

2、硅酸镱(yb2sio5,yb2si2o7)因其优异的耐水汽腐蚀性能，较低导热率(1.6-2.1w/(m·k))，已被应用于c/c复合材料ebc材料。此外，镱铝石榴石(yb3al5o12，ybag)因较低的热导率(1.22w/(m·k))，与ebc材料相匹配的热膨胀系数7.5×10-6k-1)，非常优异的耐蒸汽腐蚀性能，是目前最有前景的tbc材料之一。

3、而目前，yb3al5o12/yb2sio5或yb3al5o12/yb2si2o7涂层制备流程主要是：(1)利用大气等离子喷涂(aps)或等离子喷涂-物理气相沉积(ps-pvd)技术制备硅酸镱ebc层；(2)采用真空磁控溅射方法在ebc表面制备al膜；(3)对涂层进行多步升温热处理获得yb3al5o12 tbc保护层。尽管该制备技术提高了tbc与ebc之间的结合强度，但制备步骤繁琐，延长了制备周期，不利于工业化生产应用。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种热障/环境障一体化防护涂层及其制备方法，用以解决现有涂层制备步骤繁琐，制备周期长，难以工业化生产应用的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明提供了一种热障/环境障一体化防护涂层的制备方法，包括以下步骤：

4、s1：将yb2sio5粉和al2o3粉加入硅溶胶去离子水溶液中，搅拌获得料浆；

5、s2：采用羊毛刷将料浆均匀涂刷在基体上，涂刷一层料浆后进行干燥；

6、s3：重复s2，直至带有料浆的基体增重设定重量，将带有料浆的基体进行干燥固化，获得位于基体表面的yb2sio5-al2o3预涂层；

7、s4：将具有yb2sio5-al2o3预涂层的基体置于还原性气氛下进行热处理，获得yb3al5o12/yb2sio5热障/环境障一体化涂层。

8、在具体实施过程中，按质量百分比计，所述料浆中的yb2sio5粉为92-98％，料浆中的al2o3粉为2-8％，所述料浆中的yb2sio5粉和al2o3粉的质量百分比之和为100％。

9、在具体实施过程中，所述yb2sio5粉的平均粒度为10μm，所述al2o3粉的平均粒度为300nm。

10、在具体实施过程中，所述硅溶胶去离子水溶液的质量浓度为10-50％；所述硅溶胶去离子水溶液中的硅溶胶为碱性sio2溶液，所述碱性sio2溶液中的sio2质量分数为30％。

11、在具体实施过程中，所述基体为包埋sic涂层的c/c复合材料。

12、在具体实施过程中，所述干燥的温度为60-80℃，所述干燥的时间为3-5min；

13、所述干燥固化的温度为60-80℃，所述干燥固化的时间为12-24h。

14、在具体实施过程中，所述设定重量为基体原本重量的10-15％。

15、在具体实施过程中，所述还原性气氛为氩气或真空；所述热处理的温度为1500-1580℃，所述热处理的保温时间为1-3h。

16、本发明还提供了一种热障/环境障一体化防护涂层。

17、在具体实施过程中，所述热障/环境障一体化涂层为yb3al5o12/yb2sio5涂层，所述yb3al5o12/yb2sio5涂层的整体厚度为70-90μm；

18、所述yb3al5o12/yb2sio5涂层包括位于内部的yb2sio5层和位于外部的yb3al5o12层。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、本发明提供了一种热障/环境障一体化防护涂层的制备方法，采用冷涂刷结合热处理技术，在基体表面制备yb3al5o12/yb2sio5热障/环境障一体化防护涂层。首先，采用硅溶胶作粘结剂，将掺杂al2o3的yb2sio5粉体冷涂刷在基体的表面，然后进行热处理，利用al2o3在高温还原性气氛中扩散至涂层表面，与yb2sio5原位反应生成yb3al5o12，制得外部yb3al5o12，内部yb2sio5的一体化防护涂层，大大缩短了t/ebcs制备周期。本发明提供的制备方法避免热喷涂涂层由于过高喷涂温度引入的有害分解产物和降温速率过快带来的裂纹缺陷，提高了环境障涂层与热障涂层、环境障涂层与内涂层之间的结合强度，同时为t/ebcs体系提供一种新的制备途径。

21、进一步的，基体包埋sic涂层c/c复合材料具有粗糙的表面结构，有利于与涂层形成机械啮合作用，保证基体与涂层的界面结合强度。

技术特征：

1.一种热障/环境障一体化防护涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的热障/环境障一体化防护涂层的制备方法，其特征在于，按质量百分比计，所述料浆中的yb2sio5粉为92-98％，料浆中的al2o3粉为2-8％，所述料浆中的yb2sio5粉和al2o3粉的质量百分比之和为100％。

3.根据权利要求1或2所述的热障/环境障一体化防护涂层的制备方法，其特征在于，所述yb2sio5粉的平均粒度为10μm，所述al2o3粉的平均粒度为300nm。

4.根据权利要求1所述的热障/环境障一体化防护涂层的制备方法，其特征在于，所述硅溶胶去离子水溶液的质量浓度为10-50％；所述硅溶胶去离子水溶液中的硅溶胶为碱性sio2溶液，所述碱性sio2溶液中的sio2质量分数为30％。

5.根据权利要求1所述的热障/环境障一体化防护涂层的制备方法，其特征在于，所述基体为包埋sic涂层的c/c复合材料。

6.根据权利要求1所述的热障/环境障一体化防护涂层的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为60-80℃，所述干燥的时间为3-5min；

7.根据权利要求1所述的热障/环境障一体化防护涂层的制备方法，其特征在于，所述设定重量为基体原本重量的10-15％。

8.根据权利要求1所述的热障/环境障一体化防护涂层的制备方法，其特征在于，所述还原性气氛为氩气或真空；所述热处理的温度为1500-1580℃，所述热处理的保温时间为1-3h。

9.一种根据权利要求1至8任意一项所述的制备方法制得的热障/环境障一体化防护涂层。

10.根据权利要求9所述的热障/环境障一体化防护涂层，其特征在于，所述热障/环境障一体化涂层为yb3al5o12/yb2sio5涂层，所述yb3al5o12/yb2sio5涂层的整体厚度为70-90μm；

技术总结本发明公开了一种热障/环境障一体化防护涂层及其制备方法，属于涂层技术领域。将Yb<subgt;2</subgt;SiO<subgt;5</subgt;粉和Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;粉加入硅溶胶去离子水溶液中，搅拌获得料浆；采用羊毛刷将料浆均匀涂刷在基体上，涂刷一层料浆后进行干燥；重复S2，直至带有料浆的基体增重设定重量，将带有料浆的基体进行干燥固化，获得位于基体表面的Yb<subgt;2</subgt;SiO<subgt;5</subgt;‑Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;预涂层；将具有Yb<subgt;2</subgt;SiO<subgt;5</subgt;‑Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;预涂层的基体置于还原性气氛下进行热处理，获得Yb<subgt;3</subgt;Al<subgt;5</subgt;O<subgt;12</subgt;/Yb<subgt;2</subgt;SiO<subgt;5</subgt;热障/环境障一体化涂层。制备方法制得的热障/环境障一体化涂层为Yb<subgt;3</subgt;Al<subgt;5</subgt;O<subgt;12</subgt;/Yb<subgt;2</subgt;SiO<subgt;5</subgt;涂层，Yb<subgt;3</subgt;Al<subgt;5</subgt;O<subgt;12</subgt;/Yb<subgt;2</subgt;SiO<subgt;5</subgt;涂层包括位于内部的Yb<subgt;2</subgt;SiO<subgt;5</subgt;层和位于外部的Yb<subgt;3</subgt;Al<subgt;5</subgt;O<subgt;12</subgt;层。上述制备方法解决现有涂层制备步骤繁琐，制备周期长，难以工业化生产应用的技术问题。技术研发人员：张守阳,焦凡,史小红,赵斐受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/4