一种耐高温、高稳定梯度结构环境障涂层粘结层及其制备方法与流程

本发明属于高温防护涂层材料，尤其涉及一种耐高温、高稳定梯度结构环境障涂层粘结层及其制备方法。

背景技术：

1、陶瓷基复合材料(cmcs)凭借高承温，低密度、高温力学性能优异等一系列性能优势，有望取代传统的高温合金，成为新一代高性能航空发动机热端部件的主要候选材料。然而，在发动机燃气环境中，cmcs构件的服役性能因水蒸气-氧气耦合腐蚀而急剧衰退，必须在其表面制备超高温、长寿命环境障涂层(ebcs)以提高复合材料的服役可靠性与稳定性。

2、目前，应用最为广泛的第三代ebcs体系由si粘结层、莫来石中间层和稀土硅酸盐环境障面层组成。其中，si粘结层具有与cmcs结合强度高、热膨胀系数接近等特点，在整个cmcs-ebcs体系中起到至关重要的作用。然而，si粘结层的熔点仅为1410℃，在存在杂质的情况下还会大大降低。此外，si氧化形成的sio2在冷热交替过程中发生α-β相变，由此产生的拉应力是导致si/sio2界面开裂的主要原因。更为严重的是，高温下sio2与环境障层中的氧化物反应生成玻璃态物相，造成涂层损伤失效。上述原因将以si为粘结层的ebcs体系长期使用温度限制在1350℃以下。随着航空发动机向着更高推重比发展，对si粘结层进行材料和结构改性已迫在眉睫。

3、hfsio4作为硅酸盐材料，不仅具有较高的熔点(～2758℃)，而且热膨胀系数与cmcs基体相近(3.11-5.97×10-6k-1)，是极具应用潜力的新型耐高温粘结层材料。但是hfsio4自身与基体结合强度较低，并且在制备过程中由于sio2蒸发容易出现成分偏析和结构疏松等不利现象，限制了其进一步应用。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种耐高温、高稳定梯度结构环境障涂层粘结层及其制备方法，该粘结层与基体结合强度高，耐温可达1450℃，且在该温度下ebcs体系内各异质界面保持化学稳定，可有效提高cmcs热端部件的服役温度和性能。

2、本发明提供了一种耐高温、高稳定梯度结构环境障涂层粘结层，其特征在于，包括依次设置的点阵结构的si底层、hfsio4-si中间层以及hfsio4顶层。

3、优选地，hfsio4-si中间层中si以点状形式均匀分布在hfsio4中；

4、所述hfsio4质量含量介于70％～90％。

5、优选地，hfsio4顶层中hfsio4质量含量大于90％。

6、优选地，所述点阵结构的si底层的厚度为10～40μm；

7、所述hfsio4-si中间层厚度为10～50μm；

8、所述hfsio4顶层厚度为20～50μm。

9、本发明提供了一种上述技术方案所述的耐高温、高稳定梯度结构环境障涂层粘结层的制备方法，包括以下步骤：

10、a)对陶瓷基复合材料基体进行预处理；

11、b)采用大气等离子喷涂技术在预处理后的陶瓷基复合材料基体表面依次制备点阵结构的si底层、hfsio4-si中间层和hfsio4顶层；

12、c)对涂层进行热处理，得到耐高温、高稳定梯度结构环境障涂层粘结层。

13、优选地，所述基体材料为陶瓷基复合材料；

14、所述预处理包括对基体材料依次进行清洗、喷砂和等离子射流加热。

15、优选地，大气等离子喷涂形成点阵结构的si底层过程中，以多孔网状工装对基体材料进行遮挡，以氩气和氢气为等离子体，氩气的流量为40～60l/min，氢气的流量为5～15l/min，喷涂距离为80～150mm，喷涂电流为300～600a，送粉率为10～30％，si粉末的粒径为15～60μm。

16、优选地，大气等离子喷涂形成hfsio4-si中间层过程中，以氩气和氢气为等离子体，氩气的流量为40～80l/min，氢气的流量为5～15l/min，喷涂距离为100～200mm，喷涂电流为500～800a，送粉率为10～30％，si粉末的粒径为15～60μm，hfsio4粉末的粒径为15～45μm。

17、优选地，大气等离子喷涂形成hfsio4顶层过程中，以摩尔比为1：(1.2～1.8)的hfo2和sio2为原料，以氩气和氢气为等离子体，氩气的流量为40～80l/min，氢气的流量为5～15l/min，喷涂距离为100～200mm，喷涂电流为400～600a，送粉率为10～30％，hfo2粉末的粒径为15～45μm，sio2粉末的粒径为15～60μm。

18、优选地，所述步骤c)中热处理温度为1400～1600℃，热处理时间为10～30h。

19、本发明提供了一种耐高温、高稳定梯度结构环境障涂层粘结层，包括依次设置的点阵结构的si底层、hfsio4-si中间层以及hfsio4顶层。本发明采用大气等离子喷涂技术制得上述粘结层。本发明所述的梯度结构粘结层具有耐高温、强结合、高温相稳定的优势，有望突破现有环境障涂层粘结层体系承温能力低和高温化学失稳的瓶颈。

技术特征：

1.一种耐高温、高稳定梯度结构环境障涂层粘结层，其特征在于，包括依次设置的点阵结构的si底层、hfsio4-si中间层以及hfsio4顶层。

2.根据权利要求1所述的耐高温、高稳定梯度结构环境障涂层粘结层，其特征在于，hfsio4-si中间层中si以点状形式均匀分布在hfsio4中；

3.根据权利要求1所述的耐高温、高稳定梯度结构环境障涂层粘结层，其特征在于，hfsio4顶层中hfsio4质量含量大于90％。

4.根据权利要求1所述的耐高温、高稳定梯度结构环境障涂层粘结层，其特征在于，所述点阵结构的si底层的厚度为10～40μm；

5.一种权利要求1所述的耐高温、高稳定梯度结构环境障涂层粘结层的制备方法，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述基体材料为陶瓷基复合材料；

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，大气等离子喷涂形成点阵结构的si底层过程中，以多孔网状工装对基体材料进行遮挡，以氩气和氢气为等离子体，氩气的流量为40～60l/min，氢气的流量为5～15l/min，喷涂距离为80～150mm，喷涂电流为300～600a，送粉率为10～30％，si粉末的粒径为15～60μm。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，大气等离子喷涂形成hfsio4-si中间层过程中，以氩气和氢气为等离子体，氩气的流量为40～80l/min，氢气的流量为5～15l/min，喷涂距离为100～200mm，喷涂电流为500～800a，送粉率为10～30％，si粉末的粒径为15～60μm，hfsio4粉末的粒径为15～45μm。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，大气等离子喷涂形成hfsio4顶层过程中，以摩尔比为1：(1.2～1.8)的hfo2和sio2为原料，以氩气和氢气为等离子体，氩气的流量为40～80l/min，氢气的流量为5～15l/min，喷涂距离为100～200mm，喷涂电流为400～600a，送粉率为10～30％，hfo2粉末的粒径为15～45μm，sio2粉末的粒径为15～60μm。

10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤c)中热处理温度为1400～1600℃，热处理时间为10～30h。

技术总结本发明提供了一种耐高温、高稳定梯度结构环境障涂层粘结层及其制备方法，包括依次设置的点阵结构的Si底层、HfSiO4‑Si中间层以及HfSiO4顶层。本发明采用大气等离子喷涂技术制得上述粘结层。本发明所述的梯度结构粘结层具有耐高温、强结合、高温相稳定的优势，有望突破现有环境障涂层粘结层体系承温能力低和高温化学失稳的瓶颈。技术研发人员：周邦阳,任佳奇,王长亮,崔永静,王天颖,郭孟秋,焦健受保护的技术使用者：中国航发北京航空材料研究院技术研发日：技术公布日：2024/10/10