一種抗高溫濕氧腐蝕涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于涂層材料制備領(lǐng)域，涉及一種抗高溫濕氧腐蝕涂層及其制備方法，特別涉及一種可應(yīng)用于陶瓷基復(fù)合材料領(lǐng)域的燒綠石結(jié)構(gòu)稀土鋯/鉿酸鹽涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前航空、航天發(fā)動機(jī)，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)等先進(jìn)動力系統(tǒng)服役環(huán)境為高溫、富水汽、富氧的環(huán)境，在這種環(huán)境下，陶瓷基復(fù)合材料作為一種優(yōu)良的候選材料，具有低密度、高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、抗氧化抗燒蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，但是其抗高溫濕氧腐蝕性能卻不盡人意，結(jié)構(gòu)材料SiC/SiC復(fù)合材料、C/SiC復(fù)合材料等在高溫濕氧環(huán)境下均會受到嚴(yán)重的腐蝕。例如:
SiC在濕氧環(huán)境下會發(fā)生如下反應(yīng):
SiC+3H20(g)= Si02+3H2(g)+C0(g)
Si02+2H20(g)=Si(0H)4(g)
生成的Si (OH)4氣體迅速被高速燃?xì)鈳ё?，?dǎo)致涂層裸露在高溫環(huán)境中，降低了復(fù)合材料的表面穩(wěn)定性。目前，常用的解決辦法是在材料表面制備抗高溫濕氧腐蝕的環(huán)境障涂層，在高溫結(jié)構(gòu)材料和發(fā)動機(jī)惡劣環(huán)境(腐蝕性介質(zhì)、高速氣流沖刷等)間設(shè)立一道屏障，阻止或減小發(fā)動機(jī)環(huán)境對高溫結(jié)構(gòu)材料性能的影響。
[0003]常見的環(huán)境障涂層有莫來石涂層、BSAS (BaO-SrO-Al2O3-S12)涂層以及Y2Si2O5涂層等。但在高溫水汽環(huán)境下，由于莫來石中的S12S度較高(0.3-0.4)，導(dǎo)致在高速燃?xì)猸h(huán)境中S12*生選擇性揮發(fā)，莫來石退化?，F(xiàn)階段的解決方法是在莫來石涂層上制備抗水蒸氣的表面層以提高其抗水氣性，如氧化釔穩(wěn)定氧化鋯。但氧化釔穩(wěn)定氧化鋯的熱膨脹系數(shù)較高，且燒結(jié)發(fā)生相變，容易產(chǎn)生裂紋。BSAS涂層耐高溫性能不足，在1300°C時(shí)容易形成玻璃相，導(dǎo)致涂層失效；Y2Si205涂層雖具有很好的抗氧化能力，但當(dāng)Y 2Si205涂層暴露于高速、高水汽環(huán)境下，在1450-1500°C時(shí)，逐漸分解為單硅酸鹽Y2S15，表明S12發(fā)生選擇性揮發(fā)，同時(shí)結(jié)構(gòu)變化，容易導(dǎo)致涂層失效。因此，現(xiàn)有環(huán)境障涂層具有高溫穩(wěn)定性不足的缺陷，必須尋求具有更好高溫穩(wěn)定性、耐濕氧腐蝕的新型環(huán)境障涂層材料體系。
[0004]燒綠石型稀土鋯/鉿酸鹽RE2X2O7在室溫至熔點(diǎn)(2700°C )之間無相轉(zhuǎn)變，抗水汽腐蝕，抗燒結(jié)，低熱導(dǎo)率，易于摻雜改性，催化活性高，具有廣泛應(yīng)用于抗高溫濕氧領(lǐng)域的潛力。但是，RE2X2O7作為涂層的面層材料也有不足，例如，RE2X2O7*層熱膨脹系數(shù)較高，容易與熱膨脹系數(shù)低的基材產(chǎn)生熱失配，在制備過程中時(shí)常有微裂紋產(chǎn)生，從而影響材料的可靠性和防護(hù)性能，因此通常需在面層與基板之間制備一層與基板熱膨脹系數(shù)相近的粘結(jié)層，如專利“CN 103434209 A”在鎳基高溫合金表面制備了一層以NiCoCrAH為粘結(jié)層，以燒綠石結(jié)構(gòu)Pr2Zr2O7為面層的雙層復(fù)合涂層，具有良好的耐高溫、低熱導(dǎo)率和高熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，但這種涂層體系僅適用于高溫合金等熱膨脹系數(shù)較高的基板，且制備工藝為等離子噴涂和電子束物理氣相沉積，生產(chǎn)效率較低且不適合大尺寸和結(jié)構(gòu)復(fù)雜工件的制備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于陶瓷基復(fù)合材料基板表面、與基板熱匹配性、粘結(jié)性好、高溫濕氧環(huán)境下不失效、能夠抵抗大溫度梯度沖擊且在強(qiáng)氧化/腐蝕燃?xì)鉀_刷環(huán)境下長期穩(wěn)定工作的抗高溫濕氧腐蝕涂層，并相應(yīng)地提供一種具有工程應(yīng)用普適性的抗高溫濕氧腐蝕涂層的制備方法。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種抗高溫濕氧腐蝕涂層，所述抗高溫濕氧腐蝕涂層設(shè)于陶瓷基復(fù)合材料基板表面，所述抗高溫濕氧腐蝕涂層包括粘結(jié)層和RE2X2O7面層，所述粘結(jié)層為S1、S12、SiC中的一種，所述RE2X2O7面層為燒綠石型晶體結(jié)構(gòu)，其中，RE為La或Sm，X為Zr或Hf，所述粘結(jié)層的厚度為1ym?100 μ m，所述RE2X2O7面層的厚度為20 μ m?200 μ m。
[0007]作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種上述的抗高溫濕氧腐蝕涂層的制備方法，包括以下步驟:
(1)配制粘結(jié)層懸浮液:將原料粉體與有機(jī)溶劑混合，得到粘結(jié)層懸浮液，所述原料粉體為S1、Si02、SiC中的一種；
(2)配制RE2X2O7懸浮液:將RE2X207粉體與有機(jī)溶劑混合，再加入表面活性劑，經(jīng)攪拌后，得到RE2X2O7懸浮液；
(3)制備粘結(jié)層預(yù)制層:以陶瓷基復(fù)合材料基板為電極，以石墨基板為反電極，在步驟
(I)得到的粘結(jié)層懸浮液中進(jìn)行電泳沉積，在陶瓷基復(fù)合材料基板表面制備粘結(jié)層預(yù)制層，得到帶有粘結(jié)層預(yù)制層的陶瓷基復(fù)合材料基板；
(4)制備RE2X2O7面層預(yù)制層:以帶有粘結(jié)層預(yù)制層的陶瓷基復(fù)合材料基板為電極，以石墨基板為反電極，在步驟(2)得到的RE2X2O7懸浮液中進(jìn)行電泳沉積，在粘結(jié)層預(yù)制層表面制備1?4207面層預(yù)制層，得到帶有粘結(jié)層預(yù)制層和RE 2Χ207Μ層預(yù)制層的陶瓷基復(fù)合材料基板；
(5)制備抗高溫濕氧腐蝕涂層:將帶有粘結(jié)層預(yù)制層和1?2\07面層預(yù)制層的陶瓷基復(fù)合材料基板干燥后高溫?zé)Y(jié)，在陶瓷基復(fù)合材料表面得到抗高溫濕氧腐蝕涂層。
[0008]上述的制備方法中，優(yōu)選的，所述步驟(I)中，所述原料粉體與有機(jī)溶劑的質(zhì)量比為1: 10?20，所述有機(jī)溶劑為醇或酮。
[0009]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(2)中，所述RE2X2O7粉體與有機(jī)溶劑的質(zhì)量比為1: 10?20，所述有機(jī)溶劑為醇或酮。
[0010]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(2)中，所述表面活性劑為環(huán)己酮、聚乙烯醇、聚乙二醇中的一種，所述表面活性劑與所述RE2X2O7粉體的質(zhì)量比為:1?10: 100。
[0011 ] 上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(3)中，采用恒電流法進(jìn)行電泳沉積，電流恒定值為0.0lA?0.5A，沉積時(shí)間為Imin?30min，電極與反電極極板間距為Icm?1cm ;所述步驟(4)中，采用恒電流法進(jìn)行電泳沉積，電流恒定值為0.0lA?0.5A，沉積時(shí)間為Imin?30min，電極與反電極極板間距為Icm?10cm。
[0012]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(5)中，所述高溫?zé)Y(jié)的具體過程為:將干燥后的帶有粘結(jié)層預(yù)制層和1?2&07面層預(yù)制層的陶瓷基復(fù)合材料基板以1°C /min?3°C /min的升溫速率升至1000°C?1600°C，保溫2h?5h，再以1°C /min?3°C /min的速度降々曰本帶、)曰?Zm!王吊 ism.ο
[0013]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(2)中，將RE2X2O7粉體與有機(jī)溶劑混合前，先將1^^(207原料粉體球磨至粒度為300nm?800nm，所述步驟(I)中，所述原料粉體的粒度為300 ?800nm。
[0014]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(5)中，所述干燥溫度為60°C?80°C，干燥時(shí)間為5h?1h ;所述步驟(I)中，所述攪拌時(shí)間為Ih?2h ;所述步驟(2)中，所述攪拌時(shí)間為Ih?2ho
[0015]本發(fā)明制備方法的步驟(I)和步驟(2)中，醇通?？蓛?yōu)選甲醇、乙醇、丙醇或乙二醇，酮可優(yōu)選丙酮或乙酰丙酮。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
(I)本發(fā)明的抗高溫濕氧腐蝕涂層，設(shè)于陶瓷基復(fù)合材料基板表面，包括由下至上依次布設(shè)的粘結(jié)層和稀土鋯/鉿酸鹽RE2X2O7面層。稀土鋯/鉿酸鹽RE 2X207在室溫至熔點(diǎn)(27000C )之間無相轉(zhuǎn)變，抗水汽腐蝕，抗燒結(jié)，低熱導(dǎo)率，易于摻雜改性，催化活性高，具有廣泛應(yīng)用于高溫?zé)?環(huán)境障涂層領(lǐng)域的潛力；由于RE2X2O7*層熱膨脹系數(shù)較高，而陶瓷基復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)較低，若直接在陶瓷基復(fù)合材料上制備RE2X2O7涂層，則會常常因?yàn)闊崾涠a(chǎn)生微裂紋，而S1、S12, SiC三種物質(zhì)成分與基材成分相近，熱膨脹系數(shù)相近，在1000?140