[发明专利]一种抗高温湿氧腐蚀涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于涂层材料制备领域，涉及一种抗高温湿氧腐蚀涂层及其制备方法，特别涉及一种可应用于陶瓷基复合材料领域的烧绿石结构稀土锆/铪酸盐涂层及其制备方法。

背景技术

目前航空、航天发动机，燃气涡轮发动机等先进动力系统服役环境为高温、富水汽、富氧的环境，在这种环境下，陶瓷基复合材料作为一种优良的候选材料，具有低密度、高强度、高韧性、耐高温、抗氧化抗烧蚀性能好等优点，但是其抗高温湿氧腐蚀性能却不尽人意，结构材料SiC/SiC复合材料、C/SiC复合材料等在高温湿氧环境下均会受到严重的腐蚀。例如：

SiC在湿氧环境下会发生如下反应：

SiC+3H₂O(g)= SiO₂+3H₂(g)+CO(g)    

SiO₂+2H₂O(g)=Si(OH)₄(g)       

生成的Si(OH)₄气体迅速被高速燃气带走，导致涂层裸露在高温环境中，降低了复合材料的表面稳定性。目前，常用的解决办法是在材料表面制备抗高温湿氧腐蚀的环境障涂层，在高温结构材料和发动机恶劣环境(腐蚀性介质、高速气流冲刷等)间设立一道屏障, 阻止或减小发动机环境对高温结构材料性能的影响。

常见的环境障涂层有莫来石涂层、BSAS（BaO-SrO-Al₂O₃-SiO₂）涂层以及Y₂Si₂O₅涂层等。但在高温水汽环境下，由于莫来石中的SiO₂活度较高（0.3-0.4），导致在高速燃气环境中SiO₂发生选择性挥发，莫来石退化。现阶段的解决方法是在莫来石涂层上制备抗水蒸气的表面层以提高其抗水气性，如氧化钇稳定氧化锆。但氧化钇稳定氧化锆的热膨胀系数较高，且烧结发生相变，容易产生裂纹。BSAS涂层耐高温性能不足，在1300℃时容易形成玻璃相，导致涂层失效；Y₂Si₂O₅涂层虽具有很好的抗氧化能力，但当Y₂Si₂O₅涂层暴露于高速、高水汽环境下，在1450-1500℃时，逐渐分解为单硅酸盐Y₂SiO₅，表明SiO₂发生选择性挥发，同时结构变化，容易导致涂层失效。因此，现有环境障涂层具有高温稳定性不足的缺陷，必须寻求具有更好高温稳定性、耐湿氧腐蚀的新型环境障涂层材料体系。

烧绿石型稀土锆/铪酸盐RE₂X₂O₇在室温至熔点（2700℃）之间无相转变，抗水汽腐蚀，抗烧结，低热导率，易于掺杂改性，催化活性高，具有广泛应用于抗高温湿氧领域的潜力。但是，RE₂X₂O₇作为涂层的面层材料也有不足，例如，RE₂X₂O₇涂层热膨胀系数较高，容易与热膨胀系数低的基材产生热失配，在制备过程中时常有微裂纹产生，从而影响材料的可靠性和防护性能，因此通常需在面层与基板之间制备一层与基板热膨胀系数相近的粘结层，如专利“CN 103434209 A”在镍基高温合金表面制备了一层以NiCoCrAlY为粘结层，以烧绿石结构Pr₂Zr₂O₇为面层的双层复合涂层，具有良好的耐高温、低热导率和高热膨胀系数等优点，但这种涂层体系仅适用于高温合金等热膨胀系数较高的基板，且制备工艺为等离子喷涂和电子束物理气相沉积，生产效率较低且不适合大尺寸和结构复杂工件的制备。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种适用于陶瓷基复合材料基板表面、与基板热匹配性、粘结性好、高温湿氧环境下不失效、能够抵抗大温度梯度冲击且在强氧化/腐蚀燃气冲刷环境下长期稳定工作的抗高温湿氧腐蚀涂层，并相应地提供一种具有工程应用普适性的抗高温湿氧腐蚀涂层的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：