[发明专利]一种用于多元碳与陶瓷基复合材料的环境障涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及功能涂层材料领域，尤其涉及了一种用于多元碳与陶瓷基复合材料的环境障涂层及其制备方法。

背景技术

多元碳与陶瓷基复合材料相比于高温合金具有更高的高温稳定性能，能够承受更高的涡轮前进口温度，减轻结构重量，在高推重比航空发动机中具有广泛的应用前景。如碳化硅陶瓷基复合材料(SiC_f/SiC、C_f/SiC)在高温干燥环境下具有优异的抗氧化性能，表面能够生成致密的氧化物保护膜，可避免氧化环境对材料内部的进一步侵蚀，起到有效保护多元碳与陶瓷基复合材料基体的作用。然而，在航空发动机工作环境下，水蒸气和熔盐会对多元碳与陶瓷基复合材料表面生成的氧化硅保护层进行侵蚀、反应形成挥发性的氢氧化硅(Si(OH)₄)，丧失对基体材料的保护功能，最终导致材料的失效。因此，需要添加防护涂层以保护由上述材料制备的基体。

目前，常用的保护涂层为环境障涂层，其中，最具有应用前景的为第三代环境障涂层体系，即稀土硅酸盐涂层体系，该涂层最外层为稀土硅酸盐材料，其具有较低的二氧化硅(SiO₂)活度，在航空发动机环境下，具有更高的相结构稳定性。然而，即便是稀土硅酸盐的面层体系，在航空发动机的环境下，其中的SiO₂仍具有较大的挥发可能性，导致涂层的组分发生变化，直接导致涂层使用过程中产生孔洞和裂纹，严重影响环境障涂层的使用寿命及防护效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于多元碳与陶瓷基复合材料的环境障涂层及其制备方法，上述环境障涂层在使用过程中涂层的组分不易发生变化，可大幅延长其在航空发动机环境下的使用寿命，并提高防护效果。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：

第一方面，本发明提供了一种用于多元碳与陶瓷基复合材料的环境障涂层，上述环境障涂层自基体材料向外依次包括硅粘结层、莫来石层、稀土硅酸盐层及稀土锆酸盐层；硅粘结层的厚度为60～70μm，莫来石层的厚度为60～80μm，稀土硅酸盐层的厚度为100～120μm，稀土锆酸盐层的厚度为100～150μm。

本发明所提供的用于多元碳与陶瓷基复合材料的环境障涂层，自基体材料向外依次包括硅粘结层、莫来石层、稀土硅酸盐层及稀土锆酸盐层，作为外层的稀土锆酸盐本身不含有硅成分，解决了传统稀土硅酸盐体系的涂层在使用过程中，SiO₂与水蒸气反应后生成Si(OH)₄气体，导致涂层结构破坏、涂层失效的问题，从而大幅延长上述环境障涂层在航空发动机环境下的使用寿命；且稀土锆酸盐材料具有很强的高温相结构稳定性，对航空发动机环境中的高温水蒸气具有很好的阻隔作用，可较大程度地避免高温水蒸气向内涂层及基体材料的扩散，对基体材料起到有效的防护作用；而稀土锆酸盐层与莫来石层之间设置的稀土硅酸盐层，可有效地阻止莫来石层中的Al元素向稀土锆酸盐层中扩散生成热膨胀系数高的铝酸盐，造成涂层之间残余应力的产生，从而导致涂层结构破坏、涂层失效的问题，且稀土硅酸盐材料具有适中的热膨胀系数，可有效地缓解莫来石层与稀土锆酸盐层热膨胀系数不匹配问题，使得上述环境障涂层的结构更加致密、使用寿命大幅延长、防护效果更好。此外，上述环境障涂层中各层之间存在的界面剪切应力与各层的厚度的平方存在正相关关系(例如硅粘结层与基体材料之间的界面剪切应力与硅粘结层的厚度的平方呈正相关关系)，即各层厚度越大，界面剪切应力也就越大，当涂层的厚度过大时，涂层的稳定性就会变差，出现涂层开裂或剥落的现象，但若各层的厚度过薄，在航空发动机的环境下也难以起到有效防护的作用。经过大量的实验研究，上述各层的厚度优选为：硅粘结层的厚度为60～70μm，莫来石层的厚度为60～80μm，稀土硅酸盐层的厚度为100～120μm，稀土锆酸盐层的厚度为100～150μm，当上述各层的厚度在上述范围时，本发明所提供的用于多元碳与陶瓷基复合材料的环境障涂层的使用寿命更长、防护效果更佳。

进一步地，上述稀土硅酸盐层所用材料为单硅酸镱或焦硅酸镱，上述稀土锆酸盐层所用材料为锆酸镧。较之其他稀土硅酸盐材料(如硅酸钇等)，单硅酸镱或焦硅酸镱具有更好的相稳定性，而锆酸镧具有熔点高、相结构稳定及导热系数低等特点，与上述两种稀土硅酸盐搭配使用时，所获得的环境障涂层的具有更好的防护效果。