[发明专利]一种航空发动机热端构件用环境障涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及涂层结构的设计与制备领域，特别是涉及一种航空发动机热端构件用环境障涂层的制备方法。

背景技术

随着高性能燃气轮机的发展，所需要的涡轮进口温度不断提高，发动机热端结构部件的工作温度已超过高温合金的工作极限。为满足这一需求，陶瓷基高温复合材料进入了人们的视野，碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)用于发动机热端部件的制备，展现出良好的高温结构性能。CMC-SiC具有一系列性能优点，比如耐高温、高温强度高、韧性好、密度低及抗蠕变性能优良等，成为航空发动机热端部件上理想的候选材料。CMC-SiC在高温干燥环境下具有优异的抗氧化性能，然而，在发动机工作环境下腐蚀性介质—熔盐、水蒸气会对硅基陶瓷表面生成的氧化硅保护层进行侵蚀，丧失对基体的保护功能，最终导致材料的失效。因此为解决发动机工作环境下的腐蚀问题，需要在CMC-SiC表面制备一层环境障涂层(EBC)，阻止水蒸气、熔盐向基体的扩散，满足材料在腐蚀环境下的长时间服役要求。

目前等离子喷涂工艺在制备环境障涂层方面工艺最为成熟，然而单纯的采用等离子喷涂工艺成本过于昂贵，料浆法相对于等离子喷涂、电子束物理气相沉积、化学气相沉积等工艺具有设备简单，操作方便、可人为控制涂层结构等一系列优点。采用喷涂工艺配合料浆法能显著地降低涂层制备的成本，然而这种涂层的结合强度不高，致密性不如喷涂工艺。因此，提出一种低成本，高结合强度，高致密性的环境障涂层成为本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

为此，本发明提供了一种航空发动机热端构件用环境障涂层的制备方法，本发明的一个目的在于提出一种低成本，高结合强度，高致密性的环境障涂层的制备方法。

本发明提供了一种航空发动机热端构件用环境障涂层的制备方法，包括：

(1)预备步骤

制备改性粘结剂，将0.5～1wt％纳米SiC颗粒加入到粘结剂中，室温下机械搅拌1h，再进行30min的超声分散，使纳米SiC颗粒均匀地分散在粘结剂中，所述粘结剂为环氧树脂或PVB；制备中间层料浆，将中间层原料、3～5wt％的烧结助剂、1～3wt％的分散剂与溶剂相混合，得到中间层混合溶液，使用高速球磨机对所述中间层混合溶液进行球磨混料，球磨后混入2～5wt％的改性后的粘结剂，继续球磨，直至获得粘度均匀的中间层料浆；制备面层料浆，将面层原料、3～5wt％的烧结助剂、1～3wt％的分散剂与溶剂相混合，得到面层混合溶液，使用高速球磨机对所述面层混合溶液进行球磨混料，球磨后混入2～5wt％的改性后的粘结剂，继续球磨，直至获得粘度均匀的面层浆料。

(2)制备步骤

对基体进行表面进行粗糙化处理，处理后用去离子水对基体进行清洗，并在烘箱中烘干；在基体的表面采用喷涂工艺制备内层；采用料浆法在涂覆有内层的基体的表面涂覆所述中间层料浆，制备中间层；采用料浆法在涂覆有中间层的基体的表面涂覆所述面层料浆，制备面层。

本发明提供了一种航空发动机热端构件用环境障涂层的制备方法，通过喷涂工艺配合料浆法制备涂层，涂层具有多层梯度结构，具有良好的抗水氧腐蚀性能，采用料浆法制备涂层具有能耗低，设备简单，并可人为控制涂层结构厚度等优点。本发明中使用经过纳米SiC改性的有机高分子粘结剂，根据化学键理论，粘结剂与基体及涂层在界面上可以形成新的化学键，从而大大提高两种材料之间的粘结强度，并且粘结剂在适当的温度下发生降解，不会对涂层的使用环境产生影响。其中，采用环氧树脂作为粘结剂主体，添加少量的纳米SiC颗粒，纳米SiC颗粒良好的量子尺寸效应和表面效应，能有效提高粘结剂的分散性和粘结强度，粘结剂均匀地包覆在粉料颗粒的表面，纳米颗粒表面的悬空键与粉料颗粒及基体的表面相互结合，粘附力增强。而且环氧树脂分子链中固有的极性羟基和醚键的存在，同样对陶瓷粉料具有很高的粘附力。环氧树脂固化时的收缩性低，仅为0.05～0.1，产生的内应力小；在300℃时即开始降解，高于600℃时会降解完全，残留的纳米SiC颗粒与陶瓷粉料形成致密的涂层结构，因此该粘结剂不会对涂层的性能产生影响。另外，采用纳米SiC颗粒对PVB粘结剂进行改性，粘结强度同样能得到改善，涂层的结合强度大幅度提高。采用本发明制备的环境障涂层制备过程简单，成本相对降低，具有高结合强度，高致密性，且能够长时间应用于航空发动机的热端构件。