[发明专利]一种耐高温环境障碍涂层及制备方法

说明书

本发明涉及一种耐高温环境障碍涂层及制备方法，所述耐高温环境障碍涂层依次包括基体、位于所述基体表面的粘结层、面层、以及位于所述粘结层和面层之间的中间层；所述粘结层为SiC，所述中间层为Yb₂Si₂O₇，所述面层为稀土单硅酸盐Re₂SiO₅。本发明的涂层与现有的以Si作为粘结层的环境障碍涂层相比，有以下优点：SiC具有更高的熔点（SiC：2700℃，Si：1410℃），因此可以保证环境障碍涂层具有更高的环境适用温度；同时，SiC相比较Si，具有更好的抗氧化性能和耐腐蚀能力。

技术领域

本发明涉及一种耐高温环境障碍涂层及制备方法，属于高温涂层领域。

背景技术

纤维增强复合材料，包括C/C、C/SiC等，因其具有低密度、良好的高温力学性能和高可靠性等特点，被认为是高推重比航空发动机热端部件的理想候选材料。但是在航空发动机燃烧室的有氧环境下，复合材料表面稳定性会急剧恶化，材料性能下降，从而制约材料在高温环境中的应用。利用环境障碍涂层(Environmental Barrier Coating,EBC)保护复合材料，从而减少航空发动机服役环境中腐蚀介质对复合材料的腐蚀，已成为未来热端部件发展的核心共性基础技术。

迄今为止，研究者探索了多种EBC材料体系，比如莫来石/YSZ(ZrO₂-8％wtY₂O₃)、Si/莫来石/BSAS((1-x)BaO-xSrO-Al₂O₃-2SiO₂,0≤x≤1)和Si/莫来石/稀土硅酸盐(如Er₂SiO₅、Yb₂SiO₅、和Lu₂SiO₅等)等。研究发现，与BSAS体系相比，稀土硅酸盐具有较低的热膨胀系数和良好的相稳定性以及优良的抗水蒸气腐蚀能力，被认为是最具潜力的EBC材料。但目前一些关于稀土硅酸盐环境障碍涂层材料体系的报道主要包括Si/稀土硅酸盐和Si/莫来石/稀土硅酸盐【1K.N.Lee,D.S.Fox,N.P.Bansal,Rare earth silicate environmentalbarrier coatings for SiC/SiC composites and Si3N4ceramics,J.Eur.Ceram.Soc.2005,25(10):1705-1715.2Y.Xu,X.X.Hu,F.F.Xu,K.W.Li,Rare earthsilicate environmental barrier coatings:Present status andprospective.Ceram.Int.,2017,43(8):5847-5855.】。这些EBC体系的不足之处是：(1)粘结层材料为Si，熔点约为1410℃，故而限制了稀土硅酸盐环境障碍涂层的极限应用温度，即要小于1400℃。(2)莫来石涂层存在非晶相和Al₂O₃相，在热循环过程中会在莫来石涂层内部产生裂纹。(3)在热循环过程中会产生贯穿涂层中间层和面层的裂纹，这使得腐蚀性物质会进入涂层内部，Si粘结层被氧化产生SiO₂，最终导致涂层开裂失效【3B.T.Richards,M.R.Begley,and H.N.G.Wadley,Mechanisms of ytterbium monosilicate/mullite/silicon coating failure during thermal cycling in water vapor,J.Am.Ceram.Soc.,2015,98(12):4066-4075.4B.T.Richards,K.A.Young,F.D.Francqueville,S.Sehr,M.R.Begley,H.N.G.Wadley,Response of ytterbiumdisilicate-silicon environmental barrier coatings to thermal cycling in watervapor,Acta Mater.,2016,106:1-14.】。为了提高发动机的燃油效率，获得更高的推重比，必须提高稀土硅酸盐环境障碍涂层的应用温度。