[发明专利]一种超高温封严涂层材料、涂层及其制备方法

说明书

本发明提供了一种可用于1200℃以上的超高温封严涂层粉末材料、涂层及其制备方法，属于热喷涂技术领域。该材料由SiC、Si和BN三种主要组分组成，通过多种团聚工艺将粉末形态原料制备成具有不同颗粒结构的复合粉末，通过热喷涂、压制烧结‑钎焊等工艺制备成封严涂层，最高使用温度可达1350℃，比现有高温封严涂层使用温度提高了150℃以上，涂层与CMC等陶瓷基复合材料基体匹配性良好，可充分发挥陶瓷基复合材料的耐高温优势，在新一代航空发动机和燃气轮机中具有广泛用途。

技术领域

本发明属于热喷涂技术领域，涉及封严涂层材料及其制备技术领域，旨在提供一种使用温度达1350℃、适用于CMC等超高温陶瓷基复合材料基体的超高温封严涂层材料、涂层及其制备方法。

背景技术

CMC陶瓷基复合材料具有重量轻、强度高和耐高温性好的优点，在燃气涡轮的热端部件中具有广阔的应用前景，其使用温度可达1500℃。然而采用CMC制备的涡轮部件在高温高速工况下易被刮伤、擦伤和材料粘附等，而后材料性能急剧下降，需采用封严涂层对CMC基体进行防护。目前应用温度最高的封严涂层最高使用温度仅1200℃，无法充分发挥CMC陶瓷基复合材料基体的超高温特性，急需一种使用温度超过1200℃、且与CMC基材有良好匹配性的超高温封严涂层。

目前能够应用于燃气涡轮高温段的封严涂层材料主要包括MCrAlY(M代表Ni、Co或NiCo)基和氧化锆基两类，MCrAlY基封严涂层为金属材料，极限使用温度仅1100℃，高于该温度材料即发生软化和熔化；氧化锆基涂层的最高使用温度不超过1200℃，高于此温度会因相变、烧结硬化等使涂层寿命急剧降低。要满足高于1200℃的应用要求，涂层材料既要有高的熔点，还要有优异的热稳定性、抗高温氧化性和耐热腐蚀性，并且与CMC基材的热膨胀系数匹配，以及密度尽量低，以满足航空发动机减重的要求。因此，超高温封严涂层一直是封严涂层材料设计的难点和瓶颈。国内外未见有使用温度达1350℃的高温封严涂层材料公开报导。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种使用温度达到1350℃的、且与CMC基体匹配的超高温封严涂层材料、涂层及其制备方法，该封严涂层材料以耐热性达到1600℃以上、且与CMC基体热膨胀系数匹配的轻质耐高温材料SiC为基相，保证涂层在CMC基体上具有优异的热循环寿命。材料中添加单质Si，保证涂层在1300℃以上高温环境下的抗氧化性；十分关键的是，单质Si弥散分布于SiC基相骨架中，在高温环境下生成的SiO₂可阻止SiC基相骨架因长期高温服役产生烧结致密化，使涂层始终保持优异的性能，满足长寿命使用要求。以氮化硼为填充组分，提升对涂层中孔洞尺寸与数量、组织形貌和涂层硬度等涂层组织性能的可控性。

本发明公开的一种超高温封严涂层粉末材料，其特征在于所述粉末是碳化硅、硅、氮化硼和粘结剂的复合颗粒粉末，按重量计各组分含量为：BN：0.1～60％，Si：0.1～20％，粘结剂：0.1～10％，SiC：余量。

本发明还公开了所述超高温封严涂层粉末材料的颗粒结构，其特征在于构成粉末的复合颗粒具有以下所述任一种结构：(1)单层包覆结构：SiC、Si、BN中任意2种组分构成的包覆层包覆第3种组分；(2)双层包覆结构：SiC、Si、BN中以任意1种组分为核心，另外两种组分以任意顺序逐层包覆第3种组分；(3)团聚混合结构：SiC、Si、BN三种组分混合。

本发明还公开了所述超高温封严涂层材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

在搅拌设备中加入BN粉末进行搅拌，同时加入总原料重量1～10％的粘结剂；粘结剂与BN粉末充分润湿后，加入粒度小于50μm的SiC粉和Si粉，再进行均匀搅拌，停机出料，干燥。

本发明还公开了另一种所述超高温封严涂层材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：