[发明专利]一种环境障涂层用空心球形BSAS粉末的制备方法

说明书

本发明提供了一种环境障涂层用空心球形BSAS粉末的制备方法，属于陶瓷粉末加工技术领域。该粉末制备方法包括以下步骤：一、将钡盐、锶盐、铝盐按比例加入去离子水中搅拌至完全溶解，得到混合溶液；二、进行共沉淀处理，得到混合物；三、将混合物与硅酸进行水热反应；四、将水热反应产物经过滤、洗涤和烘干后，与去离子水及粘结剂混合均匀，得到浆料；五、进行喷雾干燥处理，得到粒料；六、进行烧结处理；七、进行等离子球化和筛分处理，得到空心球形BSAS粉末。采用本发明制备的BSAS粉末为单斜相、空心球形结构，各成分分布均匀、纯度高、结晶度高；本发明工艺过程中设备简单，生产成本低，适于工业化大规模生产。

技术领域

本发明涉及一种环境障涂层用空心球形BSAS粉末的制备方法，属于陶瓷粉末加工技术领域。

背景技术

新一代高推重比航空发动机的迅速发展，使得高压涡轮热端部件的工作温度不断提高，提高涡轮前进口温度可以有效提升发动机的推重比和热效率，并且同时提升发动机运行的经济性。Si基陶瓷复合材料，如SiC纤维增强SiC陶瓷复合材料以及Si₃N₄等，具有耐高温(长期使用温度最高达到1650℃)、低密度、高强度、高模量、抗氧化、抗烧蚀和对裂纹不敏感等特点，是新一代大推重比航空发动机理想的高温热结构材料。虽然Si基陶瓷复合材料具有很多优良的性能，但是在高温有氧环境下的氧化敏感性成为制约其在高推比航空发动机应用的主要原因。在干燥的O₂环境中，Si基陶瓷复合材料其表面能够形成一层致密的SiO₂，具有极好抗氧化性。然而发动机实际服役环境中包含许多腐蚀性介质，如高温、高压水蒸气、O₂以及各种熔盐杂质(Na、Cl和S等)，这些腐蚀性介质，尤其是水蒸气和熔盐杂质，能够与Si基陶瓷复合材料氧化生成的SiO₂保护层反应，生成易挥发的气态物质Si(OH)_x，使其丧失保护基体的作用，导致Si基陶瓷复合材料性能不断恶化，成为制约Si基陶瓷复合材料在发动机热端部件中应用的重要因素。因此解决高温燃气环境下的抗氧化和抗腐蚀问题是Si基陶瓷复合材料在航空发动机上应用的关键。

通过在热端部件表面涂覆环境障涂层(Environmental barrier coatings，简称EBCs)，利用陶瓷面层耐腐蚀、低热导率的特性，在高温工作介质和热端部件之间形成隔热屏障，可减缓发动机工作环境对部件的腐蚀，从而延长部件使用寿命的目的。使用EBCs同时还可以避免高温燃气对热端部件的直接腐蚀，降低系统对燃料品质的要求，节约系统运行成本；还可以在不改变部件工作温度的基础上，提高发动机涡轮前进口温度，提升系统的性能并降低燃料消耗率和污染物的排放。

EBCs一般由粘接层、中间层和面层组成。目前，通常选用Si作为粘接层、莫来石作为中间层、BSAS(1-xBaO-xSrO-Al₂O₃-2SiO₂，0x1)作为面层防护材料。目前应用较为普遍的EBCs制备技术主要有浆料浸渍和等离子喷涂。但浆料浸渍存在着制备周期长且涂层性能差等缺点。等离子喷涂具有成本低、工艺简单、可进行大规模生产等优点，是目前应用最广泛的热障涂层制备方法。BSAS面层作为环境障涂层的核心，BSAS涂层的性能如热导率和力学强度等主要由其微观结构如扁平粒子间的结合率、扁平粒子的界面比和孔隙率等决定。研究表明，采用空心结构的粉末等离子喷涂涂层时，在粉末被喷枪焰流加热熔化后，空心粉末中的气泡能够被保留在熔滴中，含有气泡的熔滴与基体碰撞、铺展凝固后，所形成的“扁平粒子”厚度更加均匀，缺陷更少，由此类“扁平粒子”堆叠形成的涂层将具有适中的孔隙率，高的“扁平粒子”界面比，涂层不仅具有高的力学强度，同时也具有极低的热导率。