[发明专利]一种环境障碍涂层及其制备方法和应用

说明书

本发明提供的环境障碍涂层，由包覆在C/SiC复合材料上的由内向外依次设置的SiC粘结层、莫来石中间层和硅酸镱外涂层组成。该涂层采用二次化学气相沉积法制备得到SiC涂层包覆的C/SiC复合材料；溶胶‑凝胶结合空气喷涂工艺制备莫来石中间层，固体反应烧结+空气喷涂工艺制备硅酸镱外涂层。本发明通过巧妙的EBC涂层体系和制备工艺的设计，首次通过固相反应烧结结合空气喷涂工艺制备硅酸镱外涂层，使莫来石中间层和硅酸镱外涂层之间结合紧密，涂层致密无裂纹。对传统溶胶‑凝胶工艺做了很大程度上的改进，极大程度上避免了传统溶胶‑凝胶法制备涂层在烧结过程中开裂、剥落、结合力差的不足，能满足大型构件和异形件的使用。

技术领域

本发明涉及高温抗氧化/抗腐蚀复合涂层制备技术领域，更具体地，涉及一种环境障碍涂层及其制备方法和应用。

背景技术

高推重比是高性能航空发动机的衡量标志之一，提高发动机涡轮前进气口温度和降低材料的密度可显著提高其推重比。目前，传统高温合金材料的应用温度已经接近极限。C/SiC复合材料与传统高温合金材料相比，具有密度低、硬度高、高温力学性能优异、抗热震能力强等优点，C/SiC复合材料的比强度高，能保持在1600℃而不降低，是一种非常理想的高温结构材料，在航空航天、能源化工、武器装备、交通运输等领域具有广阔的应用前景。

但是，C/SiC复合材料中的碳纤维于400℃以上开始氧化，SiC基体在1200℃以上温度氧化形成的SiO₂膜会与环境中的水蒸气反应生成具有挥发性的Si(OH)x，使其力学性能降低。C/SiC复合材料高温环境下，对氧气的敏感性限制了其在高性能航空发动机上的应用。为此，解决高温有氧环境下C/SiC复合材料中碳纤维的氧化问题成为其能在航空发动机上应用的关键技术。在包括C/SiC复合材料内的陶瓷基复合材料(CMC)上制备环境障碍涂层(Environmental barrier coating, EBC)，能保证其在高温有氧环境中长期稳定运行，已经成为未来热端部件发展的核心技术之一。

目前，主流的EBC涂层制备方法为等离子喷涂和物理气相沉积法，但这两种方法的工艺复杂、设备昂贵、制备成本较高。其它常用方法如溶胶-凝胶法虽然制备工艺简单、成本低廉，但制备的涂层容易收缩、开裂，不适合大型构件和异形件的制备。

因此，发展低成本、高效率且适合大型构件和异形件的新型涂层制备技术，对未来EBC涂层的发展具有十分重要意义。在大型构件和异形件的C/SiC复合材料表面制备多层的EBC涂层，以提高发动机热端材料在复杂环境的应用能力，对推动高性能航空发动机的发展具有重要的指导意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，本发明提供一种环境障碍涂层及其制备方法，该方法简单、效率高、设备和制备成本低，可实现多层涂层的制备，能满足大型构件和异形件的制备要求。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

公开一种环境障碍涂层，由包覆在C/SiC复合材料上的由内向外依次设置的SiC粘结层、莫来石中间层和硅酸镱外涂层组成。

本发明的环境障碍涂层主要由粘结层/中间层/外涂层三层结构组成。SiC涂层具有与C/SiC复合材料相近的热膨胀系数，且二者的相容性非常好，故选用SiC涂层作为EBC涂层的粘结与过渡层，可有效阻挡氧气向基体扩散。莫来石具有较低的热传导系数和热膨胀系数，高温相稳定性好和高温强度高等优点，且莫来石具有与SiC涂层相近的热膨胀系数，是非常理想的EBC涂层中间层材料，可以阻碍氧气向内部的扩散。硅酸镱具有熔点高，高温下与莫来石的化学稳定性好，抗水蒸气环境腐蚀能力强等优点，用作环境障碍涂层的外涂层，以提高涂层在高温水氧环境的抗腐蚀能力。

本发明的另一目的在于提供一种环境障碍涂层的制备方法，包括以下步骤：

S1.二次化学气相沉积法制备SiC粘结层