[发明专利]一种热-环境障碍涂层及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种热‑环境障碍涂层及其制备方法与应用，属于高温发动机技术领域。该热‑环境障碍涂层包括用于在基体表面由内至外依次设置的粘结层、第一陶瓷层、第二陶瓷层和隔热层；粘结层的成分包括Si和HfO₂，HfO₂在粘结层中的含量为70wt％；第一陶瓷层的成分包括Yb₂Si₂O₇；第二陶瓷层的成分包括Yb₂SiO₅；隔热层的成分包括Gd₂Zr₂O₇和Yb。该热‑环境障碍涂层同时具有良好的抗高温水氧腐蚀性能及高温隔热性能，将其用作航空发动机或燃气轮机的防护涂层，能够有效避免涂层分层剥落失效的问题。该热‑环境障碍涂层的制备方法简单，条件可控，可工业化制备。

技术领域

本发明涉及高温发动机技术领域，具体而言，涉及一种热-环境障碍涂层及其制备方法与应用。

背景技术

航空发动机和燃气轮机是各国航空领域发展的重点研究对象，其面向高推重比、高涵道比和高热机效率发展，涡轮前进口温度日益提高，且伴随着热端部件的重量减轻，为新型发动机超短起降、垂直起降等新一代战机提供更可靠的动力。

高推重比是航空发动机发展的目标，未来航空发动机涡轮前进口温度将大于1700℃，传统高温合金材料服役温度1150℃，Ni3Al单晶高温极限温度为1200℃，为满足先进航空发动机发展的需要，必须寻找能够代替镍基合金并可以在更高温度下稳定使用的新型高温结构材料。Cf/SiC和SiCf/SiC陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composite，CMC)由于密度为高温合金的1/3-1/4，强度为其2倍，且膨胀系数低、结构耐久性好、断裂韧性及损失容限高，是未来航空发动机热端部件的首选材料。

高温干燥环境中，硅基氧化物陶瓷材料表面会生成致密的SiO₂保护层，阻止其进一步氧化。但是在高流速水蒸气燃烧环境下，其受到严重水氧腐蚀，稳定性急剧下降。因此在航空发动机苛刻服役环境下，单纯依靠本征性能提高难以满足未来设计要求，以SiCf/SiC为代表的陶瓷基复合材料部件如直接使用将直接威胁发动机的安全，环境障涂层(Environmental Barrier Coating，EBC)可以有效解决这一问题。环境障涂层涂覆于硅基陶瓷材料表面，可将硅基陶瓷同发动机内部腐蚀性物质隔开，尤其是水蒸气，以提高基体材料在服役环境下的表面稳定性，以此提高涡轮发动机的服役温度，增强相关热端部件抗氧化及耐冲蚀性能，延长发动机的使用寿命。

西方发达国家对CMC材料EBC防护涂层研究起步较早，部分构件已达到实用水平，技术相对成熟。2015年，美国GE公司在F414涡轮发动机验证机上安装了带防护涂层的SiCf/SiC旋转低压涡轮叶片，成功试验了世界上首个非静子CMC组件，为该先进材料在战斗机自适应发动机和下一代商用发动机上的应用奠定了基础。

目前，国内相关机构也已开展了TBC涂层制备及失效机制研究、SiCf/SiC CMC的EBC涂层制备及失效机理研究，在CMC材料本征特性、TBC涂层及EBC涂层的沉积机理、涂层工艺稳定性等方面有了一定的积累，但在CMC材料体系的防护涂层材料、结构设计、性能评价等方面，整体水平与西方发达国家还存在一定差距。

随着航空发动机推重比设计要求的提高，目前的EBC涂层仍存在发生分层剥落失效的问题。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一包括提供一种热-环境障碍涂层，其能够有效避免出现分层剥落失效的问题。

本发明的目的之二包括提供一种上述热-环境障碍涂层的制备方法。

本发明的目的之三包括提供一种上述热-环境障碍涂层的应用。

本发明的目的之四包括提供一种具有上述热-环境障碍涂层的航空发动机。