[发明专利]一种稀土镥硅酸盐复合环境障涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种稀土镥硅酸盐复合环境障涂层及其制备方法，所述稀土镥硅酸盐复合环境障涂层由SiC/SiC基体、莫来石层和质量比为6:4的Lu₂Si₂O₇和Lu₂SiO₅复合面层组成。采用等离子喷涂与物理气相沉积组合制备方法，分别以粒径为18～58μm的莫来石粉末和粒径为62～105μm的Lu₂Si₂O₇和Lu₂SiO₅复合粉末为原料，依次在SiC/SiC基体上制备了莫来石层，在莫来石层上制备了Lu₂Si₂O₇和Lu₂SiO₅复合面层，根据本发明制备的一种稀土镥硅酸盐复合环境障涂层，在1723K下具有良好的抗水氧腐蚀能力，有效减缓了裂纹的产生，有效避免了高温下SiC/SiC基体的氧化和性能衰退。

技术领域

本发明涉及一种涂层结构的设计与制备领域；具体主要涉及一种SiC/SiC材料表面稀土镥硅酸盐复合环境障涂层及其制备方法。

背景技术

随着航空和国防工业的发展，人们对高效率、大推重比航空发动机的需求愈加强烈，这无一例外对航空发动机热端部件提出更苛刻的要求，如更高的温度、更快的速度、更高的压力、恶劣的腐蚀环境等。镍基高温合金因其耐温能力有限(极限使用温度约1150℃)及自身具有的高密度特点已经严重限制了其在可靠高温结构材料上的应用，难以满足大推重比，高性能航空发动机发展的迫切需求。寻求取代镍基高温合金的轻质、高强、耐超高温、抗氧化的材料成为该领域的研究热点。

硅基非氧化物陶瓷及其复合材料(SiC、C_f/SiC、SiC_f/SiC，etc.)具有优异的物理性能和高温力学性能在航空发动机高温热端部件上展示出了巨大的应用潜力。然而，在航空发动机工作的高温，氧气，水蒸气和熔盐等腐蚀气氛环境下，硅基非氧化物陶瓷表面易被氧化生成SiO₂、进一步与高速流动的水蒸气反应产生挥发性的Si(OH)_X，最终导致材料的失效。因此，为解决航空发动机工作环境下的腐蚀问题，需要在硅基非氧化物陶瓷材料表面制备一层环境障涂层(Environmental Barrier Coatings，简称EBC)用以阻止氧气、水蒸气、和熔盐向基体的扩散，满足材料在腐蚀环境下的长时间使用要求。

第一代(mullite/YSZ)和第二代(Si/mullite or mullite+BSAS/BSAS)环境障涂层材料体系，分别因热膨胀系数差异过大和耐温能力有限(＜1350℃)等问题而逐渐被Si/mullite/RE-silicate(RE＝Y、Yb、Er、S_C、Lu)体系所取代。当前，对硅酸镥块体及其作为EBC面层材料的研究表明，单独采用Lu₂Si₂O₇或Lu₂SiO₅作为EBC的面层材料在发动机工作环境下都会发生涂层韧性下降、产生裂纹、导致基体材料被破坏的严重后果。

制备技术是影响EBC寿命的又一关键因素。传统的涂层制备方法有刷涂法、化学气相沉积、浆料浸渍、溶胶凝胶等，这些方法虽然制备简单可行，成本较低，但是存在工艺可控性差，产生有毒气体、制备的涂层较薄，结合强度较低等缺陷；无法满足环境障涂层在高温、高压、高速冲刷及腐蚀环境中使用。大气等离子喷涂是第三代环境障涂层中应用较多且最成熟的技术，但是该技术也存在一些弊端，由于在大气环境中喷涂，基体温度不高，涂层沉积在基体表面瞬间，由于和基体温差较大，涂层由于热应力的作用容易产生微裂纹。

发明内容