[发明专利]一种抗热震与抗高温水蒸气腐蚀的硅酸镱复合涂层及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种抗热震与抗高温水蒸气腐蚀的硅酸镱复合涂层及其制备方法和应用，所述硅酸镱复合涂层的物相组成包括主相Yb₂SiO₅和第二相Yb₂Si₂O₇，所述第二相Yb₂Si₂O₇的含量为10～50 mol.%。

技术领域

本发明涉及一种抗热震与抗高温水蒸气腐蚀的硅酸镱复合涂层及其制备方法和应用，属于涂层领域。

背景技术

硅基陶瓷材料具备优异的高温力学性能，有望成为新一代的航空发动机材料。但其在服役环境中，易受高温水蒸气腐蚀而导致性能急剧恶化。在硅基陶瓷表面制备环境障碍涂层(Environmental barrier coating，EBC)，是延长其服役寿命的有效途径之一。

研究发现，硅酸镱涂层(包括Yb₂SiO₅和Yb₂Si₂O₇)相稳定性较好、热膨胀系数较低、抗高温水蒸气腐蚀性优异、价格低廉，得到了研究者们的广泛关注。如使用大气等离子体喷涂法在硅基陶瓷基体表面制备Si(粘结层)/Yb₂SiO₅(顶层)双层EBC体系或Si(粘结层)/莫来石(中间层)/Yb₂SiO₅(顶层)三层EBC体系，可使基体在高温水蒸气环境中的服役寿命显著提高【1K.N.Lee,D.S.Fox,N.P.Bansal,Rare earth silicate environmental barriercoatings for SiC/SiC composites and Si₃N₄ceramics,J.Eur.Ceram.Soc.,2005,25(10):1705-1715.2B.T.Richards,M.R.Begley,H.N.G.Wadley,Mechanisms of YtterbiumMonosilicate/Mullite/Silicon Coating Failure During Thermal Cycling in WaterVapor,J.Am.Ceram.Soc.,2015,98(12):4066-4075.】。但是由于Yb₂SiO₅涂层与硅基陶瓷基体热膨胀系数仍相差较大，随着热循环次数的增多，涂层中出现贯穿裂纹至Si层，使得Si层被氧化腐蚀，导致涂层失效，抗热震性能较差，仍难以满足航空发动机的设计要求【1K.N.Lee,D.S.Fox,N.P.Bansal,Rare earth silicate environmental barriercoatings for SiC/SiC composites and Si₃N₄ceramics,J.Eur.Ceram.Soc.,2005,25(10):1705-1715.3B.T.Richards,S.Sehr,F.de Franqueville,M.R.Begley,H.N.G.Wadley,Fracture mechanisms of ytterbium monosilicate environmentalbarrier coatings during cyclic thermal exposure,Acta Materialia,2016,103:448-460.】。选用热膨胀系数与硅基陶瓷基体更为接近的Yb₂Si₂O₇涂层作为顶层材料组成Si(粘结层)/Yb₂Si₂O₇(顶层)双层EBC体系，其抗热震性能相对于Yb₂SiO₅涂层显著提高，上千次热循环(1316℃-60min至110℃-10min，90％H₂O/10％O₂，流速4.4cm/s)后，涂层内部仍无明显裂纹产生。但同时发现，Yb₂Si₂O₇涂层表面生成一层多孔且含贯穿裂纹的Yb₂SiO₅层，说明Yb₂Si₂O₇涂层抗高温水蒸气腐蚀性能较差，影响涂层的寿命【4B.T.Richards,K.A.Young,F.de Francqueville,S.Sehr,M.R.Begley,et al.,Response of ytterbium disilicate-silicon environmental barrier coatings to thermal cycling in water vapor,ActaMaterialia,2016,106:1-14.】。