一种多层结构钡长石环境屏障涂层及其用途和制备方法
阅读说明：本技术 一种多层结构钡长石环境屏障涂层及其用途和制备方法 (Multi-layer structural celsian environment barrier coating and application and preparation method thereof ) 是由 张晰 张紫琦 刘典 李建章 成来飞 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种耐高温耐腐蚀涂层,具体涉及一种多层结构钡长石环境屏障涂层及其用途和制备方法,以解决现有技术中存在的硅基非氧化物陶瓷的环境屏障涂层材料层间热膨胀系数不匹配,易引起贯穿裂纹、开裂和剥落现象,导致涂层失效、基体材料氧化的问题。该涂层包括粘结层、组合中间层和面层,粘结层为覆盖在基体表面的硅层,组合中间层包括覆盖在硅层上的莫来石层,以及覆盖在莫来石层上的莫来石和掺锶钡长石混合层,面层为覆盖在莫来石和掺锶钡长石混合层上的掺锶钡长石层；粘结层厚度为90-120μm,组合中间层厚度为90-140μm,面层厚度为120-160μm,涂层总厚度≥300μm。该涂层所使用的基体材料为SiC基体、C/SiC复合材料基体或SiC/SiC复合材料基体。(The invention relates to a high-temperature-resistant corrosion-resistant coating, in particular to a barium feldspar environmental barrier coating with a multilayer structure, and application and a preparation method thereof, and aims to solve the problems that the thermal expansion coefficients of material layers of the environmental barrier coating of silicon-based non-oxide ceramic are not matched, through cracks, cracks and peeling phenomena are easily caused, the coating is ineffective, and a base material is oxidized in the prior art. The coating comprises a bonding layer, a combined middle layer and a surface layer, wherein the bonding layer is a silicon layer covering the surface of a substrate, the combined middle layer comprises a mullite layer covering the silicon layer, and a mixed layer of mullite and strontium-doped celsian covering the mullite layer, and the surface layer is a strontium-doped barium feldspar long stone layer covering the mixed layer of mullite and strontium-doped celsian; the thickness of the bonding layer is 90-120 μm, the thickness of the combined intermediate layer is 90-140 μm, the thickness of the surface layer is 120-160 μm, and the total thickness of the coating is more than or equal to 300 μm. The matrix material used by the coating is a SiC matrix, a C/SiC composite matrix or a SiC/SiC composite matrix.)
技术领域
本发明涉及一种耐高温耐腐蚀涂层，具体涉及一种多层结构钡长石环境屏障涂层及其用途和制备方法。
背景技术
随着航空发动机向大推力、高效率、低油耗的趋势发展，航空发动机所服役的环境条件将更加苛刻。为了实现航空发动机在高推重比及高效能上的突破，必须提高发动机中燃气的温度，而燃气温度的提高势必造成高压涡轮热端部件表面温度的提高，同时也对航空发动机热端部件材料提出更加严峻的考验。
鉴于航空发动机热端服役于高温、水氧腐蚀环境，且需满足疲劳载荷、超长寿命要求等特点，对于传统高温合金的热端部件材料，常使用热障涂层(Thermal BarrierCoatings，TBCs)对其进行高温防护，而对于新一代热端部件材料——陶瓷基复合材料则采用环境屏障涂层(Environment Barrier Coatings，EBCs)，以保护其免受水蒸气、熔盐、火山灰及其他环境因素腐蚀。环境屏障涂层是一种重要的热喷涂功能涂层，其能够在高温结构材料和发动机恶劣环境(如腐蚀性介质、高速气流冲刷等)间建立一道屏障，在发动机恶劣环境中对基体材料起到保护作用，以阻止或减小发动机环境对陶瓷基复合材料性能的影响，因而被广泛应用于航空发动机领域，其对提高发动机效率、增进推重比进而提升发动机整体性能具有重要意义。
目前，针对硅基非氧化物陶瓷的环境屏障涂层，在不高于1200℃的工作环境中多采用莫来石底层和氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ)顶层这种双层涂层结构，尽管氧化钇部分稳定的氧化锆具有优异的抗水氧侵蚀性能，可以对莫来石层形成保护，但由于其热膨胀系数约为莫来石的两倍，涂层材料在实际服役过程中存在层间热膨胀系数不匹配的问题，易产生贯穿裂纹，进而发生开裂和剥落现象，导致涂层失效、基体材料氧化。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的硅基非氧化物陶瓷的环境屏障涂层材料层间热膨胀系数不匹配，易引起贯穿裂纹、开裂和剥落现象，导致涂层失效、基体材料氧化的问题，而提供了一种多层结构钡长石环境屏障涂层及其用途和制备方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种多层结构钡长石环境屏障涂层，其特殊之处在于：
包括粘结层、组合中间层和面层；
所述粘结层为覆盖在基体表面的硅层；
所述组合中间层包括覆盖在硅层上的莫来石层，以及覆盖在莫来石层上的莫来石和掺锶钡长石混合层；
所述面层为覆盖在莫来石和掺锶钡长石混合层上的掺锶钡长石层；
所述粘结层厚度为90-120μm，组合中间层厚度为90-140μm，面层厚度为120-160μm，涂层总厚度≥300μm。
进一步地，所述莫来石和掺锶钡长石混合层的材料为莫来石和掺锶钡长石混合粉末，其中莫来石与掺锶钡长石的质量比为1：1-1.2。
进一步地，所述莫来石和掺锶钡长石混合粉末中，莫来石与掺锶钡长石的质量比为1：1。
进一步地，所述粘结层厚度为90-100μm，组合中间层厚度为90-110μm，面层厚度为120-140μm，涂层总厚度为300-350μm。
一种上述多层结构钡长石环境屏障涂层的用途，其特殊之处在于：
所使用的基体材料为SiC基体、C/SiC复合材料基体或SiC/SiC复合材料基体。
一种多层结构钡长石环境屏障涂层的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)制备粘结层
采用等离子喷涂方法，将硅粉粉末喷涂到基体材料上，形成硅层；
喷涂时，等离子体气体总气量为150-250lpm，其中N2占比为60-80％，H2占比为10-20％，Ar占比为10-30％，且三种气体比例总和为100％；载气流量为4-10slpm；喷涂距离为200-250mm；送粉速率为30-95g/min；
2)制备组合中间层
2.1)采用等离子喷涂方法，将莫来石粉末喷涂到硅层上，形成莫来石层；
喷涂时，等离子体气体总气量为120-200lpm，其中N2占比为60-80％，H2占比为20-40％，且两种气体比例总和为100％；载气流量为4-10slpm；喷涂距离为90-150mm；送粉速率为90-155g/min；
2.2)采用等离子喷涂方法，将莫来石和掺锶钡长石混合粉末喷涂到莫来石层上，形成莫来石和掺锶钡长石混合层；
喷涂时，等离子体气体总气量为120-200lpm，其中N2占比为60-80％，H2占比为20-40％，且两种气体比例总和为100％；载气流量为4-10slpm；喷涂距离为120-180mm；送粉速率为90-155g/min；
3)制备面层
采用等离子喷涂方法，将掺锶钡长石粉末喷涂到莫来石和掺锶钡长石混合层上，形成掺锶钡长石层；
喷涂时，等离子体气体总气量为120-200lpm，其中N2占比为60-80％，H2占比为20-40％，且两种气体比例总和为100％；载气流量为4-10slpm；喷涂距离为120-180mm；送粉速率为90-155g/min。
进一步地，步骤1)中，所述硅粉粉末的粉末粒度为200至600目；
步骤2.1)中，所述莫来石粉末的粉末粒度为200至600目；
步骤2.2)中，所述莫来石和掺锶钡长石混合粉末的粉末粒度为400至600目；
步骤3)中，所述掺锶钡长石粉末的粉末粒度为200至600目。
进一步地，步骤1)中，所述等离子体气体总气量为180-210lpm，其中N2占比为70％，H2占比为20％，Ar占比为10％；送粉速率为70-90g/min；
步骤2.1)中，所述等离子体气体总气量为150-180lpm，其中N2占比为70-75％，H2占比为25-30％；送粉速率为120-150g/min；
步骤2.2)中，所述等离子体气体总气量为150-180lpm，其中N2占比为70-75％，H2占比为25-30％；送粉速率为120-150g/min；
步骤3)中，所述等离子体气体总气量为150-180lpm，其中N2占比为70-75％，H2占比为25-30％；送粉速率为120-150g/min。
进一步地，步骤1)中，所述等离子体气体总气量为200lpm；载气流量为7slpm；送粉速率为85g/min；
步骤2.1)中，所述等离子体气体总气量为170lpm；载气流量为9slpm；送粉速率为140g/min；
步骤2.2)中，所述等离子体气体总气量为170lpm；载气流量为8slpm；送粉速率为130g/min；
步骤3)中，所述等离子体气体总气量为170lpm；载气流量为6slpm；送粉速率为105g/min。
进一步地，步骤2.2)中，所述莫来石和掺锶钡长石混合粉末通过干法球磨2h制得。
本发明相比现有技术的有益效果是：
(1)本发明所提供的多层结构钡长石环境屏障涂层能够胜任不高于1200℃的工作环境，涂层材料与基体材料结合良好，抗热冲击性能优异，在1200℃至室温空冷热循环的工作条件下不易发生开裂、剥落；
(2)本发明选用硅层、莫来石层及莫来石和掺锶钡长石混合层、掺锶钡长石层分别作为粘结层、组合中间层、面层，一方面由于硅与基体、莫来石与硅、莫来石与掺锶钡长石热膨胀系数相近，层间不易因热匹配失稳而产生开裂；另一方面在莫来石层和掺锶钡长石层之间制备莫来石和掺锶钡长石混合层作为过渡，使得层间热膨胀系数平缓过渡，可以有效避免涂层层间开裂剥落的现象；同时掺锶钡长石层作为面层，具有良好的抗水氧侵蚀性能，可有效提升涂层的整体性能；
(3)适度的涂层总厚度，不但可以有效抵御所服役的恶劣环境对基体表面的侵蚀，还可以有效控制涂层内部的缺陷和孔隙率；
(4)在SiC基体、C/SiC复合材料基体或SiC/SiC复合材料基体上制备该涂层，可用于航空发动机和涡轮燃气轮机热端部件，有效提升发动机及燃气轮机的整体性能。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例一
在C/SiC基体上制备多层结构钡长石环境屏障涂层，具体步骤如下：
1)制备粘结层
采用等离子喷涂方法，将粉末粒度为300目的硅粉粉末喷涂到基体材料上，形成硅层；
喷涂时，等离子体气体总气量为200lpm，其中N2占比为70％，H2占比为20％，Ar占比为10％；载气流量为7slpm；喷涂距离为235mm；送粉速率为85g/min；当硅层厚度达到90μm时，停止喷涂；
2)制备组合中间层
2.1)采用等离子喷涂方法，将粉末粒度为400目的莫来石粉末喷涂到硅层上，形成莫来石层；
喷涂时，等离子体气体总气量为150lpm，其中N2占比为70％，H2占比为30％；载气流量为4slpm；喷涂距离为130mm；送粉速率为150g/min；当莫来石层厚度达到60μm时，停止喷涂；
2.2)采用等离子喷涂方法，将粉末粒度为600目的莫来石和掺锶钡长石混合粉末喷涂到莫来石层上，形成莫来石和掺锶钡长石混合层；莫来石和掺锶钡长石混合粉末通过干法球磨2h制得，其中，莫来石与掺锶钡长石的质量比为1：1；
喷涂时，等离子体气体总气量为120lpm，其中N2占比为60％，H2占比为40％；载气流量为8slpm；喷涂距离为180mm；送粉速率为90g/min；当莫来石和掺锶钡长石混合层厚度达到30μm时，停止喷涂；
3)制备面层
采用等离子喷涂方法，将粉末粒度为350目的掺锶钡长石粉末喷涂到莫来石和掺锶钡长石混合层上，形成掺锶钡长石层；
喷涂时，等离子体气体总气量为170lpm，其中N2占比为80％，H2占比20％；载气流量为5slpm；喷涂距离为135mm；送粉速率为100g/min；当掺锶钡长石层厚度达到120μm时，停止喷涂。
对本实施例制备的多层结构钡长石环境屏障涂层进行热冲击测试，将试样放入高温试验炉，随炉升温至1200℃并保温10分钟，随后停止加热，取出试样放置室温，待试样温度降为室温后进行观察，记录涂层出现鼓泡、裂纹、剥落时的热冲击次数，如此循环直至涂层出现剥落时停止试验。测试结果为：涂层热冲击100次时，涂层结构依然完整，未发生开裂及剥落现象，符合涂层质量要求。
实施例二
在SiC基体上制备多层结构钡长石环境屏障涂层，具体步骤如下：
1)制备粘结层
采用等离子喷涂方法，将粉末粒度为600目的硅粉粉末喷涂到基体材料上，形成硅层；
喷涂时，等离子体气体总气量为150lpm，其中N2占比为60％，H2占比为10％，Ar占比为30％；载气流量为10slpm；喷涂距离为200mm；送粉速率为45g/min；当硅层厚度达到120μm时，停止喷涂；
2)制备组合中间层
2.1)采用等离子喷涂方法，将粉末粒度为200目的莫来石粉末喷涂到硅层上，形成莫来石层；
喷涂时，等离子体气体总气量为120lpm，其中N2占比为60％，H2占比为40％；载气流量为9slpm；喷涂距离为180mm；送粉速率为130g/min；当莫来石层厚度达到80μm时，停止喷涂；
2.2)采用等离子喷涂方法，将粉末粒度为400目的莫来石和掺锶钡长石混合粉末喷涂到莫来石层上，形成莫来石和掺锶钡长石混合层；莫来石和掺锶钡长石混合粉末通过干法球磨2h制得，其中，莫来石与掺锶钡长石的质量比为1：1.1；
喷涂时，等离子体气体总气量为200lpm，其中N2占比为80％，H2占比为20％；载气流量为5slpm；喷涂距离为120mm；送粉速率为115g/min；当莫来石和掺锶钡长石混合层厚度达到60μm时，停止喷涂；
3)制备面层
采用等离子喷涂方法，将粉末粒度为500目的掺锶钡长石粉末喷涂到莫来石和掺锶钡长石混合层上，形成掺锶钡长石层；
喷涂时，等离子体气体总气量为140lpm，其中N2占比为70％，H2占比30％；载气流量为8slpm；喷涂距离为165mm；送粉速率为155g/min；当掺锶钡长石层厚度达到160μm时，停止喷涂。
对本实施例制备的多层结构钡长石环境屏障涂层进行热冲击测试，将试样放入高温试验炉，随炉升温至1200℃并保温10分钟，随后停止加热，取出试样放置室温，待试样温度降为室温后进行观察，记录涂层出现鼓泡、裂纹、剥落时的热冲击次数，如此循环直至涂层出现剥落时停止试验。测试结果为：涂层热冲击100次时，涂层结构依然完整，未发生开裂及剥落现象，符合涂层质量要求。
实施例三
在SiC/SiC基体上制备多层结构钡长石环境屏障涂层，具体步骤如下：
1)制备粘结层
采用等离子喷涂方法，将粉末粒度为400目的硅粉粉末喷涂到基体材料上，形成硅层；
喷涂时，等离子体气体总气量为190lpm，其中N2占比为70％，H2占比为10％，Ar占比为20％；载气流量为5slpm；喷涂距离为250mm；送粉速率为55g/min；当硅层厚度达到100μm时，停止喷涂；
2)制备组合中间层
2.1)采用等离子喷涂方法，将粉末粒度为350目的莫来石粉末喷涂到硅层上，形成莫来石层；
喷涂时，等离子体气体总气量为120lpm，其中N2占比为65％，H2占比为35％；载气流量为9slpm；喷涂距离为125mm；送粉速率为140g/min；当莫来石层厚度达到20μm时，停止喷涂；
2.2)采用等离子喷涂方法，将粉末粒度为500目的莫来石和掺锶钡长石混合粉末喷涂到莫来石层上，形成莫来石和掺锶钡长石混合层；莫来石和掺锶钡长石混合粉末通过干法球磨2h制得，其中，莫来石与掺锶钡长石的质量比为1：1.2，掺锶钡长石比例过高将影响喷涂效果；
喷涂时，等离子体气体总气量为120lpm，其中N2占比为80％，H2占比为20％；载气流量为5slpm；喷涂距离为160mm；送粉速率为110g/min；当莫来石和掺锶钡长石混合层厚度达到90μm时，停止喷涂；
3)制备面层
采用等离子喷涂方法，将粉末粒度为600目的掺锶钡长石粉末喷涂到莫来石和掺锶钡长石混合层上，形成掺锶钡长石层；
喷涂时，等离子体气体总气量为160lpm，其中N2占比为75％，H2占比25％；载气流量为6slpm；喷涂距离为130mm；送粉速率为120g/min；当掺锶钡长石层厚度达到140μm时，停止喷涂。
对本实施例制备的多层结构钡长石环境屏障涂层进行热冲击测试，将试样放入高温试验炉，随炉升温至1200℃并保温10分钟，随后停止加热，取出试样放置室温，待试样温度降为室温后进行观察，记录涂层出现鼓泡、裂纹、剥落时的热冲击次数，如此循环直至涂层出现剥落时停止试验。测试结果为：涂层热冲击100次时，涂层结构依然完整，未发生开裂及剥落现象，符合涂层质量要求。
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