一種SiCf/SiC複合材料導向器葉片的環境防護塗層及其製備方法與流程
2023-08-08 05:09:06 1
本發明涉及表面工程領域，具體主要涉及一種sicf/sic複合材料導向器葉片的環境防護塗層及其製備方法。
背景技術：
未來四代航空發動機的導向器葉片將廣泛採用sicf/sic複合材料。但是，在航空發動機熱端部件服役環境中，sicf/sic必須面臨苛刻的使用環境，包括高溫、高壓、高應力、氧化氣氛與腐蝕氣氛等，其中sic氧化生成的sio2與水蒸氣反應產生揮發性的si(oh)x，加速了基體材料的氧化，導致複合材料的性能急劇下降，過早失效，因此，必須在複合材料表面製備環境防護塗層來改善其環境使用性能，提高零件的服役壽命。
傳統的環境防護塗層主要由矽/莫來石/稀土矽酸鐿（si/莫來石/yb2sio5）三層組成，該塗層體系已基本滿足1400℃燃氣環境中的長期使用。但是，不能滿足1400℃以上的長期使用要求，進一步限制了傳統環境防護塗層在航空發動機複合材料導向器葉片上的應用。
環境防護塗層主要製備方法有等離子噴塗法、漿料浸漬法。等離子噴塗法可以獲得緻密、結合強度高的塗層，並在多領域獲得實際應用。隨著等離子噴塗技術的快速發展，一種新型的塗層製備技術在熱障塗層領域出現，該塗層製備技術稱為等離子噴塗～物理氣相沉積（ps-pvd）。ps-pvd是在物理氣相沉積與等離子噴塗方法的基礎上發展起來的新型塗層製備方法，可通過氣相、液相與固相共沉積，可實現不同組織結構的複合設計。用ps-pvd製備環境防護塗層可以實現粘結層、過渡層、環境障層和熱障層的一次製備，塗層組織結構設計性強等獨特的優點。目前，並未有公開報導採用ps-pvd製備si/莫來石/yb2sio5/la2zr2o7環境防護塗層的相關文獻及專利。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種sicf/sic複合材料導向器葉片的環境防護塗層的製備方法，解決了傳統環境保護塗層不能在1400℃以上的燃氣環境中長期使用的問題。
本發明一種sicf/sic複合材料導向器葉片的環境防護塗層，以確保航空發動機的sicf/sic複合材料導向器葉片在1400℃以上燃氣環境中長期使用，由裡向外依次包括si粘結層、莫來石過渡層、yb2sio5環境障層和la2zr2o7熱障層。
進一步的，上述一種sicf/sic複合材料導向器葉片的環境防護塗層，所述si粘結層的製備原料為矽粉，其純度≥99.99%，粉末粒度為5～38μm；所述莫來石過渡層由22.0~28.0wt%的sio2粉末與72.0~78.0wt%的al2o3粉末混合製備而成，混合粉末粒度為5～38μm；所述yb2sio5環境障層的製備原料為yb2sio5粉，其純度≥99.99%，粉末粒度為5～38μm；所述la2zr2o7熱障層的製備原料為la2zr2o7粉末，其純度≥99.99%，粉末粒度為5～38μm。
本發明還提供一種sicf/sic複合材料導向器葉片的環境防護塗層的製備方法。
本發明sicf/sic複合材料導向器葉片的環境防護塗層的製備方法，依次包括：
si粘結層製備，採用噴塗設備在葉片表面噴塗製作si粘結層；
莫來石過渡層製備，採用噴塗設備在si粘結層外噴塗製作莫來石過渡層；
yb2sio5環境障層製備，採用噴塗設備在莫來石過渡層外噴塗製作yb2sio5環境障層；
la2zr2o7熱障層製備，採用噴塗設備在yb2sio5環境障層外噴塗製作la2zr2o7熱障層。
進一步的，上述sicf/sic複合材料導向器葉片的環境防護塗層的製備方法，所述的噴塗設備為等離子噴塗—物理氣相沉積設備，所述的等離子噴塗—物理氣相沉積設備通過氣相、液相與固相共沉積，實現不同組織結構的複合設計。
進一步的，上述sicf/sic複合材料導向器葉片的環境防護塗層的製備方法，還包括在製備si粘結層前，對sicf/sic複合材料導向器葉片基體進行預熱處理，預熱溫度為1000～1200℃。
進一步的，上述sicf/sic複合材料導向器葉片的環境防護塗層的製備方法，所述si粘結層的噴塗工藝參數為：真空度為150～200pa，工作電流為2000～2200a，氬氣流量為60～65l/min，氦氣流量為50～55l/min，送粉量為5～6g/min，噴塗距離為1000～1200mm，噴塗厚度為20～50μm，噴塗5～7次。
進一步的，上述sicf/sic複合材料導向器葉片的環境防護塗層的製備方法，所述莫來石過渡層的噴塗工藝參數為：真空度150～200pa，工作電流為2500～2700a，氬氣流量為60～65l/min，氦氣流量為60～65l/min，送粉量為5～6g/min，噴塗距離為400～450mm，噴塗厚度為20～50μm，噴塗7～9次。
進一步的，上述sicf/sic複合材料導向器葉片的環境防護塗層的製備方法，所述yb2sio5環境障層的噴塗工藝參數為：真空度150～200pa，工作電流為2000～2200a，氬氣流量為60～65l/min，氦氣流量為60～65l/min，送粉量為5～6g/min，噴塗距離為400～450mm，噴塗厚度為50～150μm，噴塗18～22次。
進一步的，上述sicf/sic複合材料導向器葉片的環境防護塗層的製備方法，所述la2zr2o7熱障層的噴塗工藝參數為：真空度為150～200pa，工作電流為2000～2200a，氬氣流量為70～75l/min，氦氣流量為70～75l/min，送粉量為10～15g/min，噴塗距離為1000～1100mm，噴塗厚度為50～150μm，噴塗15～17次。
本發明的有益效果是：在傳統環境防護塗層中新增la2zr2o7熱障層，使其在1400～1700℃的燃氣衝刷試驗持續1000h塗層無失效，適用於高性能導向器葉片環境防護塗層的製備；ps-pvd工藝可調範圍廣，組織結構變化多樣，通過工藝參數的調整，可以在同一個設備上完成矽粘結層、莫來石過渡層、環境障層和熱障層的製備；ps-pvd通過噴槍加熱可以有效控制基體溫度，在製備莫來石塗層的沉積過程中可有效防止發生非晶反應，提高塗層的使用壽命；ps-pvd具有非視線工藝性，可以更方便應用於製備航空發動機導向器葉片等複雜零件的噴塗。本發明具有製備過程簡單、易操作、穩定性好、溫度適用範圍廣以及應用範圍廣的優點。
附圖說明
圖1為環境防護塗層示意圖；
圖2為環境防護塗層燃氣衝刷前的掃描電鏡微觀組織形貌圖；
圖3為環境防護塗層燃氣衝刷後的掃描電鏡微觀組織形貌圖；
圖中，1-la2zr2o7熱障層，2-yb2sio5環境障層，3-莫來石過渡層，4-si粘結層，5-sicf/sic複合材料導向器葉片基體。
具體實施方式
下面結合具體實施例進一步詳細描述本發明的技術方案，但本發明的保護範圍不局限於以下所述。
實施例1
某型航空發動機sicf/sic複合材料導向器葉片5，長度為600mm，寬度為200mm，厚度為10mm。採用本發明提供的方法製備si粘結層4/莫來石過渡層3/yb2sio5環境障層2/la2zr2o7熱障層1，該塗層由粘結層、過渡層、環境障層和熱障層組成，均採用ps-pvd設備。首先採用噴槍對基體進行預熱，預熱溫度為1000℃，然後按照以下四步進行塗層的製備。
步驟1：製備si粘結層4
粉末原料為高純度矽粉，純度為99.99%，粉末粒度為5～38μm；噴塗速度1000mm/s，噴塗5次，塗層厚度達到20μm；si粘結層的噴塗工藝參數為：真空度為150pa，工作電流為2000a，氬氣流量為60l/min，氦氣流量為50l/min，送粉量為5g/min，噴塗距離為1000mm。
步驟2：製備莫來石過渡層3
在步驟1製備完si粘結層後，在si粘結層上隨即製備莫來石過渡層，莫來石化學成分：sio2重量百分比為25.0%、al2o3為餘量，粉末粒度為5～38μm，噴塗速度1000mm/s,噴塗8次，噴塗厚度為35μm；莫來石過渡層噴塗工藝參數為：真空度為170pa，工作電流為2600a，氬氣流量為63l/min，氦氣流量為63l/min，送粉量為5.5g/min，噴塗距離為420mm。
步驟3：製備yb2sio5環境障層2
在步驟2噴塗完莫來石過渡層後，在莫來石過渡層上隨即噴塗yb2sio5環境障層，純度≥99.99%，粉末粒度為5～38μm，噴塗速度1000mm/s，噴塗22次，噴塗厚度為150μm；yb2sio5環境障層噴塗工藝參數為：真空度為200pa，工作電流為2200a，氬氣流量為65l/min，氦氣流量為65l/min，送粉量為6g/min，噴塗距離為450mm。
步驟4：製備la2zr2o7熱障層1
在步驟3噴塗完yb2sio5環境障層後，隨即噴塗la2zr2o7熱障層，粉末純度≥99.99%，粒度為5～38μm，噴塗速度1000mm/s，噴塗17次，噴塗厚度為150μm；la2zr2o7熱障層噴塗工藝參數為：真空度為200pa，工作電流為2200a，氬氣流量為75l/min，氦氣流量為75l/min，送粉量為15g/min，噴塗距離為1100mm，零件旋轉速度為15r/min。
實施例2
某型航空發動機sicf/sic複合材料導向器葉片5，長度為600mm，寬度為200mm，厚度為10mm。採用本發明提供的方法製備si粘結層4/莫來石過渡層3/yb2sio5環境障層2/la2zr2o7熱障層1，該塗層由粘結層、過渡層、環境障層和熱障層組成，均採用ps-pvd設備。首先採用噴槍對基體進行預熱，預熱溫度為1090℃，然後按照以下四步進行塗層的製備。
步驟1：製備si粘結層4
粉末原料為高純度矽粉，純度為99.99%，粉末粒度為5～38μm；噴塗速度1000mm/s，噴塗7次，塗層厚度達到50μm；si粘結層的噴塗工藝參數為：真空度為200pa，工作電流為2200a，氬氣流量為65l/min，氦氣流量為55l/min，送粉量為6g/min，噴塗距離1000mm。
步驟2：製備莫來石過渡層3
在步驟1製備完si粘結層後，在si粘結層上隨即製備莫來石過渡層，莫來石化學成分：sio2重量百分比為22.0%、al2o3為餘量，粉末粒度為5～38μm，噴塗速度1000mm/s,噴塗5次，噴塗厚度為20μm；莫來石過渡層噴塗工藝參數為：真空度為150pa，工作電流為2500a，氬氣流量為60l/min，氦氣流量為60l/min，送粉量為5g/min，噴塗距離為400mm。
步驟3：製備yb2sio5環境障層2
在步驟2噴塗完莫來石過渡層後，在莫來石過渡層上隨即噴塗yb2sio5環境障層，純度≥99.99%，粉末粒度為5～38μm，噴塗速度1000mm/s，噴塗18次，噴塗厚度為50μm；yb2sio5環境障層噴塗工藝參數為：真空度為150pa，工作電流為2000a，氬氣流量為60l/min，氦氣流量為60l/min，送粉量為5g/min，噴塗距離為400mm。
步驟4：製備la2zr2o7熱障層1
在步驟3噴塗完yb2sio5環境障層後，隨即噴塗la2zr2o7熱障層，粉末純度≥99.99%，粒度為5～38μm，噴塗速度1000mm/s，噴塗16次，噴塗厚度為107μm；la2zr2o7熱障層噴塗工藝參數為：真空度為176pa，工作電流為2100a，氬氣流量為72l/min，氦氣流量為73l/min，送粉量為13g/min，噴塗距離為1060mm，零件旋轉速度為15r/min。
實施例3
某型航空發動機sicf/sic複合材料導向器葉片5，長度為600mm，寬度為200mm，厚度為10mm。採用本發明提供的方法製備si粘結層4/莫來石過渡層3/yb2sio5環境障層2/la2zr2o7熱障層1，該塗層由粘結層、過渡層、環境障層和熱障層組成，均採用ps-pvd設備。首先採用噴槍對基體進行預熱，預熱溫度為1200℃，然後按照以下四步進行塗層的製備。
步驟1：製備si粘結層4
粉末原料為高純度矽粉，純度為99.99%，粉末粒度為5～38μm；噴塗速度1000mm/s，噴塗6次，塗層厚度達到35μm；si粘結層的噴塗工藝參數為：真空度為182pa，工作電流為2100a，氬氣流量為62l/min，氦氣流量為52l/min，送粉量為5.5g/min，噴塗距離為1100mm。
步驟2：製備莫來石過渡層
在步驟1製備完si粘結層後，在si粘結層上隨即製備莫來石過渡層，莫來石化學成分：sio2重量百分比為28%、al2o3為餘量，粉末粒度為5～38μm，噴塗速度1000mm/s,噴塗9次，噴塗厚度為50μm；莫來石過渡層噴塗工藝參數為：真空度為200pa，工作電流為2700a，氬氣流量為65l/min，氦氣流量為65l/min，送粉量為6g/min，噴塗距離為450mm。
步驟3：製備yb2sio5環境障層
在步驟2噴塗完莫來石過渡層後，在莫來石過渡層上隨即噴塗yb2sio5環境障層，純度≥99.99%，粉末粒度為5～38μm，噴塗速度1000mm/s，噴塗20次，噴塗厚度為108μm；yb2sio5環境障層噴塗工藝參數為：真空度為174pa，工作電流為2100a，氬氣流量為63l/min，氦氣流量為61l/min，送粉量為5.5g/min，噴塗距離為420mm。
步驟4：製備la2zr2o7熱障層
在步驟3噴塗完yb2sio5環境障層後，隨即噴塗la2zr2o7熱障層，粉末純度≥99.99%，粒度為5～38μm，噴塗速度1000mm/s，噴塗15次，噴塗厚度為50μm；la2zr2o7熱障層噴塗工藝參數為：真空度為150pa，工作電流為2000a，氬氣流量為70l/min，氦氣流量為70l/min，送粉量為10g/min，噴塗距離為1000mm，零件旋轉速度為15r/min。
用上述方法製備的環境防護塗層的結構如圖1所示，環境防護塗層燃氣衝刷前的掃描電鏡微觀組織形貌圖如圖2所示，在1700℃的燃氣衝刷試驗持續1000h塗層未失效。1000h測試後塗層形貌如圖3所示，可以看出微結構有少量變化，表層的la2zr2o7熱障層有部分燒結現象，而yb2sio5環境障層沒有明顯變化，整個測試過程中塗層體系結構保持完整，這種四層體系的環境防護塗層可用於1400～1700℃的發動機環境。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當理解本發明並非局限於本文所披露的形式，不應看作是對其他實施例的排除，而可用於各種其他組合、修改和環境，並能夠在本文所述構想範圍內，通過上述教導或相關領域的技術或知識進行改動。而本領域人員所進行的改動和變化不脫離本發明的精神和範圍，則都應在本發明所附權利要求的保護範圍內。