[發明專利]一種用于連續纖維增強的熱結構復合材料的多層高溫涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201610371600.8
• 申請日: 2016-05-30
• 公開（公告）號: CN106757020B
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發明（設計）人: 羅瑞盈
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C23C28/04
• 分類號: C23C28/04
• 代理公司: 北京酷愛智慧知識產權代理有限公司11514
• 代理人: 趙永輝

技術領域

本發明涉及功能涂層材料領域，尤其涉及了一種用于連續纖維增強的熱結構復合材料的多層高溫涂層及其制備方法。

背景技術

連續纖維增強的熱結構復合材料由于具有耐高溫、高韌性、密度低、耐腐蝕和抗氧化等優勢，采用其制備航空發動機高壓渦輪靜子件等關鍵構件，可顯著降低發動機構件的重量，并大幅降低航空發動機中冷卻空氣用量及油耗率。然而，面對航空發動機中復雜的水氧和熔鹽環境，由上述連續纖維增強的熱結構復合材料制備的熱端部件并不能達到長時間有效工作的要求，因此，需要添加防護涂層以保護由上述材料制備的基體。

目前常用的涂層材料包括熱障涂層和環境障涂層，但上述兩種涂層材料均存在一定的缺陷。如傳統的熱障涂層主要是以氧化釔穩定的氧化鋯(ZrO₂-Y₂O₃，YSZ)作為涂層的最外層材料，在大氣氧化的環境中表現出很好的抗氧化性能，但在復雜的水汽環境中無法適用，在1300℃的航空發動機環境條件下有效工作時間(有效工作時間是指涂層發生失重失效之前的工作時間)尚不足150小時；而現有的最為先進的環境障涂層，即稀土硅酸鹽涂層體系(以二硅酸鐿為例)，在航空發動機環境條件下有效工作時間僅為200小時左右。因此，現有的涂層材料均不能在航空發動機環境下長時間的有效工作。

發明內容

本發明的目的是提供一種用于連續纖維增強的熱結構復合材料的多層高溫涂層及其制備方法，可大幅延長上述涂層材料在航空發動機環境下的有效工作時間。

為達到上述目的，本發明提供的技術方案為：

第一方面，本發明提供了一種用于連續纖維增強的熱結構復合材料的多層高溫涂層，上述涂層自基體向外依次包括硅粘結層、梯度莫來石層、YSZ層和二硅酸鐿層；其中，硅粘結層的厚度為40～60μm，梯度莫來石層的厚度為110～140μm，YSZ層的厚度為120～140μm，二硅酸鐿層的厚度為140～170μm。

本發明所提供的用于連續纖維增強的熱結構復合材料的多層高溫涂層，自基體向外依次包括硅粘結層、梯度莫來石層、YSZ層和二硅酸鐿層，二硅酸鐿的材料相結構更加穩定，使用其作為最外層，可有效地抵抗航空發動機中的水汽和熔鹽侵蝕；且位于二硅酸鐿層和梯度莫來石層之間的YSZ層起到較好的隔熱作用，可防止航空發動機中的熱量透過二硅酸鐿層對內層涂層材料進行熱侵蝕；上述梯度莫來石層是指熱膨脹系數具有梯度性變化的莫來石層，在上述涂層中最內層的硅粘結層的熱膨脹系數較小，一般為3.5～4.5×10^-6/℃，而YSZ層的熱膨脹系數較大，一般為10.6×10^-6/℃，兩者的熱膨脹系數存在較大的差異，因此，兩者之間難以直接配合，需要在其間添加過渡層，莫來石是由氧化鋁和二氧化硅組成的化合物，其中氧化鋁的熱膨脹系數大于二氧化硅，在梯度莫來石層的制備過程中，可通過改變氧化鋁和二氧化硅的比例來調整梯度莫來石層的熱膨脹系數，使之與硅粘結層及YSZ層的相接觸處均有良好的配合，從而較大程度地避免了涂層內部各層間內應力的產生。此外，上述涂層中各層之間由于涂層材料的不同，在各涂層之間存在一定的界面剪切應力，上述界面剪切應力與各層的厚度的平方存在正相關關系(例如硅粘結層與基體之間的界面剪切應力與硅粘結層的厚度的平方呈正相關關系)，即各層厚度越大，界面剪切應力也就越大，當涂層的厚度過大時，涂層的穩定性就會變差，出現涂層開裂或剝落的現象，但若各層的厚度過薄，在航空發動機的環境下亦較容易損壞。經過大量的實驗研究，上述各層的厚度優選為：硅粘結層的厚度為40～60μm，梯度莫來石層的厚度為110～140μm，YSZ層的厚度為120～140μm，二硅酸鐿層的厚度為140～170μm，當上述各層的厚度在上述范圍時，本發明所提供的用于連續纖維增強的熱結構復合材料的多層高溫涂層，在航空發動機的環境中使用時可獲得較長的有效工作時間。

因此，本發明所提供用于連續纖維增強的熱結構復合材料的多層高溫涂層，可大幅延長其在航空發動機環境下的有效工作時間。

第二方面，本發明還提供了一種上述用于連續纖維增強的熱結構復合材料的多層高溫涂層的制備方法，上述制備方法包括：步驟S1，利用電子束物理氣相沉積工藝在已烘干的所述基體的表面噴涂一層硅作為硅粘結層；步驟S2，利用化學氣相沉積工藝在硅粘結層的表面制備梯度莫來石層；步驟S3，利用料漿刷涂法在所述梯度莫來石層的表面涂覆YSZ材料制備YSZ層；步驟S4，利用超音速等離子噴涂工藝，在所述YSZ層的表面噴涂二硅酸鐿材料制備二硅酸鐿層。