[發明專利]一種等離子物理氣相沉積用納米莫來石粉體及其制備方法

有效

• 申請號: 202010306383.0
• 申請日: 2020-04-17
• 公開（公告）號: CN111534796B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發明（設計）人: 肖飛;王鈾;閆牧夫;許壯志;王東升
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學;遼寧省輕工科學研究院有限公司
• 主分類號: C23C14/22
• 分類號: C23C14/22;C23C14/06;C23C14/08
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 鄧宇

一種等離子物理氣相沉積用納米莫來石粉體及其制備方法。本發明屬于航空發動機及地面燃氣輪機高溫涂層制備技術領域。本發明的目的在于解決現有EBC涂層用粉體材料晶粒分布不均勻，制備的涂層致密度不高、涂層易產生氣孔、裂紋等缺陷而影響涂層使用壽命的技術問題。本發明采用高純、納米級Al₂O₃與SiO₂粉體，通過濕法混合、噴霧造粒、高溫燒結工藝，制備出納米莫來石粉體。在莫來石粉體制備過程中加入有機造孔劑，通過高溫燒結有機物揮發后會留下孔隙，使造粒粉體變得疏松、多孔，便于在等離子物理氣相沉積過程中氣化。通過漿料中含水量及造孔劑等的調整來控制喂料的孔隙率、尺寸大小等參數。制備的喂料具有良好的流動性，能滿足不同涂層制備工藝的要求。

技術領域

本發明屬于航空發動機及地面燃氣輪機高溫涂層制備技術領域，具體涉及一種等離子物理氣相沉積用納米莫來石粉體及其制備方法。

背景技術

隨著航空航天技術的發展，渦輪發動機向高流量比、高推重比、高進口溫度的方向發展。在上述特性中，高入口溫度是實現發動機高推力比和高熱效率的重要因素。傳統的Ni基高溫合金作為熱端部件被廣泛使用，其可耐受的極限溫度接近1075℃。熱障涂層可以進一步提高鎳基高溫合金材料的使用溫度，但是仍未達到發動機高推重比條件下的使用溫度。可見，鎳基高溫合金的溫度性能已接近極限，不能滿足先進航空發動機快速發展的迫切需求。而硅基非氧化物陶瓷材料(如SiC陶瓷基復合材料)，具有優異的高溫強度和耐久性，已經取代鎳基高溫合金作為航空發動機的首選材料。但在水氧耦合的高溫環境下，SiC會與氧氣和水發生反應，使其使用性能降低。

環境障涂層(EBC)是在發動機環境下使用的高溫結構材料表面的防護涂層，該涂層一般由氧化物或氧化物的混合物組成。其能夠將高溫結構材料與發動機中惡劣環境隔離開，減輕發動機環境對高溫結構材料性能的影響。

到目前為止相對成熟的環境障涂層應該是第三代，該系統由硅結合層、莫來石中間層和稀土硅酸鹽頂層組成。莫來石在第三代環境障涂層體系中起到了至關重要的緩解熱失配和抗氧化作用。莫來石粉體是制備高性能涂層的關鍵，粉體材料的純度、粒度、表面形貌、粉體結構等是決定粉末特性的重要指標。常用的制備涂層工藝主要有大氣等離子噴涂(APS)和電子束-物理氣相沉積(EB-PVD)，其中APS技術具有工藝簡單、噴涂效率高等優點，制備的涂層主要是片層狀組織，其中夾雜有間隙、裂紋、氣孔等缺陷，涂層孔隙率較高，一般在10％以上。EB-PVD技術制備的涂層具有獨特的柱狀晶結構使其具有更高的應變容限，涂層熱循環壽命遠高于APS涂層，且涂層表面光滑、致密度高，但此工藝制備涂層效率低，成本高。近年來發展的等離子物理氣相沉積(PS-PVD)技術結合了上述兩種工藝的優點，涂層形貌可通過工藝控制實現片層結構或柱狀晶結構，或者介于兩種結構之間，涂層制備效率高。低壓等離子噴涂(LPPS)工藝與傳統APS工藝相比具有真空度高、在喂料沉積過程中不易氧化，化學成分穩定，涂層結合力好等優點。PS-PVD與LPPS是表面工程領域，特別是兩機領域未來的發展方向。

國內外目前研究EBC涂層的機構普遍采用微米級粉體，制備的涂層致密度不高、涂層易產生氣孔、裂紋等缺陷，影響使用壽命。北京金輪坤天特種機械有限公司所申請的專利主要是稀土硅酸鹽材料(不包括莫來石材料)，其主要通過調配不同粒度的微米級原料進行制備，或者將納米級材料預先高溫燒結后再與原始納米粉體混合，納米材料經過高溫處理后尺寸變大，制備的喂料內部晶粒由兩種粒度組成，晶粒大小分布不均勻，會影響涂層結構的一致性。

發明內容

本發明的目的在于解決現有EBC涂層用粉體材料晶粒分布不均勻，制備的涂層致密度不高、涂層易產生氣孔、裂紋等缺陷而影響涂層使用壽命的技術問題，而提供了一種等離子物理氣相沉積(PS-PVD，包括LPPS)用納米莫來石粉體及其制備方法。