[發明專利]一種非晶硅氧碳復合陶瓷熱障涂層的制備方法

有效

• 申請號: 202110054578.5
• 申請日: 2021-01-15
• 公開（公告）號: CN112830787B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發明（設計）人: 蘇冬;田正凱;萬萌;孫曉亮;王昊
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C04B35/571
• 分類號: C04B35/571;C04B35/56;C04B35/622
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 王麗

本發明涉及一種非晶硅氧碳陶瓷復合熱障涂層的制備方法。將含氫聚硅氧烷和四甲基四乙烯基環四硅氧烷，攪拌得到PSO前驅體；將氧化硅、氧化鋁、氧化硼、鋁和鎳作為固體填料，加入溶劑混合，然后進行球磨，得到的固體填料和溶劑的混合物作為球磨漿料；將球磨漿料加入PSO前驅體中得到PSO前驅體漿料；采用提拉浸漬法，將PSO前驅體漿料在基體表面包覆一層PSO漿料；將得到的包覆了PSO漿料的基體放入烘箱中交聯，在基體表面形成PSO復合涂層；放入管式爐，在惰性氣氛中熱解，得到硅氧碳復合涂層。陶瓷復合涂層具有較低的熱導率0.314W/(m·K)，且涂層與基體之間的結合強度大于10MPa，滿足目前熱障涂層的要求。

技術領域

本發明涉及航空發動機及重型燃氣輪機渦輪葉片領域，特別涉及一種非晶硅氧碳陶瓷復合熱障涂層的制備方法。

背景技術

為了提高航空發動機和重型燃氣輪機的性能，人們對渦輪葉片的最高服役溫度和服役時間提出了新的要求，然而最先進的單晶葉片材料最高承受溫度也不超過1326℃，極大地限制了發動機熱效率的提高。在渦輪葉片表面涂覆一層低熱導率的熱障涂層可以較大程度降低葉片表面的溫度，從而使得渦輪葉片在較高環境溫度下能正常工作。熱障涂層材料一般為無機陶瓷材料，因在高溫極端環境下工作，一般具有以下特點：低的熱導率、高的熱膨脹系數、與基體材料之間有較高的結合強度，高溫下不發生相變和一定的機械強度。常用的熱障涂層是氧化鋯基系列材料，純氧化鋯由于存在溫度型相變，伴隨較大體積變化，容易導致裂紋的形成和發展，甚至造成涂層的開裂和剝落，因此通常向氧化鋯中添加穩定劑來抑制相變，目前性能最好的是氧化釔摻雜穩定的氧化鋯(YSZ)。但是YSZ的高溫相穩定性較差，僅能在1300℃下使用，同時，燒結速率隨溫度升高而加快，氣孔率減小，熱導率升高。為了探索更高溫度下可正常工作的熱障涂層材料，焦綠石、螢石和其他化合物體系的熱障涂層材料陸續被開發，但是因為都存在一定的問題，不能大規模推廣應用。

大氣等離子噴涂和電子束物理氣相沉積是制備熱障涂層材料的主要工藝，但是各自存在一定的缺點，大氣等離子噴涂制備的熱障涂層結合強度較差，服役過程中容易發生開裂；電子束物理氣相沉積制備的熱障涂層熱導率較高，高溫下嚴重降低其隔熱性能。兩種工藝都需要極高的溫度環境，對設備有著較大的要求。因此，開發一種熱障涂層的簡單制備工藝有著一定市場需求，能擴大熱障涂層的使用領域。

前驅體陶瓷是利用聚合物前驅體在高溫下熱解會發生有機-無機轉變機理而得到的無機非晶陶瓷。前驅體陶瓷具有很多優異的特性，優良的機械性能、高的相穩定性和高的抗氧化性，其中最重要的優點是聚合物前驅體的可設計性，允許人們通過改變前驅體的成分來控制和調整前驅體陶瓷的成分和結構，從而使得人們能根據自己的需要制備合適的前驅體陶瓷。聚合物前驅體轉化硅氧碳陶瓷是由聚硅氧烷前驅體熱解得到的，可以看作二氧化硅中的硅氧四面體中的部分氧被碳取代，因此硅氧碳陶瓷比傳統二氧化硅的性能有了較大提升，彈性模量、硬度、玻璃轉變溫度和結晶溫度都有了一定的提高(J.Am.Ceram.Soc.2018,101,4817)。

近些年來，硅氧碳陶瓷因其優異的抗氧化性和抗腐蝕性開始被用于涂層領域的探索，多用于基體表面的抗氧化(J.Eur.Ceram.Soc.2017,37,4559)和抗腐蝕涂層(J.Eur.Ceram.Soc.2014,34,3597)。這種方法具有前驅體漿料的可設計性、涂覆工藝的簡單性、復雜形狀基體表面涂層的易制備性和可低溫燒結等特點，越來越引起人們的注意。但是，硅氧碳陶瓷在熱障涂層領域中的應用還未見報道，至今仍處于空白。同時硅氧碳陶瓷具有較低的熱導率和較好的高溫穩定性，在熱障涂層領域具有一定的應用潛力。

發明內容

本發明的目的是提供一種利用聚合物前驅體轉化法制備硅氧碳復合熱障涂層。所得的硅氧碳復合陶瓷熱障涂層具有多級孔結構，能夠有效降低涂層的熱導率，并且涂層與基體具有一定的結合強度，可適應極端條件下的工作環境。