[發明專利]一種利用TiC改性莫來石制備環境障涂層中間層的方法

有效

• 申請號: 202111662235.3
• 申請日: 2021-12-30
• 公開（公告）號: CN114262216B
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發明（設計）人: 王鈾;劉賽月;張曉東;王東升
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C04B35/185
• 分類號: C04B35/185;C04B35/622;C04B35/626
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識產權代理有限公司 23213
• 代理人: 侯靜

一種利用TiC改性莫來石制備環境障涂層中間層的方法，涉及一種環境障涂層的中間層的方法。為了解決環境障涂層涂層存在孔隙和裂紋等缺陷、涂層結合強度過低的問題。方法：制備納米TiC粉體、納米SiOsubgt;2/subgt;粉體和納米Alsubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;粉體漿料，噴霧干燥造粒得到混合粉體；混合粉體松裝燒結得到納米TiC改性的納米結構莫來石粉體，再造粒得到納米TiC改性的納米結構莫來石顆粒；進行等離子球化；或在混合粉體松裝燒結之后再與納米TiC粉體混合。本發明采用納米級TiC制備的環境障涂層中間層不僅具有裂紋自愈合功能，還有明顯的界面增強效果。能夠提高環境障涂層的結合強度。本發明適用于制備環境障涂層中間層。

技術領域

本發明涉及一種利用TiC改性莫來石制備環境障涂層的中間層的方法。

背景技術

“兩機”(航空發動機和燃氣輪機)的發展體現了一個國家的綜合國力、科學水平和工業能力，發展“兩機”技術已成為世界多國的首要任務，也是眾多科學研究者的重點研究內容。隨著發動機的推重比和進口溫度的提高，對發展新一代“兩機”材料技術也提出了更加嚴格的要求，開發高推重比、高進口溫度等優異性能的發動機正受到科學研究者的重點關注。于是，曾被視為“兩機”首選材料的傳統鎳基高溫合金將已無法滿足新一代發動機的服役要求。陶瓷基復合材料(ceramic?matrix?composites，CMC)具有良好的耐高溫性、耐腐蝕性、高的強度、高的韌性以及質量較小的特點，可以有效的提高發動機的推重比和進口溫度，被視為新一代航空發動機和燃氣輪機的首選材料。然而，陶瓷基復合材料在高溫下的水氧腐蝕與CMAS(CaO₂+MgO+Al₂O₃+SiO₂)腐蝕卻成為其應用的重要阻礙。為有效的提高發動機的推重比和進口溫度，需要尋求一種有效的方法和措施來保護陶瓷基復合材料在服役環境中遇到的高溫腐蝕等問題。為此，人們發展了環境障涂層(EBC，Environmental?BarrierCoating)，作為在服役環境和發動機材料之間設立的一道能有效阻止或減小環境對發動機侵蝕的一種表面防護層，極大地提高了發動機的服役壽命，對于“兩機”技術的發展具有重大的推動意義。

目前的環境障涂層是一個多層系統，主要由三部分組成：粘結層、中間層和表面層。粘結層的作用是提高基體和涂層之間的結合能力，通常是由Si單質所構成。表面層是由化學性質不活潑的硅的化合物構成，主要為稀土單硅酸鹽和稀土雙硅酸鹽，硅酸鹽在水氧條件下，具有良好的耐腐蝕能力、耐氧化性能、化學相容性和力學相容性等性能，在1600℃的高溫條件下工作數千小時且性能不發生改變。中間層則主要是由莫來石(3Al₂O₃·2SiO₂)及其摻雜物質組成。莫來石與硅基非氧化物陶瓷和Si粘結層有相近的熱膨脹系數及化學相容性，且具有非常好的化學穩定性，并兼具良好的耐高溫性能、電絕緣性強、抗化學侵蝕、抗震性好等優良的特點。莫來石中間層的主要的作用是在保證涂層整體性能的前提下，將表面層和粘結層隔離開來，阻擋涂層之間的元素的擴散和減小外來物質對粘結層的侵蝕，從而有效的保證涂層的基本性能。

但當采用大氣等離子噴涂的方法制備莫來石涂層時，在涂層凝結過程中由于降溫速率較快產生亞穩態的莫來石，這些亞穩態的莫來石向穩態的莫來石轉變的過程中會產生熱應力，在熱應力的作用下，莫來石涂層容易萌生裂紋，這些裂紋在各個方向繼續擴展和萌生，不僅導致了涂層的破壞，使一些腐蝕類物質沿著裂紋到達基體表面，和基體表面接觸，造成基體的嚴重破壞，而且導致了莫來石涂層的過早失效和脫落。另外，莫來石中SiO₂的活性較強，在水氧條件下，莫來石中的SiO₂會與水蒸氣發生反應，生成易揮發Si(OH)₄，被空氣中的氣流所帶走，導致涂層出現孔洞。也就是說，雖然莫來石因具有較小的熱膨脹系數、良好的耐高溫性能、在較大的溫度變化范圍內具有良好的抗氧化性和導熱性能而成為環境障涂層中間層的首選材料，但是以莫來石為主的中間層在高溫條件下服役時可能會存在較多的孔隙和裂紋，這些孔隙和裂紋的存在為一些腐蝕性物質和水蒸氣提供了通道，腐蝕性物質和水蒸氣和基體表面接觸，造成基體的嚴重破壞。