[发明专利]一种抗裂纹扩展的稀土硅酸盐环境障碍涂层及制备方法

说明书

本发明涉及一种抗裂纹扩展的稀土硅酸盐环境障碍涂层及制备方法，所述稀土硅酸盐环境障碍涂层依次包括基体、位于所述基体表面的粘结层、面层、以及位于所述粘结层和面层之间的中间层；所述粘结层为Si层，所述中间层为Yb₂Si₂O₇层，所述面层为稀土单硅酸盐Re₂SiO₅。本发明设计的涂层采用Yb₂Si₂O₇为中间层和稀土硅酸盐为表面层的结构，具有显著的抗裂纹扩展能力和优良的抗热震性能。

技术领域

本发明涉及一种抗裂纹扩展的稀土硅酸盐环境障碍涂层和制备方法，属于涂层领域。

背景技术

高推重比是高性能航空发动机的显著标志。提高燃气的进口温度和减小结构质量是实现航空发动机向高推重比、高效率化方向发展的关键。硅基陶瓷材料，包括SiC、Si₃N₄、C/SiC和SiC/SiC等，正逐步替代高温合金，应用于高推重比航空发动机热端部件。但是在航空发动机长时间服役过程中，硅基陶瓷材料会受到来自燃气环境中的水蒸气、腐蚀性杂质的威胁，导致材料性能急剧下降。目前最可行、最有效的解决办法就是在硅基陶瓷材料表面沉积环境障碍涂层(Environmental Barrier Coating,EBC)，在基体与燃气环境间形成一道屏障，阻碍腐蚀性物质对基体材料的腐蚀，从而延长部件的使用寿命。

研究发现，稀土硅酸盐一般具有较低的热膨胀系数和良好的相稳定性以及优良的抗水蒸气腐蚀能力，是最具潜力的环境障碍涂层材料。目前一些关于稀土硅酸盐环境障碍涂层材料体系的报道主要包括Si(粘结层)+稀土硅酸盐(面层，如Er₂SiO₅、Yb₂SiO₅、和Lu₂SiO₅、Yb₂Si₂O₇等)和Si(粘结层)+莫来石(中间层)+稀土硅酸盐(面层，如Er₂SiO₅、Yb₂SiO₅、和Lu₂SiO₅等)【1K.N.Lee,D.S.Fox,N.P.Bansal,Rare earth silicateenvironmental barrier coatings for SiC/SiC composites and Si₃N₄ceramics,J.Eur.Ceram.Soc.2005,25(10):1705-1715.2B.T.Richards,H.N.G.Wadley,Plasma spraydeposition of tri-layer environmental barrier coatings.J.Eur.Ceram.Soc.,2014,34(12):3069-3083.】。但是有研究表明，由于热膨胀系数相差较大，Si/稀土硅酸盐涂层材料体系在热循环过程中会产生贯穿稀土硅酸盐涂层的裂纹，Si粘结层被腐蚀性介质氧化，最终使得涂层失效【1K.N.Lee,D.S.Fox,N.P.Bansal,Rare earth silicateenvironmental barrier coatings for SiC/SiC composites and Si₃N₄ceramics,J.Eur.Ceram.Soc.2005,25(10):1705-1715.3B.T.Richards,K.A.Young,F.D.Francqueville,S.Sehr,M.R.Begley,H.N.G.Wadley,Response of ytterbiumdisilicate-silicon environmental barrier coatings to thermal cycling in watervapor,Acta Mater.,2016,106:1-14.】；而对于Si/莫来石/稀土硅酸盐涂层材料体系，在热循环过程中，发现裂纹贯穿了表面层和莫来石层【4B.T.Richards,S.Sehr,F.deFranqueville,M.R.Begley,H.N.G.Wadley,Fracture mechanisms of ytterbiummonosilicate environmental barrier coatings during cyclic thermal exposure,Acta Materialia,vol.103,pp.448-460,2016.5B.T.Richards,M.R.Begley,andH.N.G.Wadley,Mechanisms of ytterbium monosilicate/mullite/silicon coatingfailure during thermal cycling in water vapor,J.Am.Ceram.Soc.,2015,98(12):4066-4075.】。