[发明专利]一种环境障涂层用BSAS陶瓷粉末的制备方法

说明书

本发明提供了一种环境障涂层用BSAS陶瓷粉末的制备方法，属于陶瓷粉末加工技术领域。该粉末制备方法包括以下步骤：一、将钡盐、锶盐、铝盐按比例加入去离子水中搅拌至完全溶解，得到混合溶液；二、进行共沉淀处理，得到混合物；三、将混合物与硅酸进行水热反应；四、将水热反应产物经过滤、洗涤和烘干后，与去离子水及粘结剂混合均匀，得到浆料；五、进行喷雾干燥处理，得到粒料；六、将粒料进行烧结和筛分处理。采用本发明制备的BSAS陶瓷粉末具有各成分分布均匀、纯度高、结晶度高、并且工艺过程中设备简单，整个生产过程不涉及高温和机械破碎，生产成本低。

技术领域

本发明涉及一种环境障涂层用BSAS陶瓷粉末的制备方法；属于陶瓷粉末加工技术领域。

背景技术

新一代高推重比航空发动机的迅速发展，使得高压涡轮热端部件的工作温度不断提高，涡轮前进口温度(Turbine Inlet Temperature，TIT)是决定发动机性能的重要技术指标，提高TIT可以有效提升发动机的推重比和热效率，并且同时提升发动机运行的经济性。大推重比军用航空发动机的发展，对TIT的提升提出了新的需求，推重比为8的军用航空发动机，TIT达到1500℃以上，最高接近1700℃，推重比为10的军用航空发动机，设计TIT超过1650℃，最高接近1850℃，这远远超过了现有镍基高温合金材料所能承受的温度范围。航空发动机要想在性能上取得突破，就需要更轻、更耐高温的新一代热结构材料来取代传统的高温合金材料。Si基陶瓷复合材料，如SiC纤维增强SiC陶瓷复合材料以及Si₃N₄等，具有耐高温(长期使用温度最高达到1650℃)、低密度、高强度、高模量、抗氧化、抗烧蚀、对裂纹不敏感等特点，是新一代大推重比航空发动机理想的高温热结构材料。

Si基陶瓷复合材料主要应用于热端部件，如尾喷管、燃烧室、加力燃烧室、涡轮等，能够提高工作温度达到200℃～300℃，结构减重30％～50％，成为航空发动机提高推重比的关键热结构材料之一。在干燥的O₂环境中，Si基陶瓷复合材料其表面能够形成一层致密的SiO₂，因此具有极好抗氧化性。但是，发动机实际服役环境中包含许多腐蚀性介质，如高温、高压水蒸气、O₂以及各种熔盐杂质(Na、Cl、S等)，这些腐蚀性介质，尤其是水蒸气和熔盐杂质，能够与Si基陶瓷复合材料氧化生成的SiO₂保护层反应，生成易挥发的气态物质Si(OH)₄，使其丧失保护基体的作用，导致Si基陶瓷复合材料性能不断恶化，成为制约Si基陶瓷复合材料在发动机热端部件中应用的重要因素。

环境障碍涂层(Environmental barrier coatings，简称EBCs)技术正是解决这一难题的关键技术。通过在热端部件表面涂覆环境障涂层，利用陶瓷面层耐腐蚀、低热导率的特性，在高温工作介质和热端部件之间形成隔热屏障，减缓发动机工作环境对部件的腐蚀，从而延长部件使用寿命的目的。使用EBCs同时还可以避免高温燃气对热端部件的直接腐蚀，降低系统对燃料品质的要求，节约系统运行成本，或者在不改变部件工作温度的基础上，提高发动机的TIT，提升系统的性能并降低燃料消耗率和污染物的排放。

EBCs一般由粘接层、中间层和面层组成。目前，通常选用Si作为粘接层、莫来石作为中间层、BSAS陶瓷粉末(1-xBaO-xSrO-Al₂O₃-2SiO₂，0x1)作为面层防护材料。目前制备BSAS陶瓷粉末大多采用固相烧结法和溶胶-凝胶法。固相烧结法通常以SiO₂、Al₂O₃、BaO、SrO为原料，混料后高温烧结获得氧化物复合粉末，烧结温度一般在2000℃以上，冷却后再进行机械破碎和筛分。固相合成温度较高，反应时间长，能耗高，成本大；而且采用机械破碎方式，粉末颗粒形貌不规则，制备过程中易引入杂质，较难获得纯度高、相结构单一的BSAS粉末材料。溶胶-凝胶法中，大多使用有机盐作为原材料，工艺成本高并且在制备过程中使用有机溶剂，不利于操作者身体健康，合成周期长、难以实现大批量合成。