[发明专利]一种具有双壳层结构自愈合粉末的制备方法

说明书

本发明一种具有双壳层结构自愈合粉末的制备方法通过两次液相沉淀和烧结，制得核心为MoSi₂，内壳为Al₂O₃，外壳为Y₂O₃的MoSi₂@Al₂O₃@Y₂O₃自愈合粉末。本发明制备方法简便，壳层成分和厚度可控，避免了一次烧结Al₂O₃相变体积变化造成孔隙以及包覆Al(OH)₃壳干燥后粉末硬团聚的产生，提高了MoSi₂的抗氧化性能，相对于溶胶凝胶法成本大幅降低。本发明自愈合粉末包覆均匀完整，Al₂O₃壳和Y₂O₃壳的界面清晰且结合良好；外壳Y₂O₃陶瓷可降低CMAS流动性以提高腐蚀抗力，内壳Al₂O₃层具备氧透过性低的特点以延缓MoSi₂预氧化进程。

技术领域

本发明涉及一种具有双壳层结构自愈合粉末的制备方法，具体属于热障涂层材料技术领域。

背景技术

现如今，推重比为10左右的航空发动机（如WS15、M88-2和F135）设计前进口温度为1450~1750 ℃，而推重比为15~20的航空发动机设计前进口温度将超过2100 ℃。涡轮叶片作为核心机的主要部件之一，需要选用具有优良的力学和热物理性能的合金材料。然而，此种恶劣的环境远超高温合金（≤1150 ℃）的极限使用温度，针对不断提高的服役温度，制备以热障涂层（TBC，Thermal Barrier Coating）为代表的低导热系数的陶瓷层成为提升涡轮叶片使用寿命的主要手段。目前获得商业应用的TBC均为陶瓷层/金属粘接层结构。其中，以NiCoCrAlY为代表的粘结层沉积在高温合金表面用以改善陶瓷层与基体之间热膨胀系数的差异，增强基体的氧化抗性。以ZrO₂-Y₂O₃（YSZ, Yttria Stabilized Zirconia）为主要代表的顶部陶瓷层，因具有低热导率和高化学稳定性起到关键的“热障”作用。然而，TBC在服役过程中的寿命并不稳定，其分散性主要来源于微观结构和TBC退化过程的动态性。

在众多的热障涂层失效行为中，由服役环境的变化所引起的TBC失效称之为条件导向型失效，内涵道中来源于尘埃、沙源和火山灰的CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂（CMAS）颗粒既有冲击行为又具备热腐蚀特性，成为条件导向型失效的最主要形式之一。此外，YSZ的多孔骨架（孔隙率3%~8%）将为腐蚀介质提供侵入通道，使得c/m-ZrO₂发生物相转变并伴随3%~5%的体积膨胀，进而降低涂层整体的应变容限。在腐蚀的初期阶段，YSZ 陶瓷层与玻璃态的CMAS形成互反应区，其中Ca²⁺对涂层的侵蚀破坏作用最为显著，因为CaO和Y₂O₃是属于掺杂离子半径低于四价的碱土和稀土金属氧化物，其稳定机制是氧化物中形成高浓度的氧空位。同时，CaO可以与ZrO₂发生化学反应生成CaZrO₃，并且在互反应区中大量存在的Ca²⁺和Mg²⁺都可以固溶进入YSZ晶胞结构，替代Y³⁺的作用，导致YSZ中贫Y区域的形成，进而引起 c/t-ZrO₂失稳而产生相变。为了抑制主裂纹的形成，在陶瓷涂层中添加自愈合组分成为阻碍涂层失效的另一种有效手段。