[发明专利]一种抗CMAS腐蚀的原位生成稀土磷灰石相致密反应层的制备方法

说明书

本发明公开了一种抗CMAS腐蚀的原位生成稀土磷灰石相致密反应层的制备方法，属于热障涂层(TBCs)材料及其制备领域。本发明是采用等离子热喷涂方法在YSZ涂层表面制备一层稀土氧化物涂层，采用浆料刷镀法在稀土氧化物涂层表面涂覆一层均匀的CaO‑MgO‑Al₂O₃‑SiO₂(CMAS)玻璃层，经过温度为1250℃‑1400℃和时间为10‑15分钟的预腐蚀处理后，在涂层表面原位生成界面结合良好的、由单一高熔点稀土磷灰石相组成的薄且连续致密反应层，该反应层经过1400℃腐蚀处理24h后厚度不超过9μm。本发明制备的原位生成稀土磷灰石相致密反应层在高温熔融CMAS中具有很好的高温热化学稳定性，有效抑制了熔融玻璃CMAS熔体的进一步渗透腐蚀，在高温防护领域具有优秀的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种抗火山灰CMAS玻璃高温腐蚀的热障涂层表面的稀土氧化物涂层原位生成稀土磷灰石相致密反应层及其制备方法，特别涉及一种抑制熔融CMAS渗透腐蚀的稀土磷灰石相致密反应层及其制备方法。

背景技术

随着先进航空发动机向高推重比和高热效率发展，工作温度显著提高。新一代推重比12～15的一级航空发动机涡轮前设计进口温度已超过2000K，加剧了熔点约1240℃的环境沉积物(主要是CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂，CMAS)对热障涂层(Thermal barrier coatings，TBCs)的渗透、溶解腐蚀损伤，导致涂层发生相变、热导率和力学性能等恶化，产生应力、开裂甚至剥落，严重影响了发动机的服役性能和安全可靠性。TBCs工作温度不断提高和环境污染加剧，CMAS对TBCs的腐蚀问题愈加突出，成为限制TBCs服役工作温度和寿命的难题。抗腐蚀防护是TBCs领域研究的重点。对于CMAS玻璃的高温渗透腐蚀，目前在全球范围内尚缺乏可行材料与技术。CMAS环境下TBCs的防护策略是提升航空发动机研制水平的关键。

研究表明高熔点稀土磷灰石相具有优异的阻止熔融CMAS渗透腐蚀性能，成为了CMAS阻挡层的研究热点和设计依据。高稀土含量的稀土锆酸盐或硅酸盐、磷酸盐等(稀土含量高达33％mol或以上)高温下可与熔融CMAS快速发生热化学反应，溶解析出大量稀土阳离子，并与CMAS熔体中的Ca²⁺和Si⁴⁺亲和形成熔点约为1930℃的Ca-RE-Si磷灰石相和钙长石、立方相氧化锆等组成的致密反应层，有效抑制高温熔融CMAS熔体的该反应层。然而该致密反应层存在多种物相，影响了致密反应层力学性能和变形协调性，以及致密层厚度和熔体渗透深度相对较大。渗透深度为1250℃的20μm和1400℃的100μm以上。这就要求TBCs表面的防护层厚度较大，影响了TBCs的界面应力分布和疲劳寿命。而本发明设计的稀土氧化物涂层经过高温短时间CMAS预腐蚀后在防护涂层表面原位生成界面结合良好的、由单一高熔点稀土磷灰石相组成的薄且连续致密反应层，厚度1-2μm，与基体防护涂层具有良好的界面相容性和力学性能，同时在熔融CMAS中具有优秀的热化学稳定性，经过1400℃24h反应后该连续致密反应层厚度也不超过9μm，致密层下方渗透的熔融CMAS极少，表现出了优秀的抗高温熔融CMAS渗透腐蚀能力，在热障涂层材料和高温防护涂层领域具有优异的应用前景。