一种热环境障涂层及其制备方法、耐高温构件

本发明属于高温防护涂层，具体涉及一种热环境障涂层及其制备方法、耐高温构件。

背景技术：

1、高温合金是目前使用最为广泛、成熟的航空发动机高温结构部件材料，具有耐高温、抗氧化、抗腐蚀和抗疲劳性能以及较高的高温强度、蠕变强度和持久强度等特点。随着航空工业和燃气轮机的发展，涡轮叶片等部件将承受更高的温度，高温合金无法再适用，因此寻求一种新型的耐高温材料成为新的需求。

2、陶瓷基复合材料(cmc)密度小(约为高温合金的1/3)、高比强度、高比模量、高温热力学性能优异，相比高温合金，cmc抗高温氧化、抗蠕变优异，同时有一定的抵抗裂纹扩展能力，是替代高温合金成为新型基体的可观选择。碳化硅陶瓷及其相关复合材料密度较低，仅为高温合金的20％-30％；性能可设计性强，力学性能和热导率可随纤维含量的提高而显著提高；高温力学性能优异，强度不随温度升高而显著下降；疲劳极限高，可达90％静态强度；同时具有抗氧化、耐腐蚀、耐磨损性能优异等特点，被视为新一代高推重比航空发动机高温部件的主要候选材料，在富水氧燃气应用环境中，碳化硅陶瓷材料由于高温水蒸气腐蚀而发生性能快速退化，因此开展碳化硅陶瓷材料及高温防护技术研究，对于我国未来高推重比航空发动机具有重要意义。

3、环境障涂层(ebc)是陶瓷材料不可缺少的表面防护涂层，能够在高温结构材料和发动机恶劣环境(腐蚀性介质、高速气流冲刷等)间建立一道屏障，阻止或减少发动机环境对高温结构材料性能的影响。目前受到广泛认可的环境障涂层材料稀土硅酸盐体系，具有良好的抗水氧腐蚀性能，以双硅酸镱为例(yb2si2o7)，该材料体系在准静态条件下具有优异的抗水氧腐蚀性能，但在水氧腐蚀介质快速流动的实际服役环境中，发生材料流失、孔洞和微裂纹形成等现象，使其抗水氧能力下降。

4、将热障涂层与环境障涂层复合形成的热环境障涂层，是最新一代的高温防护涂层体系。北京航空航天大学郭洪波团队通过aps技术制备了si粘结层和yb2sio5单硅酸镱中间层，并采用ps-pvd技术在其上面制备了(gd0.9yb0.1)2zr2o7表面层，形成热环境障涂层体系，并在1300℃和1400℃下研究了其整体的抗烧结性能，但该研究中单硅酸镱与sic的热膨胀系数差异较大，容易因热失配应力产生裂纹进从而形成水氧腐蚀通道，且由aps技术制备的层状结构之间存在大量的微裂纹，微裂纹的存在为水氧腐蚀提供通道，不利于水氧腐蚀防护。类似的，该团队通过aps技术制备了hf0.84y0.16o1.92/yb2sio5/si热环境障涂层体系并在1300℃下进行最长100h的氧化实验研究，但由于aps技术制备的hf0.84y0.16o1.92面层和yb2sio5中间层存在大量片层间微裂纹及孔隙，不利于水氧腐蚀防护。武汉理工大学曹学强团队采用aps技术制备了lamgal11o19/yb2si2o7/si热环境障涂层体系并在1300℃下进行水氧腐蚀研究，但同样由于aps技术制备的热障表面层和环境障中间层存在大量片层间微裂纹及孔洞结构，其热环境障涂层在喷涂后、水氧腐蚀实验前的保温热处理阶段便出现了垂直裂纹或贯穿裂纹结构，为水氧腐蚀介质提供了快速扩散通道，1300℃水氧腐蚀60h后即出现大量贯穿裂纹。类似的，该团队通过aps技术制备了lamgal11o19/yb2sio5/si热环境障涂层体系并在1300℃下进行氧化行为研究，由于lamgal11o19和yb2sio5均与sic之间存在较大热膨胀系数差异，喷涂态涂层内部就存在大量贯穿裂纹，氧化50-100小时后贯穿裂纹裂尖张开位移显著增加，会为水氧腐蚀介质提供快速扩散通道。

5、中国航发北京航空材料研究院(cn 116253584 b)涂层体系为yb2o3-y2o3-hfo2三元氧化物表面层/yb2si2o7-yb2sio5掺杂中间层/r-al-si-o微晶玻璃粘结层，其中梯度yb2si2o7-yb2sio5采用aps技术制备，同样存在孔隙多，抗水氧防护能力不足问题，且引入yb2sio5增加了整体的热膨胀系数，产生更大热失配应力，此外采用浆料法制备的粘结层导致涂层整体结合强度偏低。航天特种材料及工艺技术研究所(cn 109336647 b)采用vps技术制备的hfo2/hfo2-yb2sio5掺杂/yb2sio5/si热环境障涂层体系，由于vps技术制备的氧化铪面层不具备高应变容限结构，因此存在抗热障性能不足等问题，且引入yb2sio5增加了整体的热膨胀系数，产生更大热失配应力。

技术实现思路

1、针对现有热环境障涂层存在抗水氧腐蚀能力不足的问题，本发明提供了一种热环境障涂层及其制备方法、耐高温构件。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

3、一方面，本发明提供了一种热环境障涂层，包括致密层和高应变容限层，所述致密层包括稀土硅酸盐，所述高应变容限层包括高熵陶瓷。

4、可选的，所述高应变容限层包括排布于所述致密层表面的多个羽柱状结构，所述羽柱状结构由所述高熵陶瓷构成。

5、可选的，所述高熵陶瓷包括(y0.2la0.2nd0.2sm0.2eu0.2)2zr2o7。

6、可选的，所述稀土硅酸盐包括稀土单硅酸盐和稀土双硅酸盐中的一种或多种，所述稀土硅酸盐的稀土元素包括镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、钇和铒中的一种或多种。

7、可选的，所述稀土硅酸盐选自稀土双硅酸盐，所述稀土双硅酸盐包括yb2si2o7。

8、可选的，所述致密层的厚度为75～200μm。

9、可选的，所述高应变容限层的厚度为150～300μm。

10、可选的，还包括有si层，所述si层用于与基体接触，所述si层位于所述致密层上背离所述高应变容限层的一侧，所述si层的厚度为50～150μm。

11、再一方面，本发明提供了一种耐高温构件，包括基体以及设置于所述基体上的如上所述的热环境障涂层，所述基体选自sic。

12、再一方面，本发明提供了如上所述的热环境障涂层的制备方法，包括如下操作步骤：

13、采用稀土硅酸盐作为原材料，进行致密层的沉积；

14、在致密层的表面沉积高熵陶瓷以形成高应变容限层。

15、可选的，还包括：采用sic为基体，在基体上进行si层的沉积，所述致密层形成于所述si层上。

16、可选的，所述si层、所述致密层和所述高应变容限层均采用ps-pvd技术制备得到。

17、可选的，所述si层的ps-pvd制备参数为：喷涂电流为1500～1700a，氩气流量为100～120nlpm(标准升每分钟)，氢气流量为4～7nlpm(标准升每分钟)，舱压为35～50mbar；和/或

18、所述致密层的ps-pvd制备参数为：喷涂电流为2400～2600a，氩气流量为90～110nlpm(标准升每分钟)，氦气流量为15～30nlpm(标准升每分钟)，舱压为1.2～2.0mbar；和/或

19、所述高应变容限层的ps-pvd制备参数为：电流控制在2400～2600a，氩气流量为25～45nlpm(标准升每分钟)，氦气流量为50～70nlpm(标准升每分钟)。

20、可选的，所述致密层喷涂后，对喷涂态的致密层进行热处理，热处理温度为1250～1350℃，热处理时间为2～10h。

21、根据本发明提供的热环境障涂层，采用了稀土硅酸盐作为高致密层，可以阻隔高温水氧对基体的腐蚀，通过材料本征的低热膨胀系数实现与基体的良好匹配，避免过大热失配应力，从而使得制备高致密结构成为可能，采用高致密结构通过避免孔洞或微裂纹形成水氧扩散快速通道进一步提高抗水氧腐蚀性能；同时，为了避免快速流动的水氧混合气体对高致密层冲刷导致材料与结构的快速退化，本发明中采用了高熵陶瓷在所述高致密层的表面形成高应变容限层，不仅可以通过材料本征的高水氧活化能提供优异的抗水氧腐蚀防护，显著降低高致密层附近的气体流速，从而避免快速流动的水氧混合气与稀土硅酸盐直接接触导致材料与结构的快速退化，而且可以通过高应变容限结构降低面层热失配应力，从而避免面层过早剥落失效，此外还可以通过高熵效应降低材料本征热导率从而进一步提高涂层体系整体的隔热效果，降低高致密层退化速率与失效概率。