放電等離子燒結一步制備多層環境障礙涂層的方法
【專利說明】
所屬技術領域
[0001]本文屬于涂層制備領域，具體涉及一種放電等離子燒結一步制備多層環境障礙涂層的方法，通過放電等離子燒結法可以一步制備出所需要的多層復合的環境障礙涂層。
【背景技術】
[0002]隨著航空工業的迅猛發展，高推重比發動機已成為航空發動機發展的重點。要實現航空發動機在高推重比和高效能上的重大突破，就必須提高發動機中燃氣的溫度并且減少結構質量，而燃氣溫度的提高相應的就會造成高壓渦輪熱端部件表面溫度的提高。高推重比航空發動機高壓渦輪熱端部件表面溫度將達到1400°C以上，這大大超過了現有鎳基高溫合金所能承受的溫度范圍。要滿足先進航空發動機對材料的要求，就必須研制能夠取代鎳基高溫合金在更高溫度下使用的新型高溫結構材料。硅基非氧化物陶瓷SiC、Si3N4被認為是最有希望取代鎳基高溫合金在發動機熱端部件中得以應用的高溫結構材料，新型硅基陶瓷材料的高溫力學性能非常優越，但是單純的陶瓷制品有其致命的缺點，脆性大，我們自然想到了連續纖維增強陶瓷基復合材料(CMC)，比如連續纖維增強碳化硅陶瓷復合材料(CMC-SiC)，該材料具有低密度、優異的高溫力學性能及抗氧化性能，在在實驗室干燥環境中，硅基非氧化物陶瓷還表現出了良好的穩定性。然而，在干燥環境中具有良好穩定性的硅基非氧化物陶瓷在發動機工作環境中表面穩定性卻發生了急劇的惡化，成為目前制約硅基結構陶瓷在航空發動機熱端部件中使用的主要因素。因為硅基結構陶瓷的服役環境包含眾多腐蝕性介質，如高溫、高壓水蒸氣、氧氣以及各種熔鹽雜質(似，(:1，3等)。而這些腐蝕介質，尤其是水蒸氣以及各種熔鹽雜質，會與SiC氧化生成的S12保護層發生反應生成揮發性氣態物質Si(OH)4,其化學方程式為Si02(s)+2H20(g) = Si (OH)4 (g)，揮發性的Si (OH)4被高速運動的氣流帶走，使得硅基結構陶瓷暴露于高溫燃燒氣體中，重新生成S1jl。硅基陶瓷氧化生成S1 2的過程和S12跟水蒸汽反應生成揮發性Si (OH) 4被帶走的過程同時發生，兩者最終達到平衡，使得表面S12層厚度維持恒定，而硅基陶瓷尺寸成線性減小，使其喪失保護基體的功能，加速纖維的氧化，導致復合材料性能的迅速下降，最終造成熱端構件性能急劇惡化。因此，解決CMC-SiC長時間腐蝕問題就成為發展高性能發動機熱端構件的關鍵。而使構件可在燃氣環境長期服役的涂層，即環境障礙涂層，理所當然地成為航空發動機材料研宄的熱點。環境障礙涂層(Environmental Barrier Coatings,簡稱EBCs)技術正是解決這一難題的關鍵技術。環境障礙涂層是指在發動機環境下使用的高溫結構材料表面的防護涂層(一般為氧化物或氧化物混合物陶瓷涂層)，該涂層能夠在高溫結構材料和發動機惡劣環境(腐蝕性介質、高速氣流沖刷等)間設立一道屏障，阻止或減小發動機環境對高溫結構材料性能的影響。
[0003]目前制備多層環境障礙涂層的方法有等離子噴涂法，化學氣相沉積法(CVD)，電子束物理氣相沉積法(PVD)，溶膠-凝膠法，漿料法，燒結法等，等離子噴涂法制得的多層環境障礙涂層致密度低，有氣孔的存在，而且由于噴涂溫度過高，會導致涂層表面有熔融區的存在，同時成本非常高，氣相沉積法制備周期長，不利于大批量的制備而且成本也很高，而溶膠-凝膠法制備的涂層在進行熱處理的時候體積收縮較大，致密性不足，成本也較高，漿料法在制備環境障礙涂層的時候燒結溫度較高，容易對基體材料進行破環，而現有的燒結法一般都要通過加入各種助燒結劑，本身就有可能對涂層的性能產生影響。因此低成本一步制備致密的多層環境障礙涂層技術是一種很重要而且很實用的技術。
[0004]放電等離子燒結爐(Spark plasma sintering簡稱SPS)又稱等離子活化燒結(Plasma Activated Sintering簡稱PAS)，該技術的主要特點是利用體加熱和表面活化，實現材料的超快速致密化燒結，可廣泛應用于磁性材料，梯度功能材料，納米陶瓷，纖維增強陶瓷和金屬間化合物等系列新型材料的燒結，關于其原理通過用品的部分電流激活晶粒表面，擊穿孔隙內殘留氣體，局部放電，甚至產生等離子體，促進晶粒之間的局部結合，SPS工藝優勢十分明顯，加熱均勻，升溫速度塊，燒結溫度低，燒結時間短，生產效率高，產品組織細小均勻，能保持原材料的自然狀態，可以得到高致密的材料，可以燒結梯度材料以及復雜工件。
【發明內容】
[0005]為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種放電等離子燒結一步制備多層環境障礙涂層的方法，可以減少在環境障礙涂層制備中的工序，做到一步制備，可以有效的減少制備多層環境障礙涂層的成本，有效縮短制備多層環境障礙涂層的周期，提高制備出多層環境障礙涂層的致密度，可以通過控制每一層粉末質量來控制多層環境障礙涂層中每一層的厚度。
[0006]為實現上述指標采取的技術方案如下:
[0007]一種放電等離子燒結一步制備多層環境障礙涂層的方法的步驟如下:
[0008]步驟一:取一定質量的娃粉(Si)，莫來石粉(3Al203-2Si02)，面層材料粉末；娃粉
(Si)，莫來石粉末(3Al203-2Si02)，面層材料粉末的質量根據需要稱取用來控制涂層厚度；
[0009]步驟二:將硅粉(Si)，莫來石粉(3Al203_2Si02)，面層材料粉末分別利用壓片機壓制成塊狀；
[0010]步驟三:將壓制好的涂層材料和碳化硅纖維增強碳化硅陶瓷基體(SiC/SiC)按照碳化硅纖維增強碳化硅陶瓷基體(SiC/SiC)—一硅粉(Si)—一莫來石粉(3Al203-2Si02)一一面層材料粉末順序一起放入放電等離子燒結(SPS)裝置內部模具里面，具體工藝參數為:升溫速率50°C /min,保溫溫度1050°C，保溫時間2min，內部壓強48MPa ；
[0011]步驟四:保溫時間結束以后，設置冷卻速度為50°C /min，冷卻至室溫后取出樣品。
[0012]本發明的有益效果是:
[0013](I)實現了一步制備出多層環境障礙涂層。(2)制備周期非常短。(3)致密度非常高。(4)性能非常優越。(5)不用加入各種助燒結劑，不會因為助燒結劑的殘留對涂層產生影響。(6)保溫溫度較低，