一种含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料的制备方法;属于耐高温复合材料制备技术领域。
【背景技术】
[0002]高推重比是高性能航空发动机的显著标志，实现高推重比最直接的手段是提高涡轮前进口的温度。C/C复合材料(C/C)与传统高温合金材料相比，良好的高温力学性能、抗热震性、化学稳定性和尺寸稳定性等优良特性，是目前唯一可在2000°C以上保持较高力学性能的超高温复合材料。当前传统高温合金材料发展潜力已基本耗尽，采用C/C复合材料热端部件替代传统高温合金则可以大幅提高航空发动机的推重比和最大推力，改进燃油效率等关键性能，成为最具发展潜力的材料之一。
[0003]虽然C/C复合材料具有很多优良的高温性能，但是在高温有氧环境下的氧化敏感性成为制约其在高推比航空发动机应用的主要原因。因此解决高温燃气环境下的抗氧化/抗腐蚀问题是C/C复合材料在航空发动机上应用的关键。利用环境障碍涂层(Environmentbarrier coating，EBC)防护包括C/C复合材料在内的陶瓷基复合材料(CMC)，保障其能够在高温燃起环境中长期稳定运行，已经成为未来热端部件发展的核心共性基础技术。美、英、法等发达国家一直把EBC视为新一代航空发动机材料的发展重点之一，投入巨资进行研究。
[0004]目前主流的EBC结构通常采用粘结层/中间层/外层的3层结构体系。对于以C/C复合材料为基体的EBC结构设计而言，包埋法所制备的SiC涂层与C/C基体之间的界面结合良好，故通常选用包埋法制备SiC层作为粘结层。莫来石陶瓷具有高温相稳定性好，力学性能优异，抗热震/热循环能力强，耐腐蚀性环境等一系列优点，并且由于莫来石具有和SiC相近的热膨胀系数，使其成为理想的EBC中间层材料;最外层则采用低模量且具有较强抗水氧腐蚀能力的钡锶铝硅酸盐(BSAS，(l-x)Ba0-xSr0-Al203-2Si02，0 <x< I)以进一步增强EBC在高温水氧环境中的抗腐蚀性能。
[0005]目前应用较为普遍的EBC制备技术主要有等离子喷涂和浆料浸渍。等离子喷涂工艺设备复杂，成本较高;浆料浸渍则存在着制备周期长且涂层性能差等缺点。因此，发展低成本、高效率和高性能的新型涂层制备技术，并且针对不同的涂层材料特点制定合理的涂层制备工艺组合以克服目前单一工艺所存在的缺陷，对于未来EBC技术的发展具有重要意义。
【发明内容】
[0006]本发明针对现有技术的不足，提供了一种含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料的制备方法。
[0007]本发明一种含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料的制备方法，包括以下步骤:
[0008]步骤I包埋法制备SiC涂层
[0009]将C/C复合材料埋于包埋粉料内，在保护气氛下，进行烧结，得到基体I;所述基体I为均匀包覆有SiC涂层的C/C复合材料;烧结时控制温度为1750°C?1800°C;
[0010]所述包埋粉料中以质量百分比计包括下述组分:
[0011]Si 粉:60 ?65%;
[0012]SiC 粉:10 ?30%;
[0013]炭粉:5?10%;
[0014]Α?2〇3:1 ?5%;
[0015]步骤2溶胶-凝胶法制备莫来石中间层
[0016]步骤2.1
[0017]以可溶性铝盐、硅酸酯为原料、按摩尔比，Al:S1:H20:有机溶剂:催化剂=(2?3):(I?1.5): (5?8): (20?30): (0.3?0.5)，配取原料、有机溶剂、催化剂后进行回流反应得到凝胶;所得凝胶经干燥后在1200?1350°C的空气气氛中煅烧，得到预煅烧莫来石粉料A;所述硅酸酯选自正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、正硅酸丙酯中的至少一种;所述有机溶剂选在无水乙醇、无水甲醇中的至少一种;所述催化剂选自冰醋酸和氢氟酸中的至少一种；
[0018]步骤2.2
[0019]以可溶性铝盐、硅酸酯为原料、按摩尔比，Al:S1:有机溶剂:催化剂=(2?3): (I?
1.5): (5?8): (20?30): (0.3?0.5)，配取原料、有机溶剂、催化剂后在60?85°C进行回流反应4?6h，然后在滴入去离子水;并升温至80?85°C反应至少8小时后冷却、陈化;陈化后，在80?120°C干燥，得到莫来石前驱体粉料B;所述硅酸酯选自正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、正硅酸丙酯中的至少一种;所述有机溶剂选在无水乙醇、无水甲醇中的至少一种;所述催化剂选自冰醋酸和氢氟酸中的至少一种；
[0020]步骤2.3
[0021 ]按质量比，预煅烧莫来石粉料A:莫来石前驱体粉料B = 4?6:1，配取预煅烧莫来石粉料A、莫来石前驱体粉料B，按所配取预锻烧莫来石粉料A与莫来石前驱体粉料B总质量的
0.3?1#%配取成膜助剂；所述成膜助剂选自聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)中的至少一种;按溶剂总质量的5?8wt %，配取干燥抑制剂;所述干燥抑制剂选自草酸、丙三醇中的至少一种;所述溶剂选自乙醇或甲醇中的至少一种;配取预煅烧莫来石粉料A+莫来石前驱体粉料B总质量与所用溶剂的质量比为15?35wt.% ；
[0022]将配取的预煅烧莫来石粉料A、莫来石前驱体粉料B、成膜助剂、干燥抑制剂、溶剂通过球磨混合均匀后得到涂层前驱体浆料，将基体I浸入浆料中，利用浸渍提拉技术进行浆料涂覆;涂覆完后，在1480?1515°C煅烧，得到基体Π ;所述基体Π为均匀包覆有莫来石的基体I (即莫来石/SiC/C/C复合材料)；
[0023]步骤3原位反应烧结法制备钡锶铝硅酸盐(BSAS)最外层:
[0024]步骤3.1
[0025]将步骤2.3所得基体Π浸入浆料C中，利用浸渍提拉装置进行浆料涂覆;得到均匀涂覆有浆料C的基体Π ;所述浆料C由原料和溶剂按质量比，原料:溶剂=65?80: 20?35组成;所述原料由原料D、原料E、烧结助剂、成膜助剂组成;所述原料B占所述原料总质量的83?91%，
[0026]所述原料0由830、5抑、厶1203和3102粉按摩尔比830:5抑:厶1203:3102 = (11)3:1:2，所述X大于O且小于I;
[0027]所述原料E占所述原料总质量的3?5%，所述原料C由Co2O3和ZrO2按质量比Co2O3:Zr02 = (l_y): y，所述y大于零且小于等于0.5 ；
[0028]所述B2O3烧结助剂占所述原料总质量的3?7%;
[0029]所述成膜助剂占所述原料总质量的3?5wt.% ;所述成膜剂选自聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的至少一种；
[0030]步骤3.2
[0031 ]在有氧气氛下，与于1400?1500°C对将步骤3.1所得均匀涂覆有浆料A的基体Π进行烧结;得到含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料。
[0032]本发明一种含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料的制备方法，步骤一中所述包埋粉料的制备方法为:按设计组分配取Si粉、SiC粉、炭粉、Al2O3粉后，置于球磨罐中以200?250r/min的转速度湿磨2?4h后取出，置于干燥箱中于80?120°C下干燥48?72h，过筛，得到-60目的包埋粉料。
[0033]本发明一种含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料的制备方法，将包埋粉料中装入石墨罐中并将C/C复合材料样品埋于包埋粉料内后，在真空烧结炉中于氩气气氛中加热到1750°c?1800°C后保温2?2.5h，冷却至室温，取出样品，将样品用无水乙醇超声清洗干净后置于80-120°C下干燥2?4h后得到得到基体I。
[0034]本发明一种含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料的制备方法，步骤2.1中，所得凝胶经干燥后在1200?1350°C的空气气氛中煅烧2?3小时，得到预煅烧莫来石粉料A。
[0035]本发明一种含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料的制备方法，步骤2.3中，所述球磨混合时，控制转速为200?300rpm、优选为250rpm、时间为2?5小时、优选为4小时;浸渍提拉时的提拉速率为0.8?1.2 lmm/min、优选为lmm/min，温度为35?55°C、优选为40-50°C、进一步优选为45°C，提拉釜内的氮气流速为1.2?1.8L/min、优选为1.5L/min。
[0036]本发明一种含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料的制备方法，步骤2.3中，涂覆完后，在1480?1515°C空气环境下煅烧2?4小时，得到基体Π。
[0037]本发明一种含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料的制备方法，步骤3.1中所述浆料C是通过下述方案制备的:
[0038]将按设计组分配取BaO粉、SrO粉、Al2O3粉、S12粉、Co2O3粉、ZrO2粉、烧结助剂、成膜助剂以及溶剂加入球磨机中，以180?240rpm的转速球磨6?1h后;浆料C;球磨时，所用球磨罐和磨球材质为玛瑙或氧化锆材质;所述BaO粉、SrO粉、Al2O3粉、S12粉、Co2O3粉、ZrO2粉的平均粒径为I?50μηι，纯度为分析纯及以上纯度级别。
[0039]本发明一种含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料的制备方法，步骤3.1中利用浸渍提拉装置进行浆料涂覆时，控制提拉速率小于等于0.8mm/min、提拉温度35?50°C，相对湿度低于30% RH，提拉釜内的氮气流速为0.5?1.0L/min。
[0040]本发明一种含钡锶铝硅酸盐/莫来石/SiC三层复合结构涂层的复合材料的制备方法，步骤3.2中，在空气气氛下，