新型超高溫稀土硅酸鹽EBC 涂層制備工藝優(yōu)化試驗(yàn)

■ 周子民 / 中國航發(fā)航材院 陳皓暉 / 中國人民解放軍32382部隊(duì) 王鑫 薛召露 / 安徽工業(yè)大學(xué)

近年來，高熱效率的航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的研制備受重視，SiC/SiC等陶瓷基復(fù)合材料（CMC）取代鎳基高溫合金用作發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)熱端高溫結(jié)構(gòu)部件的研究也成為了行業(yè)熱點(diǎn)。

陶瓷基復(fù)合材料（CMC）由于其表面形成了致密的氧化硅（SiO2），表現(xiàn)出優(yōu)異的抗高溫氧化性。但在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒環(huán)境中，CMC表面會(huì)迅速產(chǎn)生凹陷，這是因?yàn)樘沾杀砻娴难趸瘜优c水蒸氣發(fā)生反應(yīng)生成揮發(fā)性正硅酸，導(dǎo)致陶瓷基復(fù)合材料過早失效[1-3]。因此，研制高性能的環(huán)境障礙涂層（EBC），以保護(hù)陶瓷基材料免遭高溫水蒸氣腐蝕十分必要。通過試驗(yàn)探索新型超高溫稀土硅酸鹽EBC的工藝優(yōu)化，提升CMC表面防護(hù)涂層在1350℃條件下的抗熱震性能，可有效延長涂層壽命。

涂層原料制備

稀土硅酸鹽（Yb2SiO5）因其優(yōu)異的耐水蒸氣腐蝕性、相對(duì)合適的熱膨脹系數(shù)（CTE）和優(yōu)異的相穩(wěn)定性而受到極大關(guān)注，被認(rèn)為是目前理想的EBC候選材料[4-5]。大氣等離子噴涂（APS）技術(shù)是制備EBC的有效方法之一，因?yàn)槠渚哂谐练e速率高、生產(chǎn)效率高、高等離子體羽流溫度以及制備涂層比較致密且微觀結(jié)構(gòu)較均勻的優(yōu)點(diǎn)[6]。在這種制備方法中，影響涂層的微觀結(jié)構(gòu)的因素主要為噴涂功率和主氣流量等，對(duì)噴涂工藝優(yōu)化的試驗(yàn)可從上述因素著手。

試驗(yàn)利用高溫固相反應(yīng)制備Yb2SiO5粉末，并采用噴霧造粒對(duì)莫來石（Mullite）粉末和高溫固相合成的Yb2SiO5粉末進(jìn)行顆粒重構(gòu)，制備出團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的噴涂粉末，它們的表面形貌掃描電子顯微鏡（SEM） 圖分別如圖1(a)和圖1(c)所示。從圖1(a)可以看出，團(tuán)聚Yb2SiO5粉體外觀球形度好，粉體表面疏松，這種粉體符合典型的噴霧造粒粉體特征。此外， 莫來石、Yb2SiO5粉末的X射線衍射（XRD）圖譜分別如圖1（b）和圖1（d）所示，分別將XRD圖譜與莫來石、Yb2SiO5標(biāo)準(zhǔn)卡片進(jìn)行對(duì)照，發(fā)現(xiàn)其主要衍射特征峰都能與標(biāo)準(zhǔn)卡片相符合，而且未發(fā)現(xiàn)其他雜質(zhì)相衍射峰，表明這兩種噴涂原料純度較高。

圖1 莫來石和Yb2SiO5粉末的SEM圖與XRD圖譜

涂層工藝優(yōu)化

等離子噴涂參數(shù)控制著顆粒在噴涂過程中的飛行速度和溫度，使得顆粒撞擊到基體時(shí)呈現(xiàn)出不同的鋪展?fàn)顟B(tài)，進(jìn)而影響到涂層的微觀組織。噴涂功率是影響顆粒溫度和飛行速度的主要因素，噴涂功率越高，粉末顆粒熔化得越完全，噴射到基體表面的扁平化效果越好，涂層致密程度越高。因此，實(shí)驗(yàn)通過采用4種不同噴涂功率（24 kW、30 kW、36 kW、42 kW）的大氣等離子噴涂工藝，來探究噴涂功率對(duì)等離子噴涂Yb2SiO5涂層表面形貌以及微觀組織的影響（如圖2所示），從而優(yōu)選出合適的噴涂功率。

圖2 不同噴涂功率下Yb2SiO5涂層的表面形貌SEM圖

當(dāng)噴涂功率為24 kW時(shí)，涂層表面存在大量的未熔或半熔顆粒以及微裂紋；隨著噴涂功率增大，粉末顆粒熔融得越完全，涂層表面質(zhì)量更高。同時(shí)，對(duì)噴涂功率為24 kW的大氣等離子噴涂獲得的涂層使用能譜儀（EDS）進(jìn)行分析。根據(jù)噴涂態(tài)涂層表面的XRD圖譜顯示，沉積態(tài)涂層表面主要為Yb2O3相，這是因?yàn)樵诘入x子噴涂過程中，高溫離子化的等離子體不僅可以熔化原料粉末，還容易導(dǎo)致Yb2SiO5中的蒸氣壓較高的硅被優(yōu)先揮發(fā)，形成貧硅熔滴。對(duì)比圖1中的Yb2SiO5粉體的XRD圖譜，沉積態(tài)涂層表面的XRD圖譜在低2θ值（低于30°）處并未出現(xiàn)衍射特征峰，表明沉積態(tài)涂層表面存在非晶相。這是由于等離子噴涂過程中熔融顆粒的冷卻速率過快導(dǎo)致，通過高溫?zé)崽幚砜梢源偈篃o定形涂層結(jié)晶，后期水淬—熱震后的XRD結(jié)果證明了這一點(diǎn)。

根據(jù)不同噴涂功率時(shí)Yb2SiO5涂層的截面SEM圖（如圖3所示）可以看出，當(dāng)噴涂功率為24 kW時(shí)，涂層內(nèi)含有較多的孔隙、裂紋等缺陷以及大量的未熔顆粒，涂層的致密度低；當(dāng)噴涂功率為30 kW、36 kW時(shí)，涂層內(nèi)裂紋、孔隙數(shù)量減少，涂層分層現(xiàn)象比較明顯。而且噴涂功率為36 kW時(shí)，噴涂粉末融化效果好，熔融顆粒撞擊表面時(shí)扁平化效果好，熔融顆粒薄片間的貼合更完整，涂層內(nèi)的裂紋數(shù)量進(jìn)一步減少，涂層致密度更高；但當(dāng)噴涂功率提高至42 kW時(shí)，Yb2SiO5涂層分層不明顯，涂層內(nèi)存在少量的未熔顆粒，而且裂紋、孔隙等缺陷增加，涂層致密度較36 kW有所下降。不同噴涂功率噴涂Yb2SiO5涂層的孔隙率詳見表1。

圖3 不同噴涂功率下Yb2SiO5涂層的截面SEM圖

表1 不同噴涂功率下Yb2SiO5涂層的孔隙率

效果測(cè)試

采用優(yōu)化后的噴涂工藝參數(shù)沉積Yb2SiO5/ 莫來石雙層涂層，并在1350℃的高溫下對(duì)其進(jìn)行水淬—熱震測(cè)試。根據(jù)水淬—熱震循環(huán)不同次數(shù)時(shí)Yb2SiO5涂層的宏觀形貌可以看出，制備態(tài)涂層表面呈白色，水淬—熱震循環(huán)后涂層表面顏色發(fā)生改變。但Yb2SiO5涂層經(jīng)水淬—熱震循環(huán)200次后，涂層并沒有出現(xiàn)宏觀裂紋與剝落，說明新型超高溫EBC材料耐水氣腐蝕性能良好。

結(jié)束語

試驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)整等離子噴涂工藝的噴涂功率與主氣流量，能夠?qū)ν繉拥娘@微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。對(duì)涂層進(jìn)行1350℃下的水淬—熱震性能測(cè)試，證明采用優(yōu)化工藝能夠制備出更加致密、性能更好的涂層，可為涂層在發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用提供進(jìn)一步的依據(jù)和保障。