一种具有梯度结构的Si-Hf-Y粘结层的制备方法及其应用

本发明涉及涂层制备，特别涉及一种具有梯度结构的si-hf-y粘结层的制备方法及其应用。

背景技术：

1、陶瓷基复合材料与高温合金相比具有更高的高温稳定性、更轻的质量，使用陶瓷基复合材料取代发动机中的高温合金可以有效提高其推重比，从而提升发动机性能；而目前陶瓷基复合材料却有抗高温氧化性能及抗高温水氧腐蚀性能不佳的问题，为此引进了环境障碍涂层来应对，其中，si粘结层是环境障涂层体系中关键的组元之一， si粘结层的氧化是ebc体系失效的一个重要因素，氧化剂可以扩散穿过顶部涂层并氧化si粘结层，导致si粘结层与相邻的涂层之间生长一层二氧化硅；si和二氧化硅的摩尔体积差异以及二氧化硅和ebc层之间的热膨胀差异可能导致ebc系统失效；因此，粘结层成分的优化和选择对于提高环境障涂层的寿命非常关键，现行思路是用熔点更高、抗氧化性更好的材料对si进行改性，以提高工作温度，延长使用寿命；通常si-hf-y粘结层中hf的含量控制在18~29at%，高温条件下，在粘结层中的hf优先氧化完毕后，hfo2的高熔点（2758℃）不仅可提升涂层的服役温度，si也会与hfo2反应为具有低氧扩散率和良好相稳定性的hfsio4，不仅能削弱方石英相变引起的热应力积蓄，并且弥散分布的hfsio4/hfo2颗粒在生长过程中能有效避免涂层内部裂纹互相连接，该涂层具有良好的抗高温氧化和隔热能力，而形成同时加入4~15at%稀土元素y可以起到氧化物钉扎和细化晶粒的作用，从而提高热循环条件下粘结层基体的结合力，改善涂层的抗热震性能。

2、然而在实际应用中，粘结层-基体之间的结合强度不足以及tgo氧化层的生长极大限制了环境障涂层的安全性和使用寿命。

3、而双层辉光等离子表面冶金工艺具备金属与非金属单元或多元复合渗镀功能，可制备致密均匀的渗镀层，这使得制备的粘结层间具有良好的结合强度，较大程度降低了机械应力或热循环过程中的应力集中，提高安全性和使用寿命。

技术实现思路

1、本发明的目的是在于克服、补充现有技术中存在的不足，提供一种具有梯度结构的si-hf-y粘结层的制备方法及其应用，解决粘结层与基体间结合强度弱、在高温水氧环境下涂层失效问题，提供一种与陶瓷基基体结合强度高，抗高温水氧腐蚀能力强的粘结层，以提高环境障涂层的安全性和服役寿命。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一种具有梯度结构的si-hf-y粘结层的制备方法，其中：包括以下步骤：

4、步骤s1.将基体进行表面处理和清洗；

5、步骤s2.通过双层辉光等离子表面冶金工艺在基体表面制备si-hf-y沉积层，得到复合层；

6、步骤s3.将复合层进行真空热处理，使得基体和si-hf-y沉积层之间形成扩散层，得到si-hf-y粘结层。

7、优选的是，所述的具有梯度结构的si-hf-y粘结层的制备方法，其中：按质量百分数计，步骤s2中的si-hf-y沉积层包括18~29at%hf，4~15at%y，所述hf和y总原子占si-hf-y沉积层的33at%。

8、优选的是，所述的具有梯度结构的si-hf-y粘结层的制备方法，其中：步骤s2具体为：

9、s21.将基体和sihfy格栅状靶材放入双辉等离子表面冶金炉内，调整极间距，并将冶金炉内的真空度抽到20-40pa；

10、s22.以基体为工件极，sihfy格栅状靶材为源极，调节工件极电压、源极电压，在氩气气氛下将冶金炉中温度升至900~1300℃进行冶金处理6~10h，在基体表面制备si-hf-y沉积层。

11、优选的是，所述的具有梯度结构的si-hf-y粘结层的制备方法，其中：步骤s21的极间距为10~30mm，步骤s22中冶金炉的炉压为20~40pa，工件电压为300~600v，源极电压为700~900v。

12、优选的是，所述的具有梯度结构的si-hf-y粘结层的制备方法，其中：步骤s3中真空热处理温度为600~700℃，真空热处理时间为6~7h，si-hf-y粘结层的厚度为15~50μm，扩散层的厚度为6~15μm。

13、一种具有梯度结构的si-hf-y粘结层的制备方法得到的si-hf-y粘结层在航空航天领域的应用。

14、本发明通过双层辉光等离子表面冶金工艺制备了si-hf-y粘结层，工作温度超过1250℃，本工艺与传统工艺（如热喷涂，冷喷涂）相比，双层辉光等离子表面冶金工艺具备金属与非金属单元或多元复合渗镀功能，可制备致密均匀、具有连续梯度结构的渗镀层，这使得制备的粘结层与基体间具有良好的结合强度，较大程度降低了机械应力或热循环过程中的应力集中，提高安全性和服役寿命，同时掺杂的hf和y有助于提高粘结层的抗高温水氧腐蚀性能，降低氧化速率。

15、本发明的优点：

16、（1）本发明的具有梯度结构的si-hf-y粘结层的制备方法及其应用，si粘结层中添加一定量的活性元素hf和y，一方面hf降低氧化速率，稀土元素y可以起到氧化物钉扎和细化晶粒的作用使得粘结层更致密；另一方面，采用双层辉光等离子表面冶金工艺制备可以提高粘结层和基体的结合强度。

17、（2）本发明的具有梯度结构的si-hf-y粘结层的制备方法及其应用，在高温氧化环境下形成的hfsio4，具有优异的抗高温水氧腐蚀能力，可以显著提高涂层工作温度，抑制相变，降低应力集中，并具有一定的裂纹自愈合能力；同时hf、y的掺杂可降低粘结层与基体的热膨胀系数差异。

18、（3）本发明的具有梯度结构的si-hf-y粘结层的制备方法及其应用，特殊的双层辉光等离子表面冶金工艺，制备致密均匀的渗镀层，大幅降低了因热膨胀系数导致相体积变化的影响，极大提高了粘结层服役环境和使用寿命，在航空航天领域具有广泛的应用前景。

技术特征：

1.一种具有梯度结构的si-hf-y粘结层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的具有梯度结构的si-hf-y粘结层的制备方法，其特征在于：按原子百分数计，步骤s2中的si-hf-y沉积层包括18~29%hf，4~15%y，所述hf和y总原子占比为si-hf-y沉积层的33%。

3.根据权利要求1所述的具有梯度结构的si-hf-y粘结层的制备方法，其特征在于：步骤s2具体为：

4.根据权利要求3所述的具有梯度结构的si-hf-y粘结层的制备方法，其特征在于：步骤s21的极间距为10~30mm，步骤s22中冶金炉的炉压为20~40pa，工件电压为300~600v，源极电压为700~900v。

5.根据权利要求1所述的具有梯度结构的si-hf-y粘结层的制备方法，其特征在于：步骤s3中真空热处理温度为600~700℃，真空热处理时间为6~7h，si-hf-y粘结层的厚度为15~50μm，扩散层的厚度为6~15μm。

6.一种根据权利要求1-5任一项所述的具有梯度结构的si-hf-y粘结层的制备方法得到的si-hf-y粘结层在航空航天领域的应用。

技术总结
本发明提供一种具有梯度结构的Si‑Hf‑Y粘结层的制备方法及其应用，属于涂层制备技术领域，制备方法包括以下步骤：步骤S1.将基体进行表面处理和清洗；步骤S2.通过双层辉光等离子表面冶金工艺在基体表面制备Si‑Hf‑Y沉积层，得到复合层；步骤S3.将复合层进行真空热处理，使得基体和Si‑Hf‑Y沉积层之间形成扩散层，得到Si‑Hf‑Y粘结层。本发明的具有梯度结构的Si‑Hf‑Y粘结层的制备方法及其应用，Si粘结层中添加一定量的活性元素Hf和Y，一方面Hf降低氧化速率，稀土元素Y可以起到氧化物钉扎和细化晶粒的作用使得粘结层更致密；另一方面，采用双层辉光等离子表面冶金工艺制备可以提高粘结层和基体的结合强度。

技术研发人员：缪强,李自祥,梁文萍,贾飞龙,高九妹,陈海龙,林浩,常想乐,张瑞武
受保护的技术使用者：南京航空航天大学无锡研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23