一种含缓释稳定剂的Si基粘结层喷涂粉末及其制备方法与流程

一种含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末及其制备方法
技术领域
1.本发明属于粉末加工技术领域，具体涉及一种含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末及其制备方法。


背景技术：

2.航空发动机的热端部件，承受着高温、高压以及高冲刷的恶劣环境，随着推重比的进一步加大，服役温度已经超过ni基高温合金的熔点，例如推重比为10的涡轮发动机的涡轮前温度已经到达了1577℃～1707℃，而ni基高温合金的服役温度只有1050℃，就算加上气膜冷却技术，其耐温性仍不能满足服役要求。以sic或者sin为基体的陶瓷基复合材料(cmc)具有耐高温，比强度高的作用，已经被用在航空发动机的热端部件。cmc在高温下会在表面生成一层保护性的sio2膜，但是燃料燃烧会产生水汽，对sio2和基体产生极大的腐蚀作用，导致零件的快速失效。
3.环境障涂层(ebcs)在热端部件形成一层屏障，阻碍水汽和氧气的侵蚀，能有效提升航空发动机的服役寿命。ebcs一般由粘接层、中间层和面层组成。目前通常选用si作为粘接层，莫来石作为中间层，稀土硅酸盐作为面层。si粘结层具有与基体相近的热膨胀系数和一定的抗水氧腐蚀能力，但是在服役过程中，从外侧渗透进的氧气会氧化粘结层，在粘结层与中间层间形成一层热生成氧化物(tgo)，体积的变化会导致ebcs的剥落、失效。
4.目前粘接层使用的材料是纯si，对氧气的阻碍能力较弱，本身易被氧化，若能对其进行改性，降低其氧化速率或者减少易相变氧化产物的产生，将有助于提升ebcs的服役性能。
5.现有技术通过超声处理，使得固态的缓释稳定剂颗粒均匀分散在si基熔体内，若混粉不均或者双相共沉积不均匀会导致生成的粉末发生两相分离，影响粉末的均匀性，进而导致由此粉末喷涂而成的涂层性能。


技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末及其制备方法，解决现有技术中通过超声处理粉末使得制备得到的粉末两相分离，进而影响粉末喷涂而成的涂层性能的问题。
7.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
8.本发明公开了一种含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末的制备方法，具体按照以下步骤进行：
9.步骤一、将si粉和缓释稳定剂粉混合均匀；其中，所述缓释稳定剂为al2o3，或者为al2o3与a2o3的混合物，所述a2o3中的a为+3价的y、fe、co或者ce；
10.步骤二、对混合均匀的粉料进行超声熔化处理；
11.步骤三、对步骤二的熔化的粉体采用熔融雾化法并筛分整形，得到含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末。
12.优选地所述缓释稳定剂的粒径为30～100nm或150～500nm。
13.优选地，步骤一中，缓释稳定剂的+3价金属离子的摩尔数为si粉摩尔数的5％～35％。
14.优选地，步骤一中，混合均匀采用球磨混料或者手工混料的任意一种。
15.进一步优选地，球磨混料中的球料比为1:1，转速200rpm，时长为12h。
16.优选地，步骤二中，超声时间为30～60min。
17.优选地，步骤二中，熔化的加热温度为1430～1500℃，加热速率为8～12℃/min。
18.优选地，步骤三中，熔融雾化法雾化的气体压力在0.2～0.35mpa。
19.本发明还公开了上述制备方法制备得到的含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末，含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末结构上为等轴形状的致密结构，等轴形状的长宽比为1～2，致密度》95％，基相si内离散分布缓释稳定剂的粉末粒径为5～135μm。
20.本发明还公开了上述含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末应用于陶瓷基复合材料表面的多层环境障涂层的粘结层。
21.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
22.本发明公开的一种含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末的制备方法，通过在si粉中加入缓释稳定剂，混合均匀再进行超声融化处理，使得缓释分散剂均匀分散在si粉内，缓释稳定剂分散均匀，粒径可控且一致，能克服传统混粉不均或者双相共沉积不均匀的缺点。制备得到的含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末内离散分布缓释稳定剂的粉末能够有效延长传统单相si粘结层的服役寿命，达到减缓tgo生长以及克服相变应力对涂层的破坏的目的。
23.进一步地，熔化采用超声处理，时间过短不能均匀分散，时间过长造成能源的浪费。
24.进一步地，缓释稳定剂的粒径能够能够保证缓释稳定颗粒在复相粉末中分布均匀。
25.进一步地，缓释稳定剂的三价金属离子的摩尔数能够保证缓释稳定剂起到缓释稳定的作用，摩尔数太低起的缓释稳定的作用有限，摩尔数太高会导致粉末的热膨胀系数变化太大，喷涂的涂层与基体间的热失配过大。
26.进一步地，复相粉末基相为si，缓释稳定剂为第二相，选用的温度为高于si的熔点但是低于缓释稳定剂的熔点，得到缓释稳定剂离散分布的熔体，为等轴形状的粉末做好准备，加热速率为了使粉末逐渐融化，过慢导致低温阶段过久，粉末氧化严重，过快导致加热不均匀，控温不准。
27.进一步地，熔融雾化法雾化的气体压力能够保证基相si内离散分布缓释稳定剂的粉末的形状和粒径分布。
28.本发明还公开的一种含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末，和现有技术相比，基相si内离散分布缓释稳定剂的粉末，本发明生产的复相粉末中缓释稳定剂分散均匀，由此喷涂的涂层能最大程度发挥缓释稳定剂的离散缓释稳定作用。
附图说明
29.图1为含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末的结构示意图。
具体实施方式
30.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
31.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
32.实施例1
33.步骤一、将si粉和al2o3粉混合均匀，混合方法可选用球磨混料或者手工混料，其中al2o3粉的摩尔数为si粉的5％，球磨混料工艺选用：球料比为1:1，转速200rpm，时长12h；
34.步骤二、对混合均匀的粉料进行加热，使得混匀的粉体受热熔化，但是只有si粉完全融化，al2o3粉仍然保持完整结构，加热温度为1430℃，加热速率为8℃/min，al2o3粉微粒均匀分散在si熔体中，al2o3粉不发生偏聚，可通过对熔体采取47khz超声处理30min达到这一目的。
35.步骤三、对步骤二的融化的混合均匀的粉体进行造粉处理，使用熔融雾化法制备得到粉末，雾化的气体压力为0.2mpa；对粉末进行筛分、整形，去除大颗粒粉末表面的卫星球颗粒，或去除颗粒表面的尖锐棱角，得到长宽比为1的基相si内离散分布缓释稳定剂的粉末，粉末粒径在5μm，整体为致密结构，如图1所示，缓释稳定剂均匀分散在si粉中。
36.实施例2
37.步骤一、将si粉、al2o3粉及y2o3粉混合均匀，al2o3粉和y2o3粉物质的量比为1:1，混合方法可选用球磨混料或者手工混料，其中al2o3粉和y2o3粉的总摩尔数为si粉的10％，球磨混料工艺选用：球料比为1:1，转速200rpm，时长12h；
38.步骤二、对混合均匀的粉料进行加热，使得混匀的粉体受热熔化，但是只有si粉完全融化，y2o3粉仍然保持完整结构，加热温度为1440℃，加热速率为10℃/min，y2o3粉微粒均匀分散在si熔体中，y2o3粉不发生偏聚，可通过对熔体采取47khz超声处理35min达到这一目的；
39.步骤三、对步骤二的融化的混合均匀的粉体进行造粉处理，使用熔融雾化法制备得到粉末，雾化的气体压力为0.25mpa，对粉末进行筛分、整形，去除大颗粒粉末表面的卫星球颗粒，或去除颗粒表面的尖锐棱角，得到长宽比为2的基相si内离散分布缓释稳定剂的粉末，粉末粒径在15μm。
40.实施例3
41.步骤一、将si粉、al2o3粉及fe2o3粉混合均匀，混合方法可选用球磨混料或者手工混料，其中al2o3粉及fe2o3粉的摩尔数为si粉的20％，球磨混料工艺选用：球料比为1:1，转
速200rpm，时长12h；
42.步骤二、对混合均匀的粉料进行加热，使得混匀的粉体受热熔化，但是只有si粉完全融化，fe2o3粉仍然保持完整结构，加热温度为1450℃，加热速率为12℃/min，fe2o3粉微粒均匀分散在si熔体中，fe2o3粉不发生偏聚，可通过对熔体采取47khz超声处理40min达到这一目的；
43.步骤三、对步骤二的融化的混合均匀的粉体进行造粉处理，使用熔融雾化法制备得到粉末，雾化的气体压力为0.29mpa，对粉末进行筛分、整形，去除大颗粒粉末表面的卫星球颗粒，或去除颗粒表面的尖锐棱角，得到长宽比为1.5的基相si内离散分布缓释稳定剂的粉末，粉末粒径在50μm。
44.实施例4
45.步骤一、将si粉、al2o3粉及co2o3粉混合均匀，混合方法可选用球磨混料或者手工混料，其中al2o3粉及co2o3粉的摩尔数为si粉的25％，球磨混料工艺选用：球料比为1:1，转速200rpm，时长12h；
46.步骤二、对混合均匀的粉料进行加热，使得混匀的粉体受热熔化，但是只有si粉完全融化，co2o3粉仍然保持完整结构，加热温度为1470℃，加热速率为10℃/min，co2o3粉微粒均匀分散在si熔体中，co2o3粉不发生偏聚，可通过对熔体采取47khz超声处理50min达到这一目的；
47.步骤三、对步骤二的融化的混合均匀的粉体进行造粉处理，使用熔融雾化法制备得到粉末，雾化的气体压力为0.32mpa，对粉末进行筛分、整形，去除大颗粒粉末表面的卫星球颗粒，或去除颗粒表面的尖锐棱角，得到长宽比为2的基相si内离散分布缓释稳定剂的粉末，粉末粒径在90μm。
48.实施例5
49.步骤一、将si粉、al2o3粉及ce2o3粉混合均匀，混合方法可选用球磨混料或者手工混料，其中al2o3粉及ce2o3粉的摩尔数为si粉的35％，球磨混料工艺选用：球料比为1:1，转速200rpm，时长12h；
50.步骤二、对混合均匀的粉料进行加热，使得混匀的粉体受热熔化，但是只有si粉完全融化，ce2o3粉仍然保持完整结构，加热温度为1500℃，加热速率为10℃/min，ce2o3粉微粒均匀分散在si熔体中，ce2o3粉不发生偏聚，可通过对熔体采取47khz超声处理60min达到这一目的，
51.步骤三、对步骤二的融化的混合均匀的粉体进行造粉处理，使用熔融雾化法制备得到粉末，雾化的气体压力为0.35mpa，对粉末进行筛分、整形，去除大颗粒粉末表面的卫星球颗粒，或去除颗粒表面的尖锐棱角，得到长宽比为2的基相si内离散分布缓释稳定剂的粉末，粉末粒径在135μm。
52.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：步骤一、将si粉和缓释稳定剂粉混合均匀；其中，所述缓释稳定剂为al2o3，或者为al2o3与a2o3的混合物，所述a2o3中的a为+3价的y、fe、co或者ce；步骤二、对混合均匀的粉料进行超声熔化处理；步骤三、对步骤二的熔化的粉体采用熔融雾化法并筛分整形，得到含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末。2.根据权利要求1所述的一种含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末的制备方法，其特征在于，所述缓释稳定剂的粒径为30～100nm或150～500nm。3.根据权利要求1所述的一种含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末的制备方法，其特征在于，步骤一中，缓释稳定剂的+3价金属离子的摩尔数为si粉摩尔数的5％～35％。4.根据权利要求1所述的一种含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末的制备方法，其特征在于，步骤一中，混合均匀采用球磨混料或者手工混料的任意一种。5.根据权利要求4所述的一种含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末的制备方法，其特征在于，球磨混料中的球料比为1:1，转速200rpm，时长为12h。6.根据权利要求1所述的一种含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末的制备方法，其特征在于，步骤二中，超声时间为30～60min。7.根据权利要求1所述的一种含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末的制备方法，其特征在于，步骤二中，熔化的加热温度为1430～1500℃，加热速率为8～12℃/min。8.根据权利要求1所述的一种含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末的制备方法，其特征在于，步骤三中，熔融雾化法雾化的气体压力在0.2～0.35mpa。9.权利要求1～8任意一项所述的制备方法制备得到的含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末，其特征在于，含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末结构上为等轴形状的致密结构，等轴形状的长宽比为1～2，致密度>95％，基相si内离散分布缓释稳定剂的粉末粒径为5～135μm。10.权利要求9所述的含缓释稳定剂的si基粘结层喷涂粉末应用于陶瓷基复合材料表面的多层环境障涂层的粘结层。

技术总结
本发明公开了一种含缓释稳定剂的Si基粘结层喷涂粉末及其制备方法，属于粉末加工技术领域。含缓释稳定剂的Si基粘结层喷涂粉末结构上为等轴形状的致密结构，等轴形状的长宽比为1～2，致密度>95％，含缓释稳定剂的Si基粘结层喷涂粉末粒径为5～135μm。粉末制备方法包括以下步骤：步骤一、将Si粉和缓释稳定剂粉混合均匀；步骤二、对混合均匀的粉料进行超声熔化处理；步骤三、对步骤二的熔化的粉体采用熔融雾化法制备得到粉末；筛分整形，得到含缓释稳定剂的Si基粘结层喷涂粉末。本发明制备的含缓释稳定剂的Si基粘结层喷涂粉末具有缓释稳定剂分散均匀、粒径一致的优点。粒径一致的优点。粒径一致的优点。


技术研发人员：杨冠军 李广荣 李书文 蒋康河 贺宜红 刘梅军
受保护的技术使用者：中国航发湖南动力机械研究所
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/7/25