[0001] 本发明属于稀土硅酸盐陶瓷基环境障涂层制备技术领域，具体涉及一种宽速域等离子喷涂双组元稀土硅酸盐环境障涂层及制备方法。

[0002] SiC陶瓷基复合材料是下一代高性能航空燃气涡轮发动机的颠覆性材料，然而航空煤油燃烧释放的副产物水蒸气和大气中的钙镁铝硅碱性氧化物(Calcium‑Magnesium‑Aluminum‑Silicon oxide，CMAS)会导致服役工件高衰退速率。环境障涂层是目前保护SiC陶瓷基复合材料在高温腐蚀环境下正常服役的唯一有效表面防护手段，其中稀土硅酸盐被认为是此类耐腐蚀涂层最有潜力的候选材料。目前，镱焦硅酸盐(Yb2Si2O7)被广泛用于环境障涂层研究，但是该材料在高温CMAS腐蚀环境中的长期使用，会导致环境障涂层结构严重损伤。

[0003] 近年来，(Yb0.8Y0.2)2Si2O7双组元硅酸盐具有高的化学稳定性，更接近SiC/SiC基体的CTE的热膨胀系数。相较于单组元的Yb2Si2O7，显示出更高的抗高温CMAS腐蚀性能。此外，3+ 2+
Y 具有较大离子半径与CMAS熔体中的Ca 具有更高的反应活性，从而有利于快速反应形成磷灰石腐蚀屏障。混合稀土元素(Yb和Y)会在焦硅酸盐中产生更复杂的晶格结构，有助于提高材料在高温和腐蚀性环境中的稳定性。然而，目前报道的稀土硅酸盐涂层的成分不均匀，孔隙率较高，较高的裂纹缺陷结构阻碍了稀土硅酸盐涂层在高温下形成了密集的磷灰石屏障层的能力。

[0026] 为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以多种不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

[0027] 本发明中采用的宽速域等离子喷涂具有高沉积速率，涂层附着力强，适用范围广和成本较低等优势，有望实现低孔隙率和高抗CMAS腐蚀寿命的环境障涂层。

[0028] 本发明中通过系统调控喷涂工艺，能够实现涂层结构包括孔隙率和垂直裂纹密度的有效控制，以满足多组元稀土硅酸盐环境障涂层应用于下一代高高推重比航空发动机热端部件的长期服役要求。

[0029] 本发明的一种宽速域等离子喷涂双组元稀土硅酸盐环境障涂层的制备方法，包括以下步骤：

[0030] (1)对待喷涂的SiC基体进行等离子喷砂处理，使其表面粗糙度(Ra)达到3±1μm；SiC基体为α‑SiC基体。

[0031] (2)采用宽速域等离子喷涂工艺在SiC基体表面制备一层Si粘结层；

[0032] 其中，采用宽速域等离子喷涂工艺使用的Si粉末尺寸为10～30μm，形状呈破碎状。

[0033] 在SiC基体表面制备一层Si粘结层的宽速域等离子喷涂工艺的参数如下：喷涂角度为90°±5°，喷涂距离为170mm，氩气流量为70±1L/min，氢气流量为10±1L/min，电压为80±1V，电流为500±5A，送粉量为20±2g/min。

[0034] Si粘结层的厚度为80～100μm。

[0035] (3)采用宽速域等离子喷涂工艺将双组元(Yb0.8Y0.2)2Si2O7或稀土硅酸盐粉末Yb2Si2O7喷涂在Si粘结层表面制备稀土硅酸盐(Yb0.8Y0.2)2Si2O7面层或Yb2Si2O7面层，形成多组元稀土硅酸盐环境障涂层，即Si/(Yb0.8Y0.2)2Si2O7双层环境障涂层或Si/Yb2Si2O72Si2O7双层环境障涂层。

[0036] 其中，稀土硅酸盐(Yb0.8Y0.2)2Si2O7或Yb2Si2O7粉末尺寸为10～50μm。

[0037] 在Si粘结层表面制备稀土硅酸盐(Yb0.8Y0.2)2Si2O7或Yb2Si2O7面层的宽速域等离子喷涂工艺的参数如下：喷涂角度为90°±5°，喷涂距离为120mm，氩气流量为70±1L/min，氢气流量为8±1L/min，电压为78±1V，电流为500±5A，送粉量为20±2g/min。

[0038] 稀土硅酸盐(Yb0.8Y0.2)2Si2O7面层或Yb2Si2O7面层的厚度为200～250μm。

[0039] 下面为具体实施例。

[0040] 实施例1

[0041] 一种宽速域等离子喷涂双组元稀土硅酸盐环境障涂层的制备方法，包括以下步骤：

[0042] (1)采用宽速域等离子喷涂工艺在经过喷砂处理表面粗糙度达到3经过喷μm的SiC基体上沉积厚度为80～100μm的Si粘结层。

[0043] (2)采用宽速域等离子喷涂工艺在Si粘结层表面制备Yb2Si2O7面层，工艺的参数如下：喷涂角度为90°±5°，喷涂距离为120mm，氩气流量为70±1L/min，氢气流量为8±1L/min，电压为78±1V，电流为500±5A，送粉量为20±2g/min。Yb2Si2O7面层的厚度为200～250μm。

[0044] 参见图1，可以看出，用宽速域等离子喷涂工艺制备的Yb2Si2O7面层具有低孔隙率(＜5％)且无垂直裂纹，涂层致密性良好。

[0045] 参见图2，可以看出，1400℃下CMAS腐蚀4h后的Yb2Si2O7面层产生了腐蚀反应层且能够阻挡CMAS的渗透。

[0046] 参见图3中(a)和(b)，可以看出，1400℃下CMAS腐蚀4小时后的Yb2Si2O7反应层前沿的X射线能谱(EDS)图像进一步证明Yb2Si2O7的腐蚀反应层具有良好的致密性和阻挡CMAS熔体渗透的能力。

[0047] 实施例2

[0048] 一种宽速域等离子喷涂双组元稀土硅酸盐环境障涂层的制备方法，包括以下步骤：

[0049] (1)采用宽速域等离子喷涂工艺在经过喷砂处理表面粗糙度达到3±1μm的SiC基体上沉积厚度为80～100μm的Si粘结层。

[0050] (2)采用宽速域等离子喷涂工艺在Si粘结层表面制备(Yb0.8Y0.2)2Si2O7面层，工艺的参数如下：喷涂角度为90°±5°，喷涂距离为120mm，氩气流量为70±1L/min，氢气流量为8±1L/min，电压为78±1V，电流为500±5A，送粉量为20±2g/min。(Yb0.8Y0.2)2Si2O7面层的厚度为200～250μm。

[0051] 参见图4，可以看出，实施例2使用的双组元(Yb0.8Y0.2)2Si2O7硅酸盐的稀土元素分布均匀。

[0052] 实施例3

[0053] 一种宽速域等离子喷涂多组元稀土硅酸盐环境障涂层的制备方法，包括以下步骤：

[0054] (1)将尺寸为10～30μm的Si粉末采用宽速域等离子喷涂工艺在经过喷砂处理表面粗糙度达到2μm的SiC基体上沉积厚度为80μm的Si粘结层。

[0055] (2)将尺寸为10～50μm的Yb2Si2O7采用宽速域等离子喷涂工艺在Si粘结层表面制备Yb2Si2O7面层，Yb2Si2O7面层的厚度为200μm，工艺的参数如下：喷涂角度为90°±5°，喷涂距离为120mm，氩气流量为70±1L/min，氢气流量为8±1L/min，电压为78±1V，电流为500±5A，送粉量为20±2g/min，得到宽速域等离子喷涂双组元稀土硅酸盐环境障涂层。

[0056] 实施例4

[0057] 一种宽速域等离子喷涂双组元稀土硅酸盐环境障涂层的制备方法，包括以下步骤：

[0058] (1)将尺寸为10～30μm的Si粉末采用宽速域等离子喷涂工艺在经过喷砂处理表面粗糙度达到4μm的SiC基体上沉积厚度为100μm的Si粘结层。

[0059] (2)将尺寸为10～50μm的(Yb0.8Y0.2)2Si2O7采用宽速域等离子喷涂工艺在Si粘结层表面制备(Yb0.8Y0.2)2Si2O7面层，(Yb0.8Y0.2)2Si2O7面层的厚度为250μm，工艺的参数如下：喷涂角度为90°±5°，喷涂距离为120mm，氩气流量为70±1L/min，氢气流量为8±1L/min，电压为78±1V，电流为500±5A，送粉量为20±2g/min，得到宽速域等离子喷涂双组元稀土硅酸盐环境障涂层。

[0060] 实施例5

[0061] 一种宽速域等离子喷涂双组元稀土硅酸盐环境障涂层的制备方法，包括以下步骤：

[0062] (1)将尺寸为10～30μm的Si粉末采用宽速域等离子喷涂工艺在经过喷砂处理表面粗糙度达到2μm的SiC基体上沉积厚度为90μm的Si粘结层。

[0063] (2)将尺寸为10～50μm Yb2Si2O7的采用宽速域等离子喷涂工艺在Si粘结层表面制备Yb2Si2O7面层，Yb2Si2O7面层的厚度为220μm，工艺的参数如下：喷涂角度为90°±5°，喷涂距离为120mm，氩气流量为70±1L/min，氢气流量为8±1L/min，电压为78±1V，电流为500±5A，送粉量为20±2g/min，得到宽速域等离子喷涂双组元稀土硅酸盐环境障涂层。

[0064] 以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅限于以上实施例，其具体结构允许有变化。但凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

[0065] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。