等离子喷涂-物理气相沉积多尺度致密环境障涂层及微裂纹形成机制

The ceramic matrix composite (CMC) material with low density (1/3～1/4 of superalloy) and high operation temperature (200～240℃>superalloy), it has become a preferred material for high thrust-weight ratio aero-engine in future. In service operation, turbine blades are completely exposed to atmospheric environment. Representative CMC component of SiC/SiC faces serious operation conditions like corrosion, ablation, erosion, etc. Therefore, it is urgent to develop a high performance protective coating for CMC component (i.e. Environment Barrier Coating, EBC). In this investigation, a novel technique plasma spray-physical vapor deposition is proposed to prepare multiscale dense EBCs (Si/mullite/Yb2SiO5), in which the interaction of powders and high-speed plasma jet will be discussed under low pressure condition. Besides, distribution of gas, liquid and solid states in plasma jet, and their control method as well as deposition mechanism of multiscale dense coating will be investigated. In addition, microcrack formation mechanism and its control method under multistate deposition of gas, liquid and solid will be studied. Finally, common rules of dense coating prepared by PS-PVD will be summarized.

陶瓷基复合材料(CMC)由于具有较低的密度(高温合金的1/3～1/4)、较高的服役温度(比高温合金高200～240℃)以及良好的结构强度(高温合金的2倍)，已成为未来大推重比航空发动机涡轮叶片的首选材料。发动机服役过程中，涡轮叶片完全暴露于空气气氛中，服役环境恶劣，以SiC/SiC为代表的CMC部件直接面临着腐蚀、烧蚀、冲刷等问题，因此急需开展一类高性能CMC热防护涂层即环境障涂层的研究。本课题通过新型涂层制备技术等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)在SiC/SiC CMC基体表面制备硅-莫来石-硅酸镱多尺度致密环境障涂层。开展低压条件下喷涂粉末与PS-PVD高速等离子射流的相互作用研究，探讨气、液、固多相在等离子焰流中的分布规律、控制方法及多尺度致密涂层的沉积机制；着重研究气、液、固多相沉积多尺度致密涂层的裂纹形成机制与调控方法，凝练PS-PVD制备致密涂层的共性规律。

陶瓷基复合材料(CMCs)因其比强度为镍基高温合金的3-4倍和服役温度比镍基高温合金高100-300℃而作为高推重比航空发动机热端部件首选新型高温结构材料。而航空发动机叶片服役环境十分苛刻，其中包括高温氧化、水氧耦合腐蚀以及燃气冲刷、高频冷热循环等，而且CMCs表面的保护膜SiO2易与水分子生成挥发性氢氧化硅化合物(如Si(OH)4)而不断被损耗，引致CMCs材料物理化学性能下降，故为确保高推重比航空发动机CMCs叶片的长寿命稳定服役，环境障涂层的研究急需开展。本课题通过新型涂层制备技术等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)在SiC/SiC CMCs基体表面制备Si/Mullite/Yb2SiO5多尺度致密环境障涂层。在低压条件下喷涂粉末的团聚结合力小易在等离子高焰流中气化，在基体形成气相沉积，并与液相粒子组成气液两相沉积方式，从而得到层柱状涂层。而PS-PVD的高速焰流使涂层沉积过程中的层间孔隙被有效填充，最终呈现扁平化层状分布，且相比APS的涂层致密少孔隙。但PS-PVD制备的涂层由于热失配、冷却应力等因素产生的拉应力大于涂层抗拉强度，导致涂层易出现垂直裂纹，研究结果表明Yb2SiO5涂层厚度为50 μm，预热温度为800℃时，制备得到的涂层致密少裂纹。另外，为减少涂层裂纹，采用渗铝原位致密化方法，提出压渗工艺，以压力差为动力源，实现贯通裂纹孔隙的全密封，并通过1100℃的低温热处理，生成高熔点相，有效提高涂层防护性能。通过该课题研究，为Si/Mullite/Yb2SiO5涂层体系的应用提供了技术指导和理论支撑，也扩大EBCs体系的制备技术库，更为其它EBCs体系开发提供新思路，引领将来产业化应用。