本發(fā)明屬于無機非金屬材料領域，具體涉及一種燃氫燃氣輪機復合材料葉片抗燒蝕涂層制備方法。

背景技術：

1、在“雙碳”減排目標的大背景下，氫作為一種清潔可持續(xù)的能源載體受到廣泛關注。其中有著零碳排放、靈活可控等優(yōu)點的燃氫燃氣輪機替代傳統(tǒng)燃氣輪機將成為能源領域?qū)崿F(xiàn)“雙碳”減排目標的必然選擇。燃氫燃氣輪機是一種以富氫為燃料，以純氧為氧化劑，通過直接燃燒生成高溫高壓的水蒸氣(1750℃)，然后直接通入渦輪作功的一種動力裝備，其熱效率可以達到70％以上。然而，高達1750℃的高溫高壓水蒸氣直接作用于渦輪葉片部件，對渦輪部件的承溫能力和耐久性提出了極高要求。

2、碳化硅陶瓷基復合材料(sic?ceramic?matrix?composites,sic-cmcs)具有低密度(約為高溫合金的1/3)、高比強、對裂紋不敏感以及耐高溫和耐化學腐蝕等特性,是未來代替高溫合金最有潛力的結構材料之一。然而，在以氫氣為燃料的燃氫燃氣輪機服役環(huán)境下，燃燒產(chǎn)生大量水蒸氣和過量氧氣與sic在高溫條件反應生成揮發(fā)性的si(oh)4，導致基體材料被快速消耗,這是當前限制sicf/sic材料應用的最主要原因之一。尤其是，sicf/sic復合材料葉片部件工作過程承受1750℃以上高溫氫燃料燒蝕，附帶產(chǎn)生的大量水蒸氣產(chǎn)生水氧耦合腐蝕損傷，是造成sicf/sic復合材料葉片過早失效的主要因素。迫切需要開發(fā)一種同時具備抗高溫燒蝕和水氧腐蝕復合功能的防護涂層材料及其制備方法。

技術實現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術需求，本發(fā)明目的在于提供一種燃氫燃氣輪機復合材料葉片抗燒蝕涂層制備方法。

2、本發(fā)明的技術方案：

3、一種燃氫燃氣輪機復合材料葉片抗燒蝕涂層制備方法，所述的抗燒蝕涂層涂覆于sicf/sic復合材料葉片燃氣流道面，從內(nèi)到外依次由封裝層、化學阻擋層、抗水氧層和隔熱層組成，采用料漿浸漬、等離子噴涂復合技術制備抗燒蝕涂層，具體制備過程包括以下步驟：

4、步驟1基體表面前處理：采用耐高溫遮蔽物對sicf/sic復合材料葉片非燃氣流道面進行防護，采用對丙酮清洗sicf/sic復合材料葉片燃氣流道面，吹干后采用高能束流對燃氣流道面進行毛化處理，獲得表面粗糙度不低于ra3.2，反應層深度≤5μm的燃氣流道面；

5、步驟2基體封裝：將蒸餾水、粒徑為1μm～10μm的si粉、粒徑為1μm～10μm的tic粉和粒徑為1μm～10μm的hfb2粉按照質(zhì)量比為100:50:10:5混合球磨8～24小時制備料漿，將sicf/sic復合材料葉片浸入料漿滲透10～50分鐘；將滲透后的sicf/sic復合材料葉片放入1400℃～1600℃保護氣氛爐中進行高溫燒結處理，將燒結處理后的sicf/sic復合材料葉片采用金剛石砂帶進行表面拋磨處理，去除殘留燒結殘渣；

6、步驟3采用等離子噴涂技術制備燃氣流道面涂層：在步驟1和步驟2處理后的sicf/sic復合材料葉片燃氣流道面依次噴涂化學阻擋層、抗水氧層和隔熱層，其中化學阻擋層由resio4組成，厚度100μm～150μm；抗水氧層由稀土單硅酸鹽re2sio5組成，厚度100μm～150μm；隔熱層由al2o3、sio2和hfo2組成，厚度100μm～150μm；噴涂過程控制基體表面溫度600～800℃，涂層與基體界面強度≥15mpa；

7、步驟4振動光飾處理：以sic顆粒為磨料，采用振動光飾技術對燃氣流道面涂層進行拋磨處理，拋磨處理后涂層表面光潔度不低于ra1.6μm；

8、步驟5去應力處理：去除非燃氣流道面的遮蔽物，將帶涂層sicf/sic復合材料葉片置于保護氣氛爐進行去應力處理，去應力處理溫度600～1500℃。

9、所述步驟1高能束流毛化處理技術，采用飛秒激光器或等離子體射流。

10、所述的化學阻擋層為hfsio4或zrsio4或其改性產(chǎn)物的一種。

11、所述的抗水氧層為yb2sio5、lu2sio5、sc2sio5中的一種或yb2sio5、其改性產(chǎn)物的一種。

12、所述的隔熱層由al2o3、sio2和立方結構hfo2組成，其中三種組分的摩爾比為(10～30)％：(10～30)％；(40～80)％。

13、所述的立方結構hfo2添加y、yb、gd元素中的一種進行改性。

14、所述等離子噴涂技術為大氣等離子噴涂或真空等離子噴涂，噴涂功率30～90kw。

15、所述sicf/sic復合材料葉片采用mi工藝、pip工藝或cvi工藝中的一種進行制備。

16、本發(fā)明的有益效果：

17、1)本發(fā)明中針對sicf/sic復合材料葉片成型過程中的氣孔、纖維裸露和力學性能降低的問題，提出了一種由si、tic和hfb2組成的封裝材料，采用料漿浸漬工藝對sicf/sic復合材料葉片進行封裝處理，該材料具有滲透能力強、與基體浸潤性能和熱匹配性好等優(yōu)勢，可有效解決sicf/sic復合材料葉片成型過程中的氣孔、纖維裸露的問題。通過tic和hfb2的添加，在高溫長期服役過程中形成硅酸鉿，與resio4化學阻擋層化學兼容性和熱匹配性優(yōu)良，可以進一步提升封裝層的耐溫能力和高溫穩(wěn)定性，解決傳統(tǒng)硅粘結層熔點(1410℃)低、易揮發(fā)的難題。

18、2)采用等離子噴涂技術依次制備resio4化學阻擋層和re2sio5稀土單硅酸鹽環(huán)境障層，其中resio4層具有高熔點(～1750℃)、低熱膨脹系數(shù)(3.6～4.0×10-6/k)和低氧擴散速率，可顯著降低封裝層和sic基體高溫氧化速率，提升涂層界面穩(wěn)定性；re2sio5層具極低的二氧化硅活度、良好的抗cmas腐蝕性能，可顯著降低燃氫氣氛對基體的腐蝕作用；立方結構hfo2隔熱層具有熔點高(～2800℃)、熱導率低(≤1.0w/m·k)等優(yōu)勢，可顯著改善涂層的承溫能力和隔熱性能，滿足1600℃以上超高溫服役和抗燃氫氣氛燒蝕的復合功能。

19、3)高能束流、等離子噴涂和振動光飾復合工藝制備涂層，可以實現(xiàn)復雜葉型表面抗燃氫氣氛燒蝕和cmas腐蝕復合功能涂層制備，具有工藝過程周期短、成本低、可控性強等優(yōu)勢。涂層表面粗糙度達到ra1.6μm，可顯著改善陶瓷基復合材料葉片表面氣動特性和抗cmas腐蝕能力。

技術特征：

1.一種燃氫燃氣輪機復合材料葉片抗燒蝕涂層制備方法，其特征在于，所述的抗燒蝕涂層涂覆于sicf/sic復合材料葉片燃氣流道面，從內(nèi)到外依次由封裝層、化學阻擋層、抗水氧層和隔熱層組成，采用料漿浸漬、等離子噴涂復合技術制備抗燒蝕涂層，具體制備過程包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的燃氫燃氣輪機復合材料葉片抗燒蝕涂層制備方法，其特征在于，步驟1高能束流毛化處理技術，采用飛秒激光器或等離子體射流。

3.根據(jù)權利要求1所述的燃氫燃氣輪機復合材料葉片抗燒蝕涂層制備方法，其特征在于，所述的化學阻擋層為hfsio4或zrsio4或其改性產(chǎn)物的一種。

4.根據(jù)權利要求1所述的燃氫燃氣輪機復合材料葉片抗燒蝕涂層制備方法，其特征在于，所述的抗水氧層為yb2sio5、lu2sio5、sc2sio5中的一種或yb2sio5、其改性產(chǎn)物的一種。

5.根據(jù)權利要求1所述的燃氫燃氣輪機復合材料葉片抗燒蝕涂層制備方法，其特征在于，所述的隔熱層由al2o3、sio2和立方結構hfo2組成，其中三種組分的摩爾比為(10～30)％：(10～30)％；(40～80)％。

6.根據(jù)權利要求1所述的燃氫燃氣輪機復合材料葉片抗燒蝕涂層制備方法，其特征在于，所述的立方結構hfo2添加y、yb、gd元素中的一種進行改性。

7.根據(jù)權利要求1所述的燃氫燃氣輪機復合材料葉片抗燒蝕涂層制備方法，其特征在于，所述等離子噴涂技術為大氣等離子噴涂或真空等離子噴涂，噴涂功率30～90kw。

8.根據(jù)權利要求1所述的燃氫燃氣輪機復合材料葉片抗燒蝕涂層制備方法，其特征在于，所述sicf/sic復合材料葉片采用mi工藝、pip工藝或cvi工藝中的一種進行制備。

技術總結
本發(fā)明屬于無機非金屬材料領域，具體涉及一種燃氫燃氣輪機復合材料葉片抗燒蝕涂層制備方法，所述的抗燒蝕涂層涂覆于陶瓷基復合材料葉片燃氣流道面，從內(nèi)到外依次由封裝層、化學阻擋層、抗水氧層和隔熱層組成，采用料漿浸漬、等離子噴涂和振動光飾處理復合技術制備抗燒蝕涂層，可滿足陶瓷基復合材料葉片1600℃燃氫環(huán)境下的防護需求。本發(fā)明提出的燃氫燃氣輪機復合材料葉片抗燒蝕涂層制備方法具有施工方便、氣動特性優(yōu)異、抗氫燒蝕和CMAS腐蝕性能好、服役壽命長等優(yōu)勢。

技術研發(fā)人員：崔永靜,周邦陽,王長亮,郭孟秋,任佳奇,王天穎,焦健,宇波
受保護的技術使用者：中國航發(fā)北京航空材料研究院
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/30