一种热障涂层及其制备方法与应用、航空发动机涡轮叶片技术

本发明专利技术涉及一种热障涂层及其制备方法与应用、航空发动机涡轮叶片，属于航空发动机热端部件防护涂层领域。该热障涂层包括7YSZ陶瓷层和设置于7YSZ陶瓷层一侧的表面的氧化铝层，7YSZ陶瓷层为羽毛柱状，氧化铝层中的氧化铝为纳米晶体。该热障涂层不仅具有高隔热和高应力容限，还具有良好的抗熔盐腐蚀、抗高温氧化和粒子冲刷性能。其制备方法包括：采用等离子喷涂‑物理气相沉积方法制备7YSZ陶瓷层；采用磁控溅射技术制备氧化铝层，然后真空处理。该方法简单，能够制备均匀的热障涂层。将上述热障涂层用于设置于航空发动机热端部件，如涡轮叶片的表面，能使涡轮叶片具有良好的抗高温氧化性能、耐CMAS腐蚀性能及抗粒子冲刷性能。

【技术实现步骤摘要】
一种热障涂层及其制备方法与应用、航空发动机涡轮叶片
本专利技术涉及航空发动机热端部件防护涂层领域，且特别涉及一种热障涂层及其制备方法与应用、航空发动机涡轮叶片。
技术介绍
热障涂层是采用耐高温、低热导的陶瓷材料以涂层的方式与金属相复合、以降低高温环境下金属表面温度的一种热防护技术。在先进航空发动机中，热障涂层可以显著降低叶片合金的表面温度，大幅度延长叶片的工作寿命，提高发动机的推力和效率。高推比是先进航空发动机的显著标志，实现高推比最直接的手段是提高涡轮进口温度，限制涡轮进口温度水平的主要因素是涡轮叶片的承受能力。在涡轮叶片燃气流道表面制备热障涂层，对提高叶片承温能力有非常直接的效果，并对短时间的超温有很好的缓解作用。热障涂层在军用航空发动机上已获得广泛应用。热障涂层可取得50-150℃的隔热效果，涡轮叶片工作温度一般都接近其材料的许用温度，此时如果涡轮叶片每降低15℃，其持久寿命可延长1倍。在结构和冷却效果不变的条件下，采用热障涂层技术可以使叶片寿命延长约3-5倍。在保持零件寿命不变的条件下，减少冷却空气用量约20-30％，可大幅度提高性能、降低油耗。因此，从可靠性增长、发动机延寿以及其发展型的研制需求来看，热障涂层是当代先进航空发动机涡轮叶片设计不可或缺的选择。目前，美国所用的热障涂层材料结构体系容易导致热障涂层易沿陶瓷/金属界面开裂和失效。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种热障涂层，该热障涂层不仅具有高隔热和高应力容限，还具有良好的抗熔盐腐蚀、抗高温氧化和粒子冲刷性能。本专利技术的目的之二在于提供一种上述热障涂层的制备方法，该制备方法简单，能够制备均匀的热障涂层。本专利技术的目的之三在于提供一种上述热障涂层的应用，例如可将其用于设置于航空发动机热端部件的表面。本专利技术的目的之四在于提供一种设置有上述热障涂层的航空发动机涡轮叶片，具有良好的抗高温氧化性能、耐CMAS腐蚀性能以及抗粒子冲刷性能。本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：本专利技术提出一种热障涂层，其包括7YSZ陶瓷层和氧化铝层；氧化铝层设置于7YSZ陶瓷层一侧的表面。7YSZ陶瓷层为羽毛柱状，氧化铝层中的氧化铝为纳米晶体。优选地，7YSZ陶瓷层的厚度为90-120μm。优选地，氧化铝层的厚度为2-10μm。更优选地，氧化铝层的厚度大于等于2且小于5μm。进一步地，热障涂层还包括NiCoCrAlYTa合金粘结层，7YSZ陶瓷层喷涂于NiCoCrAlYTa合金粘结层的远离用于喷涂于目标工装件的一侧的表面，氧化铝层设置于7YSZ陶瓷层的远离NiCoCrAlYTa合金粘结层的一侧的表面。优选地，NiCoCrAlYTa合金粘结层的孔隙率小于1％。优选地，NiCoCrAlYTa合金粘结层的粗糙度不超过2μm。优选地，NiCoCrAlYTa合金粘结层的厚度为20-40μm。本专利技术还提出一种上述热障涂层的制备方法，包括以下步骤：采用等离子喷涂-物理气相沉积方法制备7YSZ陶瓷层；采用磁控溅射技术在7YSZ陶瓷层的表面制备氧化铝层，然后真空处理。进一步地，当热障涂层还包括NiCoCrAlYTa合金粘结层时，采用等离子喷涂-物理气相沉积方法先制备NiCoCrAlYTa合金粘结层，随后采用等离子喷涂-物理气相沉积方法在NiCoCrAlYTa合金粘结层的一侧的表面制备7YSZ陶瓷层；再采用磁控溅射技术在7YSZ陶瓷层的远离NiCoCrAlYTa合金粘结层的一侧的表面设置氧化铝层，真空处理。本专利技术还提出一种上述热障涂层的应用，例如可将其用于设置于航空发动机热端部件的表面。航空发动机热端部件包括涡轮叶片、燃烧室、隔热屏、喷嘴、火焰筒或尾喷管。本专利技术还提出一种航空发动机涡轮叶片，该航空发动机涡轮叶片的表面设置有上述热障涂层。本申请提供的热障涂层及其制备方法与应用、航空发动机涡轮叶片的有益效果包括：本申请提供的热障涂层不仅具有高隔热和高应力容限，还具有良好的抗熔盐腐蚀、抗高温氧化和粒子冲刷性能。其制备方法简单，能够制备均匀的热障涂层。其主要可用于设置于航空发动机热端部件的表面。设置有上述热障涂层的航空发动机涡轮叶片，具有良好的抗高温氧化性能、耐CMAS腐蚀性能以及抗粒子冲刷性能。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1为实施例1中PS-PVD喷涂态热障涂层表面的形貌图；图2为实施例1中镀铝表面改性后涂层表面的形貌图；图3为实施例1中镀铝表面改性后涂层断面的形貌图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。下面对申请所涉及的热障涂层及其制备方法与应用、航空发动机涡轮叶片进行具体说明。本申请提供的热障涂层包括7YSZ陶瓷层和氧化铝层；氧化铝层设置于7YSZ陶瓷层一侧的表面。其中，7YSZ陶瓷层为羽毛柱状，能够较其它形式或结构具有较高的隔热性能和较好的应力容限性能。作为可选地，7YSZ陶瓷层的厚度可以为90-120μm，如90μm、95μm、100μm、105μm、115μm或120μm，也可以为90-120μm范围内的其它任一厚度值。氧化铝层中的氧化铝为纳米晶体而非纳米铝纤维，该形式的氧化铝层致密程度较高，能够有效提高热障涂层的综合性能包括腐蚀性能、冲刷性能以及抗氧化性能等。作为可选地，氧化铝层的厚度可以为2-10μm，如2μm、4μm、6μm、8μm或10μm，也可以为3μm、5μm、7μm或9μm，还可以为2-10μm范围内的其它任一厚度值。在一些实施方式中，氧化铝层的厚度大于等于2且小于5μm，如2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm或4.5μm等。进一步地，本申请所涉及的热障涂层还包括合金粘结层，作为可选地，合金粘结层可以为NiCoCrAlYTa合金粘结层，7YSZ陶瓷层喷涂于NiCoCrAlYTa合金粘结层的远离用于喷涂于目标工装件(如航空发动机热端部件)的一侧的表面，氧化铝层设置于7YSZ陶瓷层的远离NiCoCrAlYTa合金粘结层的一侧的表面。通过在航空发动机热端部件的表面和7YSZ陶瓷层中间设置NiCoCrAlYTa合金粘结层，能够实现由航空发动机热端部件的表面和7YSZ陶瓷层中间成分连续变化以及结构的梯度过渡，从而提升抗热震、氧化以及隔热等性能，延长热循环寿命。在一些实施方式中，NiCoCrAlYTa合金粘结层的孔隙率小于1％，如0.9％、0.8％、0.7％、0.6％、0.5％或0.4％等，以使NiCoCrAlYTa合金粘结层具有较高的致密程度。在一些实施方式中，NiCoCrAlYTa合金粘结层的粗糙度不超过2μm，以使NiCoCrAlYTa合金粘结层与7YSZ陶瓷层的结合强度大于50MPa。在一些实施方式中，NiCoCrAlYTa合金粘结层的厚度可以为20-40μm，如20μm、25μm、30μm、35μm或40μm等，也可以为20-40μm范围内的其它任一厚度值。此外，本申请还提供一种上述热障涂层的制备方法，例如包括以下步骤：采用等离子喷涂-物理气相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热障涂层，其特征在于，所述热障涂层包括7YSZ陶瓷层和氧化铝层；所述氧化铝层设置于所述7YSZ陶瓷层一侧的表面；所述7YSZ陶瓷层为羽毛柱状，所述氧化铝层中的氧化铝为纳米晶体；优选地，所述7YSZ陶瓷层的厚度为90‑120μm；优选地，所述氧化铝层的厚度为2‑10μm；更优选地，所述氧化铝层的厚度大于等于2且小于5μm。

【技术特征摘要】
1.一种热障涂层，其特征在于，所述热障涂层包括7YSZ陶瓷层和氧化铝层；所述氧化铝层设置于所述7YSZ陶瓷层一侧的表面；所述7YSZ陶瓷层为羽毛柱状，所述氧化铝层中的氧化铝为纳米晶体；优选地，所述7YSZ陶瓷层的厚度为90-120μm；优选地，所述氧化铝层的厚度为2-10μm；更优选地，所述氧化铝层的厚度大于等于2且小于5μm。2.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述热障涂层还包括NiCoCrAlYTa合金粘结层，所述7YSZ陶瓷层喷涂于所述NiCoCrAlYTa合金粘结层的远离用于喷涂于目标工装件的一侧的表面，所述氧化铝层设置于所述7YSZ陶瓷层的远离所述NiCoCrAlYTa合金粘结层的一侧的表面；优选地，所述NiCoCrAlYTa合金粘结层的孔隙率小于1％；优选地，所述NiCoCrAlYTa合金粘结层的粗糙度不超过2μm；优选地，所述NiCoCrAlYTa合金粘结层的厚度为20-40μm。3.一种如权利要求1或2所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：采用等离子喷涂-物理气相沉积方法制备所述7YSZ陶瓷层；采用磁控溅射技术在所述7YSZ陶瓷层的表面制备氧化铝层，然后真空处理。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，当所述热障涂层还包括NiCoCrAlYTa合金粘结层时，采用等离子喷涂-物理气相沉积方法先制备所述NiCoCrAlYTa合金粘结层，随后采用等离子喷涂-物理气相沉积方法在所述NiCoCrAlYTa合金粘结层的一侧的表面制备所述7YSZ陶瓷层；再采用磁控溅射技术在所述7YSZ陶瓷...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小锋，刘敏，周克崧，邓畅光，邓春明，宋进兵，毛杰，张吉阜，杨焜，徐丽萍，陈志坤，曾威，陈龙飞，
申请(专利权)人：广东省新材料研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44