一种多层结构自修复热障涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种多层结构自修复热障涂层及其制备方法，所述多层结构自修复热障涂层包括依次形成于高温合金基材上的打底层、中间层和陶瓷层，所述打底层的化学式为MCrAlY，其中M为Co和/或Ni；所述中间层的化学组成为（1‑y）TiC+xAl2O3+（y‑x）YSZ，0.65≤y≤0.85，0.05≤x≤0.15；所述陶瓷层为YSZ基涂层。

A self-repairing thermal barrier coating with multi-layer structure and its preparation method

The invention relates to a multilayer structure self-repairing thermal barrier coating and a preparation method thereof. The multilayer structure self-repairing thermal barrier coating comprises a bottom layer, an intermediate layer and a ceramic layer formed on a superalloy substrate in turn. The chemical formula of the bottom layer is MCrAlY, in which M is Co and/or Ni; the chemical composition of the middle layer is (1 y) TiC+xAl2O3+(y x) YSZ, 0.65 < y < 0.85, and 0.85. The ceramic layer is YSZ-based coating.

【技术实现步骤摘要】
一种多层结构自修复热障涂层及其制备方法
本专利技术涉及一种具有延寿效果的多层结构自修复热障涂层及其制备方法，属于热防护无机材料

技术介绍
热障涂层作为一种重要的无机涂层材料，广泛应用在航空发动机，地面重型燃气轮机(简称“两机”)高温合金叶片或其它高温热端部件上，对叶片或其它高温热端部件起到高温隔热，抗氧化，抗磨损或腐蚀等功效，随着对“两机”性能要求的不断攀升，对热障涂层也相应提出了越来越高的要求。长寿命高可靠热障涂层一直是“两机”用热障涂层的迫切需求，而要实现热障涂层的长寿命，就要设法实现涂层的延寿。延长并推迟其失效对应的临界时间点。而热障涂层的失效通常是由于裂纹的萌生，扩展引起的，要实现推迟涂层的失效，就势必要延缓或抑制涂层内部的裂纹扩展。基于此，利用材料自修复的基本思想实现对材料的延寿效果，自修复材料(亦称自愈合材料,Self-healingMaterials)是一类拥有结构上具有自愈合能力的智能材料(SmartMaterials)。具有这种能力的材料能够修复其由于受到外部长期机械作用造成的内部损伤。如果材料本身在受到损伤之后，在一定的条件或刺激之下，能够完成自我修复的过程，恢复到其未受到损伤时的状态。这是一种理想的自修复材料，然而现实中很难达到100％完美的修复。因此普遍把能够一定程度上自我修复的材料也归类于自修复材料。而目前对热障涂层进行高温服役延寿，主要是采用优化涂层喷涂喂料结构，纯化喷涂原料粉体，优化涂层制备工艺，设计涂层内部缺陷结构，如优化孔隙结构排布，优化裂纹形态，尺寸分布等，如对于厚涂层来讲，通常通过控制分区裂纹密度及长度来达到延长涂层服役寿命的目的。
技术实现思路
为了延长热障涂层的使用寿命，使得航空发动机或燃气轮机叶片等基材能够在更高的温度更长的服役时间段内工作，本专利技术的目的是提供了一种多层结构自修复热障涂层与制备方法。在此，一方面，本专利技术提供一种多层结构自修复热障涂层，包括依次形成于高温合金基材上的打底层、中间层和陶瓷层，所述打底层的化学式为MCrAlY，其中M为Co和/或Ni；所述中间层的化学组成为(1-y)TiC+xAl2O3+(y-x)YSZ，0.65≤y≤0.85，0.05≤x≤0.15；所述陶瓷层为YSZ基涂层。本专利技术人经过潜心研究，对自修复涂层的结构与成分进行优化设计，通过有限元模拟计算，找到同时满足涂层热失配极低及隔热效果极佳的多层结构自修复热障涂层。本专利技术的多层结构自修复热障涂层包括在打底层和陶瓷层之间的中间层，中间层的化学组成为(1-y)TiC+xAl2O3+(y-x)YSZ，其中TiC可以作为自修复剂发挥作用，而且它与Al2O3具有非常好的兼容性。TiC在高温条件下与O2反应，生成TiO2颗粒，能够填充裂纹孔隙，对涂层起到自修复的效果，另外，生成的TiO2颗粒，其密度为4.26g.cm-3，低于TiC的密度(4.93g.cm-3)，因此会使得裂纹面周围的体积膨胀，从而在裂纹处产生压应力，进一步使得裂纹产生闭合，从而起到延缓或抑制裂纹扩展的目的。Ti与O的反应可以降低打底层与陶瓷层界面之间的氧分压，从而减缓TGO层的长大速率。本专利技术的多层结构自修复热障涂层可以满足涂层热失配极低及隔热效果极佳。本专利技术是在粘结层与陶瓷顶层YSZ层之间喷涂一层(1-y)TiC+xAl2O3+(y-x)YSZ(TAZ)复合层，该层的成分与结构通过“材料基因组”的思想进行了模拟计算优化设计，一方面保证该层与YSZ陶瓷顶层之间具有良好的热匹配，另外一方面，该层含有Al2O3成分，Al2O3具有很好的氧不透过性及良好的封阻特性，能够保证界面热生长氧化物(thermallygrownoxide,TGO)的生长速率进一步降低，从而进一步提高涂层的自修复能力及抗高温氧化性能，另外，TiC热膨胀系数(6.4×10-6℃-1)与YSZ(10.5×10-6℃-1)相差较大，因此TiC层与YSZ层界面之间存在较大的热失配和界面应力，通过TiC,YSZ,Al2O3(热膨胀系数7.13×10-6℃-1)的复合能够缓解界面的热失配应力。这样的配比能够满足涂层热失配低及隔热效果佳的原理，而该配比则可以通过材料基因组的思想，运用模拟计算优化的方法予以得到。较佳地，所述多层结构自修复热障涂层的厚度为280μm～560μm。所述打底层的厚度可以为80μm～160μm，所述中间层的厚度可以为40μm～80μm，所述陶瓷层的厚度可以为160μm～320μm。所述打底层、中间层和陶瓷层的层厚比可以为(1.5～2.5)：(0.5～1.5)：(3.5～4.5)。在该层厚比范围内，可以进一步使自修复热障涂层的残余应力较低，同时涂层具有较高的隔热效果，使涂层具有较低的热失配。打底层、中间层和陶瓷层的层厚比优选2：1：4。较佳地，所述陶瓷层为氧化钇部分稳定的二氧化锆单层陶瓷层。所述高温合金基材可以为镍基和/或钴基合金。优选高温合金基材为镍基或钴基合金。另一方面，本专利技术还提供一种上述多层结构自修复热障涂层的制备方法，包括：通过大气等离子体喷涂技术或者低压等离子体喷涂技术或者真空等离子体喷涂技术或者超音速火焰喷涂技术在高温合金基材表面制备打底层；通过真空等离子体喷涂技术或者低压等离子体喷涂技术或者大气等离子体喷涂技术在所述打底层表面制备中间层；以及通过大气等离子体喷涂技术在所述中间层表面制备陶瓷层。较佳地，通过真空等离子体喷涂技术或低压等离子体喷涂技术或超音速火焰喷涂技术或大气等离子体喷涂技术在高温合金基材表面制备打底层。采用所述真空等离子体喷涂技术制备打底层的工艺参数可以包括：电流650～725A,电压55～70V,喷涂功率35～50kW，主气(Ar)流量45-55slpm,次气(H2)流量7～12slpm,载气(Ar)流量2.0～2.5slpm,喷涂距离250～300mm,喷涂压力75～125mbar。采用所述低压等离子体喷涂技术制备打底层的工艺参数可以包括：喷涂电流为600～640A,电压为65～75V,喷涂功率39～49kW,主气(Ar)流量35-45slpm,次气(H2)流量4.5～9.5slpm,送粉速率15～23g/min,喷涂距离160～250mm,喷涂压力10～100Pa。采用所述超音速火焰喷涂技术制备打底层的工艺参数可以包括：氧气和氮气流量分别为1750～1950SCFH,20～24SCFH,航空煤油流量为4.0～6.0GPH,喷涂功率18～24KW,喷涂距离为350～370mm，送粉速率为65～75g/min。喷枪例如可以使用JP-5000，枪管尺寸为3.6～4.2(例如4)英寸。采用所述大气等离子体喷涂技术制备打底层的工艺参数可以包括：氩气和氢气流量分别为32～37SCFH,8～12SCFH,电流为550～580A,电压为52～60V,喷涂距离为130～140mm,喷涂功率为28～35kW，送粉速率为28～33g/min。喷枪可以使用Metco-F4，枪管尺寸为2.8～3.2英寸。制备中间层时，通过真空等离子体喷涂技术等将中间层的喷涂喂料喷涂在打底层表面。所述中间层的喷涂喂料的制备工艺包括：将TiC纳米颗粒、Al2O3纳米颗粒、YSZ纳米颗粒按照(1-y)TiC+xAl2O3+(y-x)YSZ的化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多层结构自修复热障涂层，其特征在于，包括依次形成于高温合金基材上的打底层、中间层和陶瓷层，所述打底层的化学式为MCrAlY，其中M为Co和/或Ni；所述中间层的化学组成为（1‑

【技术特征摘要】
1.一种多层结构自修复热障涂层，其特征在于，包括依次形成于高温合金基材上的打底层、中间层和陶瓷层，所述打底层的化学式为MCrAlY，其中M为Co和/或Ni；所述中间层的化学组成为（1-y）TiC+xAl2O3+（y-x）YSZ，0.65≤y≤0.85，0.05≤x≤0.15；所述陶瓷层为YSZ基涂层。2.根据权利要求1所述的多层结构自修复热障涂层，其特征在于，所述多层结构自修复热障涂层的厚度为280μm~560μm，所述打底层、中间层和陶瓷层的层厚比为（1.5~2.5）：（0.5~1.5）：（3.5~4.5）。3.根据权利要求1或2所述的多层结构自修复热障涂层，其特征在于，所述陶瓷层为氧化钇部分稳定的二氧化锆单层陶瓷层。4.根据权利要求1至3中任一项所述的多层结构自修复热障涂层，其特征在于，所述高温合金基材为镍基和/或钴基合金。5.一种权利要求1至4中任一项所述的多层结构自修复热障涂层的制备方法，其特征在于，包括：通过大气等离子体喷涂技术或者低压等离子体喷涂技术或者真空等离子体喷涂技术或者超音速火焰喷涂技术在高温合金基材表面制备打底层；通过真空等离子体喷涂技术或者低压等离子体喷涂技术或者大气等离子体喷涂技术在所述打底层表面制备中间层；以及通过大气等离子体喷涂技术在所述中间层表面制备陶瓷层。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，采用所述真空等离子体喷涂技术制备打底层的工艺参数包括：电流650~725A，电压55~70V，喷涂功率35~50kW，主气Ar流量45-55slpm，次气H2流量7~12slpm，载气Ar流量2.0~2.5slpm，喷涂距离250~300mm，喷涂压力75~125mbar；采用所述低压等离子体喷涂技术制备打底层的工艺参数包括：喷涂电流为600~640A，电压为65~75V，喷涂功率39~49KW，主气Ar流量35-45slpm，次气H2流量4.5~9.5slpm，送粉速率15~23g/分钟，喷涂距离160~250mm，喷涂压力10~100Pa；采用所述超音速火焰喷涂技术制备打底层的工艺参数包括：氧气和氮气流量分别为1750~1950SCFH，20~24SCFH，航空煤油流量为4.0~6.0GPH，喷涂功率18~24KW，喷涂距离为350~370mm，送粉速率为65~75g/分钟；采用所述大气等离子体喷涂技术制备打底层的工艺参数...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亮，明辰，王有伟，宋二红，邱吴劼，黄健，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31