一种高韧稀土磷酸盐/锆酸盐复合热障涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高韧稀土磷酸盐/锆酸盐复合热障涂层及其制备方法；热障涂层自基底而上为粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层，粘结层选用MCrAlX合金，其中M＝Ni和Co或两者组合物，X＝Y、Hf、Pt、Si中的一种或两种组合物，第一陶瓷层选用YSZ涂层，第二陶瓷层选用REPO4/Ln2Zr2O7复合陶瓷材料，其中RE和Ln为La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd中任意一种稀土元素。制备方法采用电子束物理气相沉积法或大气等离子喷涂法；通过在Ln2Zr2O7中掺杂REPO4，不仅明显改善了涂层的断裂韧性和隔热性能，延长了涂层的热冲击寿命，解决复合陶瓷材料涂层化过程中的成分偏析的技术问题。

A high toughness rare earth phosphate / zirconate composite thermal barrier coating and its preparation method

The invention relates to a high toughness rare earth phosphate / zirconate composite thermal barrier coating and a preparation method thereof; the thermal barrier coating from basement and on the bonding layer, the first ceramic layer and second ceramic layer, adhesive layer with MCrAlX alloy, M = Ni and X = Co or both composition, one or two kinds of composition Y Hf, Si, Pt, the first ceramic layer with YSZ coating, second ceramic layer with REPO4/Ln2Zr2O7 composite ceramic materials, including RE and Ln is a rare earth element, Ce, Pr, La at Nd, Pm, Sm, Eu, Gd. The preparation method of spraying method or atmospheric plasma deposited by electron beam physical vapor; by doping in Ln2Zr2O7 REPO4, not only improved fracture toughness and heat insulation performance, prolong the life of the coating thermal shock, technical problem solving process segregation of composite ceramic materials in the coating.

【技术实现步骤摘要】
一种高韧稀土磷酸盐/锆酸盐复合热障涂层及其制备方法
本专利技术涉及热障涂层制备
，特别是涉及一种高隔热、高韧性、长寿命的稀土磷酸盐/锆酸盐复合热障涂层。
技术介绍
为满足航空涡轮发动机工作温度不断提升以及发动机在恶劣环境下长时间稳定工作的需求，除发展新一代高温合金材料外，热障涂层的作用已经不可替代。Y2O3部分稳定ZrO2(YSZ)的热障涂层已成功地应用在航空发动机热端部件上并取得良好的使用效果，但其在高温环境中易产生烧结和相变现象，这极大地限制了其使用温度。与YSZ相比，稀土锆酸盐(Ln2Zr2O7)具有更优隔热性能、相稳定性、抗熔盐和CMAS腐蚀能力，被认为是一种具有前景的新一代热障涂层材料。但Ln2Zr2O7的断裂韧性较差，仅为YSZ的10-20％，这在很大程度上限制了Ln2Zr2O7在热障涂层领域的应用。针对Ln2Zr2O7的断裂韧性差缺点，国内外学者进行了大量研究工作：Ren等人通过在氧化钇稳定氧化锆中加入磷酸镧相来改善涂层材料断裂韧性，并将其增韧机理归因于裂纹偏转模式的改变(RenX，GuoS，ZhaoM，etal.ThermalconductivityandmechanicalpropertiesofYSZ/LaPO4composites[J].JournalofMaterialsScience，2014，49(5)：2243-2251)。Pan等人的研究表明在La2Zr2O7中添加第二相LaPO4可提高涂层隔热性能并改善其断裂韧性和弹性模量(YangJ，WanC，ZhaoM，etal.EffectiveblockingofradiativethermalconductivityinLa2Zr2O7/LaPO4compositesforhightemperaturethermalinsulationapplications[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety，2016)。Guo等人通过在Ln2Zr2O7中掺杂Sc2O3提高了涂层的韧性(见参考文献1WangC.M.，GuoL.EnhancedthermalexpansionandfracturetoughnessofSc2O3-dopedGd2Zr2O7ceramics[J]，CeramicInternational41(2015)10730-10735，参考文献2GuoL.，ZhangY.Thermalexpansionandfracturetoughnessof(RE0.9Sc0.1)2Zr2O7(RE＝La，Sm，Dy，Er)ceramics[J]，CeramicsInternational，42(2016)583-588)。申请者在前期研究中发现，LaPO4/Gd2Zr2O7复合陶瓷材料具有较高的断裂韧性，当LaPO4掺杂量为30mol％时，材料的韧性可达Gd2Zr2O7的1.45倍(见文献3C.M.Wang，L.Guo，LaPO4asatougheningagentforrareearthzirconateceramics，Mater.Des.111(2016)389-393)。稀土锆酸盐Ln2Zr2O7(Ln＝La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd)属于同一系列化合物，具有相同的晶体结构(烧绿石型)和相似的热、力学性能，因此均可预计通过LaPO4掺杂能达到增韧目的。同理，稀土磷酸盐LnPO4(Ln＝Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd)具有与LaPO4相似结构，也可被设计成陶瓷材料的一种有效增韧剂。据此，可认为稀土磷酸盐/锆酸盐复合陶瓷材料具有导热系数低、相稳定性高、韧性高等优点，有望成为新一代超高温热障涂层的陶瓷层材料。同时，热障涂层的寿命不仅与陶瓷材料的性能密切相关，还受涂层的制备工艺、组织结构、微观成分、相组成等影响。因此，为满足先进航空发动机对高性能热障涂层的需求，亟需研发新一代超高温低导热的热障涂层材料及其涂层化技术。
技术实现思路
稀土锆酸盐Ln2Zr2O7(Ln＝La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd)热障涂层断裂韧性低而导致的热循环寿命低的问题，本专利技术提出在其中掺杂稀土磷酸盐REPO4(RE为轻稀土元素，可与Ln2Zr2O7中的稀土种类Ln相同或不同)以提高涂层的断裂韧性，并提出了相应涂层的制备方法。本专利技术解决了稀土锆酸盐涂层韧性较低而导致的过早失效问题和复合陶瓷材料涂层化过程中的成分偏析的技术问题。本专利技术的技术方案如下：一种高韧稀土磷酸盐/锆酸盐复合热障涂层，涂层自基体而上依次为粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层；所述的粘结层的材料选用MCrAlX合金，其中M＝Ni或Co或两者组合物，X＝Y、Hf、Pt中的一种或两种组合物；第一陶瓷层的材料选用YSZ涂层；第二陶瓷层的材料选用REPO4/Ln2Zr2O7复合陶瓷材料，其中RE和Ln为La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd中任意一种稀土元素，RE和Ln的元素可相同或不同，REPO4掺杂范围为5～50mol％。所述热障涂层体系中各层厚度如下：粘结层厚度30～60μm，第一陶瓷层厚度80～150μm，第二陶瓷层厚度80～150μm。优选第一陶瓷层的厚度等于第二陶瓷层厚度。本专利技术的一种高韧稀土磷酸盐/锆酸盐复合热障涂层制备方法，包括如下步骤：第一步，基体前处理；第二步，制备MCrAlX粘结层；第三步，制备第一陶瓷层YSZ和第二陶瓷层REPO4/Ln2Zr2O7。上述第三步中第一陶瓷层、第二陶瓷层采用电子束物理气相沉积法或大气等离子喷涂法。本专利技术第三步采用电子束物理气相沉积法制备第一陶瓷层和第二陶瓷层，具体步骤包括A)制备第一陶瓷层YSZ和第二陶瓷层REPO4/Ln2Zr2O7沉积靶材；B)沉积第一陶瓷层YSZ和第二陶瓷层REPO4/Ln2Zr2O7；将两种靶材放进电子束物理气相沉积设备的坩埚中，设置沉积第一陶瓷层YSZ的工艺参数：真空度10-4～10-3Pa，沉积过程中待沉积的样品温度900±20℃，基体转速10～15rpm，沉积速率2.5～4.0mm/min，调整高能电子束将YSZ靶材融化，靶材蒸发、沉积，形成第一陶瓷层，本专利技术选择的沉积时间32～38min，得到厚度80～150μm的第一陶瓷层；设置沉积第二陶瓷层REPO4/Ln2Zr2O7的工艺参数，沉积过程中待沉积的样品温度900±20℃，基体转速10～15rpm，沉积速率2.5～4.0mm/min，调整高能电子束将REPO4/Ln2Zr2O7靶材融化，靶材蒸发、沉积，形成第一陶瓷层，本专利技术选择的沉积时间32～38min，得到厚度80～150μm的第二陶瓷层。本专利技术第三步采用大气等离子法制备第一陶瓷层和第二陶瓷层，具体步骤包括A)制备第一陶瓷层YSZ和第二陶瓷层REPO4/Ln2Zr2O7喷涂粉末；B)喷涂第一陶瓷层YSZ和第二陶瓷层REPO4/Ln2Zr2O7；a)喷涂第一陶瓷层YSZ的工艺参数设定如下：电压55～70V，电流550～700A，主气体Ar流量40～60L/min，H2流量2～8L/min，送粉率20～30g/min，喷枪横向移动速率为200～300mm/s，火焰喷口与基体的距离100～120mm；b)喷涂第二陶瓷层RE本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高韧稀土磷酸盐/锆酸盐复合热障涂层，其特征在于：涂层自基体而上依次为粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层；所述的粘结层的材料选用MCrAlX合金，其中M＝Ni或Co或两者组合物，X＝Y、Hf、Pt中的一种或两种组合物；第一陶瓷层的材料选用YSZ涂层；第二陶瓷层的材料选用REPO4/Ln2Zr2O7复合陶瓷材料，其中RE和Ln为La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd中任意一种稀土元素，RE和Ln的元素可相同或不同。

【技术特征摘要】
1.一种高韧稀土磷酸盐/锆酸盐复合热障涂层，其特征在于：涂层自基体而上依次为粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层；所述的粘结层的材料选用MCrAlX合金，其中M＝Ni或Co或两者组合物，X＝Y、Hf、Pt中的一种或两种组合物；第一陶瓷层的材料选用YSZ涂层；第二陶瓷层的材料选用REPO4/Ln2Zr2O7复合陶瓷材料，其中RE和Ln为La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd中任意一种稀土元素，RE和Ln的元素可相同或不同。2.如权利要求1所述的热障涂层，其特征在于：REPO4掺杂范围为5～50mol％。3.如权利要求1所述的热障涂层，其特征在于：粘结层厚度30～60μm，第一陶瓷层厚度80～150μm，第二陶瓷层厚度80～150μm。4.根据权利1所述的热障涂层，其特征在于第一陶瓷层的厚度等于第二陶瓷层厚度。5.权利要求1的一种高韧稀土磷酸盐/锆酸盐复合热障涂层制备方法，其特征在于：包括如步骤下：第一步，基体前处理；第二步，制备MCrAlX粘结层；第三步，制备第一陶瓷层YSZ和第二陶瓷层REPO4/Ln2Zr2O7。6.根据权利要求5所述制备方法；其特征在于，第三步中第一陶瓷层、第二陶瓷层采用电子束物理气相沉积法或大气等离子喷涂法。7.根据权利要求6所述制备方法；其特征在于，第三步采用电子束物理气相沉积法制备第一陶瓷层的和第二陶瓷层，具体步骤包括A)制备第一陶瓷层YSZ和第二陶瓷层REPO4/Ln2Zr2O7沉积靶材；B)沉积第一陶瓷层YSZ和第二陶瓷层REPO4/Ln2Zr2O7；将两种靶材放进电子束物理气相沉积设备的坩埚中，设置沉积第一陶瓷层YSZ的工艺参...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭磊，张成龙，李明珠，王彩妹，叶福兴，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12