本发明专利技术公开了一种具有高热稳定性、抗高温烧结、低热导率的铬酸镧陶瓷层材料，是采用电子束物理气相沉积方法在镍基高温合金基体表面镀上一层粘结层材料和陶瓷层材料。粘结层材料为ＭＣｒＡｌＹ，Ｍ可以是Ｎｉ合金元素，Ｃｏ合金元素或者Ｎｉ＋Ｃｏ混合合金元素；陶瓷层材料为铬酸镧Ｌａ↓［２．０～３．０］Ｃｒ↓［２．０～２．５］Ｏ↓［６．０～７．５］。本发明专利技术的热障涂层具有高熔点，从室温到使用温度之间没有相变，低热导率，化学稳定，与镍基高温合金基体热膨胀匹配。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种新型热障涂层，具体地说，是指一种采用电子束物理气相沉积方法制备得到的一种新型热障涂层铬酸镧陶瓷层材料。
技术介绍
随着航空燃气涡轮发动机向高流量比、高推重比方向发展，涡轮发动机进口温度进一步提高，可以大大提高发动机效率。推重比10级航空发动机的设计出口温度已达到1850K以上，推重比15级以上的航空发动机的设计出口温度将超过2000K。现有金属材料的单独使用已经不能满足设计及使用要求。热障涂层在提高热端部件抗高温腐蚀能力的同时，使其能承受更高的使用温度，并具有提高发动机的工作温度、延长热端部件使用寿命的效果。在目前普遍采用的双层结构热障涂层材料中，陶瓷层材料为8wt％Y2O3-ZrO2(8YSZ)，8YSZ被公认为是一种标准的陶瓷隔热涂层材料，具有较高的热膨胀系数，较低的热导率及良好的抗热冲击性，但长期使用温度不能超过1200℃。在1200℃以上，亚稳四方相转变为四方相和立方相，然后转变为单斜相，产生大约4％的体积变化，导致涂层剥落失效，使得热障涂层寿命降低。热障涂层失效的一个主要原因就是长期热循环冲击后，陶瓷层和金属基体之间由于应力不匹配产生的裂纹扩展导致涂层失效。因此需要在陶瓷层和金属基体之间沉积一粘结层来改变应力不匹配的问题。粘结层是为了缓解陶瓷涂层和基体的热不匹配、同时也为了提高基体的抗氧化性。由于粘结层成分对氧化速率、氧化膜成分及完整性以及与基体的结合力等因素有决定作用，而这些因素直接影响热障涂层的寿命；同时，粘结层也对阻止垂直裂纹扩展、提高基体的热疲劳寿命具有重要的作用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新型的陶瓷层热障涂层材料，是采用电子束物理气相沉积方法在镍基高温合金基体表面镀上一层粘结层材料和陶瓷层材料构成。其陶瓷层材料具有高温相稳定性，与氧化钇部分稳定的氧化锆(8YSZ)相比具有较低的热导率和较高的热膨胀系数，可以有效地缓解由于基体材料与陶瓷层热膨胀系数不匹配产生的应力，以满足长期服役的热端部件的隔热与抗高温氧化腐蚀的需求。本专利技术是一种具有高热稳定性、抗高温烧结、低热导率的热障涂层铬酸镧陶瓷层材料，由陶瓷层和粘结层构成，粘结层设在镍基高温合金基体与陶瓷层之间，所述的粘结层材料为MCrAlY，M可以是Ni合金元素，Co合金元素或者Ni+Co混合合金元素；所述的陶瓷层材料为铬酸镧La2.0～3.0Cr2.0～2.5O6.0～7.5。所述的热障涂层，其粘结层材料为NiCrAlY，组份的重量百分比为55～70％的镍、22～30％的铬、8～13％的铝、0.5～0.8％的钇。所述的热障涂层，其粘结层材料为CoCrAlY，组份的重量百分比为60～75％的钴、18～22％的铬、7～12％的铝、0.5～0.8％的钇。所述的热障涂层，其粘结层材料为NiCoCrAlY，组份的重量百分比为40～60％的镍、18～22％的钴、19～25％的铬、7～10％的铝、0.5～0.8％的钇。所述的热障涂层，其陶瓷层材料为铬酸镧La2.0～3.0Cr2.0～2.5O6.0～7.5。所述的热障涂层，其陶瓷层材料与8YSZ材料相比，其比热降低8％～20％，热扩散系数降低11％～21％，热导率降低9％～15％，热膨胀系数提高了12％。本专利技术是采用电子束物理气相沉积方法在镍基高温合金基体表面镀上一层粘结层材料和陶瓷层材料来制备热障涂层，制备工艺步骤(A)制备陶瓷层材料料棒按比例将Cr2O3和La2O3粉末，经球磨混合、冷压成型后放入马弗炉内，烧结2～6hrs，烧结温度1400℃～1600℃，制得电子束物理气相沉积用陶瓷料棒；(B)制备粘结层材料料棒按比例称取MCrAlY(M可以是Ni合金元素，Co合金元素或者Ni+Co混合合金元素)合金元素，熔炼温度1600℃～1800℃，经熔炼制得电子束物理气相沉积用粘结层材料金属料棒；(C)采用电子束物理气相沉积设备制备涂层①将上述(A)和(B)制得的料棒分别放入电子束物理气相沉积设备的第一坩埚和第二坩埚内，并将镍基高温合金基体安装于基板上；②抽真空至所需真空度～10-4Pa；③设定旋转基板架的旋转速度10～20rpm；采用电子束加热基板至600～900℃，电子束电压17～19kV；④沉积粘结层预蒸发粘结层材料料棒，并调节电子束流1.4～1.8A，料棒上升速率0.8～1.0mm/min，沉积速率1.5～2.0μm/min；拉开挡板，蒸发沉积粘结层开始，沉积40～60μm厚度后沉积完成； ⑤沉积陶瓷层将经④处理后的镍基高温合金基体安装于基板上，并调节至装有陶瓷料棒的第二坩埚上方，调节电子束流1.4～1.8A，料棒上升速率1.2～1.6mm/min，沉积速率2.0～3.0μm/min；拉开挡板，蒸发沉积陶瓷层开始，沉积完成后取出，即热障涂层制备完成。本专利技术热障涂层材料的优点(1)陶瓷层材料具有高熔点，从室温到使用温度之间没有相变，且低热导率，化学稳定，与金属基体热膨胀匹配。(2)陶瓷材料LaCrO3在1400℃下长期退火具有较高的相稳定性；LaCrO3的热导率比标准8YSZ的热导率低；LaCrO3的热膨胀系数比标准8YSZ的要高。(3)高速蒸发沉积制备粘结层和陶瓷层，各层的成分可控。附图说明图1是本专利技术热障涂层的剖面结构示意图。图2是电子束物理气相沉积设备结构示意图。图3是本专利技术陶瓷层材料与8YSZ材料的比热随温度的变化关系图。图4是陶瓷层材料与8YSZ材料的热扩散系数与温度的变化关系图。图5是陶瓷层材料与8YSZ材料的热导率与温度的变化关系图。图6是陶瓷层材料热膨胀系数与温度的变化关系图。图7是陶瓷层材料在1400℃下烧结的XRD图。图中1.真空室 2.第一坩埚3.第二坩埚4.粘结层料棒 5.陶瓷层料棒6.挡板7.旋转基板架 8.电子枪9.电子枪10.基板11.陶瓷层12.粘结层13.基体具体实施方式下面将结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的说明。在本专利技术中，专利技术人是为了制备一种比传统陶瓷层材料(8YSZ)热导率低、热膨胀系数高且能耐更高使用温度的新型热障涂层铬酸镧陶瓷层材料。采用电子束物理气相沉积技术，通过调节陶瓷层Cr2O3和La2O3两种粉末的原始配比和控制蒸发沉积工艺参数，获得与蒸发源材料成分相同且接近化学剂量比的涂层。利用电子束物理气相沉积的特点，制备出具有柱状晶结构的热障涂层，柱状晶之间特有的垂直于陶瓷层和粘结层界面的孔隙进一步增加了陶瓷层的应变容限，有利于提高热障涂层的使用寿命，满足长期服役的热端部件的隔热与抗高温氧化腐蚀的需求。本专利技术是一种具有高热稳定性、抗高温烧结、低热导率的热障涂层铬酸镧陶瓷层材料，由陶瓷层和粘结层构成，粘结层设在镍基高温合金基体与陶瓷层之间(如图1所示)。所述的粘结层材料为MCrAlY，M可以是Ni合金元素，Co合金元素或者Ni+Co混合合金元素；所述的陶瓷层材料为铬酸镧La2.0～3.0Cr2.0～2.5O6.0～7.5。粘结层与陶瓷层的沉积厚度为1∶1～5。在本专利技术中，采用电子束物理气相沉积的方法制备具有高热稳定性、抗高温烧结、低热导率的热障涂层，其工艺流程为(A)制备陶瓷层材料料棒按比例将Cr2O3和La2O3粉末，经球磨混合、冷压成型后放入马弗炉内，烧结2～6hrs，烧结温度1400℃～1600℃，制得陶瓷本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有高热稳定性、抗高温烧结、低热导率的热障涂层铬酸镧陶瓷层材料，由陶瓷层和粘结层构成，粘结层设在镍基高温合金基体与陶瓷层之间，其特征在于：所述的粘结层材料为ＭＣｒＡｌＹ，Ｍ可以是Ｎｉ合金元素，Ｃｏ合金元素或者Ｎｉ＋Ｃｏ混合合金元素；所述的陶瓷层材料为铬酸镧Ｌａ↓［２．０～３．０］Ｃｒ↓［２．０～２．５］Ｏ↓［６．０～７．５］。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郭洪波，衣松，宫声凯，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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