双陶瓷层界面成分呈连续变化的梯度热障涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种双陶瓷层界面成分呈连续变化的梯度热障涂层及其制备方法。该梯度热障涂层从下至上依次设置的基体、粘结层、陶瓷底层、过渡层和陶瓷面层，其中陶瓷底层和陶瓷面层之间的过渡层成分呈连续变化。该热障涂层可以采用等离子喷涂工艺制备，其典型制备工艺包括大气等离子喷涂、超低压等离子物理多相沉积等。获得的热障涂层在热循环过程中不再发生双陶瓷层界面处开裂剥落问题，从而使得热障涂层抗热冲击寿命大大提高。

Gradient thermal barrier coating with continuous change in interface between two ceramic layers and preparation method thereof

The invention discloses a gradient thermal barrier coating with continuous change of interfacial composition of a double ceramic layer and a preparation method thereof. The gradient thermal barrier coatings are successively arranged from bottom to top on the substrate, bonding layer, ceramic substrate, transition layer and ceramic surface layer. The composition of the transition layer between the ceramic substrate and the ceramic surface layer varies continuously. The thermal barrier coatings can be prepared by plasma spraying process, including atmospheric plasma spraying, ultra-low pressure plasma physical multi-phase deposition and so on. The obtained thermal barrier coatings do not crack and spall at the interface of the double ceramic layers during thermal cycling, thus greatly improving the thermal shock resistance of the thermal barrier coatings.

【技术实现步骤摘要】
双陶瓷层界面成分呈连续变化的梯度热障涂层及其制备方法
本专利技术涉及一种热障涂层技术，尤其涉及一种双陶瓷层界面成分呈连续变化的梯度热障涂层及其制备方法。
技术介绍
热障涂层技术由于能够提高航空发动机热端部件使用温度，提高涡轮前进口温度、延长发动机寿命、降低油耗，目前已经成为军用、民用航空发动机中的一项核心关键技术。目前，热障涂层在汽车、轮船、地面燃机等方面也有广泛应用。目前广泛应用的热障涂层材料主要是氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ)，且已在推重比为10的一级发动机涡轮叶片上获得成功应用，但是其长期最高使用温度不能超过1200℃，否则会在冷却过程中产生相变及体积膨胀而引发涂层失效。然而，随着航空发动机推重比的不断提高，涡轮前进口温度不断提升，热障涂层的使用温度也要求不断提升。国内外学者通过广泛探索，研究开发了可用于更高使用温度的热障涂层陶瓷材料，如具有烧绿石结构的Gd，Eu，Sm，Nd和La的锆酸盐，具有萤石结构的La2Ce2O7、钙钛矿结构氧化物、磁铁铅矿六方镧铝酸盐等等。然而这些材料实际应用过程中，由于材料本身特性存在一些不足，导致其热循环寿命较低。比如烧绿石结构锆酸盐断裂韧性差、热膨胀系数低；La2Ce2O7在200-400℃范围内热膨胀系数存在异常下降现象，且与TGO(Al2O3)高温下发生反应等。通过在新陶瓷层与粘结层间设计制备一层YSZ陶瓷层，一定程度上缓解了上述问题，与单层陶瓷结构相比，双层陶瓷结构热冲击性能显著提高。双层结构涂层剥落失效主要发生于新陶瓷层和YSZ陶瓷层的界面处，主要是由于热冲击过程中界面成分突然改变带来的结构不稳定所致。如果能够进一步避免这一问题，其热循环寿命又会有所提升。上海硅酸盐研究所通过喷涂不同比例的YSZ/锆酸盐的混合粉末制备了梯度复合涂层，但是该结构中涂层界面较多，热力学行为更复杂，制备工艺复杂，难以实际应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种双陶瓷层界面成分呈连续变化的梯度热障涂层及其制备方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术的双陶瓷层界面成分呈连续变化的梯度热障涂层，包括从下至上依次设置的基体、粘结层、陶瓷底层、过渡层和陶瓷顶层，所述陶瓷底层和陶瓷顶层之间的过渡层成分按以下方式呈连续变化：陶瓷底层成分呈梯度下降，陶瓷顶层成分呈梯度上升。本专利技术的上述的双陶瓷层界面成分呈连续变化的梯度热障涂层的制备方法，包括以下步骤：第一步、准备高温合金基体，基体经过喷砂预处理；第二步、在所述的基体上制备粘结层；第三步、在所述的粘结层上沉积界面成分呈连续变化的双陶瓷层。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，本专利技术实施例提供的双陶瓷层界面成分呈连续变化的梯度热障涂层及其制备方法，获得的热障涂层在热循环过程中不再发生双陶瓷层界面处开裂剥落问题，从而使得热障涂层抗热冲击寿命大大提高。附图说明图1为本专利技术实施例提供的双陶瓷层界面成分呈连续变化的梯度热障涂层的结构示意图。具体实施方式下面将对本专利技术实施例作进一步地详细描述。本专利技术实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本专利技术的双陶瓷层界面成分呈连续变化的梯度热障涂层，其较佳的具体实施方式是：如图1所示，包括从下至上依次设置的基体、粘结层、陶瓷底层、过渡层和陶瓷顶层，所述陶瓷底层和陶瓷顶层之间的过渡层成分按以下方式呈连续变化：陶瓷底层成分呈梯度下降，陶瓷顶层成分呈梯度上升。所述的陶瓷底层和陶瓷顶层的厚度比例为0.1～10，过渡层厚度是陶瓷层总厚度的1/10～1/3。本专利技术的上述的双陶瓷层界面成分呈连续变化的梯度热障涂层的制备方法，其较佳的具体实施方式是：包括以下步骤：第一步、准备高温合金基体，基体经过喷砂预处理；第二步、在所述的基体上制备粘结层；第三步、在所述的粘结层上沉积界面成分呈连续变化的双陶瓷层。第三步中，所述的界面成分呈连续变化的双陶瓷层采用的制备方法为等离子喷涂技术，包括大气等离子喷涂、超低压等离子物理多相沉积。第三步中，所述的界面成分呈连续变化的双陶瓷层通过调控两种粉末的送粉率来实现。本专利技术的双陶瓷层界面成分呈连续变化的梯度热障涂层及其制备方法，粘结层材料为可以选择NiCoCrAlY或NiCoCrAlYX(X：Hf、Ta、Si中的一种或多种)。所述的陶瓷底层为YSZ材料。所述的陶瓷顶层为R2Zr2O7(R：La、Gd、Eu、Sm或Nd)、La2Ce2O7及其改性材料、LaMgAl11O9、LaTiAl11O9、Mg2SiO4等中的一种。所述的陶瓷底层和顶层的厚度比例是0.1～10，优选的厚度比例为1.0，过渡层厚度是陶瓷层总厚度的1/10～1/3。本专利技术的制备方法中，采用等离子喷涂方法，其典型工艺包括大气等离子喷涂、超低压等离子物理多相沉积等，如：(A)超低压等离子物理多相沉积界面成分呈连续变化双陶瓷层；(A1)准备喷涂粉末：C1粉末及C2粉末，将两种粉末分别放置在送粉器A和送粉器B中。所用粉末均为超细粒径纳米团聚粉，团聚粉末粒径为1～30μm。所述界面成分呈连续变化的双陶瓷层主要是通过调控两种粉末的送粉率来实现的；(A2)将带粘结层样品装入工装后安装到真空室，抽真空至真空室压力低于1mbar；(A3)设定喷涂参数：等离子气体流量Ar35slpm/He60slpm，喷涂功率为60～75KW，送粉率10～20g/min，喷涂距离900～1400mm。引弧，点枪；(A4)将样品移入等离子射流中，利用等离子射流对样品进行预加热，样品预热温度要求达到800～1000℃后，打开送粉器A(C1粉末)，开始喷涂C1陶瓷层；(A5)根据涂层厚度的要求，当沉积厚度达到陶瓷底层要求厚度时，逐步减小送粉器A的送粉率，开始沉积双陶瓷层间的过渡层；同时打开送粉器B(C2粉末)并逐步增加送粉器B的送粉率。在此过程中，两种粉末的送粉率之和保持不变；(A6)当过渡层厚度达到陶瓷层总厚度的1/10～1/3时，过渡层沉积完毕，关闭送粉器A，进行陶瓷顶层的沉积。当陶瓷顶层沉积厚度达到陶瓷顶层要求厚度时，制备结束，灭弧，待真空室冷却后，放气，取出样品；(B)大气等离子喷涂界面成分呈连续变化双陶瓷层；(B1)准备喷涂粉末：C1粉末及C2粉末，将两种粉末分别放置在送粉器A和送粉器B中。所述界面成分呈连续变化的双陶瓷层主要是通过调控两种粉末的送粉率来实现的；(B2)将带粘结层样品装入工装，设定喷涂参数：等离子气体流量Ar38L/min/H213L/min，喷涂功率为40～50KW，送粉率2g/min，转速3.5r/min,喷涂距离80～100mm；(B3)利用等离子射流对样品进行预加热，样品预热温度要求达到后，打开送粉器A(C1粉末)，开始喷涂C1陶瓷层；(B4)根据涂层厚度的要求，当沉积厚度达到陶瓷底层要求厚度时，逐步减小送粉器A的送粉率，开始沉积双陶瓷层间的过渡层；同时打开送粉器B(C2粉末)并逐步增加送粉器B的送粉率。在此过程中，两种粉末的送粉率之和保持不变；(B5)当过渡层厚度达到陶瓷层总厚度的1/10～1/3时，过渡层沉积完毕，关闭送粉器A，进行陶瓷顶层的沉积。当陶瓷顶层沉积厚度到达面层厚度要求时，制备结束。本专利技术的优点在于：1.双陶瓷层界面处设置成分呈连续变化过渡层，可以有效增强双陶瓷层间的界面结合力，提高热障涂层体系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双陶瓷层界面成分呈连续变化的梯度热障涂层，其特征在于，包括从下至上依次设置的基体、粘结层、陶瓷底层、过渡层和陶瓷顶层，所述陶瓷底层和陶瓷顶层之间的过渡层成分按以下方式呈连续变化：陶瓷底层成分呈梯度下降，陶瓷顶层成分呈梯度上升。

【技术特征摘要】
1.一种双陶瓷层界面成分呈连续变化的梯度热障涂层，其特征在于，包括从下至上依次设置的基体、粘结层、陶瓷底层、过渡层和陶瓷顶层，所述陶瓷底层和陶瓷顶层之间的过渡层成分按以下方式呈连续变化：陶瓷底层成分呈梯度下降，陶瓷顶层成分呈梯度上升。2.根据权利要求1所述的双陶瓷层界面成分呈连续变化的梯度热障涂层，其特征在于，所述的陶瓷底层和陶瓷顶层的厚度比例为0.1～10，过渡层厚度是陶瓷层总厚度的1/10～1/3。3.一种权利要求1或2所述的双陶瓷层界面成分呈连续变化的梯度热障涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：...

【专利技术属性】
技术研发人员：于月光，高丽华，冀晓鹃，贾芳，彭浩然，侯伟骜，原慷，周恒，
申请(专利权)人：北京矿冶科技集团有限公司，北矿新材科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11