一种兼具热障及抗CMAS腐蚀附着的热障涂层及其制备工艺制造技术

本发明专利技术公开一种兼具热障及抗CMAS腐蚀附着的热障涂层及其制备工艺，所述热障涂层为双层结构，包括抗CMAS腐蚀附着层和隔热层；靠近基体的隔热层为热障涂层总厚度的30％～60％，靠近热流的抗CMAS腐蚀附着层的厚度为热障涂层总厚度的40％～70％；隔热层和抗CMAS腐蚀附着层均由片层堆叠而成；抗CMAS腐蚀附着层的片层能够进行层剥。涂层在服役过程中，大片层堆叠的片层显著增加了CMAS的渗入路径，从而延缓了CMAS沿表面缺陷渗入的速度，提升了涂层抗CMAS腐蚀能力；另一方面，温度变化产生的膜基热失配应力可引发抗CMAS附着涂层的局部层剥，从而将附着于热障涂层表面的CMAS沉积物去除，以消除CMAS在气膜孔附近的沉积而引发的气膜孔堵塞，从而大幅度提升航空发动机热端金属部件的长期服役稳定性。

Thermal barrier coating with thermal barrier and CMAS corrosion resistance and its preparation process

The invention discloses a thermal barrier coating with both thermal barrier and anti-CMAS corrosion adhesion and its preparation process. The thermal barrier coating is a double-layer structure, including anti-CMAS corrosion adhesion layer and thermal insulation layer; the thermal barrier layer near the substrate is 30%-60% of the total thickness of the thermal barrier coating; and the thickness of anti-CMAS corrosion adhesion layer near the heat flow is a thermal barrier coating. The total thickness is 40%-70%. The thermal insulation layer and anti-CMAS corrosion adhesive layer are made of stacked sheets. The anti-CMAS corrosion adhesive layer can be stripped layer by layer. During the service of the coatings, the stacked lamellae significantly increase the infiltration path of CMAS, thus delaying the infiltration rate of CMAS along the surface defects and improving the corrosion resistance of the coatings. On the other hand, the thermal mismatch stress produced by the temperature changes can lead to the local delamination of the coatings, which will adhere to CMAS. CMAS deposits on the surface of thermal barrier coatings are removed to eliminate the blockage caused by the deposition of CMAS near the blowhole, thus greatly improving the long-term service stability of aeroengine hot-end metal components.

【技术实现步骤摘要】
一种兼具热障及抗CMAS腐蚀附着的热障涂层及其制备工艺
本专利技术属于涂层
，特别涉及一种热障涂层。
技术介绍
作为飞机的心脏，发动机的性能会直接影响飞机性能的各项指标，而最能体现发动机性能的参数之一就是推重比。现代航空发动机追求的目标就是不断提高推重比、降低服役成本。推重比的增加，必然要求发动机涡轮前温度进一步升高。目前，涡轮前温度已远远超过了热端构件金属材料。因此，在热端金属构件表面涂覆低导热的热障涂层，并设计先进的冷却系统，是确保航空发动机热端金属构件稳定运行的关键所在。航空发动机在飞越火山岩上空等恶劣的环境时，会从进气道吸入一定的沙粒、浮尘和飞灰。尽管地理位置和服役条件不同，但经测试，这些硅酸盐矿物颗粒的化学组分都基本相同，主要为CaO、MgO、Al2O3、SiO2以及少量的Ni和Fe的氧化物，其熔点大约在1200℃左右，统称为钙镁铝硅酸盐(Calcium-Magnesium-Alumino-Silicate,CMAS)。随着航空工业的发展，当发动机工作温度达到1200℃以上时，CMAS颗粒在发动机内部高温作用下溶化后会使发动机热端部件受到不同程度的损害。一方面，熔融CMAS会侵蚀热端构件表面的热障涂层，使其寿命和性能严重下降。据报道，CMAS沉积物对热障涂层的影响主要是通过熔融CMAS沿涂层表面缺陷渗入到陶瓷层内部，冷却过程中产生的脆性玻璃相导致陶瓷层应变容限降低，从而引发涂层分层开裂。因此，抑制CMAS腐蚀的关键就是延缓CMAS沿表面缺陷渗入的速度，从而降低CMAS渗入的深度。另一方面，熔融CMAS会在航空发动机热端构件冷却气膜孔附近堆积，造成冷却气膜孔堵塞，显著削弱了冷却气体对高温合金的冷却作用，引发高温合金的严重烧蚀。相比于CMAS对热障涂层的相对“缓慢”腐蚀，CMAS附着引发的冷却气膜孔堵塞会在短时间内直接损伤金属基体，无疑更为致命。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种兼具热障及抗CMAS附着的热障涂层及其制备工艺，该涂层在保留热障涂层隔热功能的前提下，可显著延缓CMAS沿表面缺陷的渗入速度，并通过牺牲具有低结合率的表面抗CMAS层，自发去除附着于冷却气膜孔附件的CMAS沉积物，以实现高推重比航空发动机的高温热端金属部件的长时间稳定运行。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种兼具热障及抗CMAS腐蚀附着的热障涂层，所述热障涂层为双层结构，包括抗CMAS腐蚀附着层和隔热层；靠近基体的隔热层为热障涂层总厚度的50％～70％，靠近热流的抗CMAS腐蚀附着层的厚度为热障涂层总厚度的30％～50％；隔热层和抗CMAS腐蚀附着层均由片层堆叠而成；抗CMAS腐蚀附着层的片层能够进行层剥。进一步的，隔热层的片层单元的横向尺寸为8～20μm、纵向尺寸为0.8～2.5μm，沿热障涂层的厚度方向相邻片层单元的结合率为20％～30％；抗CMAS腐蚀附着层的片层单元的横向尺寸为100～300μm、纵向尺寸为0.8～2.5μm，沿热障涂层的厚度方向相邻片层单元的结合率为5％～10％。进一步的，隔热层和抗CMAS腐蚀附着层的材料均为服役高温条件下热导率低于2.5W/m·K的材料。进一步的，隔热层选择热膨胀系数大于或等于11×10-6/K的陶瓷材料，抗CMAS腐蚀附着层选择热膨胀系数小于或等于10×10-6/K的陶瓷材料。进一步的，隔热层的材料为氧化锆、锆酸锶或钇铝石榴石，抗CMAS附着层的材料为锆酸镧。一种兼具热障及抗CMAS附着的热障涂层的制备工艺，包括：在高温合金基体的粘结层表面，喷涂形成隔热层；随后在隔热层表面喷涂形成抗CMAS腐蚀附着层。进一步的，采用粒径为45μm～75μm的氧化锆、锆酸锶或钇铝石榴石中的一种喷涂粉末，通过大气等离子技术喷涂制备层状隔热层。进一步的，在喷涂制备隔热层的过程中，采用压缩空气在线冷却基体，使基体和已沉积体温度始终保持在80℃～120℃，得到层间结合率25％～30％的涂层。进一步的，采用粒径为50μm～100μm的锆酸镧粉末，通过大气等离子喷涂在隔热层上制备层状陶瓷的抗CMAS腐蚀附着层。进一步的，在喷涂制备抗CMAS腐蚀附着层(4)的过程中，采用压缩空气在线冷却基体，使基体和已沉积体温度始终小于或等于50℃，得到层间结合率＜10％的涂层。相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术公开一种兼具热障及抗CMAS腐蚀附着的热障涂层，在传统的具有热障功能的隔热层外额外喷涂新的具有较低结合率、较大片层的抗CMAS腐蚀附着层。一方面通过片层尺度的增加延缓CMAS的渗入速率；另一方面，基于陶瓷材料和金属基体材料在温度变化时产生的热失配应力，通过抗CMAS涂层的层剥，自发去除附着于冷却气膜孔附件的CMAS沉积物。本专利技术效法电化学防腐蚀中牺牲阳极保护阴极的思路，通过简单易行的双陶瓷层制备，将热失配应力作用下易发生层剥的超低结合率涂层与传统具有热障功能的等离子喷涂涂层进行有机结合，显著降低CMAS在航空发动机热端构件气膜孔附近的附着沉积，对新一代高推重比航空发动机的高温热端金属部件的长时间稳定运行具有重要影响。与现有技术相比，本专利技术在保留传统热障涂层隔热功能的同时，引入了额外的具有低结合率的大片层堆叠的抗CMAS腐蚀附着层，以有效去除附着于气膜孔附件的CMAS沉积物，实现热端构件的长期稳定运行。新型双层结构以低成本成熟的等离子喷涂工艺为基础，具有可行性强、可快速实现工程化应用的特征。本专利技术在传统的具有热障功能的陶瓷隔热层表面额外制备新的具有较低结合率、且片层横向尺寸较大的层状涂层。一方面，较大的片层横向尺寸延长了CMAS沿横向的流动距离，从而起到了降低纵向渗入深度和速度的效果；另一方面，可以利用航空发动机在升降温过程中产生的应力，以牺牲低结合率表层的形式，自发去除附着于气膜孔的CMAS沉积物，形成兼具热障及抗CMAS腐蚀附着的热障涂层新结构。另外，基于等离子喷涂技术的成熟工艺开展结构设计，也有望将新型热障涂层尽快实现工程化应用。附图说明图1为兼具热障及抗CMAS附着的热障涂层的断面形貌示意图；图2为采用等离子喷涂技术沉积制备的双层热障涂层的初始态断面形貌视图；图3为多次热循环引发的抗CMAS附着涂层发生层剥后的断面形貌视图；图4为单次热循环引发的抗CMAS附着涂层局部即将发生层剥的断面形貌视图。具体实施方式以下是专利技术人给出的具体实施例，需要说明的是，这些实施例是本专利技术较优的例子，用于本领域的技术人员理解本专利技术，但本专利技术并不局限于这些实施例。本专利技术提供一种兼具热障及抗CMAS附着的热障涂层的制备工艺，包括：在高温合金基体1的粘结层2表面，喷涂形成隔热层3；随后在隔热层表面喷涂形成抗CMAS腐蚀附着层4。在喷涂隔热层3的过程中，采用0.8MPa的压缩空气在线冷却基体，压缩空气喷嘴的出口直径为10mm，且保持喷嘴出口与基体的距离为200mm，通过压缩空气使基体和已沉积体温度始终保持在100℃左右，得到层间结合率25％～30％的涂层；随后，在喷涂制备抗CMAS腐蚀附着层4的过程中，采用0.8MPa的压缩空气在线冷却基体，压缩空气喷嘴的出口直径为10mm，且保持喷嘴出口与基体的距离为100mm，通过压缩空气使基体和已沉积体温度始终保持在50℃以下，得到层间结合率＜10％的隔热层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种兼具热障及抗CMAS腐蚀附着的热障涂层，其特征在于：所述热障涂层为双层结构，包括抗CMAS腐蚀附着层(4)和隔热层(3)；靠近基体的隔热层(3)为热障涂层总厚度的30％～60％，靠近热流的抗CMAS腐蚀附着层(4)的厚度为热障涂层总厚度的40％～70％；隔热层(3)和抗CMAS腐蚀附着层(4)均由片层堆叠而成；抗CMAS腐蚀附着层(4)的片层能够进行层剥。

【技术特征摘要】
1.一种兼具热障及抗CMAS腐蚀附着的热障涂层，其特征在于：所述热障涂层为双层结构，包括抗CMAS腐蚀附着层(4)和隔热层(3)；靠近基体的隔热层(3)为热障涂层总厚度的30％～60％，靠近热流的抗CMAS腐蚀附着层(4)的厚度为热障涂层总厚度的40％～70％；隔热层(3)和抗CMAS腐蚀附着层(4)均由片层堆叠而成；抗CMAS腐蚀附着层(4)的片层能够进行层剥。2.根据权利要求1所述的一种兼具热障及抗CMAS腐蚀附着的热障涂层，其特征在于，隔热层(3)的片层单元的横向尺寸为8～20μm、纵向尺寸为0.8～2.5μm，沿热障涂层的厚度方向相邻片层单元的结合率为20％～30％；抗CMAS腐蚀附着层(4)的片层单元的横向尺寸为100～300μm、纵向尺寸为0.8～2.5μm，沿热障涂层的厚度方向相邻片层单元的结合率为5％～10％。3.根据权利要求1所述的一种兼具热障及抗CMAS腐蚀附着的热障涂层，其特征在于，隔热层(3)和抗CMAS腐蚀附着层(4)的材料均为服役高温条件下热导率低于2.5W/m·K的材料。4.根据权利要求1所述的一种兼具热障及抗CMAS腐蚀附着的热障涂层，其特征在于，隔热层(3)选择热膨胀系数大于或等于11×10-6/K的陶瓷材料，抗CMAS腐蚀附着层(4)选择热膨胀系数小于或等于10×...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨冠军，李广荣，刘梅军，唐春华，刘宏，李成新，李长久，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61