止裂抗剥落仿生堤坝结构梯度涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种止裂抗剥落仿生堤坝结构梯度涂层及其制备方法，属于热障涂层及其表面改性领域。包括表面陶瓷层、金属粘结层和环形堤坝结构体。采用激光技术在陶瓷层表面制备环形堤坝结构体。环形堤坝结构体中自愈合颗粒二硅化钼所占比例由内侧向外侧逐渐增大，从而形成了具有梯度特性堤坝结构体的热障涂层，能够有效阻滞裂纹的萌生和扩展。本发明专利技术由于采用了激光技术在热障涂层中设置不同材料体系堤坝结构体的方法，使质地坚硬的堤坝结构体与质地相对柔软的喷涂态陶瓷涂层形成具有双相混合交替变化特征的强化结构，这样延迟了裂纹的萌生，阻滞了裂纹的扩展，提高了热障涂层的抗热震性能。

【技术实现步骤摘要】
止裂抗剥落仿生堤坝结构梯度涂层及其制备方法
本专利技术涉及热障涂层及其表面改性领域，特别涉及一种止裂抗剥落仿生堤坝结构梯度涂层及其制备方法。
技术介绍
热障涂层技术是发展高性能航空发动机的关键技术，目前已广泛用于航空发动机的燃烧室和发动机叶片上，使用热障涂层能够降低基体高温合金的表面温度，保护基体免受高温氧化，减小发动机中冷却气体用量，提高燃气温度，从而提高航空发动机的推重比。因此，随着科学技术的发展，在航天、航空、燃气发电、化工、冶金等众多领域，热障涂层将会得到更广泛的研究与应用。目前广泛使用的热障涂层是双层结构，也就是由金属粘结层和表面陶瓷涂层组成。陶瓷层一般为6%～8%氧化钇部分稳定的氧化锆，陶瓷层起着隔热的作用，一般采用大气等离子喷涂、电子束物理气相沉积或等离子喷涂-物理气相沉积方法制备。粘结层材料普遍采用MCrAlY合金，其中M代表Ni、Co或Ni与Co混合物，金属粘结层起到抗氧化腐蚀和使陶瓷层与基体紧密结合的作用。这一中间过渡层减少了界面应力，避免了陶瓷层的过早剥落。一般采用低温超音速火焰喷涂或低压等离子喷涂方法制备。航空发动机涡轮叶片热障涂层的服役环境十分复杂，在工作过程中既要受到热冲击载荷，又会受到机械载荷，其工作以及非工作状态会使涂层多次经受冷热循环，微裂纹开始萌生、扩展，直到最后裂纹融汇贯通导致热障涂层剥落失效且使用寿命降低。因此，热障涂层的过早剥落是热障涂层失效的主要形式之一。采用激光技术与热喷涂复合技术以提高热障涂层的抗热震性能受到国内外专家学者的关注，一般采用以下几种方法进行研究。一是采用激光重熔技术较大的激光能量密度对热障涂层的表面陶瓷层进行整体式的搭接重熔；二是采用激光上釉技术较小的激光能量密度对热障涂层的表面陶瓷层的极薄层进行搭接重熔。但这些方法使得涂层内残余应力较大，涂层开裂严重，不能有效地提高热障涂层的性能。因此，对提高热障涂层抗热震性能的研究亟待探索。采用裂纹愈合机制改善陶瓷性能是近年来的研究热点。陶瓷属于脆性材料，对裂纹十分敏感。热障涂层热震失效的过程实际上是一系列的裂纹萌生、扩展与合并，最终导致涂层剥落的过程。在热障涂层中添加自愈合颗粒，当涂层中的裂纹表面遇到大气中的氧气，在高温条件下，存在于裂纹周围的自愈合颗粒发生氧化反应填补裂纹，触发裂纹愈合机制，从而恢复材料强度。自然界中有许多生物诸如贝壳、植物叶片等具有优良的止裂、抗疲劳性能。这些生物体表普遍存在着几何非光滑形态特征，即具有一定几何形状（桩钉形、堤坝形、栅栏形等）的结构单元体以随机或者规律性分布在其体表。这些几何非光滑单元体不但具有良好的刚性和韧性，而且这些独特的结构通过多种方式与基体发生稳固连接，从而赋予了这些生物优异的功能特性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种止裂抗剥落仿生堤坝结构梯度涂层及其制备方法，解决了现有技术存在的大气等离子喷涂热障涂层在高温服役环境下过早剥落的问题，即抗热震性能。本专利技术不仅优化了涂层表面改性的形貌和结构，而且通过添加不同比例的自愈合颗粒由内向外呈梯度分布在环形堤坝结构中，极大地提高了涂层的抗高温氧化性能和抗热震性能。本专利技术采用仿生学理念，利用激光技术与热喷涂复合技术，通过添加裂纹自愈合颗粒，制备出一种具有梯度特性堤坝结构体的热障涂层。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：止裂抗剥落仿生堤坝结构梯度涂层，包括表面陶瓷层1、金属粘结层3和环形堤坝结构体2，所述表面陶瓷层1设有三个大小不同的环形堤坝结构体2，所述三个环形堤坝结构体2的横截面为倒抛物线形，三个环形堤坝结构体同心且深度为100μm～350μm，三个环形堤坝结构体的宽度为1mm～3mm，相邻环形堤坝结构体间距为1mm～4mm；最内侧的环形堤坝结构体距圆形试样中心距离为1mm～4mm，最外侧的环形堤坝结构体距圆形试样外缘的距离为1mm～3mm，且热障涂层中所有环形堤坝结构体的表面积之和占热障涂层表面的10%～70%；所述环形堤坝结构体2的材料由7wt.%Y2O3部分稳定的ZrO2（7YSZ）和二硅化钼组成，且由内至外堤坝结构体中二硅化钼所占质量百分比依次为5%～10%，10%～15%，15%～20%。本专利技术的另一目的在于提供一种止裂抗剥落仿生堤坝结构梯度涂层的制备方法，包括如下步骤：步骤一、对基体4表面进行清洗和喷砂处理；步骤二、在基体表面制备热喷涂态的热障涂层，该热障涂层包括表面陶瓷层1和金属粘结层3，在制备热障涂层时，先在基体4表面制备金属粘结层3，然后在金属粘结层3上制备表面陶瓷层1；步骤三、对热障涂层进行预热处理；步骤四、利用激光技术，在表面陶瓷层上制备环形堤坝结构体2，三个环形堤坝结构体同心且深度为100μm～350μm，三个环形堤坝结构体的宽度为1mm～3mm，相邻环形堤坝结构体间距为1mm～4mm；最内侧的环形堤坝结构体距圆形试样中心距离为1mm～4mm，最外侧的环形堤坝结构体距圆形试样外缘的距离为1mm～3mm，且热障涂层中所有堤坝结构体的表面积之和占热障涂层表面的10%～70%。步骤三所述的对热障涂层进行预热处理的加热温度在500℃～700℃。步骤四所述的激光技术中，激光器采用额定功率为800W～1000W的Nd：YAG固体激光器，该激光器的电流为60A～200A，脉宽为1ms～10ms，频率为1Hz～20Hz，扫描速度为1mm/s～5mm/s，相邻激光辐射区搭接率为10%～50%。由内至外环形堤坝结构体中二硅化钼所占质量百分比依次为5%～10%，10%～15%，15%～20%。所述的金属粘结层3采用低温超音速火焰喷涂的方法制成，且金属粘结层厚度为50μm～120μm。所述的表面陶瓷层1采用大气等离子喷涂的方法制成，且表面陶瓷层厚度为150μm～400μm。本专利技术的有益效果在于：本专利技术利用激光与热喷涂复合技术在热障涂层上制备出堤坝结构体。本专利技术堤坝结构体中自愈合颗粒二硅化钼所占质量百分比由内侧至外侧逐渐增大，能够有效延迟裂纹的萌生，阻滞裂纹的扩展，提高热障涂层的抗热震性能。自愈合颗粒在高温下发生氧化反应，生成的氧化产物能填充涂层内的气孔、空隙和微裂纹等缺陷从而达到自愈合的效果，一方面能提高涂层的抗氧化性能，另一方面，通过调控裂纹尺寸，利用裂纹的较高应变容限能力，可最大化提高热障涂层的抗热震性能，延长涂层的服役寿命。与此同时，激光技术消除了等离子喷涂制备热障涂层的气孔、裂纹等固有缺陷，使涂层表面粗糙度得到明显改善，提高了涂层致密度和硬度。实用性强。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术的堤坝结构体表面结构示意图；图2为图1的A-A剖视结构示意图；图3为本专利技术的喷涂态热障涂层的断面结构图；图4为本专利技术的堤坝结构体的倒抛物线型横截面结构；图5为本专利技术的堤坝结构体在热障涂层表面的分布图。图中：1、表面陶瓷层；2、环形堤坝结构体；3、金属粘结层；4、基体。具体实施方式下面结合附图进一步说明本专利技术的详细内容及其具体实施方式。参见图1至图5所示，本专利技术的止裂抗剥落仿生堤坝结构梯度涂层及其制备方法，包括表面陶瓷层、金属粘结层和堤坝结构体。表面陶瓷层由大气等离子喷涂技术制备，金属粘结层由低温本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种止裂抗剥落仿生堤坝结构梯度涂层，特别适用于热障涂层，其特征在于：包括表面陶瓷层（1）、金属粘结层（3）和环形堤坝结构体（2），所述表面陶瓷层（1）设有三个大小不同的环形堤坝结构体（2），所述三个环形堤坝结构体（2）的横截面为倒抛物线形，三个环形堤坝结构体同心且深度为100μm～350μm，三个环形堤坝结构体的宽度为1mm～3mm，相邻环形堤坝结构体间距为1mm～4mm；最内侧的环形堤坝结构体距圆形试样中心距离为1mm～4mm，最外侧的环形堤坝结构体距圆形试样外缘的距离为1mm～3mm，且热障涂层中所有环形堤坝结构体的表面积之和占热障涂层表面的10%～70%；所述环形堤坝结构体（2）的材料由7wt.%Y2O3部分稳定的ZrO2（7YSZ）和二硅化钼组成，且由内至外堤坝结构体中二硅化钼所占质量百分比依次为5%～10%，10%～15%，15%～20%。

【技术特征摘要】
1.一种止裂抗剥落仿生堤坝结构梯度涂层，特别适用于热障涂层，其特征在于：包括表面陶瓷层（1）、金属粘结层（3）和环形堤坝结构体（2），所述表面陶瓷层（1）设有三个大小不同的环形堤坝结构体（2），所述三个环形堤坝结构体（2）的横截面为倒抛物线形，三个环形堤坝结构体同心且深度为100μm～350μm，三个环形堤坝结构体的宽度为1mm～3mm，相邻环形堤坝结构体间距为1mm～4mm；最内侧的环形堤坝结构体距圆形试样中心距离为1mm～4mm，最外侧的环形堤坝结构体距圆形试样外缘的距离为1mm～3mm，且热障涂层中所有环形堤坝结构体的表面积之和占热障涂层表面的10%～70%；所述环形堤坝结构体（2）的材料由7wt.%Y2O3部分稳定的ZrO2（7YSZ）和二硅化钼组成，且由内至外堤坝结构体中二硅化钼所占质量百分比依次为5%～10%，10%～15%，15%～20%。2.一种止裂抗剥落仿生堤坝结构梯度涂层的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、对基体（4）表面进行清洗和喷砂处理；步骤二、在基体表面制备热喷涂态的热障涂层，该热障涂层包括表面陶瓷层（1）和金属粘结层（3），在制备热障涂层时，先在基体（4）表面制备金属粘结层（3），然后在金属粘结层（3）上制备表面陶瓷层（1）；步骤三、对热障涂层进行预热处理；步骤四、利用激光技术，在表面陶瓷层上制备环形堤坝结构体（2），三个环形堤坝结构体同心且深度为100μm～350μm，三个环形堤坝结...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志辉，张盼盼，任露泉，佟鑫，梁云虹，于征磊，李秀娟，张宝玉，王熙，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22