一种EB-PVD/APS复合结构双陶瓷层热障涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种EB‑PVD/APS复合结构双陶瓷层热障涂层，该热障涂层包括MCrAlY金属粘结层、柱状晶结构陶瓷层、类层状结构柱状晶过渡层和层状结构陶瓷层，类层状结构柱状晶过渡层通过对柱状晶结构陶瓷层进行表面处理获得，类层状结构柱状晶过渡层厚度为20～50μm。该热障涂层的制备方法结合了电子束物理气相沉积制备的柱状晶结构和大气等离子喷涂层状结构热障涂层特征，类层状结构柱状晶过渡层提高了层状结构和柱状晶结构陶瓷层间结合能力，热障涂层抗弯曲能力和抗热震性能显著提高，实现了复合结构双陶瓷层热障涂层长寿命和高隔热性能，在低成本下实现新结构热障涂层长寿命和高隔热协调设计。

【技术实现步骤摘要】
一种EB-PVD/APS复合结构双陶瓷层热障涂层及其制备方法
本专利技术涉及热障涂层领域，尤其是EB-PVD/APS复合结构双陶瓷层热障涂层及其制备方法。
技术介绍
热障涂层(TBCs)由抗氧化、抗腐蚀的粘结层和耐高温、抗腐蚀和低导热的陶瓷层组成，可提高热端部件的抗高温氧化能力和抗腐蚀能力，延长热端部件使用寿命，热障涂层是提高燃气轮机效率的一种有效表面防护技术，已广泛应用于燃气涡轮发动机机的热端部件防护。随着燃气涡轮发动机技术发展，涡轮前进口温度持续提高，即使采用先进冷却结构设计，现代燃气轮机热端部件合金材料也难以满足使用要求，需要使用热障涂层对热端部件进行防护。热障涂层制备技术主要为电子束物理气相沉积(简称EB-PVD)和大气等离子喷涂(简称APS)。EB-PVD技术是在真空环境下采用高能电子束将涂层材料(称为靶材)熔化、气化后沉积在基体上形成具有柱状晶结构涂层。APS技术在大气环境下采用等离子体将涂层材料(称为喷涂粉末)熔化、加速后撞击基体上，通过不断叠加形成具有层状结构的涂层，EB-PVD和APS技术制备的热障涂层在燃气涡轮发动机热端部件均得到了广泛应用。EB-PVD和APS技术制备的热障涂层具有不同的结构特征和优缺点。EB-PVD技术制备的独特柱状晶结构热障涂层具有更高应变容限和服役寿命，涂层结合强度达70MPa以上，但由于柱状晶间隙与热流方向一致，使涂层热导率相对较高(通常约为1.5～2.0W/m·K)，APS技术制备的层状结构热障涂层具有大量的层状间隙、未融化粒子和孔隙等缺陷，这些缺陷使APS制备热障涂层具有较低热导率(通常约为0.8～1.2W/m·K)，但层状结构涂层的片层间结合相对较弱，APS热障涂层结合强度和使用寿命通常也低于EB-PVD涂层，APS涂层结合强度通常为20～40MPa之间。然而，EB-PVD设备相对APS设备系统更复杂、成本更高，EB-PVD涂层制备工序多，导致EB-PVD涂层生产效率远远低于APS涂层，成本也远高于后者，且EB-PVD涂层沉积速率相对较低，不利于制备厚度大于200μm以上厚热障涂层。隔热是热障涂层主要作用之一，随着涂层厚度增加，热障涂层隔热性能增加，相对EB-PVD涂层来说，APS热障涂层具有更低热导率，在热障涂层厚度一致情况下可获得更高隔热性能，但APS热障涂层已不能满足高性能燃气涡轮发动机高温部件要求，需要厚度大于200μm的EB-PVD热障涂层对涡轮部件进行防护。但EB-PVD热障涂层工艺特点决定的低生产效率和高成本限制了其在厚热障涂层方面应用。综上，开发一种区别与现有技术结构的热障涂层，结合EB-PVD和APS热障涂层优点，构建一种高隔热、长寿命、低成本热障涂层，解决高性能燃气涡轮发动机高温部件对厚热障涂层需求是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
为实现上述目的，本专利技术提出一种EB-PVD/APS复合结构双陶瓷层热障涂层，所述热障涂层自下而上依次包括金属粘结层、柱状晶结构陶瓷层、类层状结构柱状晶过渡层和层状结构陶瓷层，所述柱状晶结构陶瓷层采用EB-PVD制备，所述层状结构陶瓷层采用APS制备，所述类层状结构柱状晶过渡层由对柱状晶结构陶瓷层进行干喷砂处理所形成，在柱状晶结构陶瓷层近表层范围内的柱状晶内部形成均匀的横向微裂纹，形成柱状晶结构陶瓷层和层状结构陶瓷层间类层状结构柱状晶过渡层，过渡层厚度约20～50μm，过渡层中横向微裂纹类似APS层状结构涂层中的横向微裂纹，在此称为类层状结构柱状晶过渡层，实现EB-PVD柱状晶结构涂层、类层状结构柱状晶、APS层状结构涂层连续过渡，从而以提高层状结构和柱状晶结构间匹配性，提高EB-PVD/APS复合结构双陶瓷层热障涂层界面结合能力和应力释放能力。进一步地，所述金属粘结层厚度为20～50μm，所述柱状晶结构陶瓷层和类层状结构柱状晶过渡层总厚度为100～200μm，所述层状结构陶瓷层厚度为50～100μm，陶瓷层总厚度为170～350μm。进一步地，柱状晶结构陶瓷层与金属粘结层，柱状晶结构陶瓷层与层状结构陶瓷层间结合强度分别大于70MPa和30MPa。本专利技术还提供了一种制备EB-PVD/APS复合结构双陶瓷层热障涂层的方法，包含以下步骤：步骤1：高温合金基体准备和基体前处理；步骤2：在经过步骤1处理后基体上采用EB-PVD或电弧离子镀制备金属粘结层；步骤3：对所述金属粘结层依次进行真空热处理、湿喷砂处理和清洗处理；步骤4：在所述步骤3处理后的金属粘结层表面采用EB-PVD制备柱状晶结构陶瓷层；步骤5：对所述柱状晶结构陶瓷层进行干喷砂处理，形成类层状结构柱状晶过渡层；步骤6：预热柱状晶结构陶瓷层和类层状结构柱状晶过渡层，在所述类层状结构柱状晶过渡层表面采用APS制备层状结构陶瓷层。进一步地，步骤1中前处理过程为将高温合金基体进行湿喷砂处理，然后采用无水乙醇或丙酮清洗剂超声波清洗；其中喷砂介质为100～200目白刚玉，喷砂压力0.15～0.4MPa，喷砂距离70～100mm。进一步地，步骤2中采用EB-PVD制备金属粘结层的工艺参数如下：沉积过程中真空室压强小于1.0×10～2Pa，电子枪电压18～20kV，靶材加热电流为1～1.5A，工件加热温度为850～950℃；采用电弧离子镀制备金属粘结层的工艺参数如下：真空室压强小于0.3Pa，电弧电流80～100A，基体工件偏压-25～-35V，基体工件加热温度350～450℃。进一步地，步骤3中真空热处理、湿喷砂处理之间还进行喷丸处理和第二次真空热处理。进一步地，步骤3中金属粘结层真空热处理和二次真空热处理工艺参数如下：870～960℃下进行真空热处理2～4小时；湿喷砂工艺参数如下：喷砂介质为100～200目白刚玉，喷砂压力0.15～0.4MPa，喷砂距离70～100mm；喷丸工艺参数如下：将经过真空热处理的金属粘结层采用60～100目玻璃珠或钢珠进行喷丸处理，喷丸压力为0.2～0.4MPa；清洗处理工艺为采用无水乙醇或丙酮超声波清洗。进一步地，步骤4中采用EB-PVD制备柱状晶结构陶瓷层的工艺参数如下：真空室压强0.1～0.5Pa，电子枪电压18～20kV，靶材加热电流为1～1.5A，工件加热温度为900～980℃，工件旋转速度9～25rpm。进一步地，步骤5中干喷砂处理的工艺参数如下：喷砂介质为60～120目白刚玉，喷砂压力0.15～0.3MPa。进一步地，步骤6中采用APS制备层状结构陶瓷层的工艺参数如下：采用纳米团聚～等离子致密化或团聚烧结喷涂粉末为原料，粉末粒径范围为30～60μm，喷涂距离为85～90mm，送粉速率为28～30g/min，喷枪移动速度为280～300mm/s，喷涂电压为70～75V，电流为580～600A，工件采用等离子体预热试样温度至130～150℃。相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：1、通过不同结构陶瓷层的复合，克服了EB-PVD制备厚度大于200μm以上厚热障涂层的难点和部分工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种EB-PVD/APS复合结构双陶瓷层热障涂层，其特征在于，所述热障涂层自下而上依次包括金属粘结层、柱状晶结构陶瓷层、类层状结构柱状晶过渡层和层状结构陶瓷层，所述柱状晶结构陶瓷层采用EB-PVD制备，所述层状结构陶瓷层采用APS制备，所述类层状结构柱状晶过渡层由对柱状晶结构陶瓷层进行干喷砂处理所形成，在柱状晶结构陶瓷层近表层的柱状晶内部形成均匀的横向微裂纹，形成柱状晶结构陶瓷层和层状结构陶瓷层间类层状结构柱状晶过渡层，所述过渡层厚度为20～50μm。/n

【技术特征摘要】
1.一种EB-PVD/APS复合结构双陶瓷层热障涂层，其特征在于，所述热障涂层自下而上依次包括金属粘结层、柱状晶结构陶瓷层、类层状结构柱状晶过渡层和层状结构陶瓷层，所述柱状晶结构陶瓷层采用EB-PVD制备，所述层状结构陶瓷层采用APS制备，所述类层状结构柱状晶过渡层由对柱状晶结构陶瓷层进行干喷砂处理所形成，在柱状晶结构陶瓷层近表层的柱状晶内部形成均匀的横向微裂纹，形成柱状晶结构陶瓷层和层状结构陶瓷层间类层状结构柱状晶过渡层，所述过渡层厚度为20～50μm。


2.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述金属粘结层厚度为20～50μm，所述柱状晶结构陶瓷层和类层状结构柱状晶过渡层总厚度为100～200μm，所述层状结构陶瓷层厚度为50～100μm，陶瓷层总厚度为170～350μm。


3.一种制备权利要求1-2任一项所述热障涂层的方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1：高温合金基体准备和基体前处理；
步骤2：在经过步骤1处理后基体上采用EB-PVD或电弧离子镀制备金属粘结层；
步骤3：对所述金属粘结层依次进行真空热处理、湿喷砂处理和清洗处理；
步骤4：在所述步骤3处理后的金属粘结层表面采用EB-PVD制备柱状晶结构陶瓷层；
步骤5：对所述柱状晶结构陶瓷层进行干喷砂处理，形成类层状结构柱状晶过渡层；
步骤6：预热柱状晶结构陶瓷层和类层状结构柱状晶过渡层，在所述过渡层表面采用APS制备层状结构陶瓷层。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1中前处理过程为将高温合金基体进行湿喷砂处理，然后采用无水乙醇或丙酮清洗剂超声波清洗；其中喷砂介质为100～200目白刚玉，喷砂压力0.15～0.4MPa，喷砂距离70～100mm。


5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2中采用EB-PVD制备金属粘结层的工艺参数如下：沉积过程中真...

【专利技术属性】
技术研发人员：何箐，王世兴，梁立康，李建超，李建华，
申请(专利权)人：北京金轮坤天特种机械有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11