一种热障涂层及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种热障涂层，粘结层包括与金属基体之间的距离由近到远的第一粘结层和第二粘结层，第一粘结层包括MCrAlY颗粒和金属氧化物颗粒；以面积百分比计，金属氧化物颗粒在第一粘结层中的总量为15％以上；以质量百分比计，第二粘结层包括95.5

【技术实现步骤摘要】
一种热障涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及热障涂层
，尤其涉及一种热障涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]航空航天、能源动力等行业的发展对航空发动机和燃气轮机提出了越来越高的要求，尤其是伴随着透平前设计温度的不断提升，对透平叶片涂层的隔热性能和叶片长期服役稳定性产生了巨大的挑战。目前最广泛应用的热障涂层(Thermal Barrier Coatings，以下简称TBC)所采用的材料是由部分氧化钇掺杂氧化锆(以下简称PYSZ)的顶层和MCrAlY(M代表Co和/或Ni元素)的粘结层组成。
[0003]实际服役后透平叶片表面会产生局部裂纹，这些裂纹形成后会不断向内部扩展，对机组的安全运行产生影响。裂纹产生的外部原因主要是服役过程中叶片局部的疲劳，内部原因则是涂覆在叶片基体表面的粘结层韧性较差，容易开裂，主要归结于以下几个方面：1)裂纹从粘结层表面的热生长氧化层(以下简称TGO)起源，在达到一定厚度后，其在内部的应力以及外部高低周疲劳的作用下，容易开裂形成裂纹源；2)由于粘结层韧性差，裂纹形成后在外部应力的作用下会迅速扩展至金属基体与粘结层界面处；3)由于粘结层的成分和金属基体的差异通常较大，服役过程中会发生高温互扩散，在金属基体表面和粘结层底部之间形成互扩散层，互扩散层中易产生脆性片状组织导致韧性降低，也会促使扩散到互扩散层和粘结层界面处的部分裂纹向金属基体内部扩展。
[0004]基于力学性能的考量，高温合金基体的热处理工艺及组织成分通常是不能随意更改的，所以综合而言，要抑制服役金属基体表面的裂纹需要从两方面下手，一个是在设计上减少应力集中，避免局部的过早开裂，另一个则是在粘结层的设计及制备方法上进行改进，从TGO生成速度、裂纹在粘结层中的扩展、裂纹在金属基体中的扩展等方面进行相关设计或改进。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种可以抑制裂纹扩散、使用寿命长的热障涂层。
[0006]本专利技术提供了一种热障涂层，包括喷涂在金属基体外表面上的粘结层和陶瓷层，所述粘结层包括与所述金属基体之间的距离由近到远的第一粘结层和第二粘结层，所述第一粘结层包括MCrAlY颗粒和金属氧化物颗粒，所述MCrAlY中的M代表Co和/或Ni元素；以面积百分比计，所述金属氧化物颗粒在所述第一粘结层中的总量为15％以上；以质量百分比计，所述第二粘结层包括95.5
‑
99.2％MCrAlY和0.8
‑
4.5％高熔点元素，其中，M代表Co和/或Ni元素；所述高熔点元素为Re、Ru、Ta、Dy、Hf和Ir中的一种或多种。
[0007]优选地，所述陶瓷层由部分氧化钇掺杂氧化锆粉末喷涂而成。
[0008]优选地，所述陶瓷层的厚度为250
‑
550μm。
[0009]优选地，所述金属氧化物颗粒包括α
‑
氧化铝、氧化铬、氧化镍和氧化钴。
[0010]优选地，所述第一粘结层在所述粘结层中的厚度占比为50
‑
70％，所述第二粘结层在所述粘结层中的厚度占比为30
‑
50％。
[0011]优选地，以面积百分比计，金属氧化物颗粒在所述第二粘结层中的总量为3％以下。
[0012]本专利技术还提供了一种前述的热障涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0013]S1、在金属基体外表面喷涂第一粘结层，通过调整喷涂过程中的粉末氧化程度，在MCrAlY颗粒之间形成金属氧化物颗粒，并且通过控制参数确保金属氧化物颗粒在第一粘结层中的面积百分比为15％以上；
[0014]S2、对第一粘结层进行真空热处理；
[0015]S3、在完成热处理后的第一粘结层表面喷涂第二粘结层；
[0016]S4、在第二粘结层表面喷涂陶瓷层。
[0017]优选地，在所述S2中，真空热处理包括：热处理真空度不小于0.3Pa(2微米汞注)，热处理温度为1080℃
±
10℃，保温时间1h，升温速率小于10
‑
25K/min，冷却速率20
‑
40K/min，对第一粘结层进行真空热处理。
[0018]本专利技术围绕抑制裂纹产生和扩展进行改进，有益之处在于：1在第一粘接层中引入金属氧化物颗粒，抑制裂纹在粘结层中的纵向扩展以及粘接层成分与金属基体的互相扩散，从而降低互扩散层的生长速度，进一步抑制裂纹在金属基体中的扩展；2去除对第二粘结层的热处理步骤，使得Re、Ru、Ta、Dy、Hf和Ir等高熔点元素在粘结层中的分布更均匀，抑制TGO的生长速度，从而抑制由TGO引发的裂纹起源；3将现有粘结层变为第一粘结层和第二粘结层的组合，这样可以在不进行大的工艺改动的前提下应用于常规喷涂，并且全方位抑制裂纹扩展，从而抑制服役零件的开裂。
附图说明
[0019]图1是本专利技术热障涂层的结构示意图；
[0020]图2是高熔点元素在粘结层中的两种分布形态示意图；
[0021]图3是一个实施例中对第一粘结层进行的真空热扩散处理流程图。
[0022]元件标号说明：
[0023]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
金属基体
[0024]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
互扩散层
[0025]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一粘结层
[0026]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二粘结层
[0027]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
陶瓷层
具体实施方式
[0028]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本专利技术，而并非对本专利技术的限制。
[0029]如图1所示，常规的热障涂层主要包括喷涂在金属基体1外表面上的粘结层和陶瓷层5，粘结层可以起到抗氧化腐蚀、热膨胀系数匹配的作用，其在高温服役的过程中会发生高温互扩散，在金属基体1表面和粘结层底部之间形成互扩散层2。本专利技术的热障涂层在常
规的热障涂层的基础上，粘结层包括与金属基体1之间的距离由近到远的第一粘结层3和第二粘结层4。
[0030]第一粘结层3包括MCrAlY颗粒和金属氧化物颗粒，MCrAlY中的M代表Co和/或Ni元素；以面积百分比计，金属氧化物颗粒在第一粘结层3中的总量为15％以上。以质量百分比计，第二粘结层4包括95.5
‑
99.2％MCrAlY和0.8
‑
4.5％高熔点元素，其中，M代表Co和/或Ni元素；高熔点元素为Re、Ru、Ta、Dy、Hf和Ir中的一种或多种。以面积百分比计，金属氧化物颗粒在第二粘结层4中的总量为3％以下。
[0031]在第一粘结层3中，金属氧化物颗粒一般是以α
‑
氧化铝为主，含有氧化铬、氧化镍、氧化钴的混合物，具体成分因选用的MCrAlY粉末成分的不同而不同。在本专利技术的一个具体实施例中，第一粘结层3中的金属氧化物具有以下质量百分比的成分：氧化铝25.39％，氧化铬19.78％，氧化钴21.85％，氧化镍32.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热障涂层，包括喷涂在金属基体(1)外表面上的粘结层和陶瓷层(5)，其特征在于，所述粘结层包括与所述金属基体(1)之间的距离由近到远的第一粘结层(3)和第二粘结层(4)，所述第一粘结层(3)包括MCrAlY颗粒和金属氧化物颗粒，所述MCrAlY中的M代表Co和/或Ni元素；以面积百分比计，所述金属氧化物颗粒在所述第一粘结层(3)中的总量为15％以上；以质量百分比计，所述第二粘结层(4)包括95.5
‑
99.2％MCrAlY和0.8
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4.5％高熔点元素，其中，M代表Co和/或Ni元素；所述高熔点元素为Re、Ru、Ta、Dy、Hf和Ir中的一种或多种。2.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述陶瓷层(5)由部分氧化钇掺杂氧化锆粉末喷涂而成。3.根据权利要求1或2所述的热障涂层，其特征在于，所述陶瓷层(5)的厚度为250
‑
550μm。4.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述金属氧化物颗粒包括α
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氧化铝、氧化铬、氧化镍和氧化钴。5.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述第一粘结层(3)在所述粘结层中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：何磊，梁云飞，汪超，
申请(专利权)人：上海电气燃气轮机有限公司，
类型：发明
国别省市：