DVC热障涂层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种DVC热障涂层的制备方法，其包括：提供粉体，所述粉体的化学成分为YSZ或YSZ+xGd2O3+yYb2O3或Gd2Zr2O7+zYb2O3或LaMgAl

【技术实现步骤摘要】
DVC热障涂层及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及航空发动机和燃气轮机(两机)高温热端部件表面热障涂层，更具体地涉及一种DVC热障涂层及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]高性能热障涂层(TBC)是不断提高涡轮进口温度，研制新一代航空发动机及燃气轮机的关键技术之一。TBC利用高熔点、低热导率、高硬度、抗腐蚀的氧化物陶瓷保护金属基底，延长金属热端部件的使用寿命、降低燃油消耗和污染气体排放，从而提高“两机”的推重比、热效率和综合性能。TBCs广泛应用在涡轮叶片、燃烧室、隔热屏、燃油喷嘴、火焰筒和尾喷管等部位，大气等离子喷涂(APS)是最常用的制备技术之一。APS采用等离子射流将熔化或半熔化的陶瓷加速撞击到金属基底形成层状结构TBC。传统APS TBC孔隙率高(10
‑
30％)，涂层抗固体颗粒物侵蚀性能差、陶瓷涂层与金属底层结合强度低、涂层应变容限低，高温热循环寿命短，不能满足新一代航空发动机和燃气轮机的研制需求。
[0003]通过改进大气等离子喷涂技术在TBC中植入致密垂直裂纹结构(dense vertically cracked，DVC)，可以显著提高热障陶瓷层与金属粘接层的结合强度、界面断裂韧性、陶瓷涂层断裂韧性，还可以大幅提高其抗侵蚀、应变容限及热循环寿命。
[0004]过去三十多年里，国内外开展了大量常规APS DVC TBCs的研究工作，尽管该类涂层已经在GE、普惠、罗罗、西门子、三菱重工等研制的航空发动机和燃气轮机高温热端部件上获得应用，但是常规APS DVC TBCs的制备工艺方法、显微结构调控及服役性能还依然面临以下亟待解决的技术难题：
[0005]垂直裂纹生长扩展决定于陶瓷扁平粒子(splat)界面的弥合扩展及热应力状态。当前，为了保持较高的垂直裂纹密度(涂层横截面内单位毫米宽度内垂直金属基底方向上垂直裂纹的个数，单位为cracks/mm)和最大程度降低横向裂纹的生长扩展，国内外APS DVC TBCs制备中均需保持较高的高温合金基底预热温度以及沉积温度，国内有报道金属基底预热温度≥400℃，实则普遍采取≥600℃的基底预热温度。国外报道要实现高达(～)7.5cracks/mm的垂直裂纹密度，预热温度≥750℃。采用较高预热温度不但会造成合金基底氧化疲劳损伤，而且显著提高了制备工艺门槛，极大地限制了DVC TBCs在航空发动机和燃气轮机高温热端部件上的制备及广泛应用。
[0006]扁平粒子间界面的扩散弥合造成常规APS DVC TBCs的孔隙率低(≤6％)，涂层热导率高，隔热效果降低。
[0007]常规APS DVC TBCs在兼顾垂直裂纹生长密度的同时，喷涂距离普遍≤65mm，严重制约航空发动机和燃气轮机热端部件上DVC TBCs的制备和垂直裂纹生长的可控性和涂层质量的重复可靠性。
[0008]垂直裂纹形成扩展过程中不可避免形成大量横向伴生裂纹，横向裂纹长度普遍在垂直裂纹长度的5
‑
20％，横向裂纹的产生会降低涂层的界面结合，降低APS DVC TBCs内部界面的稳定性，促进涂层烧结剥落失效、大幅降低抗热冲击循环寿命，服役工作温度也会大
幅降低。

技术实现思路

[0009]为了解决上述现有技术中的APS DVC TBCs的横向伴生裂纹等问题，本专利技术提供一种DVC热障涂层及其制备方法和应用。
[0010]本专利技术提供一种DVC(垂直分区裂纹)热障涂层的制备方法，其包括如下步骤：S1，提供粉体，所述粉体的化学成分为YSZ(6
‑
8wt.％Y2O3稳定化的ZrO2)或YSZ+xGd2O3+yYb2O3或Gd2Zr2O7+zYb2O3或LaMgAl
11
O
19
或La2(Zr
0.7
Ce
0.3
)2O7，其中，x+y≤12wt.％，z≤20wt.％；S2，所述粉体通过高热焓大气等离子喷涂形成DVC热障涂层(DVC TBCs)。在一个优选的实施例中，所述粉体的化学成分为YSZ+5.8wt.％Gd2O3+6.2wt.％Yb2O3。在另一个优选的实施例中，所述粉体的化学成分为Gd2Zr2O7+20wt.％Yb2O3。
[0011]现有技术中的APS技术采用美科F4，M9及普莱克斯SG
‑
100等离子喷枪，热焓值低，DVC涂层加工稳定性差、工艺窗口范围窄且参数条件苛刻。本专利技术采用高热焓大气等离子喷涂技术，采用高焓等离子喷枪系统，等离子射流的热焓值高、速度、密度和温度分布均匀性非常优异，等离子射流长度长，可以在低高温合金基底预热温度条件(室温
‑
380℃)，高效率植入高垂直裂纹密度(1
‑
13cracks/mm)、超低横向裂纹生长(长度低于垂直裂纹的5％)、孔隙率可控(3
‑
20％)的DVC TBCs。采用本专利技术制备的DVC TBCs显著提高了其界面结合强度、高温应变容限、工作温度、热循环寿命、抗侵蚀及腐蚀等服役性能。
[0012]优选地，所述步骤S1中的粉体通过电弧熔融破碎合成或者化学方法合成。更优选地，电弧熔融破碎合成的粉体的粒径为不规则外形，粉体的粒径为5
‑
60μm。更优选地，化学方法合成的粉体的初始粒径为20nm
‑
2μm，然后通过喷雾造粒团聚成10
‑
100μm后直接或经烧结后用于高热焓大气等离子喷涂。
[0013]优选地，所述步骤S2中的等离子喷枪的功率为50
‑
210kW，喷涂距离为75
‑
150mm，喷枪移动速度500
‑
1000mm/s；等离子气体以Ar为主气体，H2或He为辅助气体，总流量50
‑
250slpm。应该理解，上述参数具有显著的优势，例如现有大气等离子喷涂在这个喷涂距离及等离子射流参数不可能制备出本专利技术所述的DVC结构热障涂层。应该理解，等离子射流的温度、速率、密度、粘度等关键物理性质的主要贡献者均为Ar气，其流量大于H2气，也大于He气，是产生等离子射流的主气。
[0014]本专利技术还提供上述的制备方法得到的DVC热障涂层，其垂直裂纹密度为1
‑
13cracks/mm，总孔隙率为3
‑
20％，伴生横向裂纹长度占垂直裂纹长度≤5％。
[0015]本专利技术又提供一种根据上述的DVC热障涂层的应用，其用于航空发动机或燃气轮机高温热端部件，该航空发动机或燃气轮机高温热端部件还包括镍基高温合金基底层和金属粘接层，其中，金属粘接层位于镍基高温合金基底层和DVC热障涂层之间，金属粘接层与DVC热障涂层之间的结合强度介于35
‑
60MPa之间。
[0016]优选地，该航空发动机或燃气轮机高温热端部件包括单层的DVC热障涂层。其中，该单层的DVC热障涂层的化学成分为YSZ或YSZ+xGd2O3+yYb2O3或Gd2Zr2O7+zY本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种DVC热障涂层的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：S1，提供粉体，所述粉体的化学成分为YSZ或YSZ+xGd2O3+yYb2O3或Gd2Zr2O7+zYb2O3或LaMgAl
11
O
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或La2(Zr
0.7
Ce
0.3
)2O7，其中，x+y≤12wt.％，z≤20wt.％；S2，所述粉体通过高热焓大气等离子喷涂形成DVC热障涂层。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的粉体通过电弧熔融破碎合成或者化学方法合成。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的等离子喷枪的功率为50
‑
210kW，喷涂距离为75
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150mm，喷枪移动速度500
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1000mm/s；等离子气体以Ar为主气体，H2或He为辅助气体，总流量50
‑
250slpm。4.一种根据权利要求1
‑
3中任一项所述的制备方法得到的DVC热障涂层，其特征在于，该DVC热障涂层的垂直裂纹密度为1
‑
13cracks/mm，总孔隙率为3
‑
20％，伴生横向裂纹长度占垂直裂纹长度≤5％。5.一种根据权利要求4所述的DVC热障涂层的应用，其特征在于，该DVC热障涂层用于航空发动机或燃气轮...

【专利技术属性】
技术研发人员：张显程，陈小龙，龙东辉，束国刚，石俊秒，孙健，王卫泽，刘伟，余志勇，赵晓峰，涂善东，王大力，
申请(专利权)人：暨南大学中国联合重型燃气轮机技术有限公司上海交通大学，
类型：发明
国别省市：