一种热障涂层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种热障涂层及其制备方法和应用。该热障涂层的制备方法包括采用等离子喷涂

【技术实现步骤摘要】
一种热障涂层及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及涂层
，具体而言，涉及一种热障涂层及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]航空发动机和先进的燃气轮机的性能和效率随着燃气温度的升高而提高，这对发动机高温部件的耐高温能力提出了更高的要求。显然，现有的涡轮叶片单晶高温合金材料已无法满足设计和使用要求。在涡轮叶片上涂覆热障涂层可以显著降低高温合金叶片的温度，使其工作温度更高，寿命更长。热障涂层包括粘结层和陶瓷层。粘结层是在基体和陶瓷层之间，有利于减少热膨胀不匹配，降低涂层内的热应力，同时保护基体不被氧化。陶瓷层主要起隔热作用，降低热量传导到基体上。
[0003]为了降低热障涂层的热导率，人们从喷涂方法和陶瓷层材料上进行了研究。目前，生产热障涂层陶瓷层的主要材料是7YSZ(7wt％Y2O3‑
ZrO2)。它具有较高的热膨胀系数，较低的热导率以及良好的抗热冲击性能。一些新型的热障涂层材料也在研究开发中，例如锆酸钆，具有比7YSZ更低的热导率，但成本高和易断裂等这些不可忽视的缺陷；又比如钙钛矿结构氧化物，也是存在和锆酸钆材料一样的优点和缺陷。目前应用最广泛的陶瓷层制备技术为大气等离子喷涂(APS)和电子束物理气相沉积(EB
‑
PVD)。两种热障涂层工艺各有不足，其中APS应变容限低，抗热震性能差，而EB
‑
PVD其热导率高、沉积速率低。因此，目前亟需一种能够克服以上缺陷的制备热导率热障涂层的方法。
[0004]鉴于此，特提出本专利技术。
专利技术内容
[0005]本专利技术的目的在于提供一种热障涂层及其制备方法和应用，以改善上述技术问题。
[0006]本专利技术是这样实现的：
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种热障涂层的制备方法，其包括采用等离子喷涂
‑
物理气相沉积方法在基体上喷涂7YSZ陶瓷层，并打开冷却设备辅助喷涂的7YSZ陶瓷层冷却，制备得到具有表面非晶态晶粒的7YSZ陶瓷层。
[0008]第二方面，本专利技术提供了上述制备方法制备得到热障涂层，上述热障涂层中的7YSZ陶瓷层为羽毛柱状结构，其包括纳米级表面非晶态的7YSZ晶粒；7YSZ晶粒的状态为内部原子排列有序，表面原子排列无序。
[0009]第三方面，本专利技术提供了上述制备方法制备得到热障涂层的应用。上述热障涂层可将其设置于航空发动机热端部件的表面。
[0010]本专利技术具有以下有益效果：
[0011]本专利技术利用等离子喷涂
‑
物理气相沉积技术制备7YSZ热障涂层，通过大功率等离子喷枪将喷涂材料粉末汽化，在沉积区域的快速沉积和急冷，涂层在纳米尺度上晶粒内部原子排列有序，表面原子排列无序的状态。在热量传递的过程中，原子的无序分布导致缺
陷、晶界参与声子散射，使得声子平均自由程减小，热导率降低。
附图说明
[0012]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0013]图1为实施例4中PS
‑
PVD喷涂的7YSZ热障涂层的晶粒微观图；
[0014]图2为实施例4中PS
‑
PVD喷涂的7YSZ热障涂层晶粒内部和表面图；
[0015]图中，1表示晶粒内部原子排列有序，2表示晶粒表面出现非晶态。
具体实施方式
[0016]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0017]在热障涂层工作时，热量从叶片外高温气体传导叶片内部，此时涂覆在叶片上的热障涂层起作用。根据热传导理论模型，热在固体中的传递是通过点阵振动波(声子)和自由电子得以实现的，热导率伴随两个机制的任意一个，总传导率是两种机制的贡献之和，即
[0018]k＝k1+k
e
[0019]式中，k1和k
e
分别表示点阵振动传导率和电子热传导率。陶瓷材料中由于缺乏大量的自由电子。因此，声子主要承担陶瓷中的热传导：k
e
远小于k1。热量通过声子的碰撞传导，晶体热导率系数公式为：
[0020][0021]其中C
v
是晶格热容，v是声子的平均速度，l是声子的平均自由程。影响声子平均自由程的因素中，声子平均自由程l取决于几何散射和声子间散射。几何散射包括了晶体边界、晶格缺陷、化学杂质、非晶结构、同位素质量分布等引起的散射。专利技术人研究发现，当热量在热障涂层中传导时，晶体表面如果是原子无序分布状态，能够给热导率带来杂质、缺陷和非晶结构参与声子散射，使得平均自由程减小，热导率降低。
[0022]基于此，本专利技术提供了一种降低热导率的热障涂层的制备方法，其包括如下步骤：对基体进行预处理后喷涂粘结层，再打磨、抛光及清洗喷涂有粘结层的基体的表面，然后喷涂7YSZ陶瓷层，并打开冷却设备辅助喷涂的7YSZ陶瓷层冷却，制备得到具有表面非晶态晶粒的7YSZ陶瓷层。
[0023]在一些实施方式中，上述预处理包括打磨、清洗和喷砂处理。
[0024]在一些实施方式中，上述预处理中的打磨处理包括使用砂纸磨除基体表面的氧化皮。
[0025]在一些实施方式中，上述预处理中的清洗处理包括使用煤油、丙酮或酒精中的任意一种溶液对基体进行超声清洗。
[0026]在一些实施方式中，上述预处理中的喷砂处理的条件为：采用46#棕刚玉砂，喷砂压力为0.2
‑
0.4MPa，喷砂角度为55
°‑
65
°
，喷砂距离为110
‑
130mm，喷砂时间为55
‑
65s。
[0027]在经过上述预处理后，基体表面能够达到无污渍、无色差及其表面粗糙度为3.5
‑
4.5μm的效果。因为涂层与基体结合的最主要形式是机械结合，基体表面的粗糙度会直接影响涂层的结合强度。在本专利技术中，基体表面粗糙度为3.5
‑
4.5μm时，涂层具有较高的结合强度。
[0028]在一些实施方式中，上述粘结层可以为NiCrAlY粘结层，也可以是其他粘结层，例如具有防腐蚀作用的CoCrAlYTa。
[0029]在一些实施方式中，喷涂粘结层包括真空状态下回填氩气，点火，并进行减压操作，然后对基体进行预热，再开始喷涂粘结层。
[0030]在一些实施方式中，上述真空状态时的压力为0.2
‑
0.4mbar，回填氩气后的压力为90
‑
110mbar，减压操作后的压力为70
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热障涂层的制备方法，其特征在于，其包括采用等离子喷涂
‑
物理气相沉积方法在基体上喷涂7YSZ陶瓷层，并打开冷却设备辅助喷涂的7YSZ陶瓷层冷却，制备得到具有表面非晶态晶粒的7YSZ陶瓷层。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述喷涂7YSZ陶瓷层包括真空状态下回填氩气，点火，并进行减压操作，然后对基体进行预热，再开始喷涂7YSZ陶瓷层；所述真空状态的压力为0.4
‑
0.6mbar，所述回填氩气后的压力为30
‑
50mbar，所述减压操作后的压力为1
‑
2mbar，所述预热后的温度为900
‑
1000℃。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述7YSZ陶瓷层的喷涂条件为：喷涂功率为40
‑
60kw、氩气流量为30
‑
40splm、氦气流量为50
‑
60splm、送粉速率为15
‑
20g/min、走枪速度为800
‑
1000mm/s、喷距为800
‑
1200mm，喷涂次数为200
‑
1000次。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述冷却设备采用气冷的方式对喷涂有7YSZ陶瓷层的基体进行冷却处理；优选地，所述冷却处理包括将压缩氦气对准喷涂有7YSZ陶瓷层的基体进行冷却，喷涂有7YSZ陶瓷层的基体的温度维持在900
‑
1000℃；优选地，所述冷却处理过程中氦气的流量为5
‑
30slpm。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述低热导率热障涂层的制备方法还包括在喷涂7YSZ陶瓷层之前，在基体上喷涂粘结层；优选地，所述粘结层包括NiCrAlY粘结层；优选地，所述喷涂粘结层包括真空状态下回填氩气，点火，并进行减压操作，然后对基体进行预热，再开始喷涂粘结层；优选地，所述真空状态的压力为0.2
‑
0.4mbar，所述回填氩气后的压力为90
‑
110mbar，所述减压操作后的压力为70
‑
90mbar，所述预热后的温度为500
‑
600℃；...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小锋，黄荣琛，邓子谦，毛杰，邓春明，邓畅光，刘敏，周克崧，
申请(专利权)人：广东省科学院新材料研究所，
类型：发明
国别省市：