一种多层热障涂层及其制备方法技术

本发明专利技术提出一种多层热障涂层及其制备方法。该多层热障涂层从下至上依次包括粘结层、第一陶瓷层、第二陶瓷层和封闭层，所述的封闭层厚度为10～30μm，封闭层材料为Al2O3，孔隙率为2％～8％。该热障涂层可以采用电子束物理气相沉积技术或等离子喷涂方法制备。本发明专利技术提出的一种多层热障涂层在热循环过程中不会发生陶瓷层的层层剥落的现象且其抗热腐蚀性能较双陶瓷层热障涂层有很大的提高，并通过对常规等离子喷涂工艺进行改进，在陶瓷层中引入了垂直裂纹，大大的提高了热障涂层的热冲击寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及涂层
，具体涉及。
技术介绍
提高航空发动机涡轮前进口温度可以提高发动机的推力和燃料的热效率，推比10 航空发动机的设计进口温度达到1577°C以上，推比15以上的航空发动机的设计进口温度 超过1727°C，而目前最先进的镍基合金叶片的承温能力在1100°C以下，加上先进的气膜冷 却技术(最大可使工件表面温度降低400°C )，仅相对于推比10航空发动机，仍然有100 200°C的温差需要克服。然而，先进的气膜冷却技术在降低叶片表面温度的同时，不可避免 的损失很大部分能量，增加发动机的负担；此外，开在叶片前缘的冷却气流孔隙使叶片更加 难以制造，而且这些孔隙还会导致应力集中，对叶片的寿命产生负面影响。因此单独使用金 属材料已经不能满足高推重比航空发动机的设计及使用要求。在航空发动机涡轮叶片表面 涂覆一层热障涂层，不仅可以提高其抗高温腐蚀能力，延长使用寿命，还可提高发动机的工 作温度，满足高推重比航空发动机的使用要求。参考文献 IPadture N P, Gell M, Jordan E H. Thermal barrier coatings for gas-turbine engineapplications · Science，2002，296 :280-284.中记载了&03 稳定的 ZrO2(YSZ)材料因为熔点高、硬度高、强度和韧性较高、导热系数低、热膨胀系数与耐热合金 十分接近，成为近20多年来研究和应用最多的热障涂层陶瓷层材料。但当其在1200°C以上 的温度环境下长期循环使用时，非相变四方相将转化为四方相和立方相的混合体，新产生 的四方相在冷却时转变为单斜相并伴有3. 5%左右的体积改变，导致涂层剥落失效。另外， 参考文献 2 Jones R. L. . Development of Hot-Corrosion-Resistant Zirconia Thermal Barrier Coatings. Mater High iTemp, 1991，9 :2沘_236 中记载了燃油中的 Νει20，S03，V2O5 等 易与YSZ中的稳定剂IO3反应，使YSZ发生热腐蚀从而导致涂层失效。然而下一代高性能航空发动机热障涂层的长期使用温度必须超过1200°C，服役环 境也更加苛刻，因此急需研究和开发耐超高温(> 1250°C )、低热导率、耐腐蚀的新一代热 障涂层陶瓷层材料。多元氧化物稳定氧化锆、稀土锆酸盐、萤石结构氧化物、烧绿石结构氧 化物、钙钛矿结构氧化物、磁铁铅矿六方镧铝酸盐等都被研究用来做热障涂层陶瓷层材料， 然而由于与基体热膨胀不匹配的问题，导致热循环寿命较低。比如La2O3-CeO2体系陶瓷层材 料具有比8YSZ更低的热导率，更高的热膨胀系数，但在200-400°C范围内热膨胀系数存在 异常下降现象，导致热冲击寿命较低。鉴于8YSZ较高的热膨胀系数，常在新陶瓷层与粘结 层间设置一层8YSZ陶瓷层，可显著提高热冲击性能。在参考文献3W. Ma,H. Dong,H. B. Guo, et al. Thermalcycling behavior of La2Ce207/8YSZ double-ceramic-layer thermal barrier coatings prepared byatmospheric plasma spraying, surf Coat Technol, 2010,204 :3366-3370.中的研究表明，在La2O3-C^2体系陶瓷层与粘结层间设置一层8YSZ 陶瓷层后涂层的热冲击寿命显著提高。双陶瓷层热障涂层失效形式表现为层层剥落，其抗热腐蚀性能依然未有较大提高。为了进一步提高热障涂层的抗热冲击寿命，有效控制热障涂层不被燃油中的Na20、&03、 V2O5等腐蚀性物质腐蚀，满足更高使用温度、更长寿命先进航空发动机的要求，研究和开发 具有更长热冲击寿命、更强抗热腐蚀能力的热障涂层及其制备技术已成为当前最紧迫的任 务。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，在现有双陶瓷层热障涂层的基础上，本专利技术提出一 种多层热障涂层及其制备方法。解决了双陶瓷层热障涂层在热循环过程中层层剥落式的失 效和抗腐蚀性能不佳的问题，以及常规等离子喷涂技术制备的热障涂层抗热冲击性能低的 技术问题。本专利技术提出一种多层热障涂层，该多层热障涂层从下至上依次包括粘结层、第一 陶瓷层、第二陶瓷层和封闭层。所述的粘结层厚度为50 200 μ m,粘结层材料为MCrAlX合 金，重量百分比为19 对％的&，7 10%的Al，l 2%的X，其余为M。其中M为Ni、Co 或二者的组合物，X为Y、Hf、Si中的一种或两种的组合物；所述的第一陶瓷层厚度为40 150 μ m,第一陶瓷层材料为8YSZ ；所述的第二陶瓷层厚度为40 150 μ m,第二陶瓷层的 材料为多元氧化物稳定氧化锆、稀土锆酸盐、萤石结构氧化物、烧绿石结构氧化物、钙钛矿 结构氧化物或磁铁铅矿六方镧铝酸盐等；所述的封闭层厚度为10 30 μ m，封闭层材料为 Al2O3，孔隙率为2% 8%，所述的孔隙率是指封闭层中孔隙体积占封闭层总体积百分比。本专利技术提出的一种多层热障涂层可以通过电子束物理气相沉积技术或等离子喷 涂方法来制备，具体包括以下几个步骤当采用电子束物理气相沉积技术制备多层热障涂层时，具体包括以下几个步骤步骤一在基体表面沉积粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层(1)制备靶材A 制备粘结层材料靶材所述的粘结层材料为MCrAlX合金，M为Ni、Co或二者的组合物，X为Y、Hf、Si中 的一种或两种的组合物。按比例称取粘结层材料中的各合金组元，在1400 1600°C熔炼得 到粘结层材料靶材。B 制备第一陶瓷层和第二陶瓷层材料靶材分别将第一陶瓷层材料粉末和第二陶瓷层材料粉末冷压成型，获得圆柱状的棒 材，将冷压成型的棒材在1300 1400°C的高温炉中保温12 24h得到致密的陶瓷棒材，作 为采用电子束物理气相沉积方法制备第一陶瓷层和第二陶瓷层使用的靶材。第一陶瓷层材料优选为8YSZ，第二陶瓷层材料为氧化物稳定氧化锆、稀土锆酸盐、 萤石结构氧化物、烧绿石结构氧化物、钙钛矿结构氧化物，磁铁铅矿六方镧铝酸盐等。O):基体准备和前处理选用牌号为K3、DZ125、DD3或DD6的高温合金作为基体材料，依次用150#、300#、 500#和800#砂纸打磨基体，使表面粗糙度Ra < 0. 8，将打磨后的基体放入丙酮中用超声波 清洗10 30min后自然晾干，再对基体进行喷砂处理，使其表面粗糙度Ra > 15。(3)沉积粘结层在基体上沉积粘结层。将真空室抽至所需的真空度10_4 10_3Pa，在沉积的过程中基体温度为900士25°C，基体转速为10 20rpm，沉积速率为1. 25 2. 0 μm/min,沉积时间 40 lOOmin。沉积完成后取出，放入真空热处理炉中热处理2 4h，真空度为1X10—4 lX10_3Pa，热处理温度为1030 1080°C。对热处理后沉积有粘结层的样品进行喷丸处理， 再用丙酮进行超声清洗；(4)沉积第一陶瓷层和第二陶瓷层在粘结层上沉积第一陶瓷本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种多层热障涂层，其特征在于：该多层热障涂层从基体开始，依次为粘结层、第一陶瓷层、第二陶瓷层和封闭层，所述的封闭层材料为Ａｌ２Ｏ３。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：郭洪波，郭磊，宫声凯，徐惠彬，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11