一种具有垂直裂纹结构的新型热障涂层及其制备方法与流程

1.本发明属于热喷涂技术领域，涉及一种具有垂直裂纹的新型热障材料涂层及其制备方法。


背景技术：

2.热障涂层广泛应用于航空发动机及燃气轮机关键高温部件，是涡轮机高温稳定运行的重要保障；热障涂层可有效阻止热量向基体的传递，降低基体表面温度，同时可阻隔高温气体、介质对基体的氧化和腐蚀，提高热机工作效率，延长部件服役寿命；具有垂直裂纹结构（dvc）的热障涂层具有较好的隔热效果和高应变容限，能显著提高涂层的抗热冲击性能和热循环寿命；目前，具有垂直裂纹结构的ysz涂层应用较为广泛，但在高温(＞1300℃)服役条件下，ysz材料由于相变等特性而难以适用；由于材料性能的不同以及制备工艺的较难控制，具有垂直裂纹结构的新型热障涂层鲜有报道；鉴于涡轮发动机燃烧温度的不断提高，更高服役温度（＞1300℃）、高抗热冲击和高热循环寿命的新型热障涂层的研制势在必行。其中涂层中的垂直裂纹可显著提高涂层的应力容限，其产生原理为在喷涂过程中，当基体的温度和单层喷涂厚度达到一个临界值时，涂层中累积的平面应力会高于此温度下涂层的强度，从而产生垂直于基体的裂纹。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种具有垂直裂纹结构的新型热障涂层及其制备方法，使其具有高热循环寿命及优异的抗热冲击性能等特点。
4.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种具有垂直裂纹的新型热障材料涂层，热障材料涂层所用粉体为稀土钽酸盐、稀土铌酸盐、稀土锆酸盐中的一种；,粉体粒径范围为10~100μm。
5.一种具有垂直裂纹的新型热障材料涂层的制备方法为：首先对待喷涂基体进行预热，预热温度为200℃~800℃；在调整好等离子枪与待喷涂基体之间的喷涂距离、枪速、功率参数后对基体进行喷涂，最终在基体表面制备出含垂直裂纹结构的新型热障涂层；所述的热障材料涂层中分布有垂直裂纹，垂直裂纹密度为2~5 cracks/mm，涂层厚度为200~1000 μm。
6.所述喷枪与待喷涂基体之间的距离为30~120mm；枪速控制在100~500mm/min；所述喷枪功率控制在50~150kw范围内。
7.等离子喷涂设备的气体参数为氩气流量10~150 l/min，氮气流量10~100 l/min，氢气流量为10~100 l/min。
8.本发明制备获得的具有垂直裂纹结构的新型热障涂层在超高温（＞1300℃）条件下具有高热循环寿命和抗热冲击性；新型热障涂层材料如稀土钽酸盐、稀土铌酸盐、稀土锆酸盐等具有更低的本征热导率、更高的相变温度，能在更高的服役温度下保护金属基体正常运行，同时规律分布的垂直裂纹结构，在具备良好隔热性能的同时提高涂层的应变容限，
从而显著提升涂层的服役寿命。
附图说明
9.图1为含垂直裂纹结构的新型热障材料涂层，材料体系为稀土钽酸盐（retao4）。
实施方式
10.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例
11.按所述方法选用稀土钽酸盐retao4作为喷涂粉体，粉体粒径为30~50μm，对待喷涂基体进行预热至300℃，调整等离子喷枪与待喷涂基体之间的距离为85mm，枪速为300mm/s，等离子喷枪功率为95kw，设定氩气流量为100 l/min，氮气流量为75 l/min，氢气流量为55 l/min。在大气条件下对基体进行喷涂，制备出含有垂直裂纹结构的新型热障涂层，涂层厚度500μm，裂纹密度为3.5cracks/mm。该热障涂层在1400℃热冲击次数达到3850次，1100℃热循环寿命达1000h。
实施例
12.按所述方法选用稀土钽酸盐retao4作为喷涂粉体，粉体粒径为20~100μm，对待喷涂基体进行预热至550℃，调整等离子喷枪与待喷涂基体之间的距离为70mm，枪速为500mm/s，等离子喷枪功率为100kw，设定氩气流量为50 l/min，氮气流量为60 l/min，氢气流量为75 l/min。在大气条件下对基体进行喷涂，制备出含有垂直裂纹结构的新型热障涂层，涂层厚度400μm，裂纹密度为3.0cracks/mm。该热障涂层在1400℃热冲击次数达到2920次，1100℃热循环寿命达900h。
实施例
13.按所述方法选用高熵稀土钽酸盐（掺杂元素为y，gd，yb，dy，zr等）作为喷涂粉体，粉体粒径为10~50μm，对待喷涂基体进行预热至400℃，调整等离子喷枪与待喷涂基体之间的距离为95mm，枪速为350mm/s，等离子喷枪功率为90kw，设定氩气流量为80 l/min，氮气流量为70 l/min，氢气流量为80 l/min。在大气条件下对基体进行喷涂，制备出含有垂直裂纹结构的新型热障涂层，涂层厚度700μm，裂纹密度为3.8cracks/mm。该热障涂层在1400℃热冲击次数达到3250次，1100℃热循环寿命达800h。
实施例
14.按所述方法选用稀土锆酸盐作为喷涂粉体，粉体粒径为20~80μm，对待喷涂基体进行预热至620℃，调整等离子喷枪与待喷涂基体之间的距离为65mm，枪速为300mm/s，等离子喷枪功率为86kw，设定氩气流量为50 l/min，氮气流量为50 l/min，氢气流量为70 l/min。在大气条件下对基体进行喷涂，制备出含有垂直裂纹结构的新型热障涂层，涂层厚度460μm，裂纹密度为2.6cracks/mm。该热障涂层在1400℃热冲击次数达到3012次，1100℃热循环
寿命达850h。
15.综上所述，本发明制备的含垂直裂纹结构的新型热障材料涂层在1400℃服役温度下具有优异的抗热冲击性能，同时表现出了较高的热循环寿命。
16.对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本专利实施的效果和专利的实用性。


技术特征：
1.一种具有垂直裂纹的新型热障材料涂层，其特征在于：热障材料涂层所用粉体为稀土钽酸盐、稀土铌酸盐、稀土锆酸盐中的一种；,粉体粒径范围为10~100μm。2.制备权利要求1所述的一种具有垂直裂纹的新型热障材料涂层的制备方法，其特征在于：首先对待喷涂基体进行预热，预热温度为200℃~800℃；在调整好等离子枪与待喷涂基体之间的喷涂距离、枪速、功率参数后对基体进行喷涂，最终在基体表面制备出含垂直裂纹结构的新型热障涂层；所述的热障材料涂层中分布有垂直裂纹，垂直裂纹密度为2~5 cracks/mm，涂层厚度为200~1000 μm。3.如权利要求2所述的一种具有垂直裂纹的新型热障材料涂层的制备方法，其特征在于：所述喷枪与待喷涂基体之间的距离为30~120mm；枪速控制在100~500mm/min；所述喷枪功率控制在50~150kw范围内。4.如权利要求2所述的一种具有垂直裂纹的新型热障材料涂层的制备方法，其特征在于：等离子喷涂设备的气体参数为氩气流量10~150 l/min，氮气流量10~100 l/min，氢气流量为10~100 l/min。

技术总结
本发明属于热喷涂技术领域，涉及一种具有垂直裂纹的新型热障材料涂层及其制备方法。涉及的一种具有垂直裂纹的新型热障材料涂层所用粉体为稀土钽酸盐、稀土铌酸盐、稀土锆酸盐中的一种；粉体粒径范围为10~100μm，制备方法首先对待喷涂基体进行预热，预热温度为200℃~800℃；在调整好等离子枪与待喷涂基体之间的喷涂距离、枪速、功率参数后对基体进行喷涂，最终在基体表面制备出含垂直裂纹结构的新型热障涂层；所述的热障材料涂层中分布有垂直裂纹。本发明制具有高热循环寿命和抗热冲击性，同时规律分布的垂直裂纹结构，在具备良好隔热性能的同时提高涂层的应变容限，从而显著提升涂层的服役寿命。涂层的服役寿命。涂层的服役寿命。


技术研发人员：束国刚 李红霞 刘广华 李凌锋 赵世贤 孙健 李虹屿 王刚 赵宇辰 曹雷 刘伟
受保护的技术使用者：中国联合重型燃气轮机技术有限公司 国家电投集团北京重燃能源科技发展有限公司
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/8/1