一种新型抗氧化长热循环寿命的多层结构热障涂层的制作方法

1.本发明属于新型热障涂层领域，涉及一种新型抗氧化长热循环寿命的多层结构热障涂层。


背景技术：

2.热障涂层是航空发动机和地面燃气轮机涡轮叶片关键核心技术之一，对高温工作区域的零部件起到隔热、抗腐蚀和抵抗粒子冲击等作用，从而大大提高金属部件工作温度，提升热机工作效率，并大幅度延长其使用寿命；由于常规氧化钇稳定氧化锆(ysz)热障涂层在高服役温度（＞1250oc）下难以适用，新型超高温热障涂层材料的研究成为近些年的研究热点。随着服役温度的提升和涂层厚度的增加，热障涂层在服役过程中存在较大的应力，涂层的界面和结构是提高涂层服役寿命的关键。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.本发明的目的是提出一种新型抗氧化长热循环寿命的多层结构热障涂层，使其具有高抗氧化性、高抗热冲击性以及长热循环寿命等特点。
4.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种新型抗氧化长热循环寿命的多层结构热障涂层，多层结构热障涂层为多层陶瓷层结构，为多层陶瓷层结构包括附着于粘结层表面的致密结构层、中间多孔结构层和顶部含垂直裂纹结构层；所述的致密层由ysz和高温合金粉体等离子喷涂形成，所述的中间多孔层由ysz粉体经等离子喷涂形成；所述的顶部含垂直裂纹结构层由稀土钽酸盐、稀土铌酸盐、稀土锆酸盐、六铝酸盐等新型热障涂层粉体中的一种或几种经等离子喷涂而成；所述致密层与粘结层表面接触，所述顶部含垂直裂纹的陶瓷层直接暴露于高温环境。
5.所述致密层的厚度为20～100μm；所述中间多孔层的厚度为100～500μm；所述顶部含垂直裂纹结构的陶瓷层厚度为200～500μm。
6.所述致密层中ysz和高温合金粉体其质量比为0~100:100~0。
7.本发明提供了上述方案所述热障涂层的制备方法，包括以下步骤：在粘结层表面进行等离子喷涂ysz粉体或高温合金粉体或ysz/高温合金复合粉体，形成致密结构层；在所述致密层表面进行等离子喷涂ysz粉体，形成中间多孔结构层；在所述中间多孔层表面进行等离子喷涂稀土钽酸盐、稀土铌酸盐、稀土锆酸盐、六铝酸盐等新型热障涂层粉体中的一种或几种，形成具有垂直裂纹结构的陶瓷层。
8.本发明提出的一种新型抗氧化长热循环寿命的多层结构热障涂，以喷涂ysz和高温合金粉体作为附着于粘结层表面的致密层，有效的阻止氧气的进入，减缓粘结层的氧化及tgo的生成；此外，致密层中ysz与高温合金的热膨胀系数与粘结层相匹配，减少应力的产
生；同时，致密结构能够提高韧性，强化tgo/陶瓷层界面；本发明的中间多孔结构层由ysz粉体经等离子喷涂形成，可显著降低热障涂层的热导率并释放由热膨胀不匹配导致的热应力；本发明的顶部垂直裂纹结构层，含有规律分布的高密度垂直裂缝，具有良好的隔热效果和高应变容限，保证低热导率的同时能够提高涂层的稳定性及热冲击性。
附图说明
9.图1为典型多层结构热障涂层的显微形貌。
10.图中：1、粘结层，2、致密结构层，3、中间多孔结构层，4、顶部含垂直裂纹结构层。
实施方式
11.结合附图和具体实施例对本发明加以详细说明：本发明提供的抗氧化长热循环寿命的多层结构热障涂层，其中包括附着于粘结层表面的致密层、中间多孔层和顶部垂直裂纹层；所述致密层由ysz和高温合金粉体等离子喷涂形成，所述中间多孔层由ysz粉体经等离子喷涂形成；所述顶部含垂直裂纹结构的陶瓷层由稀土钽酸盐、稀土铌酸盐、稀土锆酸盐、六铝酸盐等新型热障涂层粉体中的一种或几种经等离子喷涂而成。
12.本发明对所述粘结层材料及厚度没有特殊要求，本领域熟知的粘结层（如mcraly等）及厚度均可。本发明对所述基体的种类及基体的喷砂处理的过程没有特殊要求，确保喷砂处理后表面粗糙度ra为1～20μm即可，所述粘结层可采用超音速喷涂或等离子喷涂等方式获得。
13.下面结合实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例
14.按所述方法选用哈氏合金作为基体并做喷砂处理粗糙度为15μm，采用超音速火焰喷涂nicraly粘结层，在粘结层表面进行等离子喷涂80%ysz和20%高温合金复合粉体，形成厚度为60μm的致密层；在所述致密层表面进行等离子喷涂ysz粉体，形成150μm的中间多孔结构层；在所述中间多孔层上进行等离子喷涂稀土钽酸盐粉体，得到300μm含垂直裂纹的陶瓷层。该多层热障涂层在1400℃热冲击次数达到3500次，1100℃热循环时间达到1400h，涂层经过500h氧化之后，其tgo层仅为2.5μm，远高于其它热障涂层，显著提高了涂层试样的抗氧化、抗热冲击和热循环寿命。
实施例
15.按所述方法选用哈氏合金作为基体并做喷砂处理粗糙度为13μm，采用超音速喷涂粘结层nicraly，在粘结层表面进行等离子喷涂ysz粉体，形成厚度为70μm的致密层；在所述致密层表面进行等离子喷涂50%ysz和50%高温合金复合粉体，形成250μm的中间多孔结构层；在所述中间多孔层上进行等离子喷涂稀土钽酸盐与稀土锆酸盐混合粉体得到300μm含垂直裂纹的陶瓷层。该热障涂层在1400℃热冲击次数达到3200次，1100℃热循环时间达到1200h，涂层经过500h氧化之后，其tgo层仅为2.6μm。
实施例
16.按所述方法选用dd6合金作为基体并做喷砂处理粗糙度为8μm，采用超音速火焰喷涂粘结层nicocraly，在粘结层表面进行等离子喷涂高温合金粉体，形成厚度为100μm的致密结构层；在所述致密层表面进行等离子喷涂ysz粉体，形成220μm的中间多孔结构层；在所述中间多孔层上进行等离子喷涂稀土钽酸盐与锆酸盐混合粉体得到350μm含垂直裂纹的陶瓷层。该热障涂层在1400℃热冲击次数达到2900次，热循环时间达到1300h，涂层经过500h氧化之后，其tgo层仅为2.8μm。
实施例
17.按所述方法选用dd6合金作为基体并做喷砂处理粗糙度为12μm，采用超音速火焰喷涂粘结层nicocralyta，在粘结层表面进行等离子喷涂ysz粉体，形成厚度为50μm的致密结构层；在所述致密层表面进行等离子喷涂ysz粉体，形成200μm的中间多孔结构层；在所述中间多孔层上进行等离子喷涂稀土钽酸盐粉体得到200μm含垂直裂纹的陶瓷层。该热障涂层在1400℃热冲击次数达到3600次，热循环时间达到1600h，涂层经过500h氧化之后，其tgo层仅为2.2μm。
18.综上所述，本发明制备的热障涂层具有优异的抗热冲击性能和超长的热循环寿命，在长时间的氧化处理后，其粘结层氧化程度仍较低。
19.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：
1.一种新型抗氧化长热循环寿命的多层结构热障涂层，其特征在于：多层结构热障涂层为多层陶瓷层结构，为多层陶瓷层结构包括附着于粘结层表面的致密结构层、中间多孔结构层和顶部垂直裂纹结构层；所述的致密层由ysz和高温合金粉体等离子喷涂形成，所述的中间多孔层由ysz粉体经等离子喷涂形成；所述的顶部含垂直裂纹结构层由稀土钽酸盐、稀土铌酸盐、稀土锆酸盐、六铝酸盐等新型热障涂层粉体中的一种或几种经等离子喷涂而成；所述致密层与粘结层表面接触，所述顶部含垂直裂纹的陶瓷层直接暴露于高温环境。2.如权利要求1所述的一种新型抗氧化长热循环寿命的多层结构热障涂层，其特征在于：所述致密层的厚度为20～100μm；所述中间多孔层的厚度为100～500μm；所述顶部含垂直裂纹结构的陶瓷层厚度为200～500μm。3.如权利要求1所述的一种新型抗氧化长热循环寿命的多层结构热障涂层，其特征在于：所述致密层中ysz和高温合金粉体其质量比为0~100:100~0。

技术总结
本发明属于新型热障涂层领域，涉及一种新型抗氧化长热循环寿命的多层结构热障涂层。涉及的一种新型抗氧化长热循环寿命的多层结构热障涂层为多层陶瓷层结构，为多层陶瓷层结构包括附着于粘结层表面的致密结构层、中间多孔结构层和顶部垂直裂纹结构层；所述的致密层由YSZ和高温合金粉体等离子喷涂形成，所述的中间多孔层由YSZ粉体经等离子喷涂形成；所述的顶部含垂直裂纹结构层由稀土钽酸盐、稀土铌酸盐、稀土锆酸盐、六铝酸盐等新型热障涂层粉体中的一种或几种经等离子喷涂而成；所述致密层与粘结层表面接触，所述顶部含垂直裂纹的陶瓷层直接暴露于高温环境。本发明具有高抗氧化性、高抗热冲击性以及长热循环寿命等特点。高抗热冲击性以及长热循环寿命等特点。高抗热冲击性以及长热循环寿命等特点。


技术研发人员：刘广华 赵世贤 李红霞 李凌锋 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