一種多層熱障涂層及其形成方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多層熱障涂層，包括從下至上依次設(shè)置的基體、粘結(jié)層和陶瓷頂層，該陶瓷頂層由從下至上依次設(shè)置的分別具有不同微觀結(jié)構(gòu)的含垂直裂紋陶瓷底層，多孔隙中間陶瓷層和致密陶瓷頂層組成。本發(fā)明還提供一種多層熱障涂層的形成方法，包括提供基體和粘結(jié)層；在所述粘結(jié)層的上表面通過等離子噴涂形成含垂直裂紋陶瓷底層；在所述含垂直裂紋陶瓷底層的上表面通過等離子噴涂形成多孔隙中間陶瓷層；在所述多孔隙中間陶瓷層的上表面通過等離子噴涂形成致密陶瓷頂層。本發(fā)明通過從下至上依次設(shè)置的含垂直裂紋陶瓷底層，多孔隙中間陶瓷層和致密陶瓷頂層形成含不同微觀結(jié)構(gòu)的多層熱障涂層，使得熱障涂層具有數(shù)倍于現(xiàn)有的熱障涂層的熱循環(huán)壽命。
【專利說明】一種多層熱障涂層及其形成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱障涂層，更具體地涉及一種多層熱障涂層及其形成方法。

【背景技術(shù)】
[0002]自20世紀(jì)初期，渦輪機一直朝著高流量比、高推重比、高進(jìn)口溫度的方向發(fā)展，燃燒室中的燃?xì)鉁囟群蛪毫Ρ徊粩嗵岣?。為了保護(hù)熱端部件不被氧化和腐蝕，熱障涂層作為一種有效的保護(hù)方法得到了廣泛的研宄和應(yīng)用。Padture N.P在Science中指出，熱障涂層在提高發(fā)動機、渦輪機、汽輪機熱效率以及服役壽命的所有耐高溫材料中具有無可替代的作用。在美國、歐洲以及我國的航空發(fā)動機推進(jìn)計劃中均把熱障涂層技術(shù)列為與高溫結(jié)構(gòu)材料、高效葉片冷卻技術(shù)并重的高性能航空發(fā)動機高壓渦輪葉片技術(shù)的三大關(guān)鍵技術(shù)。
[0003]目前的熱障涂層，如圖1所示，主要包括從下至上依次設(shè)置的基體1、粘結(jié)層2和陶瓷頂層3，其中，該陶瓷頂層3為單層的多孔陶瓷層。在高溫服役環(huán)境下，該熱障涂層通過等離子噴涂形成，由于該單層的多孔陶瓷層結(jié)構(gòu)的特點，可以得到較為理想的低熱導(dǎo)率，滿足其隔熱作用的功能性要求。
[0004]隨著熱障涂層技術(shù)在發(fā)動機熱端部件的應(yīng)用，人們進(jìn)一步認(rèn)識到，現(xiàn)有的熱障涂層雖可以提高發(fā)動機的工作溫度和增強部件的抗腐蝕能力，但是由于惡劣的工作環(huán)境以及涂層系統(tǒng)自身的材料特點，往往會引起熱障涂層的提前失效，從而大大影響了熱障涂層的推廣。目前已有研宄指出，在陶瓷層和粘結(jié)層界面發(fā)生剝離之前，陶瓷層內(nèi)已經(jīng)發(fā)生了開裂失效。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的現(xiàn)有的熱障涂層的提前失效的問題，本發(fā)明旨在提供一種多層熱障涂層及其形成方法。
[0006]本發(fā)明提供一種多層熱障涂層，包括從下至上依次設(shè)置的基體、粘結(jié)層和陶瓷頂層，其中，該陶瓷頂層由從下至上依次設(shè)置的分別具有不同微觀結(jié)構(gòu)的含垂直裂紋陶瓷底層，多孔隙中間陶瓷層和致密陶瓷頂層組成。
[0007]所述含垂直裂紋陶瓷底層的厚度為70 μ m?90 μ m。
[0008]所述多孔隙中間陶瓷層的厚度為120μπι?140 μm。
[0009]所述致密陶瓷頂層的厚度為40 μπι?60 μπι。
[0010]所述含垂直裂紋陶瓷底層的垂直裂紋密度為1.SmnT1?2.2mm '
[0011]所述多孔隙中間陶瓷層的孔隙率為12.5%?17.7%。
[0012]本發(fā)明還提供一種多層熱障涂層的形成方法，包括以下步驟:SI，提供基體；S2，在所述基體的上表面形成粘結(jié)層；S3，在所述粘結(jié)層的上表面通過等離子噴涂形成含垂直裂紋陶瓷底層；S4，在所述含垂直裂紋陶瓷底層的上表面通過等離子噴涂形成多孔隙中間陶瓷層；以及S5，在所述多孔隙中間陶瓷層的上表面通過等離子噴涂形成致密陶瓷頂層。
[0013]在所述步驟S3，S4，S5中，所述等離子噴涂均采用8wt%氧化紀(jì)部分穩(wěn)定的氧化錯(8YSZ)粉末實現(xiàn)。
[0014]在所述步驟S3，S4中，所述等離子噴涂均采用球形空心粉末實現(xiàn)。采用球形空心粉末更容易產(chǎn)生孔隙結(jié)構(gòu)。
[0015]在所述步驟S5中，所述等離子噴涂采用燒結(jié)破碎粉末實現(xiàn)。采用燒結(jié)破碎粉末更容易產(chǎn)生致密結(jié)構(gòu)。
[0016]在所述步驟S3中，所述等離子噴涂的預(yù)熱溫度為740?800 °C，噴涂過程中不涉及任何冷卻，從而在所述含垂直裂紋陶瓷底層中形成垂直裂紋。含垂直裂紋陶瓷底層在如此高的預(yù)熱溫度下已經(jīng)形成柱狀晶結(jié)構(gòu)，具有比層狀結(jié)構(gòu)要高的斷裂抗性，而其中存在的縱向裂紋，可以增大陶瓷層自身的應(yīng)變?nèi)菹?，又會在熱循環(huán)(服役過程中)過程中有效地釋放一部分能量，從而緩解含垂直裂紋陶瓷底層與粘結(jié)層界面處的應(yīng)力集中。
[0017]在所述步驟S4中，所述等離子噴涂的預(yù)熱溫度為200?300°C，噴涂過程中采用壓縮空氣冷卻，從而在所述多孔隙中間陶瓷層中形成多孔隙結(jié)構(gòu)。
[0018]在所述步驟S5中，所述等離子噴涂的預(yù)熱溫度為700?800°C，噴涂過程中采用壓縮空氣冷卻，從而在所述致密陶瓷頂層中形成致密的柱狀晶結(jié)構(gòu)。此外，致密陶瓷頂層阻礙了氧氣的進(jìn)入，從而減緩了粘結(jié)層氧化生成界面間的脆性相，即熱生長氧化物，從而緩解含垂直裂紋陶瓷底層與粘結(jié)層界面處的應(yīng)力集中。
[0019]本發(fā)明通過從下至上依次設(shè)置的含垂直裂紋陶瓷底層，多孔隙中間陶瓷層和致密陶瓷頂層形成含不同微觀結(jié)構(gòu)的多層熱障涂層，其中，含垂直裂紋陶瓷底層可以提高熱障涂層的應(yīng)變?nèi)菹?，進(jìn)而實現(xiàn)高開裂抗性；多孔隙中間陶瓷層可以保證熱障涂層較低的熱導(dǎo)率，滿足其隔熱的功能性要求；而致密陶瓷頂層則可以起到阻止氧氣和腐蝕介質(zhì)進(jìn)入的作用，抑制陶瓷頂層和粘結(jié)層界面的氧化反應(yīng)及腐蝕導(dǎo)致的開裂，從而確保熱障涂層的結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定性，并且使得熱障涂層具有數(shù)倍于現(xiàn)有的熱障涂層的熱循環(huán)壽命。本發(fā)明利用等離子噴涂工藝制備含垂直裂紋陶瓷底層，多孔隙中間陶瓷層和致密陶瓷頂層的多層熱障涂層，僅通過改變不同的噴涂工藝參數(shù)來獲得不同微觀結(jié)構(gòu)的陶瓷頂層，該制備方法不僅廉價而且尚效。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的熱障涂層的復(fù)合層結(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖2是根據(jù)本發(fā)明的多層熱障涂層的復(fù)合層結(jié)構(gòu)圖。

【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖，給出本發(fā)明的較佳實施例，并予以詳細(xì)描述。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的多層熱障涂層通過以下方法進(jìn)行形成:
[0024]SI，由鎳基合金738提供基體10。
[0025]S2，在不送粉的情況下，利用噴槍將基體10預(yù)熱至250°C后，直接在基體10的上表面噴涂NiCrAH粉末形成粘結(jié)層20 ;此時，電壓設(shè)定為60V，電流設(shè)定為500A，主氣壓力為0.4MPa，氫氣壓力為0.25MPa，將噴槍移動速度設(shè)定為150mm/s，噴涂距離為100mm，送粉率為10g/min，所形成的粘結(jié)層20的厚度為150 μ m左右。
[0026]S3，在不送粉的情況下，利用噴槍將基體10和粘結(jié)層20預(yù)熱至750°C后，然后在無任何冷卻措施的條件下，直接在粘結(jié)層20的上表面噴涂球形空心的8￥203-21"02粉末形成含垂直裂紋陶瓷底層31。此時，電壓為65V，電流為600A，主氣壓力為0.4MPa，氫氣壓力為0.25MPa，將噴槍移動速度設(shè)定為150mm/s，噴涂距離為80mm，送粉率為10g/min，所形成的含垂直裂紋陶瓷底層31的厚度為80 μ m，垂直裂紋密度為2.0mm \
[0027]S4，在不送粉的情況下，利用噴槍將基體10、粘結(jié)層20和含垂直裂紋陶瓷底層31預(yù)熱至250°C后，然后在采用壓縮空氣冷卻的條件下，直接在含垂直裂紋陶瓷底層31的上表面噴涂球形空心的SY2O3-ZrO2粉末形成多孔隙中間陶瓷層32。此時，噴涂過程的電壓略微較低，控制在63V左右，噴涂距離為90mm，其他噴涂參數(shù)與前面保持不變。所形成的多孔隙中間陶瓷層32的厚度為140 μm，孔隙率在15%。
[0028]S5，在不送粉的情況下，利用噴槍將基體10、粘結(jié)層20、含垂直裂紋陶瓷底層31和多孔隙中間陶瓷層32預(yù)熱至750°C后，然后在采用壓縮空氣冷卻的條件下，直接在多孔隙中間陶瓷層32的上表面噴涂燒結(jié)破碎的8￥203-21<)2粉末形成致密陶瓷頂層33。此時，電壓為65V，電流為600A，主氣壓力為0.4MPa，氫氣壓力為0.25MPa。將噴槍移動速度設(shè)定為150mm/s，噴涂距離為80mm，送粉率為15g/min左右。所形成的致密陶瓷頂層33的厚度為50 μ m0
[0029]上述工藝制備出的多層熱障涂層，在1050°C的馬弗爐中保溫lOmin，然后迅速放入去離子水中冷卻至室溫。以這樣的條件進(jìn)行熱循環(huán)試驗，以表面剝落面積比例達(dá)到20%時的熱循環(huán)次數(shù)作為涂層壽命。本發(fā)明提出的一種含不同微觀結(jié)構(gòu)多層熱障涂層經(jīng)歷了138次之后失效，而相同實驗條件下，采用常規(guī)工藝制備的涂層經(jīng)歷了 65次即發(fā)生失效。
[0030]在形成含垂直裂紋陶瓷底層31的步驟S3中，將預(yù)熱溫度控制在740?800°C，電壓控制在64-66V，電流控制在600-610A，主氣壓力控制在0.4-0.45MPa，氫氣壓力控制在0.25-0.29MPa，噴槍移動速度控制在140-160mm/s，噴涂距離控制在75_85mm，送粉率控制在8-12g/min，從而確保所形成的含垂直裂紋陶瓷底層31的厚度為70?90 μ m，垂直裂紋密度為 1.8mm 1 ?2.2mm 1O
[0031]在形成多孔隙中間陶瓷層32的步驟S4中，將噴涂過程的電壓控制在60-63V，噴涂距離控制在85-95mm，從而確保所形成的多孔隙中間陶瓷層32的厚度為120?140μπι，孔隙率為12.5%?17.7%。
[0032]在形成致密陶瓷頂層33的步驟S5中，將預(yù)熱溫度控制在740-800 °C，電壓控制在64-66V，電流控制在600-605A，主氣壓力控制在0.4-0.45MPa，氫氣壓力控制在0.25-0.3Mpa，噴槍移動速度控制在140-160mm/s，噴涂距離控制在80-90mm，送粉率控制在10-15g/min，從而確保所形成的致密陶瓷頂層33的厚度為40?60 μπι。
[0033]應(yīng)當(dāng)理解，上述含垂直裂紋陶瓷底層31，多孔隙中間陶瓷層32和致密陶瓷頂層33的各厚度可以需要根據(jù)各層的具體作用進(jìn)行選擇，含垂直裂紋陶瓷底層31需要提高熱障涂層的應(yīng)變?nèi)菹蓿嗫紫吨虚g陶瓷層32需要保證熱障涂層較低的熱導(dǎo)率，而致密陶瓷頂層33需要阻止氧氣和腐蝕介質(zhì)進(jìn)入。進(jìn)一步地，優(yōu)選將上述含垂直裂紋陶瓷底層31，多孔隙中間陶瓷層32和致密陶瓷頂層33的總厚度控制在240?290 μ m，從而更好地實現(xiàn)本發(fā)明的目的。
[0034]以上所述的，僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的上述實施例還可以做出各種變化。即凡是依據(jù)本發(fā)明申請的權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明專利的權(quán)利要求保護(hù)范圍。本發(fā)明未詳盡描述的均為常規(guī)技術(shù)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種多層熱障涂層，包括從下至上依次設(shè)置的基體、粘結(jié)層和陶瓷頂層，其特征在于，該陶瓷頂層由從下至上依次設(shè)置的分別具有不同微觀結(jié)構(gòu)的含垂直裂紋陶瓷底層，多孔隙中間陶瓷層和致密陶瓷頂層組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層熱障涂層，其特征在于，所述含垂直裂紋陶瓷底層的厚度為70 μπι?90 μπι，所述多孔隙中間陶瓷層的厚度為120 μπι?140 μπι，和/或所述致密陶瓷頂層的厚度為40 μπι?60 μπι。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層熱障涂層，其特征在于，所述含垂直裂紋陶瓷底層的垂直裂紋密度為1.8mm 1?2.2mm
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層熱障涂層，其特征在于，所述多孔隙中間陶瓷層的孔隙率為 12.5%?17.7%。
5.—種多層熱障涂層的形成方法，包括以下步驟:S1，提供基體；S2，在所述基體的上表面形成粘結(jié)層；其特征在于，還包括步驟: S3，在所述粘結(jié)層的上表面通過等離子噴涂形成含垂直裂紋陶瓷底層； S4，在所述含垂直裂紋陶瓷底層的上表面通過等離子噴涂形成多孔隙中間陶瓷層；以及 S5，在所述多孔隙中間陶瓷層的上表面通過等離子噴涂形成致密陶瓷頂層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的形成方法，其特征在于，在所述步驟S3，S4,S5中，所述等離子噴涂均采用8被％氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯粉末實現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的形成方法，其特征在于，在所述步驟S3，S4中，所述等離子噴涂均采用球形空心粉末實現(xiàn)，在所述步驟S5中，所述等離子噴涂采用燒結(jié)破碎粉末實現(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的形成方法，其特征在于，在所述步驟S3中，所述等離子噴涂的預(yù)熱溫度為740?800°C，噴涂過程中不涉及任何冷卻，從而在所述含垂直裂紋陶瓷底層中形成垂直裂紋。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的形成方法，其特征在于，在所述步驟S4中，所述等離子噴涂的預(yù)熱溫度為200?300°C，噴涂過程中采用壓縮空氣冷卻，從而在所述多孔隙中間陶瓷層中形成多孔隙結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的形成方法，其特征在于，在所述步驟S5中，所述等離子噴涂的預(yù)熱溫度為700?800°C，噴涂過程中采用壓縮空氣冷卻，從而在所述致密陶瓷頂層中形成致密的柱狀晶結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】C23C4/10GK104451519SQ201410697118
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】王衛(wèi)澤, 俞澤新, 于景業(yè), 吳良敏, 陳雨帆 申請人:華東理工大學(xué)