本發(fā)明屬于涂層技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有雙層結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的熱障涂層及其制備方法。
背景技術(shù)：
熱障涂層是將導(dǎo)熱系數(shù)較低的高熔點(diǎn)材料涂覆于高溫構(gòu)件表面起隔熱作用的功能涂層，它可以有效地避免高溫工作介質(zhì)直接接觸金屬構(gòu)件，以良好的隔熱性能降低金屬構(gòu)件的溫度，進(jìn)而有效地提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率。近年來(lái)，等離子噴涂熱障涂層發(fā)展迅速，有效地提高了燃機(jī)的效率，但是，陶瓷層脫落導(dǎo)致的熱障涂層失效嚴(yán)重阻礙了熱障涂層的發(fā)展及應(yīng)用。
熱障涂層壽命影響因素眾多，其中最重要的兩個(gè)因素為：TGO生長(zhǎng)及陶瓷層與金屬基體之間的熱膨脹不匹配。近年來(lái)，粘結(jié)層傾向于致密、無(wú)氧化的結(jié)構(gòu)發(fā)展。這種結(jié)構(gòu)的粘結(jié)層能夠優(yōu)先生成α-Al2O3，對(duì)涂層壽命有益。但是，當(dāng)粘結(jié)層發(fā)展越來(lái)越致密時(shí)，其孔隙率等參數(shù)接近鑄態(tài)。而在保護(hù)基體不受氧化的同時(shí)，粘結(jié)層還具有另外一個(gè)重要作用：緩解基體與陶瓷層之間的熱膨脹不匹配。然而，關(guān)于粘結(jié)層結(jié)構(gòu)的研究，國(guó)內(nèi)外專家均以抗氧化為目標(biāo)，設(shè)計(jì)雙層的致密涂層，譬如一種含雙層結(jié)構(gòu)粘結(jié)層熱障涂層的制備方法，該專利中第一粘結(jié)層采用的噴涂方法制備的為致密涂層，第二粘結(jié)層為致密或多孔層。上述結(jié)構(gòu)的粘結(jié)層具有較好的抗氧化性。但是，由于第一粘結(jié)層較為致密，與傳統(tǒng)的單層粘結(jié)層相比，這種結(jié)構(gòu)的粘結(jié)層緩解熱膨脹失配的能力沒(méi)有改善，即不能提高粘結(jié)層緩解熱膨脹失配的能力。另一方面，研究表明，合金涂層的熱膨脹系數(shù)不僅與其成分有關(guān)，還與其結(jié)構(gòu)存在明顯的關(guān)聯(lián)性。因此，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該可以有效控制粘結(jié)層的熱膨脹系數(shù)，進(jìn)而提高粘結(jié)層緩解熱膨脹適配的能力。
綜上所述，若能通過(guò)粘結(jié)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證其表面能夠持續(xù)生成α-Al2O3的前提下，還能在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步緩解熱膨脹不匹配，將是提高熱障涂層壽命的一種重要方法。同時(shí)，通過(guò)提升粘結(jié)層孔隙率來(lái)控制熱障涂層系統(tǒng)整體的重量，對(duì)提高燃?xì)廨啓C(jī)的推重比有積極的作用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種具有雙層粘結(jié)層的熱障涂層及其制備方法，所述的雙層粘結(jié)層為孔隙層+致密層，孔隙層能夠有效提高粘結(jié)層緩解基體與陶瓷層熱膨脹失配的能力，致密層能夠保證連續(xù)性的α-Al2O3生成，從而大幅度地提高熱障涂層的服役性能。同時(shí)，提高粘結(jié)層孔隙率對(duì)提高燃機(jī)的推重比有積極作用。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種具有雙層粘結(jié)層的熱障涂層，包括高溫合金基體、基體上方設(shè)有第一層粘結(jié)層、第二層粘結(jié)層和面層陶瓷層；所述第一層粘結(jié)層為多孔、層狀結(jié)構(gòu)，第二層粘結(jié)層為致密結(jié)構(gòu)；所述第一層粘結(jié)層、第二層粘結(jié)層的成分為MCrAlY，其中，M為Ni或Co或者NiCo，面層陶瓷層的成分為7~8wt％Y2O3穩(wěn)定的ZrO2。
所述的第一層粘結(jié)層的厚度為50~100μm，所述第二層粘結(jié)層的厚度為50~100μm，第一層粘結(jié)層與第二層粘結(jié)層的總厚度為120~180μm，面層陶瓷層的厚度為250~500μm。
所述的高溫合金基體為鎳基高溫合金IN738。
一種具有雙層粘結(jié)層的熱障涂層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
步驟一，對(duì)高溫合金基體表面進(jìn)行打磨并噴砂處理；
步驟二，采用用氣罩保護(hù)等離子噴涂在高溫合金基體表面沉積孔隙率為10-30%的孔隙層，即第一層粘結(jié)層；
步驟三，采用超音速火焰噴涂、低壓等離子噴涂或者冷噴涂法在孔隙層的表面沉積致密層，即第二層粘結(jié)層，為保證氧化性能，致密層的孔隙率控制在5%以下；
步驟四，采用大氣等離子噴涂法在第二層粘結(jié)層的表面沉積面層陶瓷層。
所述的氣罩保護(hù)等離子的功率區(qū)間為20～40kW，噴涂距離為60～150mm，主氣采用Ar，氣流量為40~60 L/min，輔氣采用氫氣，氣流量為3~5 L/min。
所述的冷噴涂的送粉及加速氣體均為He，其中送粉氣體壓力為2.2~2.5MPa，加速氣體壓力為2.0~2.2MPa，噴涂距離為10~20 mm。
所述的采用大氣等離子噴涂法的噴涂距離約為70~80 mm，主氣采用Ar，氣流量為50~60 L/min，輔氣采用氫氣，氣流量為4~6 L/min。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1）本發(fā)明的第一層粘結(jié)層為典型的層狀結(jié)構(gòu)，該層內(nèi)部的孔隙及未結(jié)合區(qū)域能夠有效地緩解扁平粒子高溫?zé)崤蛎洠档徒饘倩w與陶瓷層的熱膨脹失配產(chǎn)生的應(yīng)力，粘結(jié)層熱膨脹系數(shù)降低1.0×10-6K-1時(shí)，陶瓷層內(nèi)部垂直應(yīng)力降低約10%，這便降低了裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，提高了涂層服役壽命。
2）本發(fā)明的第一層粘結(jié)層具有一定的孔隙率，能夠在一定程度上降低現(xiàn)有在較高溫度服役的熱障涂層系統(tǒng)整體的重量，進(jìn)而提高燃機(jī)的推重比（這一點(diǎn)國(guó)外重視程度較高）。
3）本發(fā)明的第二層粘結(jié)層具有致密的結(jié)構(gòu)，這種致密的結(jié)構(gòu)能夠保證粘結(jié)層的高溫氧化性能，提高熱障涂層服役溫度。因此，本發(fā)明的雙層結(jié)構(gòu)粘結(jié)層可以替代全致密粘結(jié)層在高溫環(huán)境下服役。
本發(fā)明中的具有雙層粘結(jié)層結(jié)構(gòu)的熱障涂層不僅能夠保證粘結(jié)層表面持續(xù)生成α-Al2O3，與傳統(tǒng)粘結(jié)層相比，還能進(jìn)一步緩解熱膨脹不匹配，進(jìn)而提高熱障涂層壽命。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
1—高溫合金基體；2—第一層粘結(jié)層；3—第二層粘結(jié)層； 4—陶瓷面層。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例1：
如圖1所示，本實(shí)施例中在高溫合金基體1上沉積具有兩種不同結(jié)構(gòu)的粘結(jié)層：第一層粘結(jié)層（孔隙層）和第二層粘結(jié)層（致密層），并在致密層的表面沉積一層陶瓷層。
本實(shí)施例中兩層粘結(jié)層的成分均為NiCoCrAlTaY，面層陶瓷層4的成分為8wt％Y2O3穩(wěn)定的ZrO2（8YSZ）。
本實(shí)施例中，所述高溫合金基體1的材質(zhì)為鎳基高溫合金IN738。
本實(shí)施例中第一層粘結(jié)層2（孔隙層）的厚度為75μm，第二層粘結(jié)層3（致密層）的厚度為75μm，陶瓷層的厚度為250μm。
結(jié)合圖1，一種具有雙層粘結(jié)層的熱障涂層的制備方法，包括以下步驟：
步驟一，采用粗砂紙（80#）對(duì)高溫合金試基體樣表面進(jìn)行打磨，然后采用酒精清洗并安裝試樣，對(duì)試樣進(jìn)行噴砂處理；
步驟二，采用氣罩保護(hù)等離子在高溫合金基體表面沉積孔隙率為15~25%的孔隙層，即第一層粘結(jié)層；高溫合金粉末在加入送粉器之前在100℃的烘箱里面放置1小時(shí)以上進(jìn)行烘干，待所有準(zhǔn)備工作完成后，取出加入到送粉器里面。等離子的功率約為25 kW，噴涂距離為120 mm，主氣采用Ar，氣流量為50L/min，輔氣采用氫氣，氣流量為~ 4 L/min；該噴涂條件下，噴涂2~3遍，厚度即可達(dá)到75μm；
步驟三，采用冷噴涂在孔隙層表面沉積致密層（第二層粘結(jié)層），致密層的孔隙率為5%以下；冷噴涂的送粉及加速氣體均為He，其中送粉氣體壓力為2.3MPa，加速氣體壓力為2.0MPa，噴涂距離為15 mm，該噴涂條件下，噴涂2~3遍，厚度即可達(dá)到約75μm；經(jīng)過(guò)氣罩等離子噴涂及冷噴涂，粘結(jié)層的總厚度約為150μm；
步驟四，采用大氣等離子在步驟三沉積的致密層表面制備面層陶瓷層，噴涂距離約為80mm，主氣采用Ar，氣流量約為60L/min，輔氣采用氫氣，氣流量約為4L/min；噴槍移動(dòng)速度為400mm/s；該噴涂條件下，噴涂約20遍，陶瓷層厚度即可達(dá)到約250μm；
本發(fā)明通過(guò)實(shí)例對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行較為清晰、完整的描述，但并不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成限制。對(duì)于本領(lǐng)域的專業(yè)人員能夠通過(guò)設(shè)計(jì)的參數(shù)調(diào)整（如通過(guò)改變孔隙層的噴涂參數(shù)調(diào)控孔隙率、改變孔隙層厚度）及改變孔隙層制備方法等都應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。