CN102371734B - 一种在高温条件下抗cmas侵蚀的热障涂层及其制备工艺 - Google Patents

一种在高温条件下抗cmas侵蚀的热障涂层及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

一种在高温条件下抗CMAS侵蚀的热障涂层及其制备工艺属于高温涂层防护技术领域。该热障涂层为双层结构，包括由Ni-CO-Cr-Al-Y构成的粘结层，以及由Li2O-YSZ系构成的陶瓷顶层；将Li2CO3掺杂到YSZ中，形成电子束物理气相沉积所需的料棒；然后将制得的料棒进行电子束物理气相沉积或直接采用等离子喷涂，制得所述热障涂层。在制备料棒过程中以及其后的涂层的制备过程中，在加热的条件下，Li2CO3分解成Li2O，与风沙中的Al2O3、MgO和SiO2等形成具有热膨胀系数低或为负的特点的玻璃陶瓷结构的物质，并进入到具有空隙结构的陶瓷顶层中，在冷却凝固中，由于其具有低或负热膨胀系数的特点，不会使得陶瓷顶层开裂，从而缓解CMAS与YSZ热膨胀系数不同而产生的涂层失效现象。

Description

一种在高温条件下抗CMAS侵蚀的热障涂层及其制备工艺
技术领域
本发明属于高温涂层防护技术领域，特别涉及一种在高温条件下抗CMAS侵蚀的热障涂层及其制备工艺。
背景技术
随着航空航天技术的发展，对航空发动机提出了越来越高的要求，从而对发动机的推重比也要求越来越大，因此提高涡轮机的进出口温度就显得尤为重要，然而在更高温度的条件下工作，已经超出制造涡轮叶片和导向叶片的镍基高温合金材料所能承受的温度，由于与开发新的高温合金相比，热障涂层技术(thermalbarrier coatings，TBCs)的研究成本低得多，工艺现实可行，因此，应用热障涂层技术是涡轮机发展的方向之一。
下一代航空发动机进出口温度将会大幅度的提高，预计当发动机的推重比达到20，燃气入口温度将超过2000℃。在如此高的温度下使用，环境因素将会对航空发动机的失效有很大的影响，因此，研究在高温下环境因素对热障涂层行为的影响具有重要的科学意义和社会价值。
我国幅员辽阔，环境气候特点不同，尤其在北方地区多为多风沙的气候，当飞机在此区域飞行的过程中，会有部分的沙子被吸入到发动机中，由于风沙中的物质在高温下将会形成玻璃态物质(calcium-magnesium-alumina-silicate，CMAS)，在高温下，尤其在超过1240℃以上的温度，风沙中的部分物质将会形成玻璃态物质沉积到叶片的表面，由于目前在航空发动机中普遍使用的是具有稳定性好、隔热效果佳的双层结构热障涂层，即采用在陶瓷层与金属基体之间引入一层改善基体与陶瓷层物理相容性并具有抗高温氧化和腐蚀作用的粘结层(MCrAlY)，和由(7-9wt.％)氧化钇稳定的、隔热能力强的氧化锆(Yttria Stabilized Zirconia，简称YSZ)陶瓷作为隔热顶层，当YSZ陶瓷层遇到CMAS时，在高温下相互作用，熔融的CMAS会穿透YSZ，进入到YSZ内部(当等离子喷涂的YSZ时，CMAS进入的是空隙的内部，当为电子束物理气相沉积时，CMAS进入柱状晶之间的间隙)，当发动机熄火时，叶片温度骤降，CMAS会在间隙之间凝固，由于热膨胀系数不同等原因，导致TBCs失去了应变容限，能量释放率也会发生变化，会造成涂层产生横向裂纹，从而使涂层剥落。导致涂层发生与目前的热障涂层完全不同的失效形式，因此，发明新型的抗高温CMAS侵蚀的热障涂层，对于解决发动机所面临的现实问题，以及对于下一代航空发动机的发展具有重要的意义。
发明内容
本发明针对上述热障涂层的缺点，提供了一种在高温条件下抗CMAS侵蚀的热障涂层及其制备工艺。
本发明提供的热障涂层为双层结构，包括由Ni-CO-Cr-Al-Y构成的粘结层，厚度为60-90μm，以及由Li2O-YSZ系构成的陶瓷顶层，厚度为80-100μm；其中，由Li2O-YSZ系构成的陶瓷顶层的具体成分为2-8wt.％的Li2O和92-98wt.％的YSZ。
本发明提供的在高温条件下抗CMAS侵蚀的热障涂层的制备工艺，包括以下步骤：
(11)将Li2CO3掺杂到YSZ中，搅拌均匀后，在1350℃和60MPa热等静压条件下，保持4个小时，形成电子束物理气相沉积所需的料棒，在加热的条件下，Li2CO3分解成Li2O，且使得Li2O和YSZ的重量百分比分别为2-8wt.％和92-98wt.％
(12)采用电子束物理气相沉积方法，在物件表面沉积由Ni-CO-Cr-Al-Y构成的粘结层，厚度为60-90μm；将步骤(11)中制得的料棒放入电子束物理气相沉积真空室中，将真空室的真空度控制在3×10-2Pa以内，以0.4-0.6μm/min.的速率，在沉积了Ni-CO-Cr-Al-Y粘结层的物件表面进行沉积；由于粘结层和陶瓷顶层之间的结合强度很低，为了增加结合强度，沉积时基板温度控制在800-900℃，涂层厚度为80-100μm；冷却后进行热处理，其处理工艺为：升温速率为3℃/min.，1050℃下保温2小时，随炉冷却之后，即可制成所需要的新型高温抗CMAS侵蚀的热障涂层；
或者采用如下步骤：
(21)将Li2CO3掺杂到粒度为60-260目的YSZ粉体中，经过搅拌均匀后，形成等离子喷涂所需的陶瓷顶层粉体，且使得Li2CO3加热分解后得到的Li2O和YSZ的重量百分比分别为2-8wt.％和92-98wt.％；
(22)采用等离子喷涂方法，利用Ni-Co-Cr-Al-Y粉在物件表面制备粘结层，在制备好粘结层的物件上，制备陶瓷顶层；对步骤(21)中制得的陶瓷顶层粉体直接采用等离子喷涂，制备成厚度为80-100μm的新型高温抗CMAS侵蚀的热障涂层，其具体的工艺参数为：电压为50-60V，电流为500-600A，氩气流量为50-60L/min，氢气流量为15-25L/min，转台转速为5-15转/min，喷枪转速为35-45转/min，腔内压力为70乇，送粉速度为20-40g/min。
本发明的优点为：利用电子束物理气相沉积技术或等离子喷涂技术制备Li2O-YSZ系构成的陶瓷顶层，由于在高温条件下Li2CO3分解为Li2O，在ZrO2成核剂的作用下，使得陶瓷顶层中的Li2O与风沙中的Al2O3、MgO和SiO2等形成Li2O-Al2O3-SiO2或Li2O-MgO-Al2O3-SiO2玻璃陶瓷结构的物质，此类玻璃陶瓷物质具有热膨胀系数低或为负的特点，使得所在高温下形成的玻璃结构物质进入到具有空隙结构的陶瓷顶层中，在冷却凝固中，由于其具有低或负热膨胀系数的特点，不会使得陶瓷顶层开裂，从而有效地缓解CMAS与YSZ热膨胀系数不同，而产生的涂层失效现象。同时利用不同的工艺调整涂层，以达到工业用要求。该涂层具有良好的效果抗高温CMAS侵蚀的优点。
具体实施方式
本发明提供了一种在高温条件下抗CMAS侵蚀的热障涂层及其制备工艺，下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明：
本发明提供的热障涂层为双层结构，包括由Ni-CO-Cr-Al-Y(MCrAlY)构成的粘结层，以及由Li2O-YSZ系构成的陶瓷顶层；其中，由Li2O-YSZ系构成的陶瓷顶层的具体成分为2-8wt.％的Li2O和92-98wt.％的YSZ。
由于在一定条件下，新型陶瓷顶层中的Li2O与风沙中的Al2O3、MgO和SiO2等会形成Li2O-Al2O3-SiO2或Li2O-MgO-Al2O3-SiO2玻璃陶瓷结构的物质，此类玻璃陶瓷物质具有热膨胀系数低或为负的特点，另外。由于在形成过程中ZrO2作为成核剂，使得Li2O-Al2O3-SiO2或Li2O-MgO-Al2O3-SiO2的形成更容易，更能发挥此类玻璃态结构物质的特点，如Li2O-Al2O3-SiO2具有很低的热膨胀系数因而有很高的抗热震性能，容易出现晶态β-锂辉石(Li2O·Al2O3·4SiO2)或晶态β-锂霞石(Li2O·Al2O3·2SiO2)，β-锂辉石(Li2O·Al2O3·4SiO2)具有很低的膨胀系数，β-锂霞石(Li2O·Al2O3·2SiO2)的膨胀系数是较大的负值，Li2O-MgO-Al2O3-SiO2的特点在于其具有可变的、在某些情况下是低的或负的热膨胀系数，所形成的晶相是填隙型β-石英固溶体。
其工艺过程为：为了保证所制备的Li2O-YSZ系构成的陶瓷顶层的稳定性，采用Li2CO3掺杂到YSZ中，经过搅拌均匀后，一定温度下的热等静压，形成电子束物理气相沉积所需的料棒，或将Li2CO3掺杂到一定粒度的YSZ粉体中，经过搅拌均匀后，形成等离子喷涂所需的陶瓷顶层粉体，同时采用电子束物理气相沉积或等离子喷涂制备Li2O-YSZ系构成的陶瓷顶层。
实施例1：
将Li2CO3掺杂到YSZ中，搅拌均匀后，在1350℃和60MPa热等静压条件下，保持4个小时，形成电子束物理气相沉积所需的料棒，在加热的条件下，Li2CO3分解成Li2O，且使得Li2O和YSZ的重量百分比分别为4wt.％和96wt.％。
采用电子束物理气相沉积方法，在物件表面沉积由Ni-CO-Cr-Al-Y构成的粘结层，厚度为60μm；将制得的成分为4wt.％Li2CO3+96wt.％YSZ的陶瓷棒，放入电子束物理气相沉积真空室中，将真空室的真空度控制在2×10-2Pa，以0.5μm/min.的速率在粘结层上进行沉积，为了获得更好的结合强度和涂层组织形貌，沉积时基板温度控制在850℃左右，涂层厚度控制在90μm左右，将所制备好的试样冷却下来之后，放入炉中进行热处理，其处理工艺为：升温速率为3℃/min.，1050℃下保温2小时，随炉冷却之后，即可制成所需要的新型高温抗CMAS侵蚀的热障涂层。
实施例2：
将Li2CO3掺杂到YSZ中，搅拌均匀后，在1350℃和60MPa热等静压条件下，保持4个小时，形成电子束物理气相沉积所需的料棒，在加热的条件下，Li2CO3分解成Li2O，且使得Li2O和YSZ的重量百分比分别为3wt.％和97wt.％。
采用电子束物理气相沉积方法，在物件表面沉积由Ni-CO-Cr-Al-Y构成的粘结层，厚度为80μm；将成分为3wt.％Li2CO3+97wt.％YSZ的陶瓷棒，放入电子束物理气相沉积真空室中，将真空室的真空度控制在2×10-2Pa，以0.5μm/min.的速率在粘结层上进行沉积，为了获得更好的结合强度和涂层组织形貌，沉积时基板温度控制在850℃左右，涂层厚度控制在80μm左右，将所制备好的试样冷却下来之后，放入炉中进行热处理，其处理工艺为：升温速率为3℃/min.，1050℃下保温2小时，随炉冷却之后，即可制成所需要的新型高温抗CMAS侵蚀的热障涂层。
实施例3：
将Li2CO3掺杂到粒度为60-260目的YSZ粉体中，经过搅拌均匀后，形成等离子喷涂所需的陶瓷顶层粉体，且使得Li2CO3加热分解后得到的Li2O和YSZ的重量百分比分别为5wt.％和95wt.％；
采用等离子喷涂方法，利用Ni-Co-Cr-Al-Y粉在物件表面制备粘结层，在制备好粘结层的物件上，制备陶瓷顶层；将所得的Li2CO3+YSZ粉体，采用等离子喷涂制备成厚度为100μm的新型高温抗CMAS侵蚀的热障涂层，Li2CO3在加热条件下分解为Li2O，其具体的工艺如表1所示：
表1低压等离子喷涂制备Li2O-YSZ系构成的陶瓷顶层的工艺参数
  电压(v)   电流(A)   氩气流量(L/min)   氢气流量(L/min)
  50～60   500～600   50-60   15-25
  转台转速(转/min   喷枪转速(转/min)   腔内压力(乇)   送粉速度(g/min)
  5-15   35-45   70   20-40

Claims (1)

1.一种在高温条件下抗CMAS侵蚀的热障涂层的制备工艺，该热障涂层为双层结构，包括由Ni-CO-Cr-Al-Y构成的粘结层，厚度为60-90μm，以及由Li2O-YSZ系构成的陶瓷顶层，厚度为80-100μm；其中，由Li2O-YSZ系构成的陶瓷顶层的具体成分为2-8wt.%的Li2O和92-98wt.%的YSZ，其特征在于，该热障涂层的制备包括以下步骤：
（11）将Li2CO3掺杂到YSZ中，搅拌均匀后，在1350℃和60MPa热等静压条件下，保持4个小时，形成电子束物理气相沉积所需的料棒，在加热的条件下，Li2CO3分解成Li2O，且使得Li2O和YSZ的重量百分比分别为2-8wt.%和92-98wt.%；
（12）采用电子束物理气相沉积方法，在物件表面沉积由Ni-CO-Cr-Al-Y构成的粘结层，厚度为60-90μm；将步骤（11）中制得的料棒放入电子束物理气相沉积真空室中，将真空室的真空度控制在3×10-2Pa以内，以0.4-0.6μm/min.的速率，在沉积了Ni-CO-Cr-Al-Y粘结层的物件表面进行沉积；由于粘结层和陶瓷顶层之间的结合强度很低，为了增加结合强度，沉积时基板温度控制在800-900℃，涂层厚度为80-100μm；冷却后进行热处理，其处理工艺为：升温速率为3℃/min.，1050℃下保温2小时，随炉冷却之后，即可制成所需要热障涂层；
或者采用如下步骤：
（21）将Li2CO3掺杂到粒度为60-260目的YSZ粉体中，经过搅拌均匀后，形成等离子喷涂所需的陶瓷顶层粉体，且使得Li2CO3加热分解后得到的Li2O和YSZ的重量百分比分别为2-8wt.%和92-98wt.%；
（22）采用等离子喷涂方法，利用Ni-Co-Cr-Al-Y粉在物件表面制备粘结层，在制备好粘结层的物件上，制备陶瓷顶层；对步骤（21）中制得的陶瓷顶层粉体直接采用等离子喷涂，制备成厚度为80-100μm的新型高温抗CMAS侵蚀的热障涂层，其具体的工艺参数为：电压为50-60V，电流为500-600A，氩气流量为50-60L/min，氢气流量为15-25L/min，转台转速为5-15转/min，喷枪转速为35-45转/min，腔内压力为70乇，送粉速度为20-40g/min。
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