CN102925871A - 一种复合热障涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合热障涂层及其制备方法，1）采用薄膜制备工艺，在陶瓷层表面上沉积一层1-10μm的R₂O₃薄膜，R为Nd，Sm，Eu，Gd或Tb中的一种或两种以上组合；2）将镀膜后的热障涂层陶瓷层置于电阻炉中，在空气条件于1000-1400℃对YSZ陶瓷层以及表面的R₂O₃薄膜进行扩散烧结，使得在陶瓷层表面区域形成R₂Zr₂O₇稀土锆酸盐陶瓷层。本发明在热障涂层YSZ陶瓷层上方复合一个1-10μm的R₂Zr₂O₇稀土锆酸盐陶瓷层，降低了陶瓷层整体的电导率和透氧率，提高了热障涂层热稳定性。YSZ陶瓷层从最顶层逐渐过渡成为稀土锆酸盐陶瓷层，使得陶瓷层的抗氧化性和热稳定性提升，使用寿命增长。

Description

一种复合热障涂层及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及热障涂层领域，特别涉及一种用于燃气涡轮发动机高温部件的热障涂层陶瓷层的制备方法，改善其抗氧化性能并提高陶瓷层的高温下稳定性。

【背景技术】

航天、航空、航海、燃气发电、化工和冶金等众多领域的飞速发展促进了热障涂层的研究开发与应用。为了提高涡扇发动机以及燃气轮机的效率，提高推力/质量比和使用寿命，许多密度低、室温韧性好、高温强度高的先进材料将被大量使用，各种功能涂层将得到广泛应用，其中热障涂层对提高发动机工作温度起着非常重要的作用。

所谓热障涂层是指由金属粘结层和陶瓷表面涂层组成的涂层系统。陶瓷层借助这一中间合金粘结层而与金属基体连结，从而降低了界面应力，避免陶瓷层的过早剥落。应用最广的热障涂层制备工艺是等离子喷涂和电子束物理气相沉积。

热障涂层中的陶瓷层通常选用的材料是Y₂O₃部分稳定的ZrO₂陶瓷（YSZ），因为它具有一定的孔隙率，导致较低的热导率，同时又和基体镍基高温合金以及氧化铝有相近的热膨胀系数。此外，一定孔隙的存在使得陶瓷层有较好的抗冲击能力；高熔点使得陶瓷层可以直接在高温条件下使用。但是由于陶瓷层中存在的孔隙与通道，加之高温下的YSZ属于快离子导体，通常的YSZ不会阻止氧的通过。并且YSZ在高温下长时间的循环使用，会发生烧结，晶粒长大，气孔收缩，使得陶瓷层的热导率增大，减少了热障涂层的使用寿命。

近年来有报道称烧绿石结构的稀土锆酸盐是很有前途的TBC材料，其中La₂Zr₂O₇与Gd₂Zr₂O₇在熔点（2300°C）以下相是稳定的以下相是稳定的，而且比YSZ热导率更低，但是它们的热胀系数相对较低、涂层韧性较差，目前这种涂层的热循环寿命还不如YSZ涂层。若TBCs的陶瓷层中能综合这两种涂层的优点，势必可以提高涂层的使用寿命。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种复制热障涂层及其制备方法，在传统的YSZ表面复合一层稀土锆酸盐陶瓷层，可以用于高温燃气轮机，涡轮喷气发动机等高温热机，改善其抗氧化性能并提高陶瓷层的高温下稳定性。

为达到以上目的，本发明复制热障涂层制备方法包括以下各步骤：

1） 采用薄膜制备工艺，在陶瓷层表面上沉积一层R₂O₃薄膜，R为Nd，Sm，Eu，Gd或Tb中的一种或两种以上组合；

2） 将镀膜后的热障涂层陶瓷层置于电阻炉中，在空气条件下进行扩散烧结，使得在陶瓷层表面区域形成R₂Zr₂O₇稀土锆酸盐陶瓷层。

上述方法中，所述的薄膜制备工艺包括等离子喷涂或磁控溅射。

所述步骤1）薄膜的沉积厚度是1-10μm。

所述步骤2）扩散烧结时间2-10小时，温度为1000-1400°C。

所述等离子喷涂工艺条件为，电压74V，电流650A，R₂O₃送粉率60g·min^-1，氩气流速2550L·h^-1，氢气流速425L·h^-1，喷涂距离80-150mm。

所述磁控溅射工艺条件为，纯度99.99%以上的R₂O₃靶，靶材与工件表面的距离50mm，直流电源，功率25W，工作气体Ar气，压力0.16-0.3Pa，流速21-28sccm。

一种复合热障涂层，包括陶瓷层和粘结层，所述陶瓷层为质量分数为6-8%Y₂O₃的ZrO₂陶瓷，该陶瓷表面涂覆有R₂O₃薄膜，R为Nd，Sm，Eu，Gd或Tb中的一种或两种以上组合，所述粘结层为MCrAlY合金体系，其中M表示Ni，Co，Fe或者它们的混合。

所述粘结层中Al质量分数在8-12%。

所述粘结层中，当M为Ni时，Ni，Cr，Al和Y的质量分数分别是69%，20%，10%和1%。

所述粘结层中，当M为Ni和Co混合物时，Ni，Co，Cr，Al和Y的质量分数分别是31%，31%，25%，12%和1%。

本发明提供的用于燃气涡轮发动机高温部件的热障涂层陶瓷层的制备方法，是通过扩散烧结预先在YSZ陶瓷层表面镀上的R₂O₃薄膜，然后将陶瓷置于空气中扩散烧结而实现的。在高温下，YSZ可以继续保持其导热率和优良的力学性能，而稀土锆酸盐陶瓷层也可以发挥其想稳定性好，电导率低的优点，可以改善热障涂层的性能，延长其使用寿命。此外，本发明工艺简单，适合工业化生产。

【附图说明】

图1是根据本发明复制热障涂层制备方法制备的热障涂层分层示意图。

【具体实施方式】

以下结合具体实施例对本发明做进一步的详细描述。

所有的实施例都包含以下热障涂层的表面清理步骤：

1） 将热障涂层表面用3KW真空除尘器去除表面的尘埃和杂质。

2） 将热障涂层放入干燥箱中，在80°C条件下干燥1小时，去除表面水汽和油脂。

用于沉积R₂O₃的热障涂层，陶瓷层为6-8wt.%Y₂O₃部分稳定的ZrO₂陶瓷（YSZ），厚度为200-400μm。粘结层为MCrAlY合金体系，M表示Ni，Co，Fe或者它们的混合；Al含量在8-12%。粘结层厚度为80-150μm。

实施例1：

工件热障涂层中，陶瓷层为8wt.%Y₂O₃部分稳定的ZrO₂陶瓷（8YSZ），厚度为250μm。粘结层为NiCrAlY涂层，其中Ni，Cr，Al和Y的质量分数分别是69%，20%，10%和1%，厚度是125μm。经表面处理后，这种新型的复制热障涂层制备方法按照以下步骤实现：

a利用空气等离子喷涂的方法在热障涂层表面沉积一层2μm的La₂O₃膜。喷涂参数：电压74V，电流650A，La₂O₃送粉率60g·min^-1，氩气流速2550L·h^-1，氢气流速425L·h^-1，喷涂距离100mm；

b将镀La₂O₃的热障涂层工件置于电阻炉中，在空气中于1400°C扩散烧结，时间2小时。炉冷，在YSZ陶瓷层表面区域形成La₂Zr₂O₇稀土锆酸盐陶瓷层。

实施例2：

工件热障涂层中，陶瓷层为8wt.%Y₂O₃部分稳定的ZrO₂陶瓷（8YSZ），厚度为250μm。粘结层为NiCrAlY涂层，其中Ni，Cr，Al和Y的质量分数分别是69%，20%，10%和1%，厚度是125μm。经表面处理后，这种新型的复制热障涂层制备方法按照以下步骤实现：

a利用空气等离子喷涂的方法在热障涂层表面沉积一层10μm的Nd₂O₃膜。喷涂参数：电压74V，电流650A，Nd₂O₃送粉率60g·min^-1，氩气流速2550L·h^-1，氢气流速425L·h^-1，喷涂距离120mm；

b将镀Nd₂O₃的热障涂层工件置于电阻炉中，在空气中于1400°C扩散烧结，时间10小时。炉冷，在YSZ陶瓷层表面区域形成Nd₂Zr₂O₇稀土锆酸盐陶瓷层。

实施例3：

工件热障涂层中，陶瓷层为7wt.%Y₂O₃部分稳定的ZrO₂陶瓷（7YSZ），厚度为300μm。粘结层为NiCoCrAlY涂层，其中Ni，Co，Cr，Al和Y的质量分数分别是31%，31%，25%，12%和1%，厚度是80μm。经表面处理后，这种新型的复制热障涂层制备方法按照以下步骤实现：

a利用空气等离子喷涂的方法在热障涂层表面沉积一层3μm的Sm₂O₃膜。喷涂参数：电压74V，电流650A，Sm₂O₃送粉率60g·min^-1，氩气流速2550L·h^-1，氢气流速425L·h^-1，喷涂距离80mm；

b将镀Sm₂O₃的热障涂层工件置于电阻炉中，在空气中于1400°C扩散烧结，时间4小时。炉冷，在YSZ陶瓷层表面区域形成Sm₂Zr₂O₇稀土锆酸盐陶瓷层。

实施例4：

工件热障涂层中，陶瓷层为8wt.%Y₂O₃部分稳定的ZrO₂陶瓷（8YSZ），厚度为250μm。粘结层为NiCrAlY涂层，其中Ni，Cr，Al和Y的质量分数分别是69%，20%，10%和1%，厚度是125μm。经表面处理后，这种新型的复制热障涂层制备方法按照以下步骤实现：

a利用磁控溅射仪，在热障涂层表面沉积一层2μm的La₂O₃膜。溅射条件：纯度99.99%以上的La₂O₃靶，靶材与工件表面的距离50mm，直流电源，功率25W，工作气体Ar气，压力0.16Pa，流速25sccm，沉积时间20分钟；

b将镀La₂O₃的热障涂层工件置于电阻炉中，在空气中于1400°C扩散烧结，时间5小时。炉冷，在YSZ陶瓷层表面区域形成La₂Zr₂O₇稀土锆酸盐陶瓷层。

实施例5：

工件热障涂层中，陶瓷层为8wt.%Y₂O₃部分稳定的ZrO₂陶瓷（8YSZ），厚度为250μm。粘结层为NiCrAlY涂层，其中Ni，Cr，Al和Y的质量分数分别是69%，20%，10%和1%，厚度是125μm。经表面处理后，这种新型的复制热障涂层制备方法按照以下步骤实现：

a利用磁控溅射仪，在热障涂层表面沉积一层4μm的Gd₂O₃膜。溅射条件：纯度99.99%以上的Gd₂O₃靶，靶材与工件表面的距离50mm，直流电源，功率25W，工作气体Ar气，压力0.3Pa，流速22sccm，沉积时间50分钟；

b将镀Gd₂O₃的热障涂层工件置于电阻炉中，在空气中于1400°C扩散烧结，时间8小时。炉冷，在YSZ陶瓷层表面区域形成Gd₂Zr₂O₇稀土锆酸盐陶瓷层。

实施例6：

工件热障涂层中，陶瓷层为7wt.%Y₂O₃部分稳定的ZrO₂陶瓷（7YSZ），厚度为300μm。粘结层为NiCoCrAlY涂层，其中Ni，Co，Cr，Al和Y的质量分数分别是31%，31%，25%，12%和1%，厚度是80μm。经表面处理后，这种新型的复制热障涂层制备方法按照以下步骤实现：

a利用磁控溅射仪，在热障涂层表面沉积一层2μm的Eu₂O₃膜。溅射条件：纯度99.99%以上的Eu₂O₃靶，靶材与工件表面的距离50mm，直流电源，功率25W，工作气体Ar气，压力0.2Pa，流速28sccm，沉积时间20分钟；

b将镀Eu₂O₃的热障涂层工件置于电阻炉中，在空气中于1400°C扩散烧结，时间4小时。炉冷，在YSZ陶瓷层表面区域形成Eu₂Zr₂O₇稀土锆酸盐陶瓷层。

如图1所示，本发明制备的复合热障涂层由高温合金基体，粘结层，YSZ陶瓷层和顶部的稀土锆酸盐陶瓷层组成。由本发明制备方法可知，所述YSZ陶瓷层表面首先镀有R₂O₃薄膜，然后将陶瓷层放置于空气中进行扩散烧结，在此过程中，R₂O₃薄膜与陶瓷发生化学反应，使得陶瓷本身表面的R₂O₃薄膜转化为稀土锆酸盐陶瓷层，这样，原本剩余的陶瓷与其表面形成的稀土锆酸盐陶瓷层之间不存在界面，不易在此处断裂剥落；使得该热障涂层系统兼备YSZ和稀土锆酸盐两种陶瓷层的优点，热稳定性提升，使用寿命增长。

Claims (10)

1.一种复合热障涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a采用薄膜制备工艺，在陶瓷层表面上沉积一层R₂O₃薄膜，R为Nd，Sm，Eu，Gd或Tb中的一种或两种以上组合；

b将镀膜后的热障涂层陶瓷层置于电阻炉中，在空气条件下进行扩散烧结，使得在陶瓷层表面区域形成R₂Zr₂O₇稀土锆酸盐陶瓷层。

2.如权利要求1所述复合热障涂层的制备方法，其特征在于，所述薄膜制备工艺包括等离子喷涂或磁控溅射。

3.如权利要求1所述复合热障涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤a薄膜的沉积厚度是1-10μm。

4.如权利要求1所述复合热障涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤b扩散烧结时间2-10小时，温度为1000-1400°C。

5.如权利要求2所述新型复合热障涂层的制备方法，其特征在于，所述等离子喷涂工艺条件为，电压74V，电流650A，R₂O₃送粉率60g·min^-1，氩气流速2550L·h^-1，氢气流速425L·h^-1，喷涂距离80-150mm。

6.如权利要求2所述新型复合热障涂层的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射工艺条件为，纯度99.99%以上的R₂O₃靶，靶材与工件表面的距离50mm，直流电源，功率25W，工作气体Ar气，压力0.16-0.3Pa，流速21-28sccm。

7.一种复合热障涂层，其特征在于：包括陶瓷层和粘结层，所述陶瓷层为质量分数为6-8%Y₂O₃的ZrO₂陶瓷，该陶瓷表面涂覆有R₂O₃薄膜，R为Nd，Sm，Eu，Gd或Tb中的一种或两种以上组合，所述粘结层为MCrAlY合金体系，其中M表示Ni，Co，Fe或者它们的混合。

8.如权利要求7所述的复合热障涂层，其特征在于：所述粘结层中Al质量分数在8-12%。

9.如权利要求7所述的复合热障涂层，其特征在于：所述粘结层中，当M为Ni时，Ni，Cr，Al和Y的质量分数分别是69%，20%，10%和1%。

10.如权利要求7所述的复合热障涂层，其特征在于：所述粘结层中，当M为Ni和Co混合物时，Ni，Co，Cr，Al和Y的质量分数分别是31%，31%，25%，12%和1%。

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