CN103556098A - 一种抗火山灰侵蚀的多层热障涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抗火山灰侵蚀的多层热障涂层，包括：依次形成于高温合金基材上的高温抗氧化粘结层、陶瓷底层、陶瓷过渡层和抗火山灰侵蚀陶瓷面层，所述陶瓷底层由氧化钇部分稳定的氧化锆组成，所述陶瓷过渡层由氧化钇稳定的氧化锆组成，所述陶瓷过渡层中氧化钇的百分含量高于所述陶瓷底层中的氧化钇的百分含量，所述抗火山灰侵蚀陶瓷面层由氧化钇组成。多层热障涂层与火山灰高温反应后，火山灰与抗火山灰侵蚀陶瓷面层发生化学反应，消耗火山灰中的活性成分或者在抗火山灰侵蚀陶瓷面层中形成渗透扩散阻碍层，阻止火山灰侵蚀陶瓷底层，可以有效地控制陶瓷底层不被火山灰高温侵蚀，大幅度提高热障涂层的抗侵蚀性能，提高热障涂层的服役寿命。

Description

一种抗火山灰侵蚀的多层热障涂层
技术领域
本发明涉及一种抗火山灰侵蚀多层热障涂层，属无机材料热防护技术领域。
背景技术
20世纪40年代以来，航空发动机涡轮叶片材料从锻造合金到铸造合金，再从定向凝固合金发展到单晶合金，其使用温度已接近金属的耐热极限。热障涂层是由高温抗氧化合金粘结层和陶瓷表面层组成的涂层系统，陶瓷层借助于合金粘结层与金属基底联接，粘结层还可对基底起到抗高温氧化的作用。陶瓷层是具备耐高温、低导热等特性的热障涂层，不仅阻止外部环境热量向金属基底传递以提高发动机的推力和热效率，减少燃油消耗，而且可以延长热端部件的使用寿命。
目前采用的热障涂层结构基本上为陶瓷层与粘结层所构成的多层结构。ZrO2基陶瓷是目前应用最为广泛的热障涂层材料，其中，CaO、MgO、CeO2、Sc2O3或Y2O3部分稳定的ZrO2是较适合的热障涂层材料。ZrO2具有高熔点、良好的高温化学稳定性、较低的热导率、较高的热膨胀系数及优良的抗热震性能。目前所有的热障涂层材料中，综合性能最优、应用最为广泛的是7-8wt.%的氧化钇（Y2O3）部分稳定的氧化锆（ZrO2），缩写为YSZ。
在热障涂层高温服役环境中，大气中飘泊的火山灰等沙粒、粉尘沉积到高温热障涂层的表面，形成玻璃相火山灰沉积物,火山灰渗入热障涂层的陶瓷层内部，降低涂层应变容限，加速YSZ涂层相变失稳和烧结，同时冷却凝固后在涂层中会产生较大的应力，从而导致陶瓷涂层过早的剥离失效。随着热障涂层的服役温度越来越高，环境中的火山灰熔融沉积在热障陶瓷层表面并导致涂层过早的剥离失效已经引起了广泛的关注。
因此设计新型的热障涂层组成结构，有效地控制氧化钇（Y2O3）部分稳定的氧化锆（ZrO2）中的氧化钇（Y2O3）不被火山灰高温侵蚀，提高热障涂层的抗火山灰侵蚀性能，对提高热障涂层的服役寿命是至关重要的。研究表明氧化钇（Y2O3）涂层对火山灰具有较强的抗侵蚀能力，且相对其它材料具有较好的抗热震性能，因此，可以在热障涂层最外表面制备氧化钇（Y2O3）涂层来改善航空发动机热障涂层抵御火山灰侵蚀的能力。
发明内容
面对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种抗火山灰侵蚀的多层热障涂层，以有效地控制氧化钇（Y2O3）部分稳定氧化锆（ZrO2）中的氧化钇（Y2O3）不被火山灰高温侵蚀，提高热障涂层的抗火山灰侵蚀性能。
在此，本发明提供一种抗火山灰侵蚀的多层热障涂层，所述多层热障涂层包括：依次形成于高温合金基材上的高温抗氧化粘结层、陶瓷底层、陶瓷过渡层和抗火山灰侵蚀陶瓷面层，所述陶瓷底层由氧化钇部分稳定的氧化锆组成，所述陶瓷过渡层由氧化钇稳定的氧化锆组成，所述陶瓷过渡层中的氧化钇的百分含量高于所述陶瓷底层中的氧化钇的百分含量，所述抗火山灰侵蚀陶瓷面层由氧化钇组成。
本发明利用氧化钇（Y2O3）涂层良好的抗火山灰侵蚀性能和常规氧化钇（Y2O3）部分稳定的氧化锆（ZrO2）涂层具有的良好的热障性能，在常规氧化钇（Y2O3）部分稳定的氧化锆（ZrO2）表面形成具有一定厚度的抗火山灰侵蚀陶瓷面层，两者之间通过高Y含量的氧化钇（Y2O3）稳定的氧化锆（ZrO2）过渡，本发明的抗火山灰侵蚀的多层热障涂层与火山灰高温反应后，火山灰与抗火山灰侵蚀陶瓷面层发生化学反应，消耗火山灰中的活性成分或者是在抗火山灰侵蚀陶瓷面层中形成渗透扩散阻碍层，阻止火山灰侵蚀常规氧化钇（Y2O3）部分稳定的氧化锆（ZrO2）陶瓷层，从而可以有效地控制作为陶瓷底层的常规氧化钇（Y2O3）稳定的氧化锆（ZrO2）中的氧化钇（Y2O3）不被火山灰高温侵蚀，大幅度地提高热障涂层的抗侵蚀性能，提高热障涂层的服役寿命。
较佳地，所述陶瓷底层中的氧化钇的含量为7～8wt.%。
较佳地，所述陶瓷底层的厚度为200～600μm。
较佳地，所述陶瓷过渡层中的氧化钇的含量为15～30wt.%。
较佳地，所述陶瓷过渡层的厚度为50～200μm，优选为50～100μm。
较佳地，所述抗火山灰侵蚀陶瓷面层的厚度为50～200μm，优选为50～100μm。
较佳地，所述高温抗氧化粘结层、陶瓷底层、陶瓷过渡层和/或抗火山灰侵蚀陶瓷面层由等离子体喷涂工艺制备。
较佳地，所述高温合金基材为镍基和/或钴基合金。
较佳地，所述高温抗氧化粘结层为镍钴铬铝钇合金。
本发明的抗火山灰侵蚀的多层热障涂层可以有效地控制传统氧化钇（Y2O3）部分稳定的氧化锆（ZrO2）不被火山灰高温侵蚀，从而大幅度地提高热障涂层的抗侵蚀性能，提高热障涂层的服役寿命与可靠性。
附图说明
图1是本发明的抗火山灰侵蚀的多层热障涂层的结构示意图；
图2是常规热障涂层经1200℃受火山灰侵蚀48h后的涂层截面扫描电镜照片；
图3是本发明的抗火山灰侵蚀的多层热障涂层经1200℃火山灰侵蚀48h后的涂层截面扫描电镜照片；
附图标记：
3抗火山灰侵蚀陶瓷面层；
4陶瓷过渡层；
5陶瓷底层；
6高温抗氧化粘结层；
7高温合金基材。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，阐明本发明的抗火山灰侵蚀的多层热障涂层的其他细节及其所附有的其他目的和优点。应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
通常，航空发动机中的热障涂层服役于高温环境，因火山喷发而漂浮于大气中的火山灰会吸入发动机并沉积到热障涂层的表面，形成玻璃相火山灰沉积物（CaO-MgO-Al2O3-SiO2），高温条件下火山灰熔融渗入热障涂层的陶瓷层内部，降低涂层应变容限，加速YSZ涂层相变失稳和烧结，同时冷却凝固后在涂层中会产生较大的应力，从而导致陶瓷涂层过早地剥离失效。
本发明的目的是公开一种抗火山灰侵蚀的多层热障涂层，具体地说，是指一种采用等离子体喷涂工艺在常规氧化钇（Y2O3）部分稳定的氧化锆（ZrO2）陶瓷底层外表面制备一层高Y含量的氧化钇（Y2O3）稳定的氧化锆（ZrO2）作为陶瓷过渡层，在陶瓷过渡层外表面制备一层抗火山灰侵蚀的氧化钇（Y2O3）涂层。抗火山灰侵蚀多层热障涂层包括依次形成于高温合金基材上的高温抗氧化粘结层、传统氧化钇（Y2O3）部分稳定的氧化锆（ZrO2）陶瓷底层、高Y含量的氧化钇（Y2O3）稳定的氧化锆（ZrO2）陶瓷过渡层和抗火山灰侵蚀陶瓷面层，是一种可以提高热障涂层的抗火山灰侵蚀性能的新型热障涂层。抗火山灰侵蚀的多层热障涂层可以有效地控制传统氧化钇（Y2O3）部分稳定的氧化锆（ZrO2）的陶瓷层不被火山灰高温侵蚀，从而大幅度地提高热障涂层的抗侵蚀性能，提高热障涂层的服役寿命与可靠性。
本发明的设计思想为：利用氧化钇（Y2O3）涂层良好的抗火山灰侵蚀性能和常规氧化钇（Y2O3）部分稳定的氧化锆（ZrO2）涂层具有的良好的热障性能，在常规氧化钇（Y2O3）部分稳定的氧化锆（ZrO2）表面采用等离子体喷涂的工艺制备具有一定厚度的抗火山灰侵蚀陶瓷面层，两者之间通过高Y含量的氧化钇（Y2O3）稳定的氧化锆（ZrO2）过渡，从而提高热障涂层的抗侵蚀能力。其目的是有效地控制作为陶瓷底层的常规氧化钇（Y2O3）稳定的氧化锆（ZrO2）中的氧化钇（Y2O3）不被火山灰高温侵蚀，从而提高热障涂层的服役寿命。
参照图1，本发明的抗火山灰侵蚀的多层热障涂层包括依次形成于高温合金基材7上的高温抗氧化粘结层6、陶瓷底层5、陶瓷过渡层4和抗火山灰侵蚀陶瓷面层3。
其中，高温合金基材7例如可以是镍基合金和/或钴基合金。但应理解，不限于此，只要是在其表面可以形成热障涂层的高温合金基材均包含于本发明中。
高温抗氧化粘结层6可以是镍钴铬铝钇合金，其主要成分和百分配比可以为：20-25wt%的钴、8-22wt%的铬、7-10wt%的铝、0.2-0.8wt%的钇及余量的镍。此外，高温抗氧化粘结层6的厚度可以为100-200μm。为了形成涂层系统，可以利用等离子体喷涂的工艺将高温抗氧化粘结层6沉积在高温合金基材7上。
陶瓷底层5由氧化钇部分稳定的氧化锆组成。其中氧化钇的含量可为7～8wt.%，氧化钇的纯度可为99.99%以上。陶瓷底层5的厚度可为200～600μm。可以利用等离子体喷涂的工艺将陶瓷底层5沉积在高温抗氧化粘结层6上。
陶瓷过渡层4由高Y含量的氧化钇（Y2O3）稳定的氧化锆（ZrO2）组成。其中氧化钇的含量高于陶瓷底层5中的氧化钇的含量，例如可以为15～30wt.%，氧化钇的纯度可为99.99%以上。此外，陶瓷过渡层4的厚度可为50～200μm，优选为50～100μm。可以利用等离子体喷涂的工艺将陶瓷过渡层4沉积在陶瓷底层5上。
抗火山灰侵蚀陶瓷面层3由氧化钇组成，氧化钇的纯度可为99.99%以上。其厚度可为50～200μm，优选为50～100μm。可以利用等离子体喷涂的工艺将陶瓷过渡层4沉积在陶瓷底层5上。
在本实施形态中，等离子体喷涂的工艺可以参见现有技术，例如中国专利CN102503419B、中国专利CN102719782A。又，以上例示利用等离子体喷涂的工艺形成高温抗氧化粘结层6、陶瓷底层5、陶瓷过渡层4和抗火山灰侵蚀陶瓷面层3，但应理解，不限于此，还可以利用其他工艺例如电子束物理气相沉积等工艺形成各层。
本发明的抗火山灰侵蚀的多层热障涂层与火山灰高温反应后，火山灰与抗火山灰侵蚀陶瓷面层发生化学反应，消耗火山灰中的活性成分或者是在抗火山灰侵蚀陶瓷面层表面形成渗透扩散障碍层，阻止火山灰侵蚀常规氧化钇（Y2O3）部分稳定的氧化锆（ZrO2）陶瓷层。从而大幅度地提高热障涂层的抗侵蚀性能，提高热障涂层的服役寿命与可靠性。
在本实施形态中，为了测试抗火山灰侵蚀的多层热障涂层的耐侵蚀性，将常规热障涂层与本发明的抗火山灰侵蚀的多层热障涂层进行对照实验。常规热障涂层为仅包括依次形成于高温合金基材上的高温抗氧化粘结层和常规氧化钇（Y2O3）部分稳定的氧化锆（ZrO2）陶瓷层的涂层，为了增加对比的可靠性，可以采用与本实施形态相同的方法制备常规热障涂层，即利用等离子体喷涂的工艺在高温合金基材上依次沉积高温抗氧化粘结层和常规氧化钇（Y2O3）部分稳定的氧化锆（ZrO2）陶瓷层。
将一定粘稠度的火山灰涂覆在上述多层热障涂层和常规热障涂层表面上，阴凉干燥后置于1200℃大气中恒温热处理48h。涂层试样的截面扫描电镜照片显示，在同样的实验条件下，火山灰在本发明抗火山灰侵蚀的多层热障涂层中的渗透深度远小于在普通热障涂层中的渗透深度，涂层内部显微结构相对普通热障涂层更完好。在一个示例中，首先，通过化学或机械方法，将两种涂层基材剥掉。然后，在常规热障涂层与本发明的抗火山灰侵蚀的多层热障涂层表面涂覆等量的火山灰粉，将无基材涂层置于箱式炉中，以6°/min的升温速率加热，在1200℃大气中保温48h后随炉冷却。对试样进行镶嵌切割磨抛光，利用扫描电镜对试样截面进行观察，结果见图2和图3。其中图2示出常规热障涂层经1200℃受火山灰侵蚀48h后的涂层截面扫描电镜照片，图3示出本发明的抗火山灰侵蚀的多层热障涂层经1200℃火山灰侵蚀48h后的涂层截面扫描电镜照片，由图2和图3对比显示，相同的实验条件下，火山灰在本发明制备的抗火山灰侵蚀多层热障涂层中渗透深度较小，涂层表面下方的涂层结构较常规热障涂层好，火山灰在普通多层热障涂层中渗透较深，可看到明显的火山灰渗入痕迹和裂纹，说明本发明制备的多层抗火山灰侵蚀的热障涂层具有较好的抗火山灰侵蚀性能。
产业应用性：本发明的抗火山灰侵蚀的多层热障涂层是一种可以提高热障涂层抗火山灰侵蚀性能从而提高其服役寿命的新型热障涂层，可应用作航空发动机热端部件的热障涂层。

Claims (9)

1.一种抗火山灰侵蚀的多层热障涂层，其特征在于，包括：依次形成于高温合金基材上的高温抗氧化粘结层、陶瓷底层、陶瓷过渡层和抗火山灰侵蚀陶瓷面层，所述陶瓷底层由氧化钇部分稳定的氧化锆组成，所述陶瓷过渡层由氧化钇稳定的氧化锆组成，所述陶瓷过渡层中氧化钇的百分含量高于所述陶瓷底层中的氧化钇的百分含量，所述抗火山灰侵蚀陶瓷面层由氧化钇组成。
2.根据权利要求1所述的多层热障涂层，其特征在于，所述陶瓷底层中的氧化钇的含量为7～8wt.%。
3.根据权利要求1或2所述的多层热障涂层，其特征在于，所述陶瓷底层的厚度为200～600μm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的多层热障涂层，其特征在于，所述陶瓷过渡层中的氧化钇的含量为15～30wt.%。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的多层热障涂层，其特征在于，所述陶瓷过渡层的厚度为50～200μm。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的多层热障涂层，其特征在于，所述抗火山灰侵蚀陶瓷面层的厚度为50～200μm。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的多层热障涂层，其特征在于，所述高温抗氧化粘结层、陶瓷底层、陶瓷过渡层和/或抗火山灰侵蚀陶瓷面层由等离子体喷涂工艺制备。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的多层热障涂层，其特征在于，所述高温合金基材为镍基和/或钴基合金。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的多层热障涂层，其特征在于，所述高温抗氧化粘结层为镍钴铬铝钇合金。
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