CN104451519B - 一种多层热障涂层及其形成方法 - Google Patents

一种多层热障涂层及其形成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多层热障涂层，包括从下至上依次设置的基体、粘结层和陶瓷顶层，该陶瓷顶层由从下至上依次设置的分别具有不同微观结构的含垂直裂纹陶瓷底层，多孔隙中间陶瓷层和致密陶瓷顶层组成。本发明还提供一种多层热障涂层的形成方法，包括提供基体和粘结层；在所述粘结层的上表面通过等离子喷涂形成含垂直裂纹陶瓷底层；在所述含垂直裂纹陶瓷底层的上表面通过等离子喷涂形成多孔隙中间陶瓷层；在所述多孔隙中间陶瓷层的上表面通过等离子喷涂形成致密陶瓷顶层。本发明通过从下至上依次设置的含垂直裂纹陶瓷底层，多孔隙中间陶瓷层和致密陶瓷顶层形成含不同微观结构的多层热障涂层，使得热障涂层具有数倍于现有的热障涂层的热循环寿命。

Description

一种多层热障涂层及其形成方法
技术领域
本发明涉及热障涂层，更具体地涉及一种多层热障涂层及其形成方法。
背景技术
自20世纪初期，涡轮机一直朝着高流量比、高推重比、高进口温度的方向发展，燃烧室中的燃气温度和压力被不断提高。为了保护热端部件不被氧化和腐蚀，热障涂层作为一种有效的保护方法得到了广泛的研究和应用。Padture N.P在Science中指出，热障涂层在提高发动机、涡轮机、汽轮机热效率以及服役寿命的所有耐高温材料中具有无可替代的作用。在美国、欧洲以及我国的航空发动机推进计划中均把热障涂层技术列为与高温结构材料、高效叶片冷却技术并重的高性能航空发动机高压涡轮叶片技术的三大关键技术。
目前的热障涂层，如图1所示，主要包括从下至上依次设置的基体1、粘结层2和陶瓷顶层3，其中，该陶瓷顶层3为单层的多孔陶瓷层。在高温服役环境下，该热障涂层通过等离子喷涂形成，由于该单层的多孔陶瓷层结构的特点，可以得到较为理想的低热导率，满足其隔热作用的功能性要求。
随着热障涂层技术在发动机热端部件的应用，人们进一步认识到，现有的热障涂层虽可以提高发动机的工作温度和增强部件的抗腐蚀能力，但是由于恶劣的工作环境以及涂层系统自身的材料特点，往往会引起热障涂层的提前失效，从而大大影响了热障涂层的推广。目前已有研究指出，在陶瓷层和粘结层界面发生剥离之前，陶瓷层内已经发生了开裂失效。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的现有的热障涂层的提前失效的问题，本发明旨在提供一种多层热障涂层及其形成方法。
本发明提供一种多层热障涂层，包括从下至上依次设置的基体、粘结层和陶瓷顶层，其中，该陶瓷顶层由从下至上依次设置的分别具有不同微观结构的含垂直裂纹陶瓷底层，多孔隙中间陶瓷层和致密陶瓷顶层组成。
所述含垂直裂纹陶瓷底层的厚度为70μm～90μm。
所述多孔隙中间陶瓷层的厚度为120μm～140μm。
所述致密陶瓷顶层的厚度为40μm～60μm。
所述含垂直裂纹陶瓷底层的垂直裂纹密度为1.8mm-1～2.2mm-1。
所述多孔隙中间陶瓷层的孔隙率为12.5％～17.7％。
本发明还提供一种多层热障涂层的形成方法，包括以下步骤：S1，提供基体；S2，在所述基体的上表面形成粘结层；S3，在所述粘结层的上表面通过等离子喷涂形成含垂直裂纹陶瓷底层；S4，在所述含垂直裂纹陶瓷底层的上表面通过等离子喷涂形成多孔隙中间陶瓷层；以及S5，在所述多孔隙中间陶瓷层的上表面通过等离子喷涂形成致密陶瓷顶层。
在所述步骤S3，S4，S5中，所述等离子喷涂均采用8wt％氧化钇部分稳定的氧化锆(8YSZ)粉末实现。
在所述步骤S3，S4中，所述等离子喷涂均采用球形空心粉末实现。采用球形空心粉末更容易产生孔隙结构。
在所述步骤S5中，所述等离子喷涂采用烧结破碎粉末实现。采用烧结破碎粉末更容易产生致密结构。
在所述步骤S3中，所述等离子喷涂的预热温度为740～800℃，喷涂过程中不涉及任何冷却，从而在所述含垂直裂纹陶瓷底层中形成垂直裂纹。含垂直裂纹陶瓷底层在如此高的预热温度下已经形成柱状晶结构，具有比层状结构要高的断裂抗性，而其中存在的纵向裂纹，可以增大陶瓷层自身的应变容限，又会在热循环(服役过程中)过程中有效地释放一部分能量，从而缓解含垂直裂纹陶瓷底层与粘结层界面处的应力集中。
在所述步骤S4中，所述等离子喷涂的预热温度为200～300℃，喷涂过程中采用压缩空气冷却，从而在所述多孔隙中间陶瓷层中形成多孔隙结构。
在所述步骤S5中，所述等离子喷涂的预热温度为700～800℃，喷涂过程中采用压缩空气冷却，从而在所述致密陶瓷顶层中形成致密的柱状晶结构。此外，致密陶瓷顶层阻碍了氧气的进入，从而减缓了粘结层氧化生成界面间的脆性相，即热生长氧化物，从而缓解含垂直裂纹陶瓷底层与粘结层界面处的应力集中。
本发明通过从下至上依次设置的含垂直裂纹陶瓷底层，多孔隙中间陶瓷层和致密陶瓷顶层形成含不同微观结构的多层热障涂层，其中，含垂直裂纹陶瓷底层可以提高热障涂层的应变容限，进而实现高开裂抗性；多孔隙中间陶瓷层可以保证热障涂层较低的热导率，满足其隔热的功能性要求；而致密陶瓷顶层则可以起到阻止氧气和腐蚀介质进入的作用，抑制陶瓷顶层和粘结层界面的氧化反应及腐蚀导致的开裂，从而确保热障涂层的结构和功能稳定性，并且使得热障涂层具有数倍于现有的热障涂层的热循环寿命。本发明利用等离子喷涂工艺制备含垂直裂纹陶瓷底层，多孔隙中间陶瓷层和致密陶瓷顶层的多层热障涂层，仅通过改变不同的喷涂工艺参数来获得不同微观结构的陶瓷顶层，该制备方法不仅廉价而且高效。
附图说明
图1是根据现有技术的热障涂层的复合层结构图；
图2是根据本发明的多层热障涂层的复合层结构图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
根据本发明的多层热障涂层通过以下方法进行形成：
S1，由镍基合金738提供基体10。
S2，在不送粉的情况下，利用喷枪将基体10预热至250℃后，直接在基体10的上表面喷涂NiCrAlY粉末形成粘结层20；此时，电压设定为60V，电流设定为500A，主气压力为0.4MPa，氢气压力为0.25MPa，将喷枪移动速度设定为150mm/s，喷涂距离为100mm，送粉率为10g/min，所形成的粘结层20的厚度为150μm左右。
S3，在不送粉的情况下，利用喷枪将基体10和粘结层20预热至750℃后，然后在无任何冷却措施的条件下，直接在粘结层20的上表面喷涂球形空心的8Y2O3-ZrO2粉末形成含垂直裂纹陶瓷底层31。此时，电压为65V，电流为600A，主气压力为0.4MPa，氢气压力为0.25MPa，将喷枪移动速度设定为150mm/s，喷涂距离为80mm，送粉率为10g/min，所形成的含垂直裂纹陶瓷底层31的厚度为80μm，垂直裂纹密度为2.0mm-1。
S4，在不送粉的情况下，利用喷枪将基体10、粘结层20和含垂直裂纹陶瓷底层31预热至250℃后，然后在采用压缩空气冷却的条件下，直接在含垂直裂纹陶瓷底层31的上表面喷涂球形空心的8Y2O3-ZrO2粉末形成多孔隙中间陶瓷层32。此时，喷涂过程的电压略微较低，控制在63V左右，喷涂距离为90mm，其他喷涂参数与前面保持不变。所形成的多孔隙中间陶瓷层32的厚度为140μm，孔隙率在15％。
S5，在不送粉的情况下，利用喷枪将基体10、粘结层20、含垂直裂纹陶瓷底层31和多孔隙中间陶瓷层32预热至750℃后，然后在采用压缩空气冷却的条件下，直接在多孔隙中间陶瓷层32的上表面喷涂烧结破碎的8Y2O3-ZrO2粉末形成致密陶瓷顶层33。此时，电压为65V，电流为600A，主气压力为0.4MPa，氢气压力为0.25MPa。将喷枪移动速度设定为150mm/s，喷涂距离为80mm，送粉率为15g/min左右。所形成的致密陶瓷顶层33的厚度为50μm。
上述工艺制备出的多层热障涂层，在1050℃的马弗炉中保温10min，然后迅速放入去离子水中冷却至室温。以这样的条件进行热循环试验，以表面剥落面积比例达到20％时的热循环次数作为涂层寿命。本发明提出的一种含不同微观结构多层热障涂层经历了138次之后失效，而相同实验条件下，采用常规工艺制备的涂层经历了65次即发生失效。
在形成含垂直裂纹陶瓷底层31的步骤S3中，将预热温度控制在740～800℃，电压控制在64-66V，电流控制在600-610A，主气压力控制在0.4-0.45MPa，氢气压力控制在0.25-0.29MPa，喷枪移动速度控制在140-160mm/s，喷涂距离控制在75-85mm，送粉率控制在8-12g/min，从而确保所形成的含垂直裂纹陶瓷底层31的厚度为70～90μm，垂直裂纹密度为1.8mm-1～2.2mm-1。
在形成多孔隙中间陶瓷层32的步骤S4中，将喷涂过程的电压控制在60-63V，喷涂距离控制在85-95mm，从而确保所形成的多孔隙中间陶瓷层32的厚度为120～140μm，孔隙率为12.5％～17.7％。
在形成致密陶瓷顶层33的步骤S5中，将预热温度控制在740-800℃，电压控制在64-66V，电流控制在600-605A，主气压力控制在0.4-0.45MPa，氢气压力控制在0.25-0.3Mpa，喷枪移动速度控制在140-160mm/s，喷涂距离控制在80-90mm，送粉率控制在10-15g/min，从而确保所形成的致密陶瓷顶层33的厚度为40～60μm。
应当理解，上述含垂直裂纹陶瓷底层31，多孔隙中间陶瓷层32和致密陶瓷顶层33的各厚度可以需要根据各层的具体作用进行选择，含垂直裂纹陶瓷底层31需要提高热障涂层的应变容限，多孔隙中间陶瓷层32需要保证热障涂层较低的热导率，而致密陶瓷顶层33需要阻止氧气和腐蚀介质进入。进一步地，优选将上述含垂直裂纹陶瓷底层31，多孔隙中间陶瓷层32和致密陶瓷顶层33的总厚度控制在240～290μm，从而更好地实现本发明的目的。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (9)

1.一种多层热障涂层，包括从下至上依次设置的基体、粘结层和陶瓷顶层，其特征在于，该陶瓷顶层由从下至上依次设置的分别具有不同微观结构的含垂直裂纹陶瓷底层，多孔隙中间陶瓷层和致密陶瓷顶层组成，所述多孔隙中间陶瓷层的孔隙率为12.5％～17.7％。
2.根据权利要求1所述的多层热障涂层，其特征在于，所述含垂直裂纹陶瓷底层的厚度为70μm～90μm，所述多孔隙中间陶瓷层的厚度为120μm～140μm，和/或所述致密陶瓷顶层的厚度为40μm～60μm。
3.根据权利要求1所述的多层热障涂层，其特征在于，所述含垂直裂纹陶瓷底层的垂直裂纹密度为1.8mm-1～2.2mm-1。
4.一种多层热障涂层的形成方法，包括以下步骤：S1，提供基体；S2，在所述基体的上表面形成粘结层；其特征在于，还包括步骤：
S3，在所述粘结层的上表面通过等离子喷涂形成含垂直裂纹陶瓷底层；
S4，在所述含垂直裂纹陶瓷底层的上表面通过等离子喷涂形成多孔隙中间陶瓷层，所述多孔隙中间陶瓷层的孔隙率为12.5％～17.7％；以及
S5，在所述多孔隙中间陶瓷层的上表面通过等离子喷涂形成致密陶瓷顶层。
5.根据权利要求4所述的形成方法，其特征在于，在所述步骤S3，S4，S5中，所述等离子喷涂均采用8wt％氧化钇部分稳定的氧化锆粉末实现。
6.根据权利要求5所述的形成方法，其特征在于，在所述步骤S3，S4中，所述等离子喷涂均采用球形空心粉末实现，在所述步骤S5中，所述等离子喷涂采用烧结破碎粉末实现。
7.根据权利要求4所述的形成方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述等离子喷涂的预热温度为740～800℃，喷涂过程中不涉及任何冷却，从而在所述含垂直裂纹陶瓷底层中形成垂直裂纹。
8.根据权利要求4所述的形成方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述等离子喷涂的预热温度为200～300℃，喷涂过程中采用压缩空气冷却，从而在所述多孔隙中间陶瓷层中形成多孔隙结构。
9.根据权利要求4所述的形成方法，其特征在于，在所述步骤S5中，所述等离子喷涂的预热温度为700～800℃，喷涂过程中采用压缩空气冷却，从而在所述致密陶瓷顶层中形成致密的柱状晶结构。
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