CN105331922A - 一种低导热抗烧结热障涂层及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低导热抗烧结热障涂层制备工艺，包括：通过热喷涂方法，将热障涂层材料A粉末和可相变收缩的陶瓷材料B粉末喷涂沉积，制备出B粉末体积含量为5％～50％的复合陶瓷涂层，其中，B粉末形成B扁平粒子，A粉末中熔化的部分形成A扁平粒子，各扁平粒子间形成部分结合部分孔隙的结构；在热处理或实际应用过程的高温条件下复合在A扁平粒子构成的骨架内的B扁平粒子产生相变收缩产生新的裂纹或增大原有孔隙，形成大孔隙。本发明中的大尺寸孔隙降低了纵向导热率，同时在服役初期制备的大尺寸孔隙会显著减小涂层热导率的升高，且由于孔隙的纵向尺寸较大，从而在服役后期能够避免烧结愈合而保留下来，呈现抗烧结特征。

Description

一种低导热抗烧结热障涂层及其制备工艺
【技术领域】
本发明涉及涂层技术领域，具体为一种热障涂层及其制备工艺。
【背景技术】
燃气涡轮发动机的主要发展方向是提高发动机涡轮前燃烧温度、增加推重比和提升涡轮发动机部件在包括腐蚀和氧化等严酷服役环境下的热效率。随着发动机燃烧温度、推重比和热效率的提高，发动机热端部件，特别是燃烧室中的燃气温度和燃气压力不断提高，燃气涡轮机的燃气工作温度预计很快将达到1930℃。这样高的温度已经超过现有合金的熔点，因此必须采用冷却以及隔热措施，才能保证透平叶片在高温环境中长时间地工作，在现有技术条件下，厚度为250μm或更厚的热障涂层可使叶片基体表面温度降低50甚至超过100℃，这相当于经过30年的努力才能在提高高温合金使用温度的方面取得的进展。
典型的热障涂层陶瓷涂层制备方法包括由电子束物理气相沉积(EB-PVD)和等离子喷涂，其中，等离子喷涂陶瓷涂层因其独特的层状组织结构而具有较低的热导率和优异的隔热性能，在燃气轮机热端叶片和航空发动机热端静叶等方面具有广泛的应用背景。在热障涂层正常工作条件下，大部分温度梯度是落在陶瓷表层上的，此外，陶瓷表层是直接与高温燃气相接触的，它还要承受燃气中外来粒子的高速冲击、磨损以及高温化学环境的热腐蚀、热冲击。同时陶瓷表层又与粘结层、TGO层相接触，使其还应当具备与粘结层/TGO层之间良好的热匹配和化学相容性。因此，陶瓷层材料及其制备方法的研究，特别是具有更低热导率的材料和涂层结构设计的探索研究，对热障涂层的发展具有十分重要的意义。
热障涂层的制备过程中，高速喷涂的片与片之间的交叠处存在大量晶间孔隙：分别是球形孔、平行于热流方向纵向孔隙、垂直于热流方向的横向孔隙。研究表明垂直于热流方向的孔隙能使涂层隔热性能大幅提升。这些孔隙和微孔内的主要物质是空气，空气的热导率无论是高温还是低温均大大低于固体基材，当热量流经这些密闭空气的时候，其传输速率将大大降低，因此，在保持热障涂层结构完整性的前提下，可通过提高垂直于热流方向的孔隙率来降低涂层的热导率、改善隔热效果。
在高温服役过程中，热障涂层的结构将由于相变和烧结作用而发生显著改变，比如裂纹烧结愈合、层状结构逐渐消失、热导率上升导致涂层隔热性能下降、弹性模量提高和热应变协调能力下降导致涂层寿命下降等。现有工艺制备的陶瓷层裂纹尺寸在几十纳米到几百纳米之间，经过一段时间服役后，尺寸小于200nm的裂纹会快速愈合，严重影响涂层服役寿命，因此通过合适的工艺控制制作含有垂直于热流方向大裂纹的涂层结构变得非常有意义。
总之，若能通过涂层结构设计与制备方法的控制，在不影响涂层力学性能的前提下尽可能通过简单易行的方法制备这种垂直于热流方向的大尺寸孔隙，将是提高热障涂层隔热性能和寿命的重要方法。
【发明内容】
本发明的目在于提供一种低导热抗烧结热障涂层及其制备工艺，使该涂层的热导率显著降低且不明显影响涂层的力学性能，具有长寿命和高隔热效果的特征，从而能够大幅度提高涂层服役性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种低导热抗烧结热障涂层制备工艺，包括以下步骤：通过热喷涂方法，将热障涂层材料A粉末和可相变收缩的陶瓷材料B粉末喷涂沉积，制备出B粉末体积含量为5％～50％的复合陶瓷涂层，其中，B粉末形成B扁平粒子，A粉末中熔化的部分形成A扁平粒子，各扁平粒子间形成部分结合部分孔隙的结构；在热处理或实际应用过程的高温条件下复合在A扁平粒子构成的骨架内的B扁平粒子产生相变收缩产生新的裂纹或增大原有孔隙，形成大孔隙。
进一步的，A扁平粒子与B扁平粒子间形成的大孔隙的横向尺寸为50～200μm、纵向尺寸为0.1～0.5μm。
进一步的，热喷涂时，B粉末形成横向尺寸为10～200μm、纵向尺寸为1～10μm的B扁平粒子。
进一步的，所述热喷涂为等离子喷涂或等离子喷涂复相沉积(plasmaspray-physicalvapordeposition)。
进一步的，所述的可相变收缩的陶瓷材料B粉末为能高温相变并且新相能稳定存在、两相密度差异不小于5％的材料。
进一步的，所述的可相变收缩的陶瓷材料B粉末为Al2O3，喷涂形成γ相而随后高温下转变为高密度的α相，其体积释放率约为9％(γ相与α相密度分别为3.65、3.99g/cm3)。其他备选材料，如，TiO2喷涂形成锐钛矿相而随后高温下转变为高密度的金红石相，体积释放率约10％(锐钛矿相与金红石相密度分别为3.85、4.25g/cm3)。
进一步的，可相变收缩的陶瓷材料B粉末的粒度为10μm～100μm。
进一步的，所述的可相变收缩的陶瓷材料B粉末的相变温度在200～1300℃。
进一步的，所述的大孔隙在热障涂层内部纵向间隔N层A扁平粒子，N为自然数，N的取值范围为1-50。
一种低导热抗烧结热障涂层，所述低导热抗烧结热障涂层中含有若干横向尺寸为50～200μm、纵向尺寸为0.1～0.5μm的大孔隙，大孔隙的体积含量为所述低导热抗烧结热障涂层的5％～50％。
本发明一种低导热抗烧结热障涂层制备工艺，制备方法包含以下步骤：
步骤一，通过热喷涂方法，将热障涂层材料A粉末和可相变收缩的陶瓷材料B粉末喷涂沉积，制备出B体积含量为5％～50％的复合陶瓷涂层，其中，B材料形成横向尺寸为10～200μm、纵向尺寸为1～10μm的扁平粒子，A粉末中熔化的部分也形成A扁平粒子，各扁平粒子间形成部分结合部分孔隙的结构；
步骤二，在热处理或实际应用过程的高温条件下，复合在A扁平粒子构成的骨架内的B扁平粒子产生相变收缩，面内方向的收缩引发扁平粒子层间开裂形成新的裂纹，与原层间孔隙合并形成横向尺寸为50～200μm的大孔隙，面法线方向的收缩引发纵向裂纹的增大，同时在A与B的扁平粒子间形成含有横向尺寸为50～200μm、纵向尺寸为0.1～0.5μm的大孔隙的热障涂层。
所制备的热障涂层中含有横向尺寸为50～200μm、纵向尺寸为0.1～0.5μm的大孔隙，大孔隙的体积含量为5％～50％。
相对于现有技术，本发明在于热喷涂制备热障涂层的过程中，加入可相变收缩的陶瓷材料B粉末，喷涂后，可相变收缩的陶瓷材料B粉末形成扁平的B扁平粒子；B扁平粒子与喷涂主料的扁平粒子之间形成部分结合部分孔隙的低导热抗烧结热障涂层；该热障涂层在高温热处理或者使用过程中，处于可相变收缩的陶瓷材料B粉末的相变温度时，可相变收缩的陶瓷材料B粉末相变收缩，使原有的扁平例子间的孔隙增大，形成横向尺寸为50～200μm、纵向尺寸为0.1～0.5μm的大孔隙；该垂直于热流方向的50～200μm的大孔隙，可有效降低涂层的热导率、改善隔热效果。与传统热障涂层相比，本发明热障涂层中的大尺寸孔隙降低了纵向导热率，同时在服役初期制备的大尺寸孔隙会显著减小涂层热导率的升高，且由于孔隙的纵向尺寸较大，从而在服役后期能够避免烧结愈合而保留下来，呈现抗烧结特征。
【附图说明】
图1低导热抗烧结热障涂层制备示意图。
【具体实施方式】
以下是发明人给出的具体实施例，需要说明的是，这些实施例是本发明较优的例子，用于本领域的技术人员理解本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1：
通过等离子喷涂方法，将热障涂层材料8YSZ粉末(A粉末)和可相变收缩的陶瓷材料Al2O3粉末(B粉末)喷涂沉积，制备出复合陶瓷涂层，其中，B粉末喷涂后形成的B扁平例子为横向尺寸为10～200μm、纵向尺寸为1～10μm的扁平粒子，A粉末中熔化的部分也形成A扁平粒子，各扁平粒子间形成部分结合部分孔隙的结构；随后进行热处理，复合在A扁平粒子构成的骨架内的B扁平粒子产生相变收缩，面内方向的收缩引发扁平粒子层间开裂形成新的裂纹，与原层间孔隙合并形成横向尺寸为50～200μm的大孔隙，面法线方向的收缩引发纵向裂纹的增大，同时在A与B的扁平粒子间形成含有横向尺寸为50～200μm、纵向尺寸为0.1～0.5μm的大孔隙C的热障涂层。
Al2O3喷涂形成γ相而随后高温下转变为高密度的α相，其体积释放率约为9％(γ相与α相密度分别为3.65、3.99g/cm3)。本发明B粉末还可以采用TiO2；TiO2喷涂形成锐钛矿相而随后高温下转变为高密度的金红石相，体积释放率约10％(锐钛矿相与金红石相密度分别为3.85、4.25g/cm3)。

Claims (10)

1.一种低导热抗烧结热障涂层制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、通过热喷涂方法，将热障涂层材料A粉末和可相变收缩的陶瓷材料B粉末喷涂沉积，制备出B粉末体积含量为5％～50％的复合陶瓷涂层，其中，B粉末形成B扁平粒子，A粉末中熔化的部分形成A扁平粒子，各扁平粒子间形成部分结合部分孔隙的结构；
步骤二、在热处理或实际应用过程的高温条件下复合在A扁平粒子构成的骨架内的B扁平粒子产生相变收缩形成大孔隙。
2.根据权利要求1所述的一种低导热抗烧结热障涂层制备工艺，其特征在于，A扁平粒子与B扁平粒子间形成的大孔隙的横向尺寸为50～200μm、纵向尺寸为0.1～0.5μm。
3.根据权利要求1所述的一种低导热抗烧结热障涂层制备工艺，其特征在于，热喷涂时，B粉末形成横向尺寸为10～200μm、纵向尺寸为1～10μm的B扁平粒子。
4.根据权利要求1所述的一种低导热抗烧结热障涂层制备工艺，其特征在于，所述热喷涂为等离子喷涂或等离子喷涂复相沉积。
5.根据权利要求1所述的一种低导热抗烧结热障涂层制备工艺，其特征在于，所述的可相变收缩的陶瓷材料B粉末为能高温相变并且新相能稳定存在、两相密度差异不小于5％的材料。
6.根据权利要求1所述的一种低导热抗烧结热障涂层制备工艺，其特征在于，所述的可相变收缩的陶瓷材料B粉末的相变温度在200～1300℃。
7.根据权利要求1所述的一种低导热抗烧结热障涂层制备工艺，其特征在于，所述的可相变收缩的陶瓷材料B粉末为Al2O3或TiO2。
8.根据权利要求1所述的一种低导热抗烧结热障涂层制备工艺，其特征在于，可相变收缩的陶瓷材料B粉末的粒度为10μm～100μm。
9.根据权利要求1所述的一种低导热抗烧结热障涂层制备工艺，其特征在于，所述的大孔隙在热障涂层内部纵向间隔N层A扁平粒子，N为自然数，N的取值范围为1-50。
10.一种低导热抗烧结热障涂层，其特征在于，所述低导热抗烧结热障涂层中含有若干横向尺寸为50～200μm、纵向尺寸为0.1～0.5μm的大孔隙，大孔隙的体积含量为所述低导热抗烧结热障涂层的5％～50％。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107254652A (zh) * 2017-06-28 2017-10-17 福州大学 一种多层热障涂层及其制备方法
CN109161889A (zh) * 2018-07-19 2019-01-08 西安交通大学 一种抗烧结双模复合结构热障涂层及其制备工艺
CN109680239A (zh) * 2019-01-30 2019-04-26 西安交通大学 一种抗烧结长寿命双层结构热障涂层及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104465505A (zh) * 2014-12-16 2015-03-25 南通富士通微电子股份有限公司 扇出晶圆封装方法
CN104451518A (zh) * 2014-11-20 2015-03-25 西安交通大学 一种低导热抗烧结热障涂层及其制备方法
WO2015038093A3 (en) * 2012-08-31 2015-06-04 General Electric Company Article formed by plasma spray

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015038093A3 (en) * 2012-08-31 2015-06-04 General Electric Company Article formed by plasma spray
CN104451518A (zh) * 2014-11-20 2015-03-25 西安交通大学 一种低导热抗烧结热障涂层及其制备方法
CN104465505A (zh) * 2014-12-16 2015-03-25 南通富士通微电子股份有限公司 扇出晶圆封装方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107254652A (zh) * 2017-06-28 2017-10-17 福州大学 一种多层热障涂层及其制备方法
CN109161889A (zh) * 2018-07-19 2019-01-08 西安交通大学 一种抗烧结双模复合结构热障涂层及其制备工艺
CN109161889B (zh) * 2018-07-19 2020-05-22 西安交通大学 一种抗烧结双模复合结构热障涂层及其制备工艺
CN109680239A (zh) * 2019-01-30 2019-04-26 西安交通大学 一种抗烧结长寿命双层结构热障涂层及其制备方法

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