CN108754387B - 一种耐高温低导热长寿命双层双模结构热障涂层及其制备工艺 - Google Patents

一种耐高温低导热长寿命双层双模结构热障涂层及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种耐高温低导热长寿命双层双模结构热障涂层及其制备工艺，涂层包括位于内部的第一层状隔热层和位于外部的第二层状隔热层；第一层状隔热层和位于外部的第二层状隔热层均由若干层组成；双层双模结构热障涂层为宏观柱状、微观层状的双模结构；第一层状隔热层占双层双模结构热障涂层总厚度的30％～50％；第二层状隔热层占涂层总厚度的50％～70％，所用材料在1200～1600℃无相变、且服役高温下热导率低于1.8W/m·K。本发明所提出的双层双模结构，将弥补新材料断裂韧性差的缺陷，从而使得可耐超高温度、具有超低热导率的新材料快速实现工程化应用。

Description

一种耐高温低导热长寿命双层双模结构热障涂层及其制备 工艺
技术领域
本发明属于涂层技术领域，特别涉及一种热障涂层及其制备工艺。
背景技术
近年来，随着热能发动机向高流量比、高推重比、高进口温度方向发展，燃烧室中的燃气温度和压力不断提高。预计当发动机推重比达到20时，燃气温度将超过2000℃，这远远超过了热端构件金属材料所能承受的极限温度。因此，具有高隔热功能的热障涂层(Thermal barrier coatings,TBC)便应运而生。采用TBC可显著提高燃气轮机工作温度的上限，而且提高的幅度超过了过去30年来铸造技术进步所带来的高温合金承温能力的提升。因此，高性能TBC成为了航空发动机和燃气轮机更新换代的关键技术之一。
高隔热、长寿命，是高性能TBC的基本要求。随着燃烧室中温度不断提高，新一代TBC在高隔热长寿命的基础上，进一步要求TBC材料可耐超高温度，即具有超高温稳定性。目前，应用最广泛的热障涂层材料是氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。然而，YSZ在较高温度下(＞1200℃)服役时，会发生四方相向单斜相的转变，从而由于体积膨胀而引发涂层失效。因此，YSZ仅能在1200℃以下使用，这显然不能满足发动机未来高推重比、高进口温度的发展要求。此外，YSZ在1000℃时的热导率为2.3W/m·K，这样的热导率值仍然偏高。发展更先进的燃气轮机需要提高推重比及燃气效率，燃气温度将达到2000℃，涡轮叶片表面温度约1500℃左右，因此，热障涂层材料的耐受温度必须到达此温度，目前服役的7YSZ材料由于相变问题难以在该温度下胜任，所以寻找新的陶瓷热障涂层体系来替换YSZ系列的材料势在必行。
当前广泛研究的新型热障涂层材料主要包括稀土锆酸盐(RE2Zr2O7)、铈酸盐(La2Zr2O7)、稀土磷酸盐(REPO4)和稀土钽酸盐等，与应用广泛的YSZ相比，这些材料均具有一定的优势，例如更低的热导率(1000℃下＜1.8W/m·K)、优良的高温相稳定性(最高可耐1600℃)。但目前为止YSZ仍是不可取代的，这是由于YSZ具有特殊的铁弹性使其在高温下具有优良的韧性能够适应燃气轮机苛刻的工作环境。因此，如何弥补新型材料在力学性能方面的劣势，是实现其快速工程化应用的难点之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐高温低导热长寿命双层双模结构热障涂层及其制备工艺，使该涂层在保留热障涂层基本的高隔热、长寿命的性能的同时，基于新材料/新结构的协同设计，在1200～1600℃的超高温服役环境中保持长时间的稳定服役，以达到耐高温、低导热、长寿命的协同设计，实现新一代高性能热障涂层的制备。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种耐高温低导热长寿命双层双模结构热障涂层，包括位于内部的第一层状隔热层和位于外部的第二层状隔热层；第一层状隔热层和位于外部的第二层状隔热层均由若干层组成；双层双模结构热障涂层为宏观柱状、微观层状的双模结构；第一层状隔热层占双层双模结构热障涂层总厚度的30％～50％，所用材料的断裂韧性不低于2.5MPa·m1/2；第二层状隔热层占涂层总厚度的50％～70％，所用材料在1200～1600℃无相变、且服役高温下热导率低于1.8W/m·K。
进一步的，双层双模结构热障涂层宏观上表面形成有将双层双模结构热障涂层分割为柱状结构的纵向孔隙；纵向孔隙沿面内的宽度为双层双模结构热障涂层总厚度的0.1％～3％，沿纵向的深度为双层双模结构热障涂层总厚度的10％～100％，相邻纵向孔隙间隔为双层双模结构热障涂层厚度的1～10倍。
进一步的，双层双模结构热障涂层微观上，通过材料粉末形成的扁平状颗粒层叠而形成，第一层状隔热层和位于外部的第二层状隔热层的层间结合率均小于等于30％。
进一步的，所述的双层双模结构热障涂层为未经历由热暴露引发的烧结刚化的制备态涂层。
进一步的，第一层状隔热层的材料为氧化钇稳定的氧化锆材料；第二层状隔热层的材料为稀土锆酸盐、铈酸盐、稀土磷酸盐、稀土钽酸盐或LaMgAl11O19。
进一步的，纵向孔隙分布在双层双模结构热障涂层服役状态下的热流平行方向上。
一种耐高温低导热长寿命双层双模结构热障涂层的制备工艺，包含以下步骤：
步骤一，通过热喷涂方法，依次沉积第一层状隔热层和第二层状隔热层的材料粉末，得到双层热障涂层；
第一层状隔热层和第二层状隔热层均呈现出片层单元堆叠的层状结构，片层单元的横向尺寸为8～20μm、纵向尺寸为0.8～2.5μm，沿厚度方向片层间结合率不小于等于30％，相邻片层单元间含有0.1～10μm的层间微孔隙和层内微裂纹；
步骤二，通过强流冲击冷却的预处理工艺，在双层热障涂层内形成若干宏观纵向孔隙。
进一步的，所述的热喷涂方法为大气等离子喷涂、低压等离子喷涂、真空等离子喷涂或火焰喷涂；预处理工艺不引发层状涂层的层间结合率增加，或层间结合率增加小于1％。
进一步的，步骤二中强流冲击冷却的预处理工艺具体包括：首先在25min内将步骤一沉积的双层热障涂层及基体同时加热升温至800～1350℃，且在1000～1350℃的高温阶段的停留时间不超过2min；然后，在5～20s内强流冲击使高温层状涂层的温度骤降至低温，且确保涂层降温前后的温差不小于700℃；强流冲击具体为：采用液流速度5～600m/s，液流直径0.2～15mm的强流冲击双层热障涂层。
进一步的，所述的纵向大孔隙之间呈现出由垂直于热流方向的片层单元堆叠而成的层状结构，层状结构内还包含亚微米与微米尺寸的层间微孔隙与层内微裂纹。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明公开一种耐高温低导热长寿命双层双模结构热障涂层及其制备工艺，基于成熟低成本的等离子喷涂工艺，在高韧性的隔热层外额外制备可耐超高温的新材料层，同时在双层结构内植入纵向分布的大尺度孔隙，制备出双层双模结构的陶瓷涂层。高韧性的底层和可自由张开合拢的纵向大孔隙可使涂层整体在高温服役中保持高的应变容限，实现长寿命服役的目的；整体层状结构和具有高温相稳定、超低热导率的新材料可使涂层兼具耐高温、高隔热的特性。本发明通过材料/结构的协同设计，将传统高韧性涂层与新型耐高温低导热涂层进行有机结合，并辅以柱/层双模新结构，在保证TBC高隔热、长寿命的基本性能的前提下，显著提升涂层的耐高温特性，对新型高性能热障涂层材料的快速工程化应用具有重要影响。
与现有技术相比，本发明通过材料/结构的协同设计，弥补了新材料韧性较差的缺陷，从而确保了可耐超高温度新材料的稳定长寿命服役。新型结构以低成本成熟的等离子喷涂工艺为基础，制备出双层双模新结构，具有可行性强、可快速实现工程化应用的特征。
TBC的性能是由其材料和结构共同决定的。本发明通过结构设计制备出包含传统YSZ材料和新型材料的双层结构，且在双层结构内植入大尺度纵向孔隙，形成具有高应变容限的柱/层双模结构。一方面，具有高韧性的YSZ层和可耐高温的新材料层保证了新型结构TBC整体的耐高温、长寿命的功能性，同时双层结构内的柱状结构设计可进一步弥补新材料层自身韧性普遍差的缺陷。另一方面，具有层状结构的新型TBC和具有超低热导率的新材料保证了新型结构TBC的低热导率。因此，本发明基于材料/结构协同作用下提出的双层双模结构TBC将同时兼具耐高温、高隔热、长寿命的服役特性。
附图说明
图1为采用等离子喷涂技术沉积制备的双层热障涂层的断面形貌示意图；
图2为采用强流冲击形成的具有双层、柱/层双模结构的断面形貌示意图；
图3为采用强流冲击形成的具有双层、柱/层双模结构的表面形貌示意图。
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。
一种耐高温低导热长寿命双层双模结构热障涂层的制备工艺，包含以下步骤：
首先，在圆柱形高温合金基体1(φ25.4mm×3mm)表面采用低压等离子喷涂工艺制备约150μm厚的金属粘结层2。随后，采用粒径为45μm～75μm的8YSZ球形中空喷涂粉末，通过大气等离子技术喷涂制备出厚度250μm、层间结合率30％的第一层状隔热层3。接着，采用粒径为50μm～80μm的锆酸镧(LZO)粉末，通过大气等离子喷涂技术制备出厚度250μm、层间结合率30％的第二层状隔热层4，得到双层热障涂层，如图1所示。制备结束后，通过火焰对隔热层面进行加热，10min内使涂层和基体同时升至900℃，随后在30s内使涂层和基体快速升温至1100℃。然后采用液流速度为100m/s，液流直径为1mm的强流冲击，使隔热层温度在15s内降至300℃以下。隔热层在冷却收缩过程中，受到基体的束缚而在涂层内部产生横向拉伸应力，从而形成宏观纵向孔隙5，如图2和图3所示。宏观纵向孔隙沿纵向的深度约为涂层厚度的10％～100％，相邻间隔约为涂层厚度的2～3倍。基于以上工艺，可制备出双层、柱/层双模结构的热障涂层。该结构热障涂层可耐1200～1600℃的超高温，热导率低于0.8W/m·K。需要说明的是，一方面，采用大气等离子喷涂技术制备隔热层时的结构与使用的材料相关，具体的喷涂参数可基于使用的材料，通过有限次试验获得。另一方面，采用强流冲击制备宏观纵向孔隙的具体参数与涂层材料、厚度、层间结合率等参数相关，也可通过有限次的试验获得。
本发明所制备的耐高温低导热长寿命双层双模结构热障涂层，包括位于内部的第一层状隔热层3和位于外部的第二层状隔热层4；第一层状隔热层3和位于外部的第二层状隔热层4均由若干层组成；双层双模结构热障涂层为宏观柱状、微观层状的双模结构；第一层状隔热层3占双层双模结构热障涂层总厚度的30％～50％，所用材料的断裂韧性为3.0MPa·m1/2；第二层状隔热层4占涂层总厚度的50％～70％，所用材料在1200～1600℃无相变、且服役高温下热导率低于1.8W/m·K。
双层双模结构热障涂层宏观上表面形成有将双层双模结构热障涂层分割为柱状结构的纵向孔隙5；纵向孔隙5沿面内的宽度为双层双模结构热障涂层总厚度的0.1％～3％，沿纵向的深度为双层双模结构热障涂层总厚度的10％～100％，相邻纵向孔隙5间隔为双层双模结构热障涂层厚度的1～10倍。
双层双模结构热障涂层微观上，通过材料粉末形成的扁平状颗粒层叠而形成，第一层状隔热层3和位于外部的第二层状隔热层4的层间结合率均小于等于30％。
所述的双层双模结构热障涂层为未经历由热暴露引发的烧结刚化的制备态涂层。
第一层状隔热层3的材料优选为氧化钇稳定的氧化锆材料；第二层状隔热层4的材料优选为稀土锆酸盐、铈酸盐、稀土磷酸盐、稀土钽酸盐或LaMgAl11O19。
纵向孔隙5分布在双层双模结构热障涂层服役状态下的热流平行方向上。

Claims (4)

1.一种耐高温低导热长寿命双层双模结构热障涂层，其特征在于，包括位于内部的第一层状隔热层(3)和位于外部的第二层状隔热层(4)；第一层状隔热层(3)和位于外部的第二层状隔热层(4)均由若干层组成；双层双模结构热障涂层为宏观柱状、微观层状的双模结构；
第一层状隔热层(3)占双层双模结构热障涂层总厚度的30％～50％，所用材料的断裂韧性不低于2.5MPa·m1/2；
第二层状隔热层(4)占涂层总厚度的50％～70％，所用材料在1200～1600℃无相变、且服役高温下热导率低于1.8W/m·K；
双层双模结构热障涂层宏观上表面形成有将双层双模结构热障涂层分割为柱状结构的纵向孔隙(5)；纵向孔隙(5)沿面内的宽度为双层双模结构热障涂层总厚度的0.1％～3％，沿纵向的深度为双层双模结构热障涂层总厚度的10％～100％，相邻纵向孔隙(5)间隔为双层双模结构热障涂层厚度的1～10倍；
双层双模结构热障涂层微观上，通过材料粉末形成的扁平状颗粒层叠而形成，第一层状隔热层(3)和位于外部的第二层状隔热层(4)的层间结合率均小于等于30％；
第一层状隔热层(3)的材料为氧化钇稳定的氧化锆材料；第二层状隔热层(4)的材料为稀土锆酸盐、铈酸盐、稀土磷酸盐、稀土钽酸盐或LaMgAl11O19；
纵向孔隙(5)分布在双层双模结构热障涂层服役状态下的热流平行方向上。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温低导热长寿命双层双模结构热障涂层，其特征在于，所述的双层双模结构热障涂层为未经历由热暴露引发的烧结刚化的制备态涂层。
3.权利要求1或2所述的一种耐高温低导热长寿命双层双模结构热障涂层的制备工艺，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一，通过热喷涂方法，在基体上依次沉积金属粘结层(2)、第一层状隔热层(3)和第二层状隔热层(4)的材料粉末，得到双层热障涂层；
第一层状隔热层(3)和第二层状隔热层(4)均呈现出片层单元堆叠的层状结构，片层单元的横向尺寸为8～20μm、纵向尺寸为0.8～2.5μm，相邻片层单元间含有0.1～10μm的层间微孔隙和层内微裂纹；
步骤二，通过强流冲击冷却的预处理工艺，在双层热障涂层内形成若干宏观纵向孔隙(5)；
步骤二中强流冲击冷却的预处理工艺具体包括：首先在25min内将步骤一沉积的双层热障涂层及基体同时加热升温至800～1350℃，且在1000～1350℃的高温阶段的停留时间不超过2min；然后，在5～20s内强流冲击使高温层状涂层的温度骤降至低温，且确保涂层降温前后的温差不小于700℃；强流冲击具体为：采用液流速度5～600m/s，液流直径0.2～15mm的强流冲击双层热障涂层。
4.权利要求3所述的制备工艺，其特征在于，所述的热喷涂方法为大气等离子喷涂、低压等离子喷涂、真空等离子喷涂或火焰喷涂；预处理工艺不引发层状涂层的层间结合率增加，或层间结合率增加小于1％。
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