CN109023201A - 一种双层梯度结构热障涂层及其制备工艺 - Google Patents

一种双层梯度结构热障涂层及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双层梯度结构热障涂层，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；第二层状隔热层由N个亚层堆叠构成，每个亚层的隔热温度相等，第二层状隔热层的亚层由内向外热导率递减；第一层状隔热层占双层梯度结构热障涂层总厚度的20％～60％，所用材料的断裂韧性大于或等于2.5MPa·m1/2；第二层状隔热层占双层梯度结构热障涂层总厚度的40％～80％，所用材料在1200～1600℃无相变、且在1000～1600℃下热导率低于1.8W/m·K。本发明所提出的双层梯度结构，实现了新材料/新结构的结合，将突破单一材料涂层的厚度对隔热能力和服役寿命的反向制约关系，从而确保了新型结构的高隔热、长寿命、耐高温的协同设计。

Description

一种双层梯度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
热障涂层(TBCs)是一种起隔热作用的功能涂层，主要应用于燃气轮机高温热端部件表面，从而实现对合金基体的保护。热障涂层可以有效的将高温燃气与高温热端部件基体隔离，保护基体高温合金，使得合金表面温度降低的同时提高燃气温度，燃气轮机效率因此得到显著提高。因此，TBCs是燃气轮机的核心技术之一。
评价热障涂层性能的两个最基本特征为其隔热能力和寿命。热障涂层的隔热能力一般认为是服役过程中涂层和基体表面温差，是由涂层的热导率和厚度共同决定的。影响涂层寿命因素多且复杂，但是最终都要归因于涂层服役过程的能量累积。热障涂层使用过程中，陶瓷层能量累积影响因素受陶瓷层厚度、烧结以及陶瓷层和基体之间热失配等的综合影响。因此，可以说涂层厚度将同时影响TBC的隔热能力和寿命，且厚度的增加对两者的影响是相反的。因此，如何在不影响涂层隔热能力的前提下，通过厚度的设计延长涂层的寿命，是目前TBCs结构设计的难点之一。
目前TBCs广泛应用的隔热材料仍然是氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，该材料具有较高的断裂韧性、较低的热导率(2.5W/m·K)，且在1200℃以下服役时可保持相稳定。随着燃气轮机进气口温度不断的增加，传统YSZ因相变和烧结已不能满足更高温度服役的要求。近年来，逐渐出现了具有超高温无相变、热导率超低(≤1.8W/m·K)的新材料，如锆酸镧(La2Zr2O7,LZO)等。然而新材料的断裂韧性普遍较差，这使得由新材料制备的TBC的寿命往往很短。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双层梯度结构热障涂层及其制备工艺，该涂层在保持纵向高隔热的同时，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、高隔热、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：
一种双层梯度结构热障涂层，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亚层组成；第二层状隔热层由N个亚层堆叠构成，N为自然数，N的取值范围为2～10，每个亚层的隔热温度相等，第二层状隔热层的亚层由内向外热导率递减；第一层状隔热层占双层梯度结构热障涂层总厚度的20％～60％，所用材料的断裂韧性大于或等于2.5MPa·m1/2；第二层状隔热层占双层梯度结构热障涂层总厚度的40％～80％，所用材料在1200～1600℃无相变、且在1000～1600℃下热导率低于1.8W/m·K。
进一步的，第一层状隔热层和位于外部的第二层状隔热层均通过材料粉末形成的片层单元层叠而形成，片层单元横向尺寸为8～20μm、纵向尺寸为0.8～2.5μm，片层单元沿纵向的层间结合率均小于等于40％。
进一步的，第一层状隔热层的纵向热导率为第一层状隔热层所用材料本征热导率的40％～50％；第二层状隔热层最内层的亚层的热导率小于或等于第二层状隔热层所用材料本征热导率的50％，且相邻亚层间的热导率相差5％～40％。
进一步的，第一层状隔热层的孔隙率为5％～15％，第二层状隔热层的孔隙率为10％～20％，且第二隔热层的亚层孔隙率由内向外逐渐增加。
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，第一层状隔热层沉积在基体表面的金属粘结层上。
一种双层梯度结构热障涂层的制备工艺，包含以下步骤：
步骤一，在基体上依次沉积金属粘结层和第一层状隔热层；
步骤二，通过热喷涂方法，改变喷涂参数，在第一层状隔热层上依次沉积第二隔热层的N个亚层，确保每层隔热相同的温度，且由内向外热导率逐渐减小；
第一层状隔热层和第二层状隔热层均呈现出扁平状颗粒堆叠的层状结构，扁平状颗粒的横向尺寸为8～20μm、纵向尺寸为0.8～2.5μm，沿厚度方向扁平状颗粒间结合率均小于等于40％，相邻扁平状颗粒间含有0.1～10μm的层间微孔隙。
进一步的，步骤二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。
进一步的，步骤二所述的改变喷涂参数具体为喷涂距离调整，喷涂距离的范围为60～150mm。
进一步的，具体包括：步骤一，在圆柱形高温合金基体表面采用低压等离子喷涂工艺制备100μm厚的金属粘结层；
步骤二，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200μm、层间结合率30％的第一层状隔热层；
步骤三，采用粒径为50μm～80μm的锆酸镧粉末，通过大气等离子喷涂技术在喷涂距离为85mm、115mm和130mm下分别制备出厚度74μm、60μm和48μm的亚层，形成梯度隔热层；完成双层梯度结构热障涂层的制备。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明公开一种双层梯度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，同时在新材料层内引入热导率递减的梯度亚层，制备出具有双层梯度结构的陶瓷涂层。高韧性的底层和整体厚度的降低可实现TBC长寿命服役的目的；具有超低热导率的新材料可使涂层在厚度降低的同时不损失隔热能力，且新材料在超高温条件下可保持长期相稳定，从而兼顾实现耐高温、高隔热、长寿命的特性。本发明通过材料/结构的协同设计，在保证TBC隔热能力的前提下，显著提升涂层的服役寿命和耐高温能力，对新型高性能热障涂层的发展具有重要影响。
与现有技术相比，本发明通过材料/结构的协同设计，突破了单一材料涂层的厚度对隔热能力和服役寿命的反向制约关系，从而确保了新型结构的高隔热、长寿命的协同设计。且，新型结构以低成本成熟的等离子喷涂工艺为基础，具有可行性强、可快速实现工程化应用的特征。
附图说明
图1为采用等离子喷涂技术沉积制备的双层梯度热障涂层的断面形貌示意图；
图2为采用等离子喷涂技术沉积制备的纯YSZ单层热障涂层的断面形貌示意图；
图3为采用梯度热循环测试的两种涂层的寿命比较。
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。
请参阅图1所示，本发明提供一种双层梯度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100μm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200μm、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在喷涂距离为85mm、115mm和130mm下依次制备出厚度74μm、60μm和48μm的梯度隔热层4的3个亚层，每个亚层隔热温度均为60℃，亚层由内向外的孔隙率依次为10％、14％、18％，得到双层梯度结构热障涂层，如图1所示。
本发明所制备的双层梯度结构热障涂层，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；第二层状隔热层4由N个亚层堆叠构成，每个亚层的隔热温度相等，第二层状隔热层4的亚层由内向外热导率递减；第一层状隔热层3占双层梯度结构热障涂层总厚度的20％～60％，所用材料的断裂韧性大于或等于2.5MPa·m1/2；第二层状隔热层4占双层梯度结构热障涂层总厚度的40％～80％，所用材料在1200～1600℃无相变、且在1000～1600℃下热导率低于1.8W/m·K。
第一层状隔热层3和位于外部的第二层状隔热层4均通过材料粉末形成的片层单元层叠而形成，片层单元横向尺寸为8～20μm、纵向尺寸为0.8～2.5μm，片层单元沿纵向的层间结合率均小于等于40％。
第一层状隔热层3的纵向热导率为第一层状隔热层3所用材料本征热导率的40％～50％；第二层状隔热层4最内层的亚层的热导率小于或等于第二层状隔热层4所用材料本征热导率的50％，且相邻亚层间的热导率相差5％～40％。
第一层状隔热层3的孔隙率为5％～15％，第二层状隔热层4的孔隙率为10％～20％，且第二隔热层4的亚层孔隙率由内向外逐渐增加。
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。
作为对比，具有500μm厚的纯YSZ涂层同样采用等离子喷涂制备，且喷涂参数与第一隔热层3一致。总厚度为500μm的纯YSZ涂层和总厚度为382μm的双层梯度结构涂层具有相同的隔热温度(300℃)。样品制备结束后，采用梯度热循环设备测试样品的寿命，具体如下：采用火焰对涂层表面加热，一次热循环包括50s加热至1300℃，保温250s，然后在120s内冷却至室温。当涂层表面出现约为10％的剥落时，当前热循环次数定义为TBCs的寿命，每组涂层寿命由5个试样取平均值。纯YSZ涂层和本发明双层梯度结构热障涂层的热循环寿命如图3所示。在隔热温度相同的条件下，双层梯度结构热障涂层的热循环寿命提高～50％。

Claims (10)

1.一种双层梯度结构热障涂层，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)；位于外部的第二层状隔热层(4)由N个亚层堆叠构成，N为自然数，N的取值范围为2～10，每个亚层的隔热温度相等，第二层状隔热层(4)的亚层由内向外热导率递减；
第一层状隔热层(3)占双层梯度结构热障涂层总厚度的20％～60％，所用材料的断裂韧性大于或等于2.5MPa·m1/2；
第二层状隔热层(4)占双层梯度结构热障涂层总厚度的40％～80％，所用材料在1200～1600℃无相变、且在1000～1600℃下热导率低于1.8W/m·K。
2.根据权利要求1所述的一种双层梯度结构热障涂层，其特征在于，第一层状隔热层(3)和位于外部的第二层状隔热层(4)均通过材料粉末形成的片层单元层叠而形成，片层单元横向尺寸为8～20μm、纵向尺寸为0.8～2.5μm，片层单元沿纵向的层间结合率均小于等于40％。
3.根据权利要求1所述的一种双层梯度结构热障涂层，其特征在于，第一层状隔热层(3)的纵向热导率为第一层状隔热层(3)所用材料本征热导率的40％～50％；第二层状隔热层(4)最内层的亚层的热导率小于或等于第二层状隔热层(4)所用材料本征热导率的50％，且相邻亚层间的热导率相差5％～40％。
4.根据权利要求1所述的一种双层梯度结构热障涂层，其特征在于，第一层状隔热层(3)的孔隙率为5％～15％，第二层状隔热层(4)的孔隙率为10％～20％，且第二隔热层(4)的亚层孔隙率由内向外逐渐增加。
5.根据权利要求1所述的一种双层梯度结构热障涂层，其特征在于，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。
6.根据权利要求1所述的一种双层梯度结构热障涂层，其特征在于，第一层状隔热层(3)沉积在基体(1)表面的金属粘结层(2)上。
7.权利要求1至6中任一项所述的一种双层梯度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，在基体(1)上依次沉积金属粘结层(2)和第一层状隔热层(3)；
步骤二，通过热喷涂方法，改变喷涂参数，在第一层状隔热层(3)上依次沉积第二隔热层(4)的N个亚层，确保每层隔热相同的温度，且由内向外热导率逐渐减小；
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，扁平状颗粒的横向尺寸为8～20μm、纵向尺寸为0.8～2.5μm，沿厚度方向扁平状颗粒间结合率均小于等于40％，相邻扁平状颗粒间含有0.1～10μm的层间微孔隙。
8.权利要求7所述的制备工艺，其特征在于，步骤二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。
9.权利要求7所述的制备工艺，其特征在于，步骤二所述的改变喷涂参数具体为喷涂距离调整，喷涂距离的范围为60～150mm。
10.权利要求7所述的制备工艺，其特征在于，具体包括：
步骤一，在圆柱形高温合金基体表面采用低压等离子喷涂工艺制备100μm厚的金属粘结层；
步骤二，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200μm、层间结合率30％的第一层状隔热层；
步骤三，采用粒径为50μm～80μm的锆酸镧粉末，通过大气等离子喷涂技术在喷涂距离为85mm、115mm和130mm下依次沉积制备出厚度74μm、60μm和48μm的梯度隔热层(4)的亚层，每个亚层隔热温度均为60℃，亚层由内向外的孔隙率依次为10％、14％、18％，形成梯度隔热层；完成双层梯度结构热障涂层的制备。
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