CN109023364B - 抗烧结双模复合结构热障涂层及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种抗烧结双模复合结构热障涂层的制备工艺，包含：步骤一，在基体上沉积金属，形成金属粘结层；步骤二，通过热喷涂方法，在金属粘结层上将第一热障涂层材料粉末和第二热障涂层材料粉末交替分层沉积形成复合层状结构热障涂层；步骤三，通过强流冲击冷却的预处理工艺，在复合层状结构热障涂层内形成若干纵向孔隙，得到双模复合结构热障涂层。本发明所提出的双模复合结构，将在服役中自发形成若干垂直于热流方向的孔隙，并保持高应变容限，从而具有抗烧结、长寿命的特征。

Description

抗烧结双模复合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(Thermal barrier coatings,TBC)广泛应用于航空发动机和燃气轮机的高温热端构件。作为一种隔热陶瓷涂层，厚度300～500μm的TBC可使热端构件的承温能力提升50～300℃，这对于提高燃气进口温度，进而提升发动机推重比、效率等具有十分重要的意义。
热障涂层普遍采用热喷涂方法制备，其结构是由无数熔融液滴铺展凝固堆叠而形成的。因此，热喷涂热障涂层通常呈现出层状结构；在层状结构内还包含微米和亚微米级的微孔隙和微裂纹。这种特殊的结构一方面使得热障涂层的结构热导率在原有低导热材料的基础上进一步降低。以目前广泛使用的氧化钇稳定的氧化锆(Yttria stabilizedzirconia,YSZ)材料为例，YSZ块材的热导率约为2.5W/m·K，而采用等离子喷涂制备的YSZ涂层的热导率则约为1.0W/m·K。另一方面，这种特殊的结构使得涂层在制备态的弹性模量小于块材的50％，从而使得涂层具有一定的协调应变的能力。因此，热喷涂热障涂层往往具有优异的隔热能力和应变容限。
在服役过程中，保持热障涂层的高隔热性能、高应变容限是发展新一代高性能热障涂层的关键所在。然而，在高温热暴露中，热喷涂涂层内的微米和亚微米级孔隙往往会由于烧结而愈合，从而显著降低涂层的隔热能力。另外，由于应变容限的急剧降低，涂层在服役过程中将积聚大量的应变能量，这是导致涂层剥离失效的主要原因之一。因此，如何提高热障涂层结构的抗烧结性，同时及时释放涂层在服役中产生的应变能量，将是发展抗性能衰减、长寿命热障涂层的难点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗烧结双模复合结构热障涂层及其制备工艺，该涂层在高温服役中由于复合片层的差异化烧结收缩而自发形成若干垂直于热流方向的孔隙，降低由于微孔隙愈合而造成的隔热能力下降的影响，达到整体抗烧结的目的；同时该涂层的柱状结构可以使涂层在长时间服役中保持高的应变容限，达到长寿命的目的，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：
抗烧结双模复合结构热障涂层的制备工艺，包含以下步骤：
步骤一，在基体上沉积金属，形成金属粘结层；
步骤二，通过热喷涂方法，在金属粘结层将第一热障涂层材料粉末和第二热障涂层材料粉末交替分层沉积形成复合层状结构热障涂层；第一热障涂层材料粉末沉积形成第一片层单元，第二热障涂层材料粉末沉积形成第二片层单元；第二片层单元采用悬浮液液料喷涂技术喷涂第二热障涂层材料粉末的分散液制备而成，悬浮液浓度为2～5mol/L；
步骤三，通过强流冲击冷却的预处理工艺，在复合层状结构热障涂层内形成若干纵向孔隙，得到双模复合结构热障涂层；其中，纵向孔隙沿双模复合结构热障涂层表面内的宽度为双模复合结构热障涂层总厚度的0.05％～5％，纵向孔隙沿纵向的深度为双模复合结构热障涂层总厚度的10％～100％，相邻纵向孔隙间隔为双模复合结构热障涂层总厚度的1～20倍。
进一步的，制备复合层状结构热障涂层时，第二热障涂层材料粉末体积含量为第一热障涂层材料粉末和第二热障涂层材料粉末总体积的10％～50％。
进一步的，相邻第二片层单元在复合层状结构热障涂层内纵向间隔M层第一片层单元，M为自然数，M的取值范围为1-100。
进一步的，所述的双模复合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，第一片层单元由熔滴铺展重新凝固形成，致密度＞90％；第一片层单元沿垂直于热流方向的尺寸为5～30μm，沿平行于热流方向尺寸为0.5～3μm；所用材料为服役高温条件下热导率低于2.5W/m·K的陶瓷材料；
第二片层单元由悬浮液滴铺展而成的颗粒堆积结构形成，致密度＜60％，单个第二热障涂层材料粉末的粒径为10～200nm；第二片层单元沿垂直于热流方向的尺寸为5～300μm，沿平行于热流方向尺寸为0.5～15μm；所用材料为服役高温条件下热导率低于2.5W/m·K的陶瓷材料。
进一步的，第一片层单元的层间结合率≤30％，相邻第一片层单元之间还包含横向尺寸为0.05～30μm，纵向尺寸0.01～0.2μm的层间微孔隙。
进一步的，第一热障涂层材料粉末和第二热障涂层材料粉末为氧化钇稳定的氧化锆、稀土锆酸盐、铈酸盐、稀土磷酸盐、稀土钽酸盐或LaMgAl11O19。
进一步的，步骤一中采用喷涂方法沉积金属，形成金属粘结层；所述的喷涂方法为真空等离子喷涂、低压等离子喷涂、超音速火焰喷涂或冷喷涂。
进一步的，步骤二中第一热障涂层材料粉末采用大气等离子喷涂、低压等离子喷涂、真空等离子喷涂或火焰喷涂沉积形成第一片层单元。
进一步的，步骤三中强流冲击冷却的预处理工艺具体包括：首先在30min内将步骤二沉积的复合层状结构热障涂层及基体同时加热升温至1000℃，然后在20s内使复合层状结构热障涂层和基体温度快速升温至1200～1450℃，且在1200～1450℃的高温阶段的停留时间小于或等于3min；然后，在5～15s内强流冲击使高温复合层状结构热障涂层的温度骤降至低温，且确保复合层状结构热障涂层降温前后的温差大于或等于800℃；强流冲击具体为：采用液流速度5～700m/s，液流直径0.1～20mm的强流冲击热障涂层。
进一步的，步骤三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2％。
进一步的，具体包含以下步骤：
步骤一，在高温合金基体表面采用空气助燃的超音速火焰喷涂工艺制备100μm厚的金属粘结层；
步骤二，采用混合喷涂的方法制备复合层状结构热障涂层：(i)采用粒径为35μm～65μm的8YSZ球形中空喷涂粉末，利用大气等离子喷涂制备出厚度100μm、层间结合率30％的第一涂层，第一涂层由若干第一片层单元(3)堆叠组成；喷涂功率为38～45kW，喷涂距离为60～140mm，走枪速率为500～1500mm/s；第一片层单元(3)横向尺寸为5～30μm，厚度为0.5～3μm；(ii)采用悬浮液液料喷涂技术喷涂纳米YSZ分散液，在已沉积的第一涂层上喷涂形成若干横向尺寸为5～300μm，纵向尺寸为0.5～15μm的第二片层单元(4)，纳米陶瓷粒径为10nm～50nmm；喷涂功率为38～45kW，喷涂距离为200～350mm，走枪速率为1500～2000mm/s，液流速率为20～50mL/min；(iii)依次重复(i)～(ii)，直至涂层总厚度达到300μm，得到复合层状结构热障涂层；
步骤三，通过火焰对复合层状结构热障涂层进行加热，8min内使复合层状结构热障涂层和基体同时升至1000℃，随后在20s内使复合层状结构热障涂层和基体快速升温至1200℃保温2min；然后采用液流速度为200m/s，液流直径为0.8mm的强流冲击复合层状结构热障涂层，使复合层状结构热障涂层温度在10s内降至200℃以下；复合层状结构热障涂层在冷却收缩过程中，受到基体的束缚而在内部产生横向拉伸应力，从而形成宏观纵向孔隙，宏观纵向孔隙沿纵向的深度为涂层厚度的80％～100％，相邻间隔为涂层厚度的1～2倍；基于以上工艺，制备出双模复合结构热障涂层。
抗烧结双模复合结构热障涂层的制备工艺所制备的抗烧结双模复合结构热障涂层。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明公开一种抗烧结双模复合结构热障涂层及其制备工艺，基于复合喷涂的制备工艺，形成致密片层与疏松多孔片层堆叠的复合层状结构，同时在复合层状结构内植入沿热流方向分布的纵向孔隙，制备出柱状、层状并存的双模复合结构热障涂层。致密片层和疏松多孔片层在烧结过程中，由于差异化的收缩而自发在界面形成若干垂直于热流方向的孔隙，可显著抵消由于层间微孔隙愈合而引发的隔热能力下降，从而达到整体抗烧结的目的；宏观纵向孔隙则可通过自身的张开和合拢而使得涂层在服役过程中无法积聚大量的应变能，从而始终保持较高的整体应变容限，达到长寿命的目的。本发明通过复合层状结构的设计，并结合柱状、层状双模结构，可使涂层在服役过程中保持较高的隔热性能和应变容限，对新一代高性能热障涂层的发展具有重要影响。
与现有技术相比，本发明提供的双模复合结构热障涂层的制备方法，包括通过复合热喷涂的方法制备复合层状结构和通过预处理工艺在复合层状结构上制备纵向孔隙。该方法基于复合片层在高温服役中的烧结收缩差异化特征，自发形成具有横向大孔隙的抗烧结结构，依赖于热障涂层特有的膜基体系制备出柱层双模结构，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为采用混合喷涂技术沉积制备的复合层状结构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柱状、层状双模复合结构的断面形貌示意图；
图3为采用强流冲击形成的具有柱状、层状双模复合结构的表面形貌示意图；
图4为热服役后烧结引发差异化收缩而形成的新孔隙的断面形貌示意图。
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。
请参阅图1至图4所示，本发明提供一种抗烧结双模复合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)表面采用空气助燃的超音速火焰喷涂工艺制备100μm厚的金属粘结层2。
随后，采用混合喷涂的方法制备陶瓷层：(i)采用粒径为35μm～65μm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100μm、层间结合率30％的第一涂层，第一涂层由第一片层单元3堆叠而成，喷涂功率为39kW，主气氩气为50L/min，辅气氢气为7L/min，喷涂距离110mm，走枪速率1200mm/s；(ii)采用悬浮液液料喷涂技术喷涂纳米YSZ分散液，在已沉积的第一涂层上喷涂形成若干横向尺寸为5～300μm，纵向尺寸为0.5～15μm的第二片层单元4,喷涂功率为39kW，主气氩气为60L/min，辅气氢气为4L/min，喷涂距离250mm，走枪速率2000mm/s，液流速率为20mL/min；(iii)依次重复(i)～(ii)，直至涂层总厚度达到～300μm，得到层状复合结构热障涂层，如图1所示。
制备结束后，通过火焰对层状复合结构热障涂层进行加热，8min内使层状复合结构热障涂层和基体1同时升至1000℃，随后在20s内使层状复合结构热障涂层和基体1快速升温至1200℃。然后采用液流速度为200m/s，液流直径为0.8mm的强流冲击，使层状复合结构热障涂层温度在10s内降至200℃以下。层状复合结构热障涂层在冷却收缩过程中，受到基体1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所示。宏观纵向孔隙沿纵向的深度约为层状复合结构热障涂层厚度的80％～100％，相邻纵向孔隙5的间隔为层状复合结构热障涂层厚度的1～2倍。基于以上工艺，制备出双模复合结构热障涂层。
本发明制备工艺所制备的抗烧结双模复合结构热障涂层，由第一片层单元3和第二片层单元4堆叠而成；第二片层单元4的陶瓷材料体积含量为10％～50％；涂层沿热流方向存在纵向孔隙5，形成柱状和层状并存的复合柱/层结构；
第一片层单元3由熔滴铺展重新凝固形成，致密度＞90％；第一片层单元3沿垂直于热流方向的尺寸为5～30μm，沿平行于热流方向尺寸为0.5～3μm；所用材料为服役高温条件下热导率低于2.5W/m·K的陶瓷材料；
第二片层单元4由悬浮液滴铺展而成的颗粒堆积结构形成，致密度＜60％，单个第二热障涂层材料粉末的粒径为10～200nm；第二片层单元4沿垂直于热流方向的尺寸为5～300μm，沿平行于热流方向尺寸为0.5～15μm；所用材料为服役高温条件下热导率低于2.5W/m·K的陶瓷材料。
相邻第二片层单元4在复合层状结构热障涂层内纵向间隔M层第一片层单元3，M为自然数，M的取值范围为1-100。
在服役过程中，由于第二片层单元4较较第一片层单元3收缩程度大，从而在第一片层单元3和第二片层单元4界面自发形成若干垂直于热流方向的孔隙6，延缓性能衰退，达到整体抗烧结的目的。
同时，柱状结构可有效缓解涂层在服役中的应变能量累积，达到长寿命服役的目的。

Claims (8)

1.抗烧结双模复合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)上沉积金属，形成金属粘结层(2)；
步骤二，通过热喷涂方法，在金属粘结层(2)上将第一热障涂层材料粉末和第二热障涂层材料粉末交替分层沉积形成复合层状结构热障涂层；第一热障涂层材料粉末沉积形成第一片层单元(3)，第二热障涂层材料粉末沉积形成第二片层单元(4)；第二片层单元(4)由悬浮液液料喷涂技术喷涂第二热障涂层材料粉末的分散液制备而成，悬浮液浓度为2～5mol/L；
步骤三，通过强流冲击冷却的预处理工艺，在复合层状结构热障涂层内形成若干纵向孔隙(5)，得到双模复合结构热障涂层；其中，纵向孔隙(5)沿双模复合结构热障涂层表面内的宽度为双模复合结构热障涂层总厚度的0.05％～5％，纵向孔隙(5)沿纵向的深度为双模复合结构热障涂层总厚度的10％～100％，相邻纵向孔隙(5)间隔为双模复合结构热障涂层总厚度的1～20倍；
第一片层单元(3)的层间结合率≤30％，相邻第一片层单元(3)之间还包含横向尺寸为0.05～30μm，纵向尺寸0.01～0.2μm的层间微孔隙；
步骤三中强流冲击冷却的预处理工艺具体包括：首先在30min内将步骤二沉积的复合层状结构热障涂层及基体同时加热升温至1000℃，然后在20s内使复合层状结构热障涂层和基体温度快速升温至1200～1450℃，且在1200～1450℃的高温阶段的停留时间小于或等于3min；然后，在5～15s内强流冲击使高温复合层状结构热障涂层的温度骤降至低温，且确保复合层状结构热障涂层降温前后的温差大于或等于800℃；强流冲击具体为：采用液流速度5～700m/s，液流直径0.1～20mm的强流冲击热障涂层。
2.根据权利要求1所述的抗烧结双模复合结构热障涂层的制备工艺，其特征在于，制备复合层状结构热障涂层时，第二热障涂层材料粉末体积含量为第一热障涂层材料粉末和第二热障涂层材料粉末总体积的10％～50％。
3.根据权利要求1所述的抗烧结双模复合结构热障涂层的制备工艺，其特征在于，相邻第二片层单元(4)在复合层状结构热障涂层内纵向间隔M层第一片层单元(3)，M为自然数，M的取值范围为1-100。
4.根据权利要求1所述的抗烧结双模复合结构热障涂层的制备工艺，其特征在于，第一片层单元(3)由熔滴铺展重新凝固形成，致密度＞90％；第一片层单元(3)沿垂直于热流方向的尺寸为5～30μm，沿平行于热流方向尺寸为0.5～3μm；所用材料为1000℃～1400℃高温条件下热导率低于2.5W/m·K的陶瓷材料；
第二片层单元(4)由悬浮液滴铺展而成的颗粒堆积结构形成，致密度＜60％，单个第二热障涂层材料粉末的粒径为10～200nm；第二片层单元(4)沿垂直于热流方向的尺寸为5～300μm，沿平行于热流方向尺寸为0.5～15μm；所用材料为1000℃～1400℃高温条件下热导率低于2.5W/m·K的陶瓷材料。
5.根据权利要求1所述的抗烧结双模复合结构热障涂层的制备工艺，其特征在于，第一热障涂层材料粉末和第二热障涂层材料粉末为氧化钇稳定的氧化锆、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所述的抗烧结双模复合结构热障涂层的制备工艺，其特征在于，步骤一中采用喷涂方法沉积金属，形成金属粘结层；所述的喷涂方法为真空等离子喷涂、低压等离子喷涂、超音速火焰喷涂或冷喷涂；步骤二所述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。
7.根据权利要求1所述的抗烧结双模复合结构热障涂层的制备工艺，其特征在于，具体包含以下步骤：
步骤一，在高温合金基体(1)表面采用空气助燃的超音速火焰喷涂工艺制备100～150μm厚的金属粘结层(2)；
步骤二，采用混合喷涂的方法制备复合层状结构热障涂层：(i)采用粒径为35μm～65μm的8YSZ球形中空喷涂粉末，利用大气等离子喷涂制备出厚度100μm、层间结合率30％的第一涂层，第一涂层由若干第一片层单元(3)堆叠组成；其中，喷涂功率为38～45kW，喷涂距离为60～140mm，走枪速率为500～1500mm/s；第一片层单元(3)横向尺寸为5～30μm，厚度为0.5～3μm；(ii)采用悬浮液液料喷涂技术喷涂纳米陶瓷分散液，在已沉积的第一涂层上喷涂形成若干横向尺寸为5～300μm，纵向尺寸为0.5～15μm的第二片层单元(4)，纳米陶瓷粒径为10nm～50nmm；其中，喷涂功率为38～45kW，喷涂距离为200～350mm，走枪速率为1500～2000mm/s，液流速率为20～50mL/min；(iii)依次重复(i)～(ii)，直至涂层总厚度达到300μm，得到复合层状结构热障涂层；
步骤三，通过火焰对复合层状结构热障涂层进行加热，8min内使复合层状结构热障涂层和基体同时升至1000℃，随后在20s内使复合层状结构热障涂层和基体快速升温至1200℃保温2min；然后采用液流速度为200m/s，液流直径为0.8mm的强流冲击复合层状结构热障涂层，使复合层状结构热障涂层温度在10s内降至200℃以下；复合层状结构热障涂层在冷却收缩过程中，受到基体的束缚而在内部产生横向拉伸应力，从而形成宏观纵向孔隙(5)，宏观纵向孔隙沿纵向的深度为涂层厚度的80％～100％，相邻间隔为涂层厚度的1～2倍；基于以上工艺，制备出双模复合结构热障涂层。
8.权利要求1至7中任一项所述的抗烧结双模复合结构热障涂层的制备工艺所制备的抗烧结双模复合结构热障涂层。
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