CN112011755B - 基于反向变形的层状热障涂层的纵向成孔方法和热障涂层 - Google Patents

基于反向变形的层状热障涂层的纵向成孔方法和热障涂层 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于反向变形的层状热障涂层的纵向成孔方法和热障涂层，采用常规的等离子喷涂工艺制备出具有低热导率的层状热障涂层，接着采用反向变形的方法在涂层内形成横向拉伸应力，在层状热障涂层内沿热流方向形成大尺度纵向孔隙，孔隙深度为涂层厚度的20％～100％，孔隙间隔是涂层厚度的0.5～10倍。在高温服役环境下，低热导率的层状结构可有效阻隔热流，起到高隔热的作用；而大尺度纵向孔隙可显著降低涂层在高温服役中的整体刚化程度，从而通过低致裂的设计起到大幅延长涂层服役寿命的效果。本发明实现了低温下在高隔热层状热障涂层内形成大尺度纵向孔隙的目的，有望达到高隔热、长寿命的协同优化效果。

Description

基于反向变形的层状热障涂层的纵向成孔方法和热障涂层
技术领域
本发明涉及涂层技术领域，特别涉及一种热障涂层的制备方法和热障涂层。
背景技术
热障涂层广泛应用于航空发动机和地面燃机，主要功能是降低金属基热端部件的承载温度，避免其在高于自身承温极限的环境下失效。例如，目前H级重型燃机的透平入口温度已达到1600℃，要求热端部件的承温能力达到1400℃以上。然而，目前最先进的单晶高温合金的承温极限仅为约1100℃。因此，必须采取相应的降温防护措施来确保热端部件稳定运行。热障涂层是目前航空发动机和地面燃机必备的隔热防护措施之一，在金属基热端部件表面涂覆300～1000μm的热障涂层，可实现100～300℃的温度降。因此，热障涂层是航空发动机和地面燃机等高端装备的核心技术之一。
等离子喷涂是热障涂层的主要制备方法之一。等离子喷涂热障涂层呈现出片层堆叠的层状结构，片层间存在大量垂直于热流方向的孔隙，可有效阻隔热流，使得其热导率降至相应块材的50％以下。这意味着，相同厚度下，等离子喷涂热障涂层的隔热能力将提高一倍以上。然而，等离子喷涂热障涂层的主要缺点是高温服役后易开裂剥落，其较短的服役寿命带来巨大的维修成本。因此，提高等离子喷涂热障涂层的服役寿命是当前亟需解决的难点问题。
等离子喷涂服役后易开裂剥落，主要原因是高温烧结使得涂层内的微孔隙大量愈合，涂层整体显著刚化。由于涂层的开裂驱动力与刚化程度正相关，因此显著刚化的涂层无疑增加了其开裂驱动力。而降低开裂驱动力有效的方法就是减小涂层的刚化程度。通过在涂层内引入若干平行于热流方向的纵向孔隙，可使涂层整体在高温服役中保持较低的表观弹性模量，即，显著弱化涂层的刚化程度，达到延寿命的目的。
目前，在等离子喷涂热障涂层内引入大尺度纵向孔隙的瓶颈问题是如何在高隔热的层状结构内引入纵向孔隙。高隔热层状结构内的大量层间微孔隙不仅可以起到阻隔热流的作用，而且可以和片层内固有的微裂纹相连接形成微孔隙网，使得涂层具有较高的应变容限，即较低的表观弹性模量。现有方法主要集中在两方面：(1)获取较为致密的结构，将结构致密化，通过增大表观弹性模量来得到较大的成孔应力，然后纵向成孔；然而较为致密的结构不免牺牲了涂层纵向的隔热能力；(2)提高涂层的预处理温度(多为800℃～1400℃)来获取较大的收缩变形，以此增加成孔应力，然而较高的温度往往不可避免引起涂层的烧结致密化，亦对涂层的隔热有一定的削弱作用。
因此，有必要在低温条件下发展高隔热层状热障涂层纵向成孔的方法，避免烧结的同时强化涂层的应变容限，降低涂层在高温服役中的表观刚化程度，从而在保持等离子喷涂热障涂层高隔热的功能优势的基础上显著延长其服役寿命，以服务于未来先进热障涂层的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供基于反向变形的层状热障涂层的纵向成孔方法和热障涂层，使热障涂层在保持优异的隔热功能的同时，通过纵向孔隙显著弱化涂层在高温服役中的宏观刚化程度，降低开裂驱动力实现长寿命服役的目的，以满足先进热障涂层的服役需求。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于反向变形的层状热障涂层的纵向成孔方法，包含以下步骤：
步骤1，在基体上沉积金属粘结层；
步骤2，在金属粘结层上沉积陶瓷隔热层，金属粘结层和陶瓷隔热层组成热障涂层，沉积过程中基体温度不高于200℃；陶瓷隔热层由片层单元堆叠而成，相邻片层单元之间具有层间孔隙和层内裂纹，陶瓷隔热层沿热流方向的热导率小于等于陶瓷隔热层材料本征热导率的40％；
步骤3，采用基体加热、热障涂层冷却的方法，在高隔热层状热障涂层内形成纵向孔隙，纵向孔隙间隔为涂层厚度的0.5～10倍，孔隙深度为涂层厚度的20％～100％。
进一步的，步骤3包括以下步骤：
步骤3.1、将热障涂层及基体同时加热升温至200～500℃；
步骤3.2、将基体继续加热至600～800℃的同时冷却热障涂层，使热障涂层和基体温度相差500℃以上，此时热障涂层内形成纵向孔隙。
进一步的，步骤3中，用水流冲击的方法使热障涂层冷却，水流的速度为5m/s～100m/s，压力为5MPa～25MPa。
进一步的，步骤2中，陶瓷隔热层选用服役温度在1000℃～1400℃时本征热导率低于2.5W/m·K的陶瓷材料。
进一步的，步骤1中，在基体上沉积的金属粘结层厚度为50μm～200μm。
进一步的，步骤2中，在金属粘结层上沉积的陶瓷隔热层厚度为200μm～1000μm。
一种具有纵向孔隙的热障涂层，包括金属粘结层和设置在金属粘结层上的陶瓷隔热层，陶瓷隔热层由片层单元堆叠而成，相邻片层单元之间具有层间孔隙和层内裂纹，热障涂层内具有纵向孔隙。
进一步的，纵向孔隙之间的间隔是热障涂层厚度的0.5～10倍，纵向孔隙深度为热障涂层厚度的20％～100％。
进一步的，片层单元垂直于热流方向的尺寸为3μm～50μm，沿热流方向的尺寸为0.3μm～8μm；层间微孔隙在垂直于热流方向尺寸为3μm～50μm、平行于热流方向尺寸为0.001～1μm，层内微裂纹在垂直于热流方向尺寸为0.001μm～0.5μm，平行于热流方向尺寸为0.3μm～8μm。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明公开一种基于反向变形的高隔热层状热障涂层的低温纵向成孔方法，在高隔热的等离子喷涂热障涂层内，引入大尺度纵向孔隙。热障涂层在不超过600℃的低温条件下反向变形，来达到纵向成孔的目的，不仅可以实现高隔热层状结构纵向成孔，而且可以完全避免陶瓷层在高温下烧结引发初始结构的变化。一方面结构是高隔热的层状结构，另一方面陶瓷层的预处理温度是300～500℃，低于其800℃以上的烧结温度，实现高隔热、长寿命的协同优化。
本发明通过对工程化应用广泛的等离子喷涂涂层进行短时间内升温降温的预热处理，使基体和涂层的呈现反向变形，将层状结构的隔热功能优势与纵向孔隙的低致裂优势进行合理结合，在保持高隔热的前提下，显著提升涂层的服役寿命，对新一代高性能热障涂层的结构设计具有重要影响。
由于沉积涂层时，基体温度不超过200℃，所以层间存在大量的未结合区域，即所需要的高隔热结构。本发明在显著延长涂层服役寿命的同时，不削弱纵向的隔热功能，对长寿命等离子喷涂热障涂层的工程化制备亦起到较好的指导作用，可使等离子喷涂高隔热层状涂层在纵向孔隙的作用下兼具高应变容限。本发明以低成本成熟的等离子喷涂工艺为基础，在低温条件下实现纵向成孔，具有可行性强、可快速实现工程化应用的特征。
进一步的，陶瓷隔热层所选材料为在服役温度为1000℃～1400℃的条件下，本征热导率低于2.5W/m·K的陶瓷材料，确保涂层具有高的隔热功能。
进一步的，使热障涂层温度骤降的方法为水流冲击，选择液流速度为5m/s～100m/s、压力为5MPa～25MPa的水流，水流具有安全、降温效果好、经济易操作的优点。
一种具有纵向孔隙的热障涂层，包括金属粘结层和设置在金属粘结层上的陶瓷隔热层，所述陶瓷隔热层由片层单元堆叠而成，所述相邻片层单元之间具有层间孔隙和层内裂纹，所述热障涂层内具有纵向孔隙。纵向大孔隙可显著抑制涂层在高温服役中整体的刚化程度，降低开裂驱动力，得到高隔热、长寿命、低成本制备的热障涂层。
纵向孔隙之间的间隔是涂层厚度的0.5～10倍，孔隙深度为涂层厚度的20％～100％。纵向孔隙用于降低涂层横向的表观弹性模量，增强涂层的应变容限，起到有效缓解应力、抗开裂的目的。纵向孔隙间隔理论上越小越好，但是太小了(比如小于0.5倍)，不仅工程上难以制备，而且会和片层间孔隙相连，引发微观开裂；太大了(比如大于10倍)，则缓解应力的效果非常有效，无法很好地起到抗开裂的目的。孔隙深度超过涂层厚度的20％能有效缓解应力的作用。
附图说明
图1为基于反向变形的高隔热层状热障涂层纵向成孔的断面形貌低倍视图；
图2为基于反向变形的高隔热层状热障涂层纵向成孔的断面形貌高倍视图；
图3为基于反向变形的高隔热层状热障涂层纵向成孔的表面形貌低倍视图；
图4为基于反向变形的高隔热层状热障涂层纵向成孔的表面形貌高倍视图；
图5为具有纵向孔隙的热障涂层示意图；
图6为图5的A-A’处剖视图；
图1-4属于实施例1。
附图中：1、金属基体，2、金属粘结层，3、陶瓷隔热层，4、片层单元，5、层间微孔隙，6、层内微裂纹，7、纵向孔隙。
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。
一种基于反向变形的高隔热层状热障涂层的低温纵向成孔方法，包含以下步骤：
步骤1，采用热喷涂的方法，在金属基体1上沉积厚度为50μm～200μm金属粘结层2，厚度小于50μm无法起到有效的粘接和抗氧化作用，厚度大于200μm则易导致涂层开裂失效；金属粘结层2的热喷涂方法为冷喷涂、等离子喷涂或超音速火焰喷涂。
步骤2，采用等离子喷涂的方法，在金属粘结层2上沉积厚度为200μm～1000μm的陶瓷隔热层3，厚度小于200μm无法起到有效的隔热作用，厚度大于1000μm则易导致涂层开裂失效。沉积过程中基体温度不高于200℃，温度高于200℃，片层间未结合区域会显著减小，无法达到高隔热的效果；陶瓷隔热层由片层单元4堆叠而成，片层单元4垂直于热流方向的尺寸为3μm～50μm，沿热流方向的尺寸为0.3μm～8μm；相邻片层单元4之间还具有层间孔隙5和层内裂纹6，层间微孔隙5在垂直于热流方向尺寸为3μm～50μm、平行于热流方向尺寸0.001～1μm，层内微裂纹6在垂直于热流方向尺寸为0.001μm～0.5μm，平行于热流方向尺寸0.3μm～8μm。
步骤3，采用基体加热、热障涂层冷却的反向处理方法，在高隔热层状热障涂层内形成纵向孔隙7，纵向孔隙7间隔是涂层厚度的0.5～10倍，孔隙深度不低于涂层厚度的20％。具体操作为：首先，在3min～10min内将热障涂层及金属基体1同时加热升温至200～500℃。随后，在将金属基体1继续加热至600～800℃，同时用液流速度为5m/s～100m/s、压力为5MPa～25MPa的水流冲击陶瓷隔热层3，使热障涂层冷却，使陶瓷隔热层3和金属基体1升温后温度相差500℃以上。本操作的关键是基体加热的同时，涂层降温，由于两者连在一起，所以水流速度和压力不能过低，过低达不到降温的效果；也不能过高，过高则易影响到基体的加热。
纵向孔隙主要是降低涂层横向的表观弹性模量，增强涂层的应变容限，起到有效缓解应力、抗开裂的目的。纵向孔隙间隔理论上越小越好，但是太小了(比如小于0.5倍)，不仅工程上难以制备，而且会和片层间孔隙相连，引发微观开裂；太大了(比如大于10倍)，则缓解应力的效果非常有效，无法很好地起到抗开裂的目的。
由于涂层的开裂驱动力和厚度正相关，深度过小的话，起不到有效缓解应力的作用，只有表层一小部分释放，其他还是高应力状态，涂层还是容易开裂。
其中，使热障涂层温度骤降的方法为水流冲击，选择液流速度为5m/s～100m/s、液流直径为5mm～20mm、压力为5MPa～25MPa的水流。
采用上述方法制得的具有纵向孔隙的热障涂层如图6所示，包括金属粘结层2和设置在金属粘结层上的陶瓷隔热层3，所述陶瓷隔热层由片层单元4堆叠而成，所述相邻片层单元4之间具有层间孔隙5和层内裂纹6，所述热障涂层内具有纵向孔隙7。纵向孔隙7之间的间隔是涂层厚度的0.5～10倍，孔隙深度为涂层厚度的20％～100％。
实施例1
一种基于反向变形的高隔热层状热障涂层的低温纵向成孔方法，包含以下步骤：
步骤1，选取圆片状镍基高温合金作为金属基体1，圆片状镍基高温合金直径为25.4mm，厚度3mm，型号为Inconel738。采用等离子喷涂工艺在金属基体1上表面制备80μm厚的金属粘结层2。金属粘结层2的材料选用球形NiCoCrAlTaY粉末，粒径为10μm～50μm。喷涂功率为35kW，主气氩气为40L/min，辅气氢气为7L/min，喷涂距离120mm，走枪速率600mm/s。
步骤2，采用等离子喷涂工艺在金属粘结层2上制备500μm的陶瓷隔热层3。陶瓷涂层的粉末选用40μm～80μm的氧化钇稳定氧化锆球形中空粉末(YSZ)；在制备的过程中，控制金属基体1的沉积温度不超过100℃。陶瓷隔热层3由片层单元4堆叠而成，片层单元4之间存在大量的未结合区域，即微孔隙5。片层单元4沿垂直于热流方向的尺寸为3μm～50μm，沿平行于热流方向尺寸为0.3μm～8μm；相邻片层单元4之间的层间微孔隙5在垂直于热流方向尺寸为3μm～50μm、平行于热流方向尺寸为0.001μm～1μm；片层内微裂纹6在垂直于热流方向尺寸为0.001μm～0.5μm，平行于热流方向尺寸为0.3μm～8μm。喷涂功率为39kW，主气氩气为60L/min，辅气氢气为4L/min，喷涂距离为80mm，走枪速率为600mm/s。
步骤3，采用反向加热的方法使层状热障涂层形成纵向孔隙7，具体包括以下步骤：
步骤3.1，采用O2-C3H8火焰对步骤2得到的具有陶瓷隔热层3和金属粘结层2的基体进行加热，4min内使金属基体1、金属粘结层2和陶瓷隔热层3同时升至400℃。
步骤3.2，基体继续采用O2-C3H8火焰加热至800℃，基体继续加热的同时采用水流冲击陶瓷隔热层3，使陶瓷隔热层3的温度降至100℃，陶瓷隔热层3降温后和金属基体1升温后的温度相差700℃。水流压力为7MPa，液流速度10m/s，液流直径10mm。在金属基体1受热膨胀和陶瓷隔热层3冷却收缩的反向变形作用下，在陶瓷隔热层3内产生较大的横向拉伸应力，在步骤2形成的层状陶瓷隔热层3内形成纵向孔隙7，纵向指平行于热流方向。陶瓷隔热层3和金属基体1的表面温度采用红外测温仪测定，测定陶瓷隔热层3的波长为10μm发射率分别标定为1，测定金属基体1波长为2μm，发射率标定为0.91。
基于以上步骤1～步骤3，在高隔热层状热障涂层内制备出大尺度纵向孔隙，如图1～4所示。该热障涂层沿热流方向的热导率是0.8±0.2W·m-1·K-1，小于等于YSZ材料本征热导率(2.5W·m-1·K-1)的40％，大尺度纵向孔隙7深度为涂层厚度的30％～60％，纵向孔隙7间隔为涂层厚度的1.4倍～3倍。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤3.2中，采用的水流压力为21MPa，所得纵向孔隙深度为涂层厚度的30％～60％，孔隙间隔为涂层厚度的0.6倍～4倍。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤1中，在金属基体1上沉积厚度为50μm的金属粘结层2，步骤2中，在金属粘结层2上沉积厚度为200μm的陶瓷隔热层3。步骤3中，在3min内将热障涂层及金属基体1同时加热升温至200℃，再将金属基体1继续加热至600℃，同时用液流速度为50m/s，压力为5MPa的水流冲击陶瓷隔热层3，使陶瓷隔热层3和金属基体1升温后温度相差550℃。
实施例5
本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤1中，在金属基体1上沉积厚度为200μm的金属粘结层2，步骤2中，在金属粘结层2上沉积厚度为1000μm的陶瓷隔热层3。步骤3中，在10min内将热障涂层及金属基体1同时加热升温至500℃，再将金属基体1继续加热至700℃，同时用液流速度为100m/s，压力为15MPa的水流冲击陶瓷隔热层3，使陶瓷隔热层3和金属基体1升温后温度相差650℃。
实施例6
本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤1中，在金属基体1上沉积厚度为120μm的金属粘结层2，步骤2中，在金属粘结层2上沉积厚度为600μm的陶瓷隔热层3。步骤3中，在6min内将热障涂层及金属基体1同时加热升温至350℃，再将金属基体1继续加热至800℃，同时用液流速度为52m/s，压力为25MPa的水流冲击陶瓷隔热层3，使陶瓷隔热层3和金属基体1升温后温度相差600℃。

Claims (8)

1.基于反向变形的层状热障涂层的纵向成孔方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1，在基体上沉积金属粘结层(2)；
步骤2，在金属粘结层(2)上沉积陶瓷隔热层(3)，金属粘结层(2)和陶瓷隔热层(3)组成热障涂层，沉积过程中基体温度不高于200℃；陶瓷隔热层由片层单元(4)堆叠而成，相邻片层单元(4)之间具有层间孔隙(5)和层内裂纹(6)，陶瓷隔热层(3)沿热流方向的热导率小于等于陶瓷隔热层材料本征热导率的40％；
步骤3，采用基体加热、热障涂层冷却的方法，在高隔热层状热障涂层内形成纵向孔隙(7)，纵向孔隙(7)间隔为涂层厚度的0.5～10倍，孔隙深度为涂层厚度的20％～100％；
步骤3包括以下步骤：
步骤3.1、将热障涂层及基体同时加热升温至200～500℃；
步骤3.2、将基体继续加热至600～800℃的同时冷却热障涂层，使热障涂层和基体温度相差500℃以上，此时热障涂层内形成纵向孔隙(7)。
2.根据权利要求1所述的基于反向变形的层状热障涂层的纵向成孔方法，其特征在于，所述步骤3中，用水流冲击的方法使热障涂层冷却，所述水流的速度为5m/s～100m/s，压力为5MPa～25MPa。
3.根据权利要求1所述的基于反向变形的层状热障涂层的纵向成孔方法，其特征在于，所述步骤2中，陶瓷隔热层(3)选用服役温度在1000℃～1400℃时本征热导率低于2.5W/m·K的陶瓷材料。
4.根据权利要求1所述的基于反向变形的层状热障涂层的纵向成孔方法，其特征在于，所述步骤1中，在基体上沉积的金属粘结层(2)厚度为50μm～200μm。
5.根据权利要求1所述的基于反向变形的层状热障涂层的纵向成孔方法，其特征在于，所述步骤2中，在金属粘结层(2)上沉积的陶瓷隔热层(3)厚度为200μm～1000μm。
6.一种采用权利要求1所述的方法制备的具有纵向孔隙的热障涂层，其特征在于，包括金属粘结层(2)和设置在金属粘结层上的陶瓷隔热层(3)，所述陶瓷隔热层由片层单元(4)堆叠而成，所述相邻片层单元(4)之间具有层间孔隙(5)和层内裂纹(6)，所述热障涂层内具有纵向孔隙(7)。
7.根据权利要求6所述的一种具有纵向孔隙的热障涂层，其特征在于，所述纵向孔隙(7)之间的间隔是热障涂层厚度的0.5～10倍，纵向孔隙(7)深度为热障涂层厚度的20％～100％。
8.根据权利要求6所述的一种具有纵向孔隙的热障涂层，其特征在于，所述片层单元(4)垂直于热流方向的尺寸为3μm～50μm，沿热流方向的尺寸为0.3μm～8μm；所述层间微孔隙(5)在垂直于热流方向尺寸为3μm～50μm、平行于热流方向尺寸为0.001～1μm，所述层内微裂纹(6)在垂直于热流方向尺寸为0.001μm～0.5μm，平行于热流方向尺寸为0.3μm～8μm。
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