CN113930710B - 一种热障涂层材料、其制备方法及应用 - Google Patents

一种热障涂层材料、其制备方法及应用 Download PDF

Info

Publication number
CN113930710B
CN113930710B CN202111196349.3A CN202111196349A CN113930710B CN 113930710 B CN113930710 B CN 113930710B CN 202111196349 A CN202111196349 A CN 202111196349A CN 113930710 B CN113930710 B CN 113930710B
Authority
CN
China
Prior art keywords
ceramic
thermal barrier
barrier coating
coating
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111196349.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113930710A (zh
Inventor
黄继波
黄仁忠
张小锋
王卫泽
黄新春
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Original Assignee
Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences filed Critical Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Priority to CN202111196349.3A priority Critical patent/CN113930710B/zh
Publication of CN113930710A publication Critical patent/CN113930710A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113930710B publication Critical patent/CN113930710B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134—Plasma spraying
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
    • C23C4/073—Metallic material containing MCrAl or MCrAlY alloys, where M is nickel, cobalt or iron, with or without non-metal elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/10—Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
    • C23C4/11—Oxides
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/611—Coating

Abstract

本发明公开了一种热障涂层材料、其制备方法及应用，涉及热障涂层技术领域。热障涂层包括依次设置的合金基体、粘结层、陶瓷过渡层和陶瓷面层，陶瓷过渡层的孔隙率为1‑8％，陶瓷面层包括具有多个微裂纹的涂层基体和嵌入涂层基体中的多孔陶瓷颗粒。在陶瓷面层中通过形成微裂纹能够改善热障涂层的横向变形顺应能力，改善涂层的应变容限；多孔陶瓷颗粒强化热障涂层的隔热能力，吸收形变能量的作用，降低热障涂层在服役过程中承受到的应力。因此，本发明提供的热障涂层能够使涂层充分发挥高应变容限且抗界面开裂能力强的优点，涂层热循环寿命获得显著提高。

Description

一种热障涂层材料、其制备方法及应用
技术领域
本发明涉及热障涂层技术领域，具体而言，涉及一种热障涂层材料、其制备方法及应用。
背景技术
热障涂层广泛应用于燃气轮机和航空发动机热端部件，利用陶瓷隔热和抗腐蚀的特点来保护金属材料，不仅可以提高发动机的燃油效率，还能极大地延长发动机的服役寿命。目前，热障涂层已成功应用于燃烧室、叶片、尾喷管和其他热端部件的热防护，已成为先进燃气轮机设计中的关键要素，广泛应用于发电、船用和航空发动机等各种现代燃气轮机中。多代发动机的实际应用证明热障涂层技术是保护发动机部件不受高温破坏的最有效方法。
尽管热障涂层作为高温部件表面的保护性涂层技术在燃气轮机和航空发动机中已获得了成功应用，但在严苛服役环境下，热障涂层面临高温、高压和热冲击的挑战。一旦涂层发生过早退化或失效，被其保护的合金将直接暴露在过高温度中，这对整个燃气轮机的安全性和可靠性造成隐患和威胁。因此，如何进一步改善热障涂层的寿命一直是人们密切关注和亟待解决的重要问题。
此外，未来燃气轮机还将向着更高发动机效率和性能的方向发展，越来越高的服役温度对当前热障涂层体系带来巨大挑战。为满足日益严苛的服役环境需求，开发更高性能新型热障涂层技术，提高涂层的耐久性和隔热性能，对于燃气轮机技术的进一步发展具有重要意义。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热障涂层材料、其制备方法及应用，旨在显著提升涂层的应变容限和抗开裂能力，改善热障涂层的服役性能，延长涂层热循环寿命。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种热障涂层材料，包括合金基体和在合金基体上依次沉积的粘结层、陶瓷过渡层和陶瓷面层，陶瓷过渡层的孔隙率为1-8％，陶瓷面层包括具有多个微裂纹的涂层基体和嵌入涂层基体中的多孔陶瓷颗粒。
第二方面，本发明提供前述实施方式中热障涂层材料的制备方法，包括：在合金基体上沉积粘结层，在粘结层上沉积陶瓷过渡层，在陶瓷过渡层上形成陶瓷面层；其中，陶瓷面层的制备过程包括：在陶瓷过渡层上形成具有多个微裂纹的涂层基体，在涂层基体中形成嵌入的多孔陶瓷颗粒。
第三方面，本发明提供前述实施方式中热障涂层材料或前述实施方式中任一项制备方法制备得到的热障涂层材料在燃气轮机中的应用。
本发明具有以下有益效果：发明人改进了热障涂层材料的多层结构，包括合金基体、粘结层、陶瓷过渡层和陶瓷面层，在陶瓷面层中通过形成微裂纹能够改善热障涂层的横向变形顺应能力，从而缓解热障涂层陶瓷层与底下金属材料间的热膨胀性不匹配问题，降低热障涂层在热震过程中产生的热应力；通过设计弥散分布的多孔陶瓷颗粒强化热障涂层的隔热能力，同时多孔颗粒在涂层中还起到吸收形变能量的作用，从而降低热障涂层在服役过程中承受到的应力。此外，利用致密的陶瓷过渡层有利于阻碍环境中的氧气和腐蚀介质进入到粘结层，从而抑制热障涂层粘结层和陶瓷层界面的氧化物生长，从而改善该体系热障涂层的氧化失效。
因此，本发明实施例所提供的热障涂层的结构设计，能够使涂层充分发挥高应变容限且抗界面开裂能力强的优点，涂层热循环寿命获得显著提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的热障涂层的结构图。
图标：100-热障涂层材料；110-合金基体；120-粘结层；130-陶瓷过渡层；140-陶瓷面层；141-涂层基体；142-多孔陶瓷颗粒；143-微裂纹。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
热障涂层长寿命设计中需要涂层同时拥有优良的应变容限和抗开裂能力。其中，优良的应变容限有助于缓解陶瓷层与金属基体间的热膨胀不匹配，从而降低热障涂层在热循环过程中产生的热应力；优良抗开裂性能有利于抑制应力驱动下涂层内的裂纹扩展行为，尤其是粘结层/陶瓷层界面附近的陶瓷层作为热障涂层发生开裂的薄弱部位，对其抗开裂性能的改善极为关键。
发明人通过优化热障涂层的结构，在陶瓷面层中引入微裂纹和多孔陶瓷颗粒，达到了同时改善应变容限和抗开裂能力的目的。
请参照图1，本发明实施例提供一种热障涂层材料100，包括依次设置的合金基体110、粘结层120、陶瓷过渡层130和陶瓷面层140，发明人主要改进了陶瓷过渡层130和陶瓷面层140，陶瓷过渡层130是一层致密的陶瓷层，陶瓷面层140具有微裂纹143和多孔陶瓷颗粒142复合结构。
合金基体110是指一般的耐高温合金，可以为镍基高温合金，钴基高温合金和铝合金，具体种类在此不做具体限定，其厚度大致为1-100mm。
粘结层120可以是一般的金属粘结层120，其采用的原料可以为NiCrAlY，NiCoCrAlY和NiAl，具体种类在此不做限定，其厚度大致为50-300μm。
陶瓷过渡层130是一层致密的涂层结构，其孔隙率为1-8％，如1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％等，具有高致密度、高界面结合强度的特点。
陶瓷面层140包括具有多个微裂纹143的涂层基体141和嵌入涂层基体141中的多孔陶瓷颗粒142。发明人创造地，同时利用微裂纹143和多孔陶瓷颗粒142(作为多孔型第二相颗粒)改善涂层的性能。
在一些实施例中，陶瓷面层140中的每个微裂纹143均沿涂层厚度方向延伸，且与涂层基体141的轴线的夹角均为0-45°；优选地，每个微裂纹143与涂层基体141的轴线的夹角均为0-20°。倾向于垂直基体方向的微裂纹弥散均布于涂层基体中才更有利于改善热障涂层的横向变形顺应能力，缓解热障涂层陶瓷层与底下金属材料间的热膨胀性不匹配问题。
需要说明的是，通过设计弥散分布的垂直基体方向的微裂纹143改善热障涂层的横向变形顺应能力，从而缓解热障涂层陶瓷层与底下金属材料间的热膨胀性不匹配，降低热障涂层在热震过程中产生的热应力；通过设计弥散分布的多孔陶瓷颗粒142强化热障涂层的隔热能力，同时多孔陶瓷颗粒142在涂层中还起到吸收形变能量的作用，从而降低热障涂层在服役过程中承受到的应力。
热障涂层材料100中的粘结层120界面上方的致密陶瓷过渡层130起增强涂层界面抗开裂的作用，从而避免仅采用含微裂纹和多孔颗粒的陶瓷面层140对热障涂层界面抗开裂性和结合强度的降低。此外，在粘结层界面上方设置的致密陶瓷过渡层130有利于阻碍环境中的氧气和腐蚀介质进入到粘结层，从而抑制热障涂层粘结层和陶瓷层界面的氧化物生长，从而改善该体系热障涂层的氧化失效。因此，粘结层界面上方的致密过渡陶瓷层也弥补了含微裂纹和多孔颗粒的陶瓷顶层隔绝氧、腐蚀介质较弱的缺陷。
通过上述分析可知，热障涂层材料100的结构设计能够使涂层充分发挥高应变容限且抗界面开裂能力强的优点，涂层热循环寿命获得显著提高。
为进一步提升热障涂层材料100的热循环使用寿命，对陶瓷面层140以及陶瓷过渡层130的参数做了进一步优化：
在一些实施例中，陶瓷面层140的厚度为50-2000μm，优选为200-1000μm；陶瓷过渡层130的厚度为10-100μm，优选为20-60μm。一般而言，控制陶瓷面层140的厚度大于陶瓷过渡层130为宜。
在一些实施例中，微裂纹143的分布密度为1000-8000条/mm2；每个微裂纹143的长度为10-100μm，宽度为0.1-2μm。控制微裂纹143均匀且密集地进行分布，进一步改善涂层的横向变形顺应能力。
在一些实施例中，陶瓷面层140中的多孔陶瓷颗粒142的粒径为5-100μm，颗粒的分布密度为500-10000个/mm2；优选地，陶瓷面层140中的多孔陶瓷颗粒142的粒径为20-50μm，颗粒的分布密度为2000-5000个/mm2。通过进一步控制多孔陶瓷颗粒的尺寸，并使陶瓷颗粒弥散分布，能够有效吸收形变能量，降低热障涂层在服役过程中承受到的应力。
需要说明的是，陶瓷面层140以及陶瓷过渡层130的具体参数控制在上述范围内为宜，可以在上述范围内任意取值均在保护范围内。陶瓷面层140的厚度根据使用需要进行选定，一般在200-1000微米。
本发明实施例还提供一种热障涂层材料的制备方法，用于制备上述热障涂层结构，包括：在合金基体110上沉积粘结层120，在粘结层120上沉积陶瓷过渡层130，在陶瓷过渡层130上形成陶瓷面层140。
其中，粘结层120的制备过程属于现有技术，在此不做详细说明。
在一些实施例中，陶瓷过渡层130是采用等离子喷涂的方式进行沉积，喷涂功率为40-100kW，以使陶瓷粉末在完全熔融的状态下实现沉积，形成致密的涂层。在实际操作过程中，需要在沉积之前先将待喷涂样件预热到400-700℃。
进一步地，陶瓷过渡层130所使用的陶瓷粉末的粒径为15-45μm，其粒径较小，以形成更为致密的涂层。陶瓷粉末为致密结构(不限定种类)，优选为熔融破碎型粉末，这种粉末均为市购产品，是指由完全熔融的陶瓷材料冷却后得到的致密结构并破碎成15-45μm的待喷涂陶瓷粉末。采用粒径较小、结构较为致密的粉末有利于形成高强度的界面结合，有利于过渡陶瓷层的强化。
陶瓷面层140的制备过程包括：在陶瓷过渡层130上形成具有多个微裂纹143的涂层基体141，在涂层基体141中形成嵌入的多孔陶瓷颗粒142。其中，多孔微裂纹143的形成是非常困难的，垂直方向、弥散分布的垂直微裂纹更是难以获得。发明人偶然发现采用本发明实施例中所提供的方法能够形成多孔微裂纹143，达到显著提升应变容限的目的。
在一些实施例中，陶瓷面层140是利用等离子喷涂的方式，利用颗粒团聚烧结型陶瓷粉末形成具有多个微裂纹143的涂层基体141，利用多孔形貌的陶瓷颗粒形成嵌入涂层基体141中的多孔陶瓷颗粒142，采用两种形貌的陶瓷粉末控制得到涂层的微观结构。其中，颗粒团聚烧结型陶瓷粉末是指由亚微米级颗粒原始粉末团聚后烧结造粒成粒径为20-100μm的待喷涂陶瓷粉末，该粉末和多孔形貌的陶瓷颗粒均为市购产品。
进一步地，具有多个微裂纹143的涂层基体141的制备过程包括：采用颗粒团聚烧结型陶瓷粉末在等离子喷涂中融化形成沉积体，通过对沉积体进行快速冷却，使沉积体在热应力作用下形成微裂纹143。在实际操作过程中，在涂层基体141进行涂层沉积之前，将待喷涂样件预热到400-700℃。
“快速冷却”是指在形成沉积体之后立即进行冷却。冷却所采用的方式不限，可以为压缩空气或水冷的方式。
具体地，用于形成涂层基体141的粉末粒径为20-100μm，粉末中是包含不同大小颗粒，可以通过筛分得到上述粒径范围的粉末及上述范围内的任意范围的粉末，如20-40μm、40-60μm、60-80μm、80-100μm。20-100微米是市购等离子喷涂制备热障涂层是常用的一个较优粉末的范围。
进一步地，嵌入涂层基体141中的多孔陶瓷颗粒142的形成过程包括：利用多孔形貌的陶瓷颗粒从远离等离子焰流高温段的区域独立喷射嵌入至涂层基体141中。涂层基体141是在高温段形成，多孔陶瓷颗粒142嵌入时在远离高温段的区域进行喷射，以嵌入涂层基体141中。
具体地，多孔形貌的陶瓷颗粒的粒径为20-50μm，多孔形貌的陶瓷颗粒的尺寸较小，若粒径过大可能会进一步导致陶瓷面层的隔绝氧、腐蚀介质较弱的缺陷，不利于整体性能的提升。
具体地，形成陶瓷过渡层130和陶瓷面层140的过程中所使用的陶瓷粉末均选自氧化钇稳定氧化锆、氧化镁稳定氧化锆、氧化钙稳定氧化锆、氧化铈稳定氧化锆、锆酸镧和锆酸钆中的至少一种。在市面上可以直接购买得到以上几种陶瓷粉末对应的颗粒团聚型产品和多孔形貌的产品。
本发明实施例还提供上述热障涂层在燃气轮机中的应用，由于其具备高应变容限、抗界面开裂的性能，显著提升了涂层的热循环使用寿命，增加了燃气轮机的服役寿命。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种热障涂层材料的制备方法，其形成如图1中所示的热障涂层结构，具体包括如下步骤：
(1)合金基体110是采用材质为型号为GH5188的钴基高温合金形成，厚度为6mm。
(2)在合金基体110上沉积粘结层120：采用NiCrAlY材料利用等离子表面喷涂的方式在合金基体110上形成粘结层120，控制厚度为120μm。
(3)在粘结层120上沉积陶瓷过渡层130：先将待喷涂样件预热到约500℃，利用粒径为10-45μm的熔融破碎型的氧化钇稳定氧化锆粉末，采用高功率等离子喷涂状态下以完全熔融的形式实现沉积，控制喷涂功率为45kW，控制陶瓷过渡层130的厚度为20μm。
(4)在陶瓷过渡层130上形成陶瓷面层140：将待喷涂样件预热到600℃，采用颗粒团聚烧结型陶瓷粉末在等离子喷涂中融化形成沉积体，通过采用压缩空气对沉积体进行快速冷却，使沉积体在热应力作用下形成微裂纹143得到涂层基体141；利用多孔形貌的陶瓷颗粒从远离等离子焰流高温段的区域独立喷射嵌入至涂层基体141中。颗粒团聚烧结型陶瓷粉末为粒径分布为20-60μm的氧化钇稳定氧化锆粉末，多孔形貌的陶瓷颗粒为粒径分布为20-50μm的氧化钇稳定氧化锆粉末，控制陶瓷面层140的厚度为300μm。
实施例2
本实施例提供一种热障涂层材料的制备方法，其形成如图1中所示的热障涂层结构，具体包括如下步骤：
(1)合金基体110是采用材质为型号为GH5188的钴基高温合金形成，厚度为6mm。
(2)在合金基体110上沉积粘结层120：采用NiCrAlY材料利用等离子表面喷涂的方式在合金基体110上形成粘结层120，控制厚度为120μm。
(3)在粘结层120上沉积陶瓷过渡层130：先将待喷涂样件预热到约500℃，利用粒径为10-45μm的熔融破碎型的氧化钇稳定氧化锆粉末，采用高功率等离子喷涂状态下以完全熔融的形式实现沉积，控制喷涂功率为45kW，控制陶瓷过渡层130的厚度为60μm。
(4)在陶瓷过渡层130上形成陶瓷面层140：将待喷涂样件预热到600℃，采用颗粒团聚烧结型陶瓷粉末在等离子喷涂中融化形成沉积体，通过采用水淬的方式对沉积体进行快速冷却，使沉积体在热应力作用下形成微裂纹143得到涂层基体141；利用多孔形貌的陶瓷颗粒从远离等离子焰流高温段的区域独立喷射嵌入至涂层基体141中。颗粒团聚型陶瓷粉末为粒径分布为20-100μm的氧化钇稳定氧化锆粉末，多孔形貌的陶瓷颗粒为粒径分布为20-50μm的氧化钇稳定氧化锆粉末，控制陶瓷面层140的厚度为300μm。
对比例1
本对比例提供一种热障涂层材料的制备方法，与实施例1的区别仅在于：陶瓷面层140喷涂前不对待喷涂样件预热到600℃，制备过程中不进行快速冷却形成微裂纹，直接嵌入陶瓷颗粒。
对比例2
本对比例提供一种热障涂层材料的制备方法，与实施例1的区别仅在于：陶瓷面层140制备过程中不嵌入陶瓷颗粒。
对比例3
本对比例提供一种热障涂层材料的制备方法，与实施例2的区别仅在于：在粘结层120上不沉积陶瓷过渡层130。
对比例4
本对比例提供一种热障涂层材料的制备方法，与实施例1的区别仅在于：多孔形貌的陶瓷颗粒为粒径分布为50-80μm的氧化钇稳定氧化锆粉末。
试验例1
测试实施例和对比例中得到的热障涂层的热循环使用寿命，测试方法参照ISO14188:2012《金属及其他无机覆盖层热障涂层热循环与热冲击性能测试方法》。热循环考核通过马弗炉在1100℃下实施，将试样置于炉膛内热暴露1h，然后退出炉膛风冷至室温后重复循环实验；直到热障涂层从试样表面剥落面积达到30％，定为剥落临界循环寿命，即得到热障涂层试样寿命。
热循环测试结果如表1所示，实施例1和实施例2制备得到的热障涂层热循环寿命具有显著优势。
表1热循环测试结果
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种热障涂层材料，其特征在于，包括合金基体和在所述合金基体上依次沉积的粘结层、陶瓷过渡层和陶瓷面层，所述陶瓷过渡层的孔隙率为1-8%，所述陶瓷面层包括具有多个微裂纹的涂层基体和嵌入所述涂层基体中的多孔陶瓷颗粒；所述陶瓷面层中的每个所述微裂纹均沿涂层厚度方向延伸，且与所述涂层基体的轴线的夹角均为0-45°；
所述陶瓷面层是利用等离子喷涂的方式形成，利用颗粒团聚烧结型陶瓷粉末形成具有多个微裂纹的涂层基体，利用多孔形貌的陶瓷颗粒形成嵌入所述涂层基体中的多孔陶瓷颗粒；
具有多个微裂纹的涂层基体的制备过程包括：采用颗粒团聚烧结型陶瓷粉末在等离子喷涂中融化形成沉积体，通过对所述沉积体进行快速冷却，使所述沉积体在热应力作用下形成微裂纹；在所述涂层基体进行涂层沉积之前，将待喷涂样件预热到400-700℃；
嵌入所述涂层基体中的多孔陶瓷颗粒的形成过程包括：利用多孔形貌的陶瓷颗粒从远离等离子焰流高温段的区域独立喷射嵌入至所述涂层基体中。
2.根据权利要求1所述的热障涂层材料，其特征在于，每个所述微裂纹与所述涂层基体的轴线的夹角均为0-20°。
3.根据权利要求2所述的热障涂层材料，其特征在于，所述微裂纹的分布密度为1000-8000条/mm2。
4.根据权利要求3所述的热障涂层材料，其特征在于，每个所述微裂纹的长度为10-100μm，宽度为0.1-2μm。
5.根据权利要求1所述的热障涂层材料，其特征在于，所述陶瓷面层的厚度为50-2000μm。
6.根据权利要求5所述的热障涂层材料，其特征在于，所述陶瓷面层的厚度为200-1000μm。
7.根据权利要求5所述的热障涂层材料，其特征在于，所述陶瓷过渡层的厚度为10-100μm。
8.根据权利要求7所述的热障涂层材料，其特征在于，所述陶瓷过渡层的厚度为20-60μm。
9.根据权利要求7所述的热障涂层材料，其特征在于，所述陶瓷面层中的所述多孔陶瓷颗粒的粒径为5-100μm，颗粒的分布密度为500-10000个/mm2。
10.根据权利要求9所述的热障涂层材料，其特征在于，所述陶瓷面层中的所述多孔陶瓷颗粒的粒径为20-50μm，颗粒的分布密度为2000-5000个/mm2。
11.权利要求1-10中任一项所述热障涂层材料的制备方法，其特征在于，包括：在所述合金基体上沉积粘结层，在所述粘结层上沉积陶瓷过渡层，在所述陶瓷过渡层上形成陶瓷面层；
所述陶瓷面层是利用等离子喷涂的方式形成，利用颗粒团聚烧结型陶瓷粉末形成具有多个微裂纹的涂层基体，利用多孔形貌的陶瓷颗粒形成嵌入所述涂层基体中的多孔陶瓷颗粒；
具有多个微裂纹的涂层基体的制备过程包括：采用颗粒团聚烧结型陶瓷粉末在等离子喷涂中融化形成沉积体，通过对所述沉积体进行快速冷却，使所述沉积体在热应力作用下形成微裂纹；在所述涂层基体进行涂层沉积之前，将待喷涂样件预热到400-700℃；
嵌入所述涂层基体中的多孔陶瓷颗粒的形成过程包括：利用多孔形貌的陶瓷颗粒从远离等离子焰流高温段的区域独立喷射嵌入至所述涂层基体中。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，用于形成所述涂层基体的粉末粒径为20-100μm。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，采用压缩空气或水冷的方式对所述沉积体进行快速冷却。
14.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，嵌入所述涂层基体中的多孔陶瓷颗粒的形成过程包括：利用多孔形貌的陶瓷颗粒从远离等离子焰流高温段的区域独立喷射嵌入至所述涂层基体中。
15.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，所述多孔形貌的陶瓷颗粒的粒径为20-50μm。
16.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷过渡层是采用等离子喷涂的方式进行沉积，喷涂功率为40-100kW，以使陶瓷粉末在完全熔融的状态下实现沉积。
17.根据权利要求16所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷过渡层所使用的陶瓷粉末的粒径为10-45μm，所述陶瓷粉末为结构致密的粉末。
18.根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷粉末为熔融破碎粉末。
19.根据权利要求18所述的制备方法，其特征在于，形成所述陶瓷过渡层和所述陶瓷面层的过程中所使用的陶瓷粉末均选自氧化钇稳定氧化锆、氧化镁稳定氧化锆、氧化钙稳定氧化锆、氧化铈稳定氧化锆、锆酸镧和锆酸钆中的至少一种。
20.权利要求1-10中任一项所述热障涂层材料或权利要求11-19中任一项所述制备方法制备得到的热障涂层材料在燃气轮机中的应用。
CN202111196349.3A 2021-10-14 2021-10-14 一种热障涂层材料、其制备方法及应用 Active CN113930710B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111196349.3A CN113930710B (zh) 2021-10-14 2021-10-14 一种热障涂层材料、其制备方法及应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111196349.3A CN113930710B (zh) 2021-10-14 2021-10-14 一种热障涂层材料、其制备方法及应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113930710A CN113930710A (zh) 2022-01-14
CN113930710B true CN113930710B (zh) 2023-09-26

Family

ID=79279309

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111196349.3A Active CN113930710B (zh) 2021-10-14 2021-10-14 一种热障涂层材料、其制备方法及应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113930710B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115784739A (zh) * 2022-12-07 2023-03-14 沈阳德通热喷涂新技术有限公司 一种多元稀土共稳定氧化锆热喷涂陶瓷粉末及其制备方法和应用
CN117127137A (zh) * 2023-08-30 2023-11-28 安徽工程大学 一种多相镶嵌式渐变色热障涂层、制备方法及制备系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5630314A (en) * 1992-09-10 1997-05-20 Hitachi, Ltd. Thermal stress relaxation type ceramic coated heat-resistant element
WO2004029330A1 (en) * 2002-09-25 2004-04-08 Volvo Aero Corporation A thermal barrier coating and a method of applying such a coating
CN102423935A (zh) * 2011-10-12 2012-04-25 西安交通大学 一种热障涂层系统
CN104451519A (zh) * 2014-11-26 2015-03-25 华东理工大学 一种多层热障涂层及其形成方法
CN108660407A (zh) * 2018-03-19 2018-10-16 武汉理工大学 一种具有预制微观纵向裂纹结构的热障涂层及其制备方法
CN110129709A (zh) * 2019-06-11 2019-08-16 华东理工大学 一种陶瓷层的制备方法以及由此得到的陶瓷层及其热障涂层

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030203224A1 (en) * 2001-07-30 2003-10-30 Diconza Paul Josesh Thermal barrier coating of intermediate density
US20100028711A1 (en) * 2008-07-29 2010-02-04 General Electric Company Thermal barrier coatings and methods of producing same

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5630314A (en) * 1992-09-10 1997-05-20 Hitachi, Ltd. Thermal stress relaxation type ceramic coated heat-resistant element
WO2004029330A1 (en) * 2002-09-25 2004-04-08 Volvo Aero Corporation A thermal barrier coating and a method of applying such a coating
CN102423935A (zh) * 2011-10-12 2012-04-25 西安交通大学 一种热障涂层系统
CN104451519A (zh) * 2014-11-26 2015-03-25 华东理工大学 一种多层热障涂层及其形成方法
CN108660407A (zh) * 2018-03-19 2018-10-16 武汉理工大学 一种具有预制微观纵向裂纹结构的热障涂层及其制备方法
CN110129709A (zh) * 2019-06-11 2019-08-16 华东理工大学 一种陶瓷层的制备方法以及由此得到的陶瓷层及其热障涂层

Also Published As

Publication number Publication date
CN113930710A (zh) 2022-01-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113930710B (zh) 一种热障涂层材料、其制备方法及应用
US7998601B2 (en) Sandwich thermal insulation layer system and method for production
US5384200A (en) Thermal barrier coating and method of depositing the same on combustion chamber component surfaces
US5320909A (en) Ceramic thermal barrier coating for rapid thermal cycling applications
EP2193217B1 (en) Imparting functional characteristics to engine portions
CN111004990B (zh) 用于热障涂层抗熔融cmas腐蚀的max相涂层及热喷涂制备方法
CA2772227C (en) Component for a turbomachine and method for manufacturing such a component
CN108715988B (zh) 一种兼具热障及抗cmas腐蚀附着的热障涂层及其制备工艺
CN105951030B (zh) 单晶合金表面双层结构粘结层及其制备方法
CN109930102B (zh) 一种新型热障涂层制备工艺
CN110129709B (zh) 一种陶瓷层的制备方法以及由此得到的陶瓷层及其热障涂层
CN101698364A (zh) 一种热障涂层及其制备工艺
WO2022206793A1 (zh) 复合涂层、活塞、发动机和车辆
CN113105115B (zh) 一种具有自修复功能的耐高温搪瓷基复合涂层及其制备方法
EP2636763B1 (en) Method for applying a high-temperature stable coating layer on the surface of a component and component with such a coating layer
CN112176275B (zh) 一种热障涂层及其制备方法和应用
CN110144541A (zh) 一种高温钛合金热障涂层材料及其制备方法
CN113388830A (zh) 一种耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法
CN112030097A (zh) 一种燃气轮机用高温梯度封严涂层及其制备方法
CN114592164B (zh) Dvc热障涂层及其制备方法和应用
CN106637186A (zh) 一种NiCrAlY包覆YSZ粉末材料及涂层的制备方法
JPS5811796A (ja) 熱保護耐熱合金構造体
CN105112843A (zh) 一种耐腐蚀的热障涂层及其制作方法
CN116770215B (zh) 一种高隔热dvc结构稀土锆酸盐超高温热障涂层及其制备方法
CN113755784B (zh) 一种基于超声振动辅助激光改性自愈合热障涂层的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant