CN113981366B - 热障涂层的制备方法、热障涂层和涡轮转子叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种热障涂层的制备方法、热障涂层和涡轮转子叶片，制备方法包括如下步骤：在基体上制备金属粘结层；采用等离子物理气相沉积法在金属粘结层背离基体的表面制备陶瓷粘结层，陶瓷粘结层为致密等轴晶结构或致密柱状晶结构；采用大气等离子喷涂法在陶瓷粘结层背离金属粘结层的表面制备第一陶瓷主体层；采用等离子物理气相沉积法在第一陶瓷主体层背离陶瓷粘结层的表面制备陶瓷表层，陶瓷表层的致密度大于第一陶瓷主体层的致密度。该热障涂层的制备方法生产成本低，并且能够得到结合强度高、抗剥落能力好、热循环寿命长、抗CMAS腐蚀和空气动力性能良好的热障涂层。

Description

热障涂层的制备方法、热障涂层和涡轮转子叶片
技术领域
本发明涉及热障涂层制备技术领域，特别是涉及一种热障涂层的制备方法、热障涂层和涡轮转子叶片。
背景技术
高压涡轮转子叶片是发动机中承温和承载最为苛刻的核心部件，也是制约发动机发展的关键短板。高温合金是目前高压涡轮叶片唯一可行的结构材料，其中最先进单晶合金的承温能力为1150 ℃左右，已接近高温合金的承温极限。即使采用先进的气膜冷却技术，到达叶片合金表面的燃气温度仍高于叶片合金的承温极限。因此，国际上公认热障涂层（Thermal barrier coatings，TBCs）是大幅提高发动机服役温度最切实可行的办法。
热障涂层主要是将耐高温、高隔热的陶瓷材料涂覆在基体合金表面，以降低合金表面工作温度从而提高发动机的热效率。经历了几十年的高速发展，先进的热障涂层材料已可以有效提高涡轮叶片使用温度200 ℃~300 ℃左右。
热障涂层在实际服役过程中不仅要长期处于高温、高燃气冲蚀、腐蚀、高次热疲劳的恶劣服役环境，还需要承受很大的离心力，因此热障涂层需要具备较高的结合强度、高抗腐蚀、长热循环寿命及良好的空气动力性等优良性能。
目前获得批量应用的热障涂层制备技术主要有大气等离子喷涂技术（Air plasmaspray，APS）及电子束物理气相沉积技术（Electron beam-physical vapor deposition，EB-PVD），这两种方法各有利弊。APS的设备成本低、系统操作简单、涂层沉积效率高，但涂层与金属基体界面的结合力较差，且需在较粗糙基体表面沉积才能保证良好的结合，涂层热循环过程中易剥落。此外，涂层表面粗糙导致叶片空气动力性差。目前转子叶片表面常用的PtAl粘结层表面粗糙度很低，APS无法在其表面沉积陶瓷涂层。
EB-PVD涂层的热循环寿命远高于APS涂层，且涂层表面具有更高的光洁度，可有效减小燃气阻力，有利于保持叶片的空气动力学性能。但EB-PVD设备相对APS设备系统更复杂、成本更高，且EB-PVD涂层沉积速率相对较低，导致EB-PVD涂层成本也远高于APS，且不利于制备厚度大于200μm以上厚热障涂层，故不适合工业化生产。
因此，针对高性能燃气涡轮转子叶片表面热障涂层的制备成本过高、涂层结合强度较低、热循环寿命及空气动力学性能较差等缺陷，开发一种低成本高性能的热障涂层的制备方法是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
基于此，有必要提供一种低成本、高性能的热障涂层的制备方法、热障涂层和涡轮转子叶片。
本发明提出的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供了一种热障涂层的制备方法，包括如下步骤：
在基体上制备金属粘结层；
采用等离子物理气相沉积法在所述金属粘结层背离所述基体的表面制备陶瓷粘结层，所述陶瓷粘结层为致密等轴晶结构或致密柱状晶结构；
采用大气等离子喷涂法在所述陶瓷粘结层背离所述金属粘结层的表面制备第一陶瓷主体层；及
采用等离子物理气相沉积法在所述第一陶瓷主体层背离所述陶瓷粘结层的表面制备陶瓷表层，所述陶瓷表层的致密度大于所述第一陶瓷主体层的致密度。
在其中一些实施例中，所述陶瓷粘结层为致密等轴晶结构，所述陶瓷粘结层的制备工艺条件如下：
真空度1 mbar~2 mbar，所述基体的预热温度为900 ℃~1000 ℃，Ar和He流量分别为25 L/min~30 L/min和55 L/min~65 L/min，电流2000 A~2500 A，O2流量1 L/min~4 L/min，喷涂距离900 mm~1200 mm，送粉速率2 g/min~4 g/min，送粉载气Ar流量4 L/min~8 L/min。
在其中一些实施例中，所述陶瓷粘结层为致密柱状晶结构，所述陶瓷粘结层的制备工艺条件如下：
真空度1 mbar~2 mbar，所述基体的预热温度800 ℃~900 ℃，Ar和He流量分别为25 L/min~30 L/min和50 L/min~60 L/min，电流1600 A~2000 A，O2流量1 L/min~4 L/min，喷涂距离1000 mm~1400 mm，送粉速率5 g/min~10 g/min，送粉载气Ar流量8 L/min~10 L/min。
在其中一些实施例中，所述陶瓷表层的制备工艺条件如下：
真空度10 mbar~20 mbar，所述基体的预热温度为800 ℃~850 ℃，Ar和He流量分别为20 L/min~30 L/min和40 L/min~60 L/min，电流为1000 A~1500 A，O2流量为1 L/min~4 L/min，喷涂距离为800 mm~1000 mm，送粉速率为20 g/min~30 g/min，送粉载气Ar流量为8 L/min~12 L/min。
在其中一些实施例中，在所述陶瓷粘结层背离所述金属粘结层的表面制备所述第一陶瓷主体层之前，所述制备方法还包括：
采用大气等离子喷涂法在所述陶瓷粘结层背离所述金属粘结层的表面制备第二陶瓷主体层；所述第二陶瓷主体层位于所述陶瓷粘结层和所述第一陶瓷主体层之间，且所述第二陶瓷主体层的材料与所述陶瓷粘结层的材料相同，所述第一陶瓷主体层的材料与所述陶瓷表层的材料相同。
在其中一些实施例中，所述第一陶瓷主体层和/或所述第二陶瓷主体层的制备工艺条件如下：
所述基体的预热温度为330 ℃~400 ℃，喷涂距离为80 mm~90 mm，送粉速率为4.5g/min~5.0 g/min，喷枪移动速度为290 mm/s~300 mm/s，喷涂电压为70 V~75 V，电流为580A~620 A。
根据本发明的另一方面，还提供了一种热障涂层，所述热障涂层包括：
设于基体表面的金属粘结层；
陶瓷粘结层，设于所述金属粘结层背离所述基体的表面，所述陶瓷粘结层通过等离子物理气相沉积法制备得到，所述陶瓷粘结层为致密等轴晶结构或致密柱状晶结构；
第一陶瓷主体层，设于所述陶瓷粘结层背离所述金属粘结层的表面，所述第一陶瓷主体层通过大气等离子喷涂法制备得到；及
陶瓷表层，设于所述第一陶瓷主体层背离所述陶瓷粘结层的表面，所述陶瓷表层通过等离子物理气相沉积法制备得到，所述陶瓷表层的致密度大于所述第一陶瓷主体层的致密度。
在其中一些实施例中，所述陶瓷粘结层的材料为YSZ或GYb-YSZ；和/或
所述陶瓷粘结层的厚度为5 μm~20 μm；和/或
所述陶瓷粘结层为致密等轴晶结构，所述陶瓷粘结层中晶粒尺寸为0.2 μm~1.0 μm，孔隙率为2%~5%；或者，所述陶瓷粘结层为致密柱状晶结构，所述陶瓷粘结层中晶粒尺寸为0.5 μm~2 μm，孔隙率为2%~10%。
在其中一些实施例中，所述第一陶瓷主体层的材料为YSZ、GYb-YSZ、R2Zr2O7及其改性材料或La2Ce2O7及其改性材料，其中R为La、Gd、Eu、Sm或Nd；和/或
所述陶瓷表层的材料为R2Zr2O7及其改性材料或为La2Ce2O7及其改性材料，其中R为La、Gd、Eu、Sm或Nd；和/或
所述第一陶瓷主体层的厚度为100 μm~285 μm，孔隙率为15%~25%；和/或
所述陶瓷表层的厚度为10 μm~30 μm，孔隙率为2%~8%，表面粗糙度小于或等于3.0μm。
在其中一些实施例中，所述热障涂层还包括：
第二陶瓷主体层，所述第二陶瓷主体层设于所述陶瓷粘结层与所述第一陶瓷主体层之间，所述第二陶瓷主体层通过大气等离子喷涂法制备得到，所述第二陶瓷主体层为疏松层状结构；所述第二陶瓷主体层的材料为YSZ或GYb-YSZ；所述第一层陶瓷主体层的材料和所述陶瓷表层的材料均为R2Zr2O7及其改性材料或均为La2Ce2O7及其改性材料，其中R为La、Gd、Eu、Sm或Nd。
在其中一些实施例中，所述第二陶瓷主体层的厚度为33 μm~190 μm，所述第二陶瓷主体层与所述第一陶瓷主体层的厚度比为1：（0.5~2），优选的厚度比为1:1，所述第二陶瓷主体层的孔隙率为15%~25%。
在其中一些实施例中，所述金属粘结层的材料为PtAl、改性PtAl、NiCoCrAlY和NiCoCrAlYX中的一种或多种，其中X为Hf、Ta、Si、Re中的一种或多种；和/或
所述金属粘结层的厚度为30 μm~50 μm。
根据本发明的另一方面，还提供了一种涡轮转子叶片，包括：
涡轮转子叶片基体；及
本发明上述的热障涂层，所述热障涂层设于所述涡轮转子叶片基体的表面。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
上述热障涂层的制备方法，结合低成本高效率的大气等离子喷涂法和等离子物理气相沉积法，其中的高强度致密结构的陶瓷粘结层采用PS-PVD制备，克服了APS难以在光滑金属粘结层的表面沉积陶瓷涂层的问题，同时又能够增强陶瓷粘结层与金属粘结层之间的结合强度，提高热障涂层的抗剥落能力；疏松层状结构的第一陶瓷主体层采用APS制备，成本低，通过控制工艺条件，可得到孔隙率高的陶瓷主体层，使陶瓷主体层具有较低的热导率，提高热障涂层的隔热性能；通过PS-PVD并调控工艺条件，制备致密层状结构且表面光滑的陶瓷表层，可保证热障涂层表面具有良好的空气动力性能且具有良好的抗CMAS（钙镁铝硅等环境沉积物）腐蚀性能。该制备方法不仅生产成本较低，而且能够获得高性能的热障涂层，可实现低成本高性能热障涂层的工业化生产。
本发明的热障涂层通过上述各种不同结构涂层的复合，不仅成本较低，而且涂层的结合强度和抗剥落能力较好，热循环寿命长，其抗CMAS腐蚀性能和空气动力性能良好，具有优异的综合性能。
附图说明
图1为本发明实施例1的涡轮转子叶片表面热障涂层的结构示意图。
图2为本发明实施例2的涡轮转子叶片表面热障涂层的结构示意图。
附图标记说明：
1、基体；2、金属粘结层；3、陶瓷粘结层；4、第一陶瓷主体层；5、陶瓷表层；6、第二陶瓷主体层。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本发明的一实施例提供了一种热障涂层的制备方法，该制备方法包括如下步骤S10至步骤S60：
请参阅图1，步骤S10：在基体1的表面制备金属粘结层2。
先对基体1的表面进行前处理，使基体1的表面清洁，然后在基体1的表面上制备一层金属粘结层2。该金属粘结层2的材料可以为PtAl、改性PtAl、NiCoCrAlY或NiCoCrAlYX。其中，X为Hf、Ta、Si、Re中的一种或多种。
具体地，当金属粘结层2的材料为PtAl、改性PtAl时，通过电镀或气相渗的方法在基体1的表面上制备PtAl粘结层或改性PtAl粘结层；当金属粘结层2的材料为NiCoCrAlY或NiCoCrAlYX时，采用低压等离子喷涂方法或者超音速喷涂方法在基体1的表面上制备NiCoCrAlY粘结层或NiCoCrAlYX粘结层。该金属粘结层2的厚度为30 μm~50 μm。
步骤S20：对金属粘结层2进行磁力抛光，然后在无水乙醇或丙酮中进行超声波清洗处理。
通过磁力抛光可使金属粘结层2的表面更加平整，通过在无水乙醇或丙酮中进行超声波清洗处理，可使金属粘结层2的表面保持清洁，从而更加便于后续利用等离子物理气相沉积法制备陶瓷粘结层3。
可以理解，本发明并不局限于通过上述的磁力抛光的方式使金属粘结层2的表面平整，也可采用现有的其他表面平整处理方法来使金属粘结层2的表面保持平整；同样地，清洗处理的具体方式也不局限于超声波清洗，清洗溶剂也不限于无水乙醇或丙酮，也可使用现有的其他清洗方法和清洗剂。
步骤S30：采用等离子物理气相沉积法（PS-PVD）在金属粘结层2背离基体1的表面制备陶瓷粘结层3，该陶瓷粘结层3为致密等轴晶结构或致密柱状晶结构。
在对金属粘结层2进行磁力抛光和超声波清洗处理之后，本发明采用等离子物理气相沉积的方法在金属粘结层2背离基体1的表面上制备形成陶瓷粘结层3。并且使该陶瓷粘结层3具有致密等轴晶结构或致密细小柱状晶结构。
通过等离子物理气相沉积法制备具有致密等轴晶结构或致密细小柱状晶结构的高强度致密结构陶瓷粘结层3，既克服了大气等离子喷涂法（APS）难以在光滑的金属粘结层2的表面沉积陶瓷涂层的问题，同时又能够增强热障涂层中的陶瓷粘结层3与金属粘结层2之间的结合强度，提高热障涂层的抗剥落能力。
具体地，致密等轴晶结构的陶瓷粘结层3中，晶粒尺寸为0.2 μm~1.0 μm，其孔隙率为2%~5%。该致密等轴晶结构的陶瓷粘结层3的制备工艺条件如下：真空度为1 mbar~2mbar，基体1预热温度为900 ℃~1000 ℃，Ar和He的流量分别为25 L/min~30 L/min和55 L/min~65 L/min，电流为2000 A~2500 A，O2流量为1 L/min~4 L/min，喷涂距离为900 mm~1200 mm，送粉速率为2 g/min~4 g/min，送粉载气Ar流量为4 L/min~8 L/min。通过上述的等离子物理气相沉积工艺条件，可以在金属粘结层2上制备得到具有上述晶粒尺寸和孔隙率的具有致密等轴晶结构的陶瓷粘结层3。
致密细小柱状晶结构的陶瓷粘结层3中，晶粒尺寸为0.5 μm~2 μm，其孔隙率为2%~10%。该致密细小柱状晶结构的陶瓷粘结层3的制备工艺条件如下：真空度为1 mbar~2mbar，基体1预热温度为800 ℃~900 ℃，Ar和He流量分别为25 L/min~30 L/min和50 L/min~60 L/min，电流为1600 A~2000 A，O2流量为1 L/min~4 L/min，喷涂距离为1000 mm~1400mm，送粉速率为5 g/min~10 g/min，送粉载气Ar流量为8 L/min~10 L/min。通过上述的等离子物理气相沉积工艺条件，可以在金属粘结层2上制备得到具有上述晶粒尺寸和孔隙率的致密细小柱状晶结构的陶瓷粘结层3。
通过调控等离子物理气相沉积的工艺条件，可以在金属粘结层2上制备得到具有上述特定晶粒尺寸和孔隙率的致密等轴晶结构或致密细小柱状晶结构的陶瓷粘结层3，提高陶瓷涂层与金属粘结层2之间的结合强度，提高热障涂层的抗剥落能力。通过上述方法制备得到的陶瓷粘结层3的厚度为5 μm~20 μm。陶瓷粘结层3与金属粘结层2之间的结合强度大于60 MPa。
在其中一些具体示例中，该陶瓷粘结层3的材料为YSZ或GYb-YSZ。其中YSZ为氧化钇部分稳定的氧化锆，即ZrO2+(6wt％~8wt％)Y2O3；GYb-YSZ为Gd2O3和Yb2O3共掺杂的YSZ，具体为5mol%~10mol% Gd2O3和Yb2O3共掺杂的YSZ。
步骤S50：采用大气等离子喷涂法在陶瓷粘结层3背离金属粘结层2的表面制备第一陶瓷主体层4，该第一陶瓷主体层4为疏松层状结构。
在制备得到陶瓷粘结层3之后，本发明进一步通过大气等离子喷涂法在该陶瓷粘结层3背离金属粘结层2的表面制备得到具有疏松层状结构的第一陶瓷主体层4。该疏松层状结构的第一陶瓷主体层4作为热障涂层陶瓷层的主体结构，具有高孔隙率，该第一陶瓷主体层4的热导率低，表现出较好的隔热性能。
具体地，该第一陶瓷主体层4的厚度为100 μm~285 μm，其孔隙率为15%~25%。该疏松层状结构的第一陶瓷主体层4的制备工艺条件如下：预热温度为330 ℃~400 ℃，喷涂距离为80 mm~90 mm，送粉速率为4.5 g/min~5.0 g/min，喷枪移动速度为290 mm/s~300 mm/s，喷涂电压为70 V~75 V，电流为580 A~620 A。通过上述的大气等离子喷涂工艺条件，可以在陶瓷粘结层3上制备得到具有上述厚度和孔隙率的疏松层状结构的第一陶瓷主体层4。
在其中一些实施例中，该第一陶瓷主体层4的材料为YSZ、GYb-YSZ、R2Zr2O7及其改性材料或La2Ce2O7及其改性材料，其中R为La、Gd、Eu、Sm或Nd。
步骤S60：采用等离子物理气相沉积法在第一陶瓷主体层4背离陶瓷粘结层3的表面制备陶瓷表层5，该陶瓷表层5为致密层状结构。
在制备得到第一陶瓷主体层4之后，本发明通过等离子物理气相沉积法在该第一陶瓷主体层4的表面上制备具有致密层状结构的陶瓷表层5，该陶瓷表层5由等离子物理气相沉积法制备得到，其结构致密、表面光滑，可保证热障涂层表面具有良好的空气动力性能。
具体地，陶瓷表层5的厚度为10 μm~30 μm，孔隙率为2%~8%，其表面粗糙度小于或等于3.0 μm。该致密层状结构的陶瓷表层5的制备工艺条件如下：真空度10 mbar~20 mbar，预热温度为800 ℃~850 ℃，Ar和He流量分别为20 L/min~30 L/min和40 L/min~60 L/min，电流为1000 A~1500 A，O2流量为1 L/min~4 L/min，喷涂距离为800 mm~1000 mm，送粉速率为20 g/min~30 g/min，送粉载气Ar流量为8 L/min~12 L/min。通过上述工艺条件，可以制备得到具有上述厚度、孔隙率和表面粗糙度的陶瓷表层5。
在其中一些实施例中，该陶瓷表层5的材料为R2Zr2O7及其改性材料或为La2Ce2O7及其改性材料，其中R为La、Gd、Eu、Sm或Nd。陶瓷表层5选用高抗CMAS的材料，可有效地防止CMAS等腐蚀产物的渗入，使复合结构的热障涂层具有优异的综合性能。
请参阅图2，本发明的另一实施例提供了另外一种热障涂层的制备方法，该制备方法包括上述的步骤S10至步骤S60，该制备方法与上述实施例的主要区别在于：在步骤S30与步骤S50之间，还包括如下步骤S40：
步骤S40：采用大气等离子喷涂法在陶瓷粘结层3背离金属粘结层2的表面制备第二陶瓷主体层6；该第二陶瓷主体层6位于陶瓷粘结层3和第一陶瓷主体层4之间，并且该第二陶瓷主体层6的材料与陶瓷粘结层3的材料相同，两者属于相同的材料体系，而第一层陶瓷主体层4的材料与陶瓷表层5的材料相同，两者属于相同的材料体系。
本实施例中，先采用大气等离子喷涂法在陶瓷粘结层3背离金属粘结层2的表面制备第二陶瓷主体层6，然后再采用大气等离子喷涂法在第二陶瓷主体层6背离陶瓷粘结层3的表面制备第一陶瓷主体层4，从而在陶瓷粘结层3与第一陶瓷主体层4之间形成疏松层状结构的第二陶瓷主体层6，该第二陶瓷主体层6与陶瓷粘结层3采用相同体系的材料，可以提高陶瓷主体层与陶瓷粘结层3之间的结合强度，进一步提高热障涂层的结合强度，提高热障涂层的抗剥落能力。并且，陶瓷表层5采用与第一陶瓷主体层4相同的材料体系，可以保证陶瓷表层5与第一陶瓷主体层4之间具有良好的结合强度。
具体地，该第二陶瓷主体层6的厚度为33 μm~190 μm，第二陶瓷主体层6与第一陶瓷主体层4的厚度比为1：（0.5~2），优选为1:1。第二陶瓷主体层6的材料为YSZ或GYb-YSZ，第二陶瓷主体层6的孔隙率为15%~25%。
可以理解，第二陶瓷主体层6的材料与陶瓷粘结层3的材料相同，例如可以是第二陶瓷主体层6与陶瓷粘结层3同为YSZ材料，或者同为GYb-YSZ材料。陶瓷表层5采用与第一陶瓷主体层4相同的材料体系，例如可以是陶瓷表层5与第一陶瓷主体层4同时采用R2Zr2O7及其改性材料，或者同时采用La2Ce2O7及其改性材料。
在其中一些实施例中，该第二陶瓷主体层6的制备工艺条件如下：预热温度为330℃~400 ℃，喷涂距离为80 mm~90 mm，送粉速率为4.5 g/min~5.0 g/min，喷枪移动速度为290 mm/s~300 mm/s，喷涂电压为70 V~75 V，电流为580 A~620 A。通过上述的大气等离子喷涂工艺条件，可以制备得到具有上述厚度和孔隙率的疏松层状结构的第二陶瓷主体层6。
本发明的热障涂层的制备方法，采用低成本高效率的大气等离子喷涂法（APS）和等离子物理气相沉积法（PS-PVD）相结合，高强度致密结构的陶瓷粘结层3采用等离子物理气相沉积法制备，克服了大气等离子喷涂法难以在光滑金属粘结层2的表面沉积陶瓷涂层的问题，同时又能够增强陶瓷粘结层3与金属粘结层2之间的结合强度，提高热障涂层的抗剥落能力；疏松层状结构的第一陶瓷主体层4和第二陶瓷主体层6采用大气等离子喷涂法制备，成本低，通过控制工艺条件，得到孔隙率高的陶瓷主体层，可使陶瓷主体层具有较低的热导率，提高热障涂层的隔热性能；通过等离子物理气相沉积法，并调控工艺条件，制备致密层状结构且表面光滑的陶瓷表层5，可保证热障涂层表面具有良好的空气动力性能；陶瓷表层5采用高抗CMAS的材料，可防止CMAS等腐蚀产物渗入，使热障涂层具有优异的综合性能。
进一步地，本发明制备方法的优选实施例设置与陶瓷粘结层3同类材料的第二陶瓷主体层6，可进一步提高陶瓷主体层与陶瓷粘结层3之间的结合强度；本发明制备方法的优选实施例陶瓷表层5采用与第一陶瓷主体层4同类材料，可以提高陶瓷表层5与第一陶瓷主体层4之间的结合强度，进一步提高热障涂层的综合性能。
请参阅图1，本发明的一些实施例中，还提供了一种热障涂层，该热障涂层包括金属粘结层2、陶瓷粘结层3、第一陶瓷主体层4和陶瓷表层5。其中，金属粘结层2设于基体1的表面；陶瓷粘结层3设于金属粘结层2背离基体1的表面，陶瓷粘结层3通过等离子物理气相沉积法制备得到，该陶瓷粘结层3为致密等轴晶结构或致密柱状晶结构；第一陶瓷主体层4，设于陶瓷粘结层3背离金属粘结层2的表面，第一陶瓷主体层4通过大气等离子喷涂法制备得到，第一陶瓷主体层4为疏松层状结构；陶瓷表层5设于第一陶瓷主体层4背离陶瓷粘结层3的表面，陶瓷表层5通过等离子物理气相沉积法制备得到，陶瓷表层5为致密层状结构。该热障涂层通过本发明上述的制备方法制备得到。
该热障涂层采用等离子物理气相沉积法制备的具有致密等轴晶结构或致密柱状晶结构的陶瓷粘结层3、采用大气等离子喷涂法制备的具有疏松层状结构的第一陶瓷主体层4、采用等离子物理气相沉积法制备的具有致密层状结构的陶瓷表层5；通过具有不同结构的陶瓷涂层的复合，使得热障涂层的综合性能优异，可满足燃气涡轮转子叶片表面热障涂层高性能的使用需求。
具体来说，致密等轴晶结构或致密柱状晶结构的陶瓷粘结层3能够增强陶瓷涂层与金属粘结层2之间的结合强度，提高热障涂层的抗剥落能力；疏松层状结构的第一陶瓷主体层4具有高孔隙率，热导率低，具有较好的隔热性能；致密层状结构的陶瓷表层5表面光滑，可保证叶片良好的空气动力性能。并且，陶瓷表层5采用高抗CMAS的材料，可有效防止CMAS等腐蚀产物的渗入。
进一步地，在第一陶瓷主体层4与陶瓷粘结层3之间还设置有大气等离子喷涂法制备的具有疏松层状结构的第二陶瓷主体层6，该第二陶瓷主体层6采用与陶瓷粘结层3同类型的材料，可以提高陶瓷主体层与陶瓷粘结层3之间的结合强度；并且陶瓷表层5采用与第一陶瓷主体层4同类型的材料，可提高陶瓷表层5与陶瓷主体层之间的结合强度，使得该热障涂层整体具有更高的结合强度和抗剥落能力。
本发明的热障涂层不仅生产成本较低，而且涂层的结合强度和抗剥落能力较好，热循环寿命长，其抗CMAS腐蚀性能和空气动力性能良好，具有优异的综合性能。该热障涂层解决了目前高性能燃气涡轮转子叶片表面热障涂层成本过高的问题，可有望实现工业化应用，可应用于航空发动机、燃气轮机等对热障涂层性能有较高需求的热端部件中。
本发明的一个具体示例中，还提供了一种涡轮转子叶片，该涡轮转子叶片包括涡轮转子叶片基体和热障涂层。其中，热障涂层设置在涡轮转子叶片基体的表面。该热障涂层为本发明上述的热障涂层。热障涂层中的金属粘结层2直接制备在涡轮转子叶片基体的表面，由基体1向外依次为金属粘结层2、陶瓷粘结层3、第二陶瓷主体层6、第一陶瓷主体层4和陶瓷表层5。各层之间依次层叠设置，形成具有高结合强度、高抗CMAS腐蚀和良好空气动力性能的热障涂层。该涡轮转子叶片可应用于航空发动机、燃气轮机等对热障涂层有较高需求的设备中。
下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不应将其理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1：
请参阅图1，一种涡轮转子叶片表面低成本高性能热障涂层的制备方法，选用PS-PVD制备的致密等轴晶结构涂层作为高结合强度的陶瓷粘结层3，其具体步骤如下：
第一步：基体1准备，并对基体1进行前处理，以使基体1的表面清洁；
第二步：在基体1上制备PtAl粘结层作为金属粘结层2，该PtAl粘结层采用电镀和气相渗的方法制备；
第三步：对金属粘结层2进行磁力抛光，然后采用无水乙醇或丙酮清洗剂进行超声波清洗；
第四步：在第三步处理后的PtAl金属粘结层2的表面采用PS-PVD制备具有致密等轴晶结构的高结合强度YSZ陶瓷粘结层3。其制备工艺参数如下：真空度2 mbar，基体1预热温度900 ℃~1000 ℃后，Ar和He流量分别为30 L/min和60 L/min，电流为2000 A，O2流量为2 L/min，喷涂距离为1000 mm，送粉速率为2 g/min，送粉载气Ar流量为4 L/min，金属粘结层2的厚度为10 μm；
第五步：采用APS制备疏松层状结构的(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7第一陶瓷主体层4；其制备工艺参数如下：喷涂距离为85 mm，送粉速率为4.5 g/min，喷枪移动速度为295 mm/s，喷涂电压为70 V，电流为600 A，基体1采用等离子体预热温度至330 ℃~400 ℃，第一陶瓷主体层4的厚度为160 μm；
第六步：采用PS-PVD制备致密层状结构的(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7陶瓷表层5；其制备工艺参数如下：真空度10 mbar，基体1预热温度800 ℃~850 ℃，Ar和He流量分别为30 L/min和60 L/min，电流为1000 A，O2流量为2 L/min，喷涂距离为900 mm，送粉速率为20 g/min，送粉载气Ar流量为10 L/min，陶瓷表层5的厚度为30 μm。
性能检测：
对制备好的样品的微观形貌、结合强度、隔热性能、抗热冲击性能进行检测。通过扫描电镜观察热障涂层形貌；按照标准GB/T 8642-2002检测热障涂层的结合强度；参考标准Q/18A3046-2010检测热障涂层的隔热性能和抗热冲击性能。
通过扫描电镜分析观察发现金属粘结层2的厚度约为30 μm；YSZ陶瓷粘结层3具有致密等轴晶结构，其厚度约为10 μm；第一陶瓷主体层4为疏松层状结构(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7，其厚度约为160 μm；陶瓷表层5为致密层状结构，其厚度约为30 μm。
对热障涂层的结合强度进行测试，得出该热障涂层的结合强度为65 MPa。
采用燃气热冲击对该热障涂层的隔热效果进行测试，当热障涂层的表面温度达到1400 ℃时，基体1的温度约为1110 ℃，可实现隔热效果约为290 ℃，说明该热障涂层具有良好的隔热性能。
对样品进行热冲击试验，在表面温度1400 ℃，基体1温度1100 ℃，保温5 min，冷却90 s的热循环条件下，热障涂层的热循环寿命达到3010次，说明该热障涂层具有良好的抗冲击性能。热障涂层表面的粗糙度约为3.0 μm，比较光滑，具有良好的空气动力性能。
实施例2：
请参阅图2，一种涡轮转子叶片表面低成本高性能热障涂层的制备方法，选用PS-PVD制备的致密细小柱状晶结构涂层作为高结合强度陶瓷粘结层3，陶瓷主体层采用两层结构，其具体步骤如下：
第一步：基体1准备并对基体1进行前处理，以使基体1的表面清洁；
第二步：在基体1上制备NiCoCrAlY粘结层作为金属粘结层2，该金属粘结层2采用低压等离子喷涂方法制备；
第三步：对金属粘结层2进行磁力抛光，然后采用无水乙醇或丙酮清洗剂进行超声波清洗；
第四步：在第三步处理后的NiCoCrAlY金属粘结层2的表面采用PS-PVD制备具有致密细小柱状晶结构的高结合强度YSZ陶瓷粘结层3；其制备工艺参数如下：真空度为1 mbar，基体1预热温度为800 ℃~900 ℃，Ar和He流量分别为30 L/min和60 L/min，电流为1900 A，O2流量为4 L/min，喷涂距离为1200 mm，送粉速率为5 g/min，送粉载气Ar流量为9 L/min，陶瓷粘结层3的厚度为10 μm；
第五步：采用APS制备疏松层状结构的YSZ第二陶瓷主体层6，然后采用APS制备疏松层状结构的(La0.8Gd0.2)2Ce2O7第一陶瓷主体层4，制备过程中先采用YSZ喷涂粉末制备100μm厚的YSZ涂层，然后改用(La0.8Gd0.2)2Ce2O7喷涂粉末制备100 μm厚的(La0.8Gd0.2)2Ce2O7涂层，两层厚度比为1：1；其具体制备工艺参数如下：喷涂距离为85 mm，送粉速率为5.0 g/min，喷枪移动速度为300 mm/s，喷涂电压为75 V，电流为600 A，工件采用等离子体预热温度至330 ℃~400 ℃；
第六步：采用PS-PVD制备致密层状结构的(La0.8Gd0.2)2Ce2O7陶瓷表层5；其制备工艺参数如下：真空度为10 mbar，基体1预热温度为800 ℃~850 ℃，Ar和He流量分别为30 L/min和60 L/min，电流为1200 A，O2流量为4 L/min，喷涂距离为1000 mm，送粉速率为20 g/min，送粉载气Ar流量为12 L/min，陶瓷表层5的厚度为10 μm。所制备得到的样品中热障涂层的结构示意图如图1所示。
性能测试：
对制备好的样品的微观形貌、结合强度、隔热性能、抗热冲击性能等进行检测。测试方法与实施例1相同。
通过扫描电镜分析观察发现该热障涂层中金属粘结层2的厚度约为50 μm；高结合强度的YSZ陶瓷粘结层3具有致密细小柱状晶结构，其厚度约为10 μm；第二陶瓷主体层6为疏松层状结构的YSZ层，第一陶瓷主体层4为疏松层状结构的(La0.8Gd0.2)2Ce2O7层，两层陶瓷主体层的厚度均约为160 μm；陶瓷表层5为致密层状结构，其厚度约为10 μm。
按照标准GB/T 8642-2002对热障涂层的结合强度进行测试，该热障涂层的结合强度超过60 MPa。
参考标准Q/18A3046-2010采用燃气热冲击对该热障涂层的隔热效果进行测试，当热障涂层的表面温度达到1400 ℃时，基体1的温度约为1050 ℃，可实现隔热效果约为350℃，说明该热障涂层具有良好的隔热性能。
参考标准Q/18A3046-2010对样品进行热冲击试验，在表面温度1400 ℃，基体1温度1100 ℃，保温5 min，冷却90 s的热循环条件下，该热障涂层的热循环寿命达到3510次，说明该热障涂层具有良好的抗冲击性能。该热障涂层表面的粗糙度约为3.1 μm，表面较为光滑，具有良好的空气动力性能。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种热障涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在基体上制备金属粘结层；
采用等离子物理气相沉积法在所述金属粘结层背离所述基体的表面制备陶瓷粘结层，所述陶瓷粘结层为致密等轴晶结构或致密柱状晶结构；
采用大气等离子喷涂法在所述陶瓷粘结层背离所述金属粘结层的表面制备第一陶瓷主体层；及
采用等离子物理气相沉积法在所述第一陶瓷主体层背离所述陶瓷粘结层的表面制备陶瓷表层，所述陶瓷表层的致密度大于所述第一陶瓷主体层的致密度；
在所述陶瓷粘结层背离所述金属粘结层的表面制备所述第一陶瓷主体层之前，所述制备方法还包括：
采用大气等离子喷涂法在所述陶瓷粘结层背离所述金属粘结层的表面制备第二陶瓷主体层；所述第二陶瓷主体层位于所述陶瓷粘结层和所述第一陶瓷主体层之间，且所述第二陶瓷主体层的材料与所述陶瓷粘结层的材料相同，所述第一陶瓷主体层的材料与所述陶瓷表层的材料相同。
2.根据权利要求1所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，所述陶瓷粘结层为致密等轴晶结构，所述陶瓷粘结层的制备工艺条件如下：
真空度为1 mbar~2 mbar，所述基体的预热温度为900 ℃~1000 ℃，Ar和He流量分别为25 L/min~30 L/min和55 L/min~65 L/min，电流为2000 A~2500 A，O2流量为1 L/min~4 L/min，喷涂距离为900 mm~1200 mm，送粉速率为2 g/min~4 g/min，送粉载气Ar流量为4 L/min~8 L/min。
3.根据权利要求1所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，所述陶瓷粘结层为致密柱状晶结构，所述陶瓷粘结层的制备工艺条件如下：
真空度为1 mbar~2 mbar，所述基体的预热温度为800 ℃~900 ℃，Ar和He流量分别为25 L/min~30 L/min和50 L/min~60 L/min，电流为1600 A~2000 A，O2流量为1 L/min~4 L/min，喷涂距离为1000 mm~1400 mm，送粉速率为5 g/min~10 g/min，送粉载气Ar流量为8 L/min~10 L/min。
4.根据权利要求1所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，所述陶瓷表层的制备工艺条件如下：
真空度为10 mbar~20 mbar，所述基体的预热温度为800 ℃~850 ℃，Ar和He流量分别为20 L/min~30 L/min和40 L/min~60 L/min，电流为1000 A~1500 A，O2流量为1 L/min~4L/min，喷涂距离为800 mm~1000 mm，送粉速率为20 g/min~30 g/min，送粉载气Ar流量为8L/min~12 L/min。
5.根据权利要求1所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，所述第一陶瓷主体层和/或所述第二陶瓷主体层的制备工艺条件如下：
所述基体的预热温度为330 ℃~400 ℃，喷涂距离为80 mm~90 mm，送粉速率为4.5 g/min~5.0 g/min，喷枪移动速度为290 mm/s~300 mm/s，喷涂电压为70 V~75 V，电流为580 A~620 A。
6.一种热障涂层，其特征在于，所述热障涂层包括：
设于基体表面的金属粘结层；
陶瓷粘结层，设于所述金属粘结层背离所述基体的表面，所述陶瓷粘结层通过等离子物理气相沉积法制备得到，所述陶瓷粘结层为致密等轴晶结构或致密柱状晶结构；
第一陶瓷主体层，设于所述陶瓷粘结层背离所述金属粘结层的表面，所述第一陶瓷主体层通过大气等离子喷涂法制备得到；及
陶瓷表层，设于所述第一陶瓷主体层背离所述陶瓷粘结层的表面，所述陶瓷表层通过等离子物理气相沉积法制备得到，所述陶瓷表层的致密度大于所述第一陶瓷主体层的致密度；
所述热障涂层还包括：
第二陶瓷主体层，所述第二陶瓷主体层设于所述陶瓷粘结层与所述第一陶瓷主体层之间，所述第二陶瓷主体层通过大气等离子喷涂法制备得到，所述第二陶瓷主体层为疏松层状结构；所述第二陶瓷主体层的材料为YSZ或GYb-YSZ；所述第一陶瓷主体层的材料和所述陶瓷表层的材料均为R2Zr2O7及其改性材料或均为La2Ce2O7及其改性材料，其中R为La、Gd、Eu、Sm或Nd。
7.根据权利要求6所述的热障涂层，其特征在于，所述陶瓷粘结层的材料为YSZ或GYb-YSZ；和/或
所述陶瓷粘结层的厚度为5 μm~20 μm；和/或
所述陶瓷粘结层为致密等轴晶结构，所述陶瓷粘结层中晶粒尺寸为0.2 μm~1.0 μm，孔隙率为2%~5%；或者，所述陶瓷粘结层为致密柱状晶结构，所述陶瓷粘结层中晶粒尺寸为0.5μm~2 μm，孔隙率为2%~10%。
8.根据权利要求6所述的热障涂层，其特征在于，所述第一陶瓷主体层的材料为YSZ、GYb-YSZ、R2Zr2O7及其改性材料或La2Ce2O7及其改性材料，其中R为La、Gd、Eu、Sm或Nd；和/或
所述陶瓷表层的材料为R2Zr2O7及其改性材料或为La2Ce2O7及其改性材料，其中R为La、Gd、Eu、Sm或Nd；和/或
所述第一陶瓷主体层的厚度为100 μm~285 μm，孔隙率为15%~25%；和/或
所述陶瓷表层的厚度为10 μm~30 μm，孔隙率为2%~8%，表面粗糙度小于或等于3.0 μm。
9.根据权利要求8所述的热障涂层，其特征在于，所述第二陶瓷主体层的厚度为33 μm~190 μm，所述第二陶瓷主体层与所述第一陶瓷主体层的厚度比为1：（0.5~2），所述第二陶瓷主体层的孔隙率为15%~25%。
10.根据权利要求6至9任一项所述的热障涂层，其特征在于，所述金属粘结层的材料为PtAl、改性PtAl、NiCoCrAlY和NiCoCrAlYX中的一种或多种，其中X为Hf、Ta、Si、Re中的一种或多种；和/或
所述金属粘结层的厚度为30 μm~50 μm。
11.一种涡轮转子叶片，其特征在于，包括：
涡轮转子叶片基体；及
权利要求6至10任一项所述的热障涂层，所述热障涂层设于所述涡轮转子叶片基体的表面。
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