CN114592164B - Dvc热障涂层及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种DVC热障涂层的制备方法，其包括：提供粉体，所述粉体的化学成分为YSZ或YSZ+xGd2O3+yYb2O3或Gd2Zr2O7+zYb2O3或LaMgAl11O19或La2(Zr0.7Ce0.3)2O7，其中，x+y≤12wt.％，z≤20wt.％；所述粉体通过高热焓大气等离子喷涂形成DVC热障涂层。本发明还提供上述的制备方法得到的DVC热障涂层。本发明又提供一种提供上述的DVC热障涂层的应用，其用于航空发动机或燃气轮机高温热端部件。根据本发明的DVC热障涂层，其化学成分为YSZ或YSZ+xGd2O3+yYb2O3或Gd2Zr2O7+zYb2O3或LaMgAl11O19或La2(Zr0.7Ce0.3)2O7，适应材料范围广，能提高其应变容限、工作温度、抗侵蚀冲刷性能及抗热冲击循环寿命。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机和燃气轮机(两机)高温热端部件表面热障涂层，更具体地涉及一种DVC热障涂层及其制备方法和应用。
背景技术
高性能热障涂层(TBC)是不断提高涡轮进口温度，研制新一代航空发动机及燃气轮机的关键技术之一。TBC利用高熔点、低热导率、高硬度、抗腐蚀的氧化物陶瓷保护金属基底，延长金属热端部件的使用寿命、降低燃油消耗和污染气体排放，从而提高“两机”的推重比、热效率和综合性能。TBCs广泛应用在涡轮叶片、燃烧室、隔热屏、燃油喷嘴、火焰筒和尾喷管等部位，大气等离子喷涂(APS)是最常用的制备技术之一。APS采用等离子射流将熔化或半熔化的陶瓷加速撞击到金属基底形成层状结构TBC。传统APS TBC孔隙率高(10-30％)，涂层抗固体颗粒物侵蚀性能差、陶瓷涂层与金属底层结合强度低、涂层应变容限低，高温热循环寿命短，不能满足新一代航空发动机和燃气轮机的研制需求。
通过改进大气等离子喷涂技术在TBC中植入致密垂直裂纹结构(densevertically cracked，DVC)，可以显著提高热障陶瓷层与金属粘接层的结合强度、界面断裂韧性、陶瓷涂层断裂韧性，还可以大幅提高其抗侵蚀、应变容限及热循环寿命。
过去三十多年里，国内外开展了大量常规APS DVC TBCs的研究工作，尽管该类涂层已经在GE、普惠、罗罗、西门子、三菱重工等研制的航空发动机和燃气轮机高温热端部件上获得应用，但是常规APS DVC TBCs的制备工艺方法、显微结构调控及服役性能还依然面临以下亟待解决的技术难题：
垂直裂纹生长扩展决定于陶瓷扁平粒子(splat)界面的弥合扩展及热应力状态。当前，为了保持较高的垂直裂纹密度(涂层横截面内单位毫米宽度内垂直金属基底方向上垂直裂纹的个数，单位为cracks/mm)和最大程度降低横向裂纹的生长扩展，国内外APS DVCTBCs制备中均需保持较高的高温合金基底预热温度以及沉积温度，国内有报道金属基底预热温度≥400℃，实则普遍采取≥600℃的基底预热温度。国外报道要实现高达(～)7.5cracks/mm的垂直裂纹密度，预热温度≥750℃。采用较高预热温度不但会造成合金基底氧化疲劳损伤，而且显著提高了制备工艺门槛，极大地限制了DVC TBCs在航空发动机和燃气轮机高温热端部件上的制备及广泛应用。
扁平粒子间界面的扩散弥合造成常规APS DVC TBCs的孔隙率低(≤6％)，涂层热导率高，隔热效果降低。
常规APS DVC TBCs在兼顾垂直裂纹生长密度的同时，喷涂距离普遍≤65mm，严重制约航空发动机和燃气轮机热端部件上DVC TBCs的制备和垂直裂纹生长的可控性和涂层质量的重复可靠性。
垂直裂纹形成扩展过程中不可避免形成大量横向伴生裂纹，横向裂纹长度普遍在垂直裂纹长度的5-20％，横向裂纹的产生会降低涂层的界面结合，降低APS DVC TBCs内部界面的稳定性，促进涂层烧结剥落失效、大幅降低抗热冲击循环寿命，服役工作温度也会大幅降低。
发明内容
为了解决上述现有技术中的APS DVC TBCs的横向伴生裂纹等问题，本发明提供一种DVC热障涂层及其制备方法和应用。
本发明提供一种DVC(垂直分区裂纹)热障涂层的制备方法，其包括如下步骤：S1，提供粉体，所述粉体的化学成分为YSZ(6-8wt.％Y2O3稳定化的ZrO2)或YSZ+xGd2O3+yYb2O3或Gd2Zr2O7+zYb2O3或LaMgAl11O19或La2(Zr0.7Ce0.3)2O7，其中，x+y≤12wt.％，z≤20wt.％；S2，所述粉体通过高热焓大气等离子喷涂形成DVC热障涂层(DVC TBCs)。在一个优选的实施例中，所述粉体的化学成分为YSZ+5.8wt.％Gd2O3+6.2wt.％Yb2O3。在另一个优选的实施例中，所述粉体的化学成分为Gd2Zr2O7+20wt.％Yb2O3。
现有技术中的APS技术采用美科F4，M9及普莱克斯SG-100等离子喷枪，热焓值低，DVC涂层加工稳定性差、工艺窗口范围窄且参数条件苛刻。本发明采用高热焓大气等离子喷涂技术，采用高焓等离子喷枪系统，等离子射流的热焓值高、速度、密度和温度分布均匀性非常优异，等离子射流长度长，可以在低高温合金基底预热温度条件(室温-380℃)，高效率植入高垂直裂纹密度(1-13cracks/mm)、超低横向裂纹生长(长度低于垂直裂纹的5％)、孔隙率可控(3-20％)的DVC TBCs。采用本发明制备的DVC TBCs显著提高了其界面结合强度、高温应变容限、工作温度、热循环寿命、抗侵蚀及腐蚀等服役性能。
优选地，所述步骤S1中的粉体通过电弧熔融破碎合成或者化学方法合成。更优选地，电弧熔融破碎合成的粉体的粒径为不规则外形，粉体的粒径为5-60μm。更优选地，化学方法合成的粉体的初始粒径为20nm-2μm，然后通过喷雾造粒团聚成10-100μm后直接或经烧结后用于高热焓大气等离子喷涂。
优选地，所述步骤S2中的等离子喷枪的功率为50-210kW，喷涂距离为75-150mm，喷枪移动速度500-1000mm/s；等离子气体以Ar为主气体，H2或He为辅助气体，总流量50-250slpm。应该理解，上述参数具有显著的优势，例如现有大气等离子喷涂在这个喷涂距离及等离子射流参数不可能制备出本发明所述的DVC结构热障涂层。应该理解，等离子射流的温度、速率、密度、粘度等关键物理性质的主要贡献者均为Ar气，其流量大于H2气，也大于He气，是产生等离子射流的主气。
本发明还提供上述的制备方法得到的DVC热障涂层，其垂直裂纹密度为1-13cracks/mm，总孔隙率为3-20％，伴生横向裂纹长度占垂直裂纹长度≤5％。
本发明又提供一种根据上述的DVC热障涂层的应用，其用于航空发动机或燃气轮机高温热端部件，该航空发动机或燃气轮机高温热端部件还包括镍基高温合金基底层和金属粘接层，其中，金属粘接层位于镍基高温合金基底层和DVC热障涂层之间，金属粘接层与DVC热障涂层之间的结合强度介于35-60MPa之间。
优选地，该航空发动机或燃气轮机高温热端部件包括单层的DVC热障涂层。其中，该单层的DVC热障涂层的化学成分为YSZ或YSZ+xGd2O3+yYb2O3或Gd2Zr2O7+zYb2O3或LaMgAl11O19或La2(Zr0.7Ce0.3)2O7。更优选地，该单层的DVC热障涂层的厚度为250μm-1500μm。
优选地，该航空发动机或燃气轮机高温热端部件包括双层的DVC热障涂层，该双层的DVC热障涂层包括底层和DVC顶层。
优选地，该底层为由YSZ形成的DVC底层，该DVC顶层由YSZ+xGd2O3+yYb2O3或Gd2Zr2O7+zYb2O3或LaMgAl11O19或La2(Zr0.7Ce0.3)2O7形成。更优选地，该DVC底层的厚度为60-500μm，该DVC顶层的厚度为250-1500μm。
优选地，该底层为由YSZ形成的APS底层，该DVC顶层由YSZ或YSZ+xGd2O3+yYb2O3或Gd2Zr2O7+zYb2O3或LaMgAl11O19或La2(Zr0.7Ce0.3)2O7形成。更优选地，该APS底层的厚度为60-150μm，该DVC顶层的厚度为300μm-1500μm。应该理解，APS底层和DVC顶层均可以通过高热焓等离子喷枪来获得，例如实施例2中的高热焓等离子喷枪，其既可以制备致密高韧性的APSYSZ底层，也可以制备DVC顶层。
优选地，该镍基高温合金基底层的预热温度为室温-380℃。应该理解，该参数具有显著的优势，例如现有大气等离子喷涂在这个基底预热温度下特别是通过上述喷涂距离是不可能制备出本发明所述的DVC结构热障涂层。应该理解，基底的温度过高会造成造成高温合金的氧化疲劳损伤，过高预热温度在航空发动机和燃气轮机热端部件应用有很多局限，本发明通过该较低的基底预热温度具有显著的优势。
优选地，所述镍基高温合金基底层为JG6264A层或GH3128/3230层或定向凝固镍基高温合金如DZ125层或单晶镍基高温合金层。在一个优选的实施例中，所述镍基高温合金基底层为单晶高温合金DD10层。
优选地，所述金属粘接层的化学成分为NiCrAlY或NiCoCrAlY或NiCoCrAlYHf或NiCoCrAlYHfSi或NiCoCrAlYTa。更优选地，所述金属粘接层采用超音速火焰(HVOF/HVAF)或低压等离子喷涂方法制备。更优选地，所述金属粘接层的厚度为100-200μm。
根据本发明的DVC热障涂层，其化学成分为YSZ或YSZ+xGd2O3+yYb2O3或Gd2Zr2O7+zYb2O3或LaMgAl11O19或La2(Zr0.7Ce0.3)2O7，适应材料范围广，能提高其应变容限、工作温度、抗侵蚀冲刷性能及抗热冲击循环寿命。本发明提出的高热焓大气等离子喷涂技术制备的DVC结构TBCs具有显著的低高温合金预热温度，大幅降低涂层制备过程中合金基底的长时间高温疲劳氧化，在航空发动机和燃气轮机高温热端部件表面DVC TBCs加工时，具有现有技术难以比拟的加工便利性、可行性及涂层结构的稳定重复可控性。采用本发明制备的DVC结构TBCs，陶瓷熔融铺展形成的扁平粒子间具有更好的界面结合，极低的横向裂纹扩展率，精确可控的垂直裂纹的形貌及开裂宽度，以及较高的涂层孔隙率可控范围，较现有技术制备的涂层，具有更好的高温应变容限和抗热冲击性能。相比于现有DVC结构TBCs的低于1250℃的长时间服役温度，本发明制备的DVC TBCs的工作温度范围为1250-1600℃，具有更高的服役温度，更长的抗高温热冲击循环寿命及抗侵蚀性能。
附图说明
图1是根据本发明的实施例1喷雾造粒团聚的YSZ粉体，平均粒径～60μm；
图2是根据本发明的实施例1制备的DVC结构YSZ热障涂层，厚度约为250μm，垂直裂纹密度～4.5cracks/mm；
图3是根据本发明实施例1的一个变型制备的DVC结构YSZ热障涂层，厚度约为1200μm，垂直裂纹密度～3.5cracks/mm；
图4是根据本发明实施例1的另一个变型制备的DVC结构YSZ热障涂层，厚度约为1500μm，垂直裂纹～5cracks/mm，涂层总孔隙率约为20％；
图5是根据本发明的实施例2所制备的熔融破碎YSZ粉体，粒径5-60μm；
图6是根据本发明的实施例2设计制备的双层结构热障涂层，靠近金属粘接层为致密的常规APS层，厚度约为60μm，顶层为DVC结构YSZ层，厚度约为300μm。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
实施例1
以GH3128/3230高温合金为基体，通过线切割、抛光加工成的圆片，采用80目白刚玉对圆片表面进行喷砂，然后采用丙酮充分超声清洗，并干燥。采用低压等离子喷涂在处理好的圆形试片表面喷涂制备100μm厚的NiCrAlY或NiCoCrAlY金属粘接层。然后，采用大气等离子喷涂在粘接层表面制备厚度为250μm的YSZ热障涂层，涂层截面为DVC结构，垂直裂纹密度为～4.5cracks/mm(如图2所示)，涂层总孔隙率为20％，与粘接层的结合强度为35MPa。喷涂用设备为Oerlikon Metco Triplexpro210高热焓等离子喷枪，高温合金基底预热温度为380℃，喷涂距离为75mm，喷枪移动速度为500mm/s，工作功率为50kW，工作气体为：Ar45slpm，H2-5slpm，所用YSZ粉体(如图1所示)为喷雾造粒团聚(化学合成初始粒径为20nm-2μm)，粒径10-100μm，送粉速度为30g/min，伴生横向裂纹长度/垂直裂纹长度约为～4％。
本实施例制备DVC结构TBCs工作温度范围为1250-1600℃，该温度范围的热循环寿命和抗侵蚀冲刷性能显著优于常规APS DVC结构TBCs。
在制备单层DVC结构YSZ热障涂层时，其他参数保持不变，厚度为1200μm的YSZ热障涂层的垂直裂纹密度～3.5cracks/mm，如图3所示，热障涂层的每一条垂直裂纹旁边几乎没有伴生的横向的显微裂纹，这是常规制备方法所不能实现的；厚度为1500μm的YSZ热障涂层的垂直裂纹密度～5cracks/mm，如图4所示，涂层总孔隙率约为20％。应该理解，YSZ热障涂层的厚度可以介于250-1500μm之间，这里的YSZ仅作为示例而非限制，对其他材料同样适用。
实施例2
以定向凝固镍基高温合金DZ125为基体，通过线切割、抛光加工成的圆片，采用120目白刚玉对圆片表面进行喷砂，然后采用丙酮充分超声清洗，并干燥。采用超音速火焰喷涂在处理好的圆形试片表面喷涂制备150μm厚的NiCoCrAlYHf金属粘接层。然后，采用大气等离子喷涂在粘接层表面制备厚度为60-150μm的低孔隙率致密YSZ底层，孔隙率为3％，再在该层表面制备DVC结构YSZ顶层，厚度为～300-1500μm，垂直裂纹密度为～7cracks/mm，参见图6，涂层总孔隙率为10％，与粘接层的界面结合强度为60MPa。喷涂用设备为Oerlikon Metco Triplexpro210高热焓等离子喷枪，其中：(1)60-150μm底层喷涂距离为110mm，基底为室温，喷枪移动速度为1000mm/s，工作功率为50kW，工作气体为：Ar50slpm，He-10slpm，所用YSZ粉体为喷雾造粒团聚后烧结制备，平均粒径D50＝45μm，送粉速度为25g/min。(2)～300-1500μmDVC结构顶层喷涂距离为85mm，喷漆移动速率为700mm/s，预热温度为300℃，工作功率为55kW，工作气体为：Ar55slpm，H25slpm，所用YSZ粉体(如图5所示)为熔融破碎法制备，粒径为5-60μm，送粉速率40g/min，伴生横向裂纹长度/垂直裂纹长度约为～3％。
本实施例制备的双层结构TBCs工作温度范围为1250-1600℃，该温度范围的热循环寿命和抗侵蚀冲刷性能显著优于常规APS DVC结构TBCs。
实施例3
以第三代镍基单晶高温合金DD10为基体，通过线切割、抛光加工成的圆片，采用240目白刚玉对圆片表面进行喷砂，然后采用丙酮充分超声清洗、并干燥。采用低压等离子喷涂在处理好的圆形试片表面喷涂制备200μm厚的NiCoCrAlYTa金属粘接层。然后，采用大气等离子喷涂在粘接层表面制备厚度为60-500μm厚的DVC结构YSZ底层，垂直裂纹密度为～1cracks/mm，总孔隙率～5％，伴生横向裂纹长度/垂直裂纹长度约为～3％。再在该层表面制备250-1500μm厚DVC结构YSZ+5.8wt.％Gd2O3+6.2wt.％Yb2O3层或Gd2Zr2O7+20wt.％Yb2O3层，垂直裂纹密度为～5cracks/mm，伴生横向裂纹长度/垂直裂纹长度约为～5％，总孔隙率为15％。该双层结构热障陶瓷层总厚度约为750μm，与粘接层的结合强度为48MPa。喷涂用设备为100HE(Progressive Surface，GrandRapids，MI)高热焓等离子喷枪。其中：(1)60-500μmDVC结构YSZ层，喷涂功率为210kW，喷涂距离为150mm，预热温度为200℃，工作气体为：Ar-90slpm，H2-72slpm，He-88slpm，所用YSZ粉体为熔融破碎法制备，粒径范围15-60μm，喷枪移动速率为700mm/s，送粉速率为45g/min。(2)250-1500μm厚DVC结构YSZ+5.8wt.％Gd2O3+6.2wt.％Yb2O3层或Gd2Zr2O7+20wt.％Yb2O3层，喷涂功率为180kW，喷涂距离为120mm，预热温度为300℃，工作气体为：Ar-90slpm，H2-85slpm，He-75slpm，所用粉体初始粒径为1μm，经喷雾造粒团聚烧结后，粒径为45-60μm，喷枪移动速率为700mm/s，送粉速率为50g/min。
本实施例制备的双层结构TBCs工作温度范围为1250-1600℃，该温度范围的热循环寿命和抗侵蚀冲刷性能显著优于常规APS DVC结构TBCs。
应该理解，上述实施例中的5.8wt.％Gd2O3+6.2wt.％Yb2O3仅作为示例而非限制，其中的Gd2O3和Yb2O3的重量百分比之和≤12wt.％；上述实施例中的Gd2Zr2O7+20wt.％Yb2O3仅作为示例而非限制，其中的Yb2O3的重量百分比≤20wt.％。
实施例4
以定镍基高温合金JG6264A为基体，通过线切割、抛光精加工成的圆片，采用360目刚玉砂在压缩空气下对试样表面进行喷砂处理，然后将试样依次置于丙酮和无水酒精中进行超声清洗，充分干燥后；采用低压等离子喷涂在JG6264A合金基体上制备120μm厚的NiCoCrAlYHfSi金属粘结层，采用大气等离子喷涂在金属粘接层表面制备500μm厚的DVC YSZ层，垂直裂纹密度为～5cracks/mm，涂层总孔隙率为5％，伴生横向裂纹长度/垂直裂纹长度＜3％。然后在YSZ表面制备～1500μm厚的DVC结构新型高温热障陶瓷涂层，化学成分为LaMgAl11O19或La2(Ce0.3Zr0.7)2O7，垂直裂纹密度为～13cracks/mm，涂层总孔隙率～15％，伴生横向裂纹长度/垂直裂纹长度＜5％，热障陶瓷层与金属粘接层的界面结合强度为50MPa。
采用Axial IIITM(Northwest Mettech Corp.，North Vancouver，Canada)高热焓等离子喷枪制备，其中：(1)500μm厚DVC结构YSZ底层，喷涂功率为150kW，预热温度为250℃，喷涂距离为100mm，等离子气体流量Ar-90slpm，H2-75slpm，He-80slpm，所用YSZ粉体为熔融破碎法制备，粒径范围45-60μm，喷枪移动速率为700mm/s，送粉速率为40g/min，基底预热温度200℃。(2)1500μm厚DVC结构LaMgAl11O19或La2(Ce0.3Zr0.7)2O7表面层，喷涂功率为120kW，预热温度为380℃，喷涂距离为150mm，等离子气流流量Ar-90slpm，H2-75slpm，He-80slpm，所用粉体初始粒径为500nm，经喷雾造粒团聚烧结后，平均粒径为45μm，喷枪移动速率为700mm/s，送粉速率为50g/min。
本实施例制备的双层结构TBCs工作温度范围为1250-1600℃，该温度范围的热循环寿命和抗侵蚀冲刷性能显著优于常规APS DVC结构TBCs。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (7)
1.一种DVC热障涂层的应用，该DVC热障涂层用于航空发动机或燃气轮机高温热端部件，该航空发动机或燃气轮机高温热端部件还包括镍基高温合金基底层和金属粘接层，其特征在于，该应用包括如下步骤：
S1，提供粉体，所述粉体的化学成分为YSZ+xGd2O3+yYb2O3或Gd2Zr2O7+zYb2O3或LaMgAl11O19或La2(Zr0.7Ce0.3)2O7，其中，x+y≤12wt.％，z≤20wt.％；
S2，所述粉体通过高热焓大气等离子喷涂形成DVC热障涂层，该DVC热障涂层的垂直裂纹密度为1-13cracks/mm，总孔隙率为3-20％，伴生横向裂纹长度占垂直裂纹长度≤5％，该镍基高温合金基底层的预热温度为室温-380℃，等离子喷枪的功率为50-210kW，喷涂距离为75-150mm，喷枪移动速度500-1000mm/s；等离子气体以Ar为主气体，H2或He为辅助气体，总流量50-250slpm。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述步骤S1中的粉体通过电弧熔融破碎合成或者化学方法合成。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，金属粘接层位于镍基高温合金基底层和DVC热障涂层之间，金属粘接层与DVC热障涂层之间的结合强度介于35-60MPa之间。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，该航空发动机或燃气轮机高温热端部件包括单层的DVC热障涂层。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，该航空发动机或燃气轮机高温热端部件包括双层的DVC热障涂层，该双层的DVC热障涂层包括底层和DVC顶层。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，该底层为由YSZ形成的DVC底层，该DVC顶层由YSZ+xGd2O3+yYb2O3或Gd2Zr2O7+zYb2O3或LaMgAl11O19或La2(Zr0.7Ce0.3)2O7形成。
7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，该底层为由YSZ形成的APS底层，该DVC顶层由YSZ+xGd2O3+yYb2O3或Gd2Zr2O7+zYb2O3或LaMgAl11O19或La2(Zr0.7Ce0.3)2O7形成。
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