CN115536386B - 一种高断裂韧性、抗cmas腐蚀及超高温烧结热障涂层材料及其制备和应用、热障涂层 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高断裂韧性、抗CMAS腐蚀及超高温烧结热障涂层材料及其制备方法和应用，属于高温/超高温热障涂层技术领域。本发明采用不同稀土氧化物共掺杂ZrO2，通过稀土氧化物掺杂量调控其晶体缺陷浓度及晶格畸变程度，呈现为完全稳定化的立方萤石型晶体结构，因而室温～1600℃无相变；且具有高韧性、抗CMAS腐蚀及超高温烧结能力及长服役寿命的优势。
Description
技术领域
本发明涉及高温/超高温热障涂层技术领域，尤其涉及一种高断裂韧性、抗CMAS腐蚀及超高温烧结热障涂层材料及其制备方法和应用、热障涂层。
背景技术
当前，先进型号航空发动机和燃气轮机的涡轮进口温度不断提高，对其高温热端部件表面热障涂层的使用温度和服役寿命提出了更加严苛且强劲的研制需求。长期以来，发展可替代传统YSZ的新材料，是实现热障涂层在1300～1600℃使用温度长寿命服役的必由之路。二十多年来，大量新型高温热障涂层材料如烧绿石型稀土锆酸盐、萤石型稀土铈酸盐、钙钛矿结构稀土锆酸盐、磁铅石结构稀土六铝酸盐以及稀土钽酸盐、铌酸盐等具有更高相稳定性的新材料层出不穷，围绕传统YSZ材料的多组元掺杂改性研究也风起云涌。然而，热障涂层异常严苛的高温服役环境使得这些新材料在使用过程中都面临各种各样的热机械性能缺陷，导致热循环寿命难以满足新一代先进型号航空发动机和燃气轮机的研制需求。其中，如何使得高温/超高温热障涂层新材料不但具有与金属基底匹配的热膨胀系数，同时具有热导率低、优异的抗超高温烧结、较高的断裂韧性及抗CMAS(CaO-MgO-Al2O3-SiO2，沙尘和火山灰的主要化学成分)性能，是高性能高温/超高温热障涂层研制需要解决的关键瓶颈问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高断裂韧性、抗CMAS腐蚀及超高温烧结热障涂层材料及其制备方法和应用、热障涂层，所述热障涂层材料的使用温度为1300～1600℃，在室温至1600℃无相变，具有高韧性、抗CMAS腐蚀及超高温烧结能力及长服役寿命。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种热障涂层材料，化学组成为ZrO2；xY2O3；y(AnB1-n)2O3，其中，A和B独立为Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的任意一种；x＝6～10wt.％，y＝30～42wt.％，0＜n≤1，x和y代表对应化合物占所述热障涂层材料总质量的质量百分含量。
优选的，所述x＝7.5～9wt.％，y＝30～42wt.％，n＝0.5～1.0。
本发明提供了上述技术方案所述热障涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
将所述热障涂层材料对应的金属氧化物原料分别进行第一煅烧后，得到对应的金属氧化物粉；
将所述对应的金属氧化物粉混合球磨后，进行第二煅烧，得到热障涂层材料。
优选的，所述第一煅烧的温度为600～1000℃，时间≥1h；所述第二煅烧的温度为1450～1600℃，时间≥6h。
本发明提供了上述技术方案所述热障涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
将所述热障涂层材料对应的金属源混合溶液与沉淀剂混合，在pH值≥12的条件下进行共沉淀，得到前驱体沉淀物；
将所述前驱体沉淀物进行煅烧，得到热障涂层材料。
优选的，所述煅烧的温度为1300～1500℃，总时间为24～36h。
本发明提供了上述技术方案所述热障涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
将所述热障涂层材料对应的金属氧化物进行混合熔融，得到陶瓷熔融液；
将所述陶瓷熔融液凝固后碎化，得到热障涂层材料。
本发明提供了上述技术方案所述热障涂层材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的热障涂层材料在航空发动机或燃气轮机高温热端部件中的应用；所述高温热端部件的工作温度为1300～1600℃；所述高温热端部件的工作环境包括CMAS载荷。
本发明提供了一种热障涂层，包括依次层叠设置的镍基高温合金基底、金属粘接层和表面热障陶瓷层，或者包括依次层叠设置的镍基高温合金基底、金属粘接层、YSZ层和表面热障陶瓷层；所述表面热障陶瓷层所用材料为上述技术方案所述热障涂层材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的热障涂层材料。
优选的，所述表面热障陶瓷层采用大气等离子喷涂方法制备。
本发明提供了一种热障涂层材料，所述热障陶瓷涂层材料以立方萤石晶体结构为靶向，采用不同稀土氧化物共掺杂单斜相的ZrO2形成萤石结构，通过稀土氧化物掺杂量调控其晶体缺陷浓度及晶格畸变程度，且控制稀土氧化物掺杂质量分数超过20％，呈现为完全稳定化的立方萤石型晶体结构，因而低于熔点温度(2700℃)不会发生相变，实现室温～1600℃无相变；萤石型结构具有高热膨胀系数和断裂韧性；三价稀土元素较大质量分数掺杂取代四价Zr4+格位，形成更多点缺陷和氧空位缺陷，显著加强了声子散射传热，降低了热导率，因而具有热导率低的优势；此外，晶体缺陷浓度的增加，有效降低烧结过程中的晶格之间的扩散速率，从而呈现更加优异的抗烧结性能，涂层和陶瓷致密化难度增加，因而所述热障涂层材料具有超高温抗烧结优点；本发明控制稀土氧化物的掺杂量，稀土离子可以有效促进稀土-磷灰石等难熔相生长，从而消耗、固化阻挡熔融CMAS玻璃的进一步渗透和对涂层基体的化学腐蚀降解，因而所述热障涂层材料具有很好的高温/超高温抗CMAS腐蚀能力。因此，本发明提供的新型热障涂层具有高韧性、抗CMAS腐蚀及超高温烧结能力及长服役寿命的优势。
本发明提供的热障涂层材料在室温～1600℃不发生相变，对应等离子喷涂涂层在1100～1500℃范围100h烧结扩散率变化率≤25％，具有喷涂态典型显微结构的涂层的热导率≤1.21W/m·K，烧结陶瓷块体的断裂韧性≥3.0MPa·m1/2，断裂韧性比烧绿石结构稀土锆酸盐(约为1MPam1/2)显著提升。
本发明提供了一种热障涂层，整个热障涂层体系在1100℃的等温热循环寿命(1h循环)≥2000次，在燃气火焰热梯度循环测试中，热循环寿命≥18000次。
本发明提供了所述热障涂层材料的制备方法，本发明采用固相反应法、共沉淀法或熔融破碎法合成，且通过等离子喷涂形成热障涂层，用于航空发动机或燃气轮机高温热端部件，使用温度最高可达1300～1600℃，抗CMAS腐蚀性能优异，热循环寿命长。
附图说明
图1为实施例1制备的粉体的XRD图；
图2为应用例1中等离子球化后粉末的界面显微结构图；
图3为应用例2中烧结后团聚粉体的表面形貌图；
图4为应用例3制备的热障涂层的截面SEM图。
具体实施方式
本发明提供了一种热障涂层材料，化学组成为ZrO2；xY2O3；y(AnB1-n)2O3，其中，A和B独立为Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的任意一种；x＝6～10wt.％，y＝30～42wt.％，0＜n≤1，x和y代表对应化合物占所述热障涂层材料总质量的质量百分含量。
在本发明中，作为优选方案，所述x＝7.5～9wt.％，y＝30～42wt.％，n＝0.5～1.0。
在本发明中，所述A和B为不同稀土金属元素；当所述n＝1时，仅掺杂一种稀土金属元素。
在本发明中，所述热障涂层材料中，x代表的Y2O3以及y代表的稀土氧化物以对应质量分数掺杂形成固溶体的方式进入ZrO2晶体格位中。
本发明提供了上述技术方案所述热障涂层材料的制备方法(高温固相合成法)，包括以下步骤：
将所述热障涂层材料对应的金属氧化物原料分别进行第一煅烧后，得到对应的金属氧化物粉；
将所述对应的金属氧化物粉混合球磨后，进行第二煅烧，得到热障涂层材料。
在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料或试剂均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明将所述热障涂层材料对应的金属氧化物原料分别进行第一煅烧后，得到对应的金属氧化物粉。
在本发明中，所述热障涂层材料对应的金属氧化物原料优选为6～9wt.％Y2O3稳定化的ZrO2(YSZ，纯度≥99.9％，固溶体粉末)(或Y2O3粉末(纯度≥99.99％)、ZrO2粉末(纯度≥99.5％))和稀土氧化物Re2O3粉末(Re＝Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu，纯度≥99.99％)。
在本发明中，所述第一煅烧优选在空气气氛中进行，所述第一煅烧的温度优选为600～1000℃，时间优选≥1h，更优选为2～4h。本发明通过第一煅烧去除吸附的水蒸气及其他易挥发物质，确保原料称量时化学计量比准确。
完成所述第一煅烧后，本发明优选将所得产物随炉冷却至80℃，转移至真空干燥箱中保存备用。
得到对应的金属氧化物粉后，本发明将所述对应的金属氧化物粉混合球磨后，进行第二煅烧，得到热障涂层材料。
在本发明中，所述混合球磨的方式优选为湿法球磨，所述混合球磨优选采用氧化锆球为球磨介质，以水或无水乙醇作为液体介质。本发明对所述液体介质和球磨介质的用量没有特殊的限定，根据实际需求调整即可。本发明对所述混合球磨的具体参数没有特殊的限定，根据实际需求调整得到所需粒径的粉体颗粒即可。在本发明的实施例中，所述球磨的转速具体为300～320r/min，时间具体为48h。
完成所述混合球磨后，本发明优选将所得浆料转移至烘箱干燥，将所得干燥料饼破碎，过100目以上网筛，得到混合粉体。在本发明中，所述干燥的温度优选为130℃，时间优选为48～72h；所述破碎的方式优选为机械研磨破碎，本发明对所述机械研磨破碎的具体过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。
得到混合粉体后，本发明优选将所述混合粉体进行第二煅烧，得到热障涂层材料。在本发明中，所述第二煅烧的温度优选为1450～1600℃，更优选为1450℃，时间优选≥6h，更优选为12～24h；所述第二煅烧优选在高温箱式电阻炉中进行。
完成所述第二煅烧后，本发明优选将所得产物随炉冷却至室温，机械破碎后，得到热障涂层材料；本发明优选机械破碎至平均粒径≤5μm，更优选为1μm。
本发明提供了上述技术方案所述热障涂层材料的制备方法(共沉淀法)，包括以下步骤：
将所述热障涂层材料对应的金属源混合溶液与沉淀剂混合，在pH值≥12的条件下进行共沉淀，得到前驱体沉淀物；
将所述前驱体沉淀物进行煅烧，得到热障涂层材料。
本发明将所述热障涂层材料对应的金属源混合溶液与沉淀剂混合，在pH值≥12条件下进行共沉淀，得到前驱体沉淀物。
在本发明中，所述热障涂层材料对应的金属源混合溶液中金属源优选为稀土氧化物Re2O3粉末(Re＝Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu，纯度≥99.99％)、Y2O3(纯度99.99％)和ZrOCl2·8H2O。
在本发明中，所述热障涂层材料对应的金属盐混合溶液的制备过程优选为按照化学成分配比称取稀土氧化物Re2O3粉末和Y2O3(纯度99.99％)分别溶于发烟硝酸中，分别加入去离子水配成硝酸盐溶液，将所得硝酸盐混合溶液搅拌60min，按照化学计量比称取对应质量的ZrOCl2·8H2O粉体加入混合溶液中，搅拌均匀，得到热障涂层材料对应的金属源混合溶液。本发明对所述搅拌的速率没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程将物料混合均匀即可。
在本发明中，所述沉淀剂优选为质量浓度为10％的氨水。
在本发明中，所述热障涂层材料对应的金属源混合溶液与沉淀剂混合的过程优选为在搅拌条件下，将沉淀剂滴加至所述热障涂层材料对应的金属源混合溶液中，直至溶液的pH值≥12且没有新的沉淀物出现，停止滴加。
滴加完沉淀物后，本发明优选将所得产物继续搅拌≥60min，更优选为120min，陈化60min，将所得产物依次进行离心、过滤、干燥和研磨破碎，过100目筛，得到前驱体沉淀物。在本发明中，所述干燥的温度优选为120℃；本发明对所述离心、过滤和研磨破碎的具体过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。
得到前驱体沉淀物后，本发明将所述前驱体沉淀物进行煅烧，得到热障涂层材料。
在本发明中，所述煅烧的温度优选为1300～1500℃，总时间优选为24～36h；所述煅烧优选包括依次进行的第一煅烧和第二煅烧，所述第一煅烧和第二煅烧的温度独立优选为1300～1500℃，所述第一煅烧的时间优选为24h，所述第二煅烧的时间优选为12h；完成所述第一煅烧后，取出物料破碎过100目筛，进行第二煅烧。
完成所述煅烧后，本发明优选将所得物料随炉冷却至室温，研磨破碎至60nm～2μm，得到热障涂层材料。本发明对所述研磨破碎的过程没有特殊的限定，能够得到上述粒径要求的材料即可。所述煅烧优选在高温箱式电阻炉中进行。
本发明提供了上述技术方案所述热障涂层材料的制备方法(熔融破碎法)，包括以下步骤：
将所述热障涂层材料对应的金属氧化物进行混合熔融，得到陶瓷熔融液；
将所述陶瓷熔融液凝固后碎化，得到热障涂层材料。
本发明将所述热障涂层材料对应的金属氧化物进行混合熔融，得到陶瓷熔融液。
在本发明中，所述热障涂层材料对应的金属氧化物优选为稀土氧化物Re2O3粉末(Re＝Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu，纯度≥99.99％)、Y2O3(纯度99.99％)和ZrO2(纯度99.99％)。
在本发明中，所述混合熔融优选在高温电弧炉中进行；所述混合熔融的温度为2760℃，熔炼时间优选为120min。
得到陶瓷熔融液后，本发明将所述陶瓷熔融液凝固后碎化，得到热障涂层材料。
本发明优选倾斜所得陶瓷熔融液，稀土离子掺杂进入ZrO2晶体格位，形成单相的陶瓷液态固溶体，采用高压空气进行冲击破碎至粒径为1～3mm；所述高压空气的压力优选为12kg/cm2。
本发明提供了上述技术方案所述热障涂层材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的热障涂层材料在航空发动机或燃气轮机高温热端部件中的应用；所述高温热端部件的工作温度为1300～1600℃；所述高温热端部件的工作环境包括CMAS载荷。
本发明提供了一种热障涂层，包括依次层叠设置的镍基高温合金基底、金属粘接层和表面热障陶瓷层；所述表面热障陶瓷层所用材料上述技术方案所述热障涂层材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的热障涂层材料。
在本发明中，所述镍基高温合金基底优选为铸造高温合金、定向凝固高温合金或单晶高温合金；本发明对所述镍基高温合金的具体牌号和尺寸没有特殊的限定，本领域熟知的市售牌号均可；在本发明的实施例中，具体为定向凝固镍基高温合金DZ125、定向凝固高温合金MAR 247或GH3128/3230高温合金或镍基单晶高温合金DD10，尺寸均为Φ30mm×3mm的圆片。
在本发明中，所述镍基高温合金基底使用前优选进行预处理；所述预处理的过程优选为将镍基高温合金基体采用80目刚玉在0.4MPa压缩空气下对圆片的一个表面进行喷砂处理至表面粗糙度Ra＝5μm，然后用丙酮进行超声清洗，在100℃烘箱中干燥。
在本发明中，所述金属粘接层的成分优选包括NiCoCrAlY、NiCrAlY、NiCoCrAlYHfTa或NiCoCrAlYHfSi；所述金属粘接层的厚度优选为100～200μm，更优选为150μm。本发明对所述金属粘接层的具体组分和含量没有特殊的限定，本领域熟知的市售商品均可。
本发明优选采用超音速火焰喷涂(HVOF/HVAF)或低压等离子喷涂(LPPS)在合金基底上制备金属粘接层；本发明对所述金属粘接层的具体制备过程和参数没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。
在本发明中，所述金属粘接层和表面热障陶瓷层之间优选还设置有YSZ层；所述YSZ层优选为氧化钇(Y2O3摩尔分数为3～5％)部分稳定氧化锆(YSZ)；所述YSZ层的厚度优选为200～400μm；孔隙率优选为10～15％。
本发明优选采用大气等离子喷涂法在金属粘接层表面制备YSZ层；本发明对所述大气等离子喷涂的具体过程和参数没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。
在本发明中，所述表面热障陶瓷层所用材料为上述技术方案所述热障涂层材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的热障涂层材料，本发明优选采用大气等离子喷涂在YSZ层表面制备表面热障陶瓷层；本发明对所述大气等离子喷涂的具体过程和参数没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。或者，所述表面热障陶瓷层采用电子束-物理气相沉积(EB-PVD)制备，为羽毛状柱状晶结构。
当所述热障涂层材料的粒径＜5μm时，本发明优选将所述热障涂层材料采用喷雾造粒法团聚成粒径为20～150μm的粉体，直接用于大气等离子喷涂制备热障涂层；或者本发明优选将团聚后的粉体进一步进行烧结(1100～1600℃烧结≥1h)或表面熔融等离子球化后，用于大气等离子喷涂制备热障涂层。本发明对所述表面熔融等离子球化的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。在本发明的应用例中，具体为在1050℃烧结24h。
在本发明中，所述表面热障陶瓷层的厚度优选为400～1800μm，更优选为600～1500μm。
在本发明中，所述表面热障陶瓷层的结构优选为经典层状多孔结构，涂层孔隙率优选为10～30％，更优选为12～15％；或者，所述表面热障陶瓷层为垂直裂纹(DVC)结构，垂直裂纹密度优选为2～13条/mm(平行于涂层与基底界面方向1mm宽度范围内垂直裂纹的个数)，更优选为3.6条/mm，涂层孔隙率优选为8～20％，更优选为12～15％；所述表面热障陶瓷层的喷涂态热导率优选为≤1.21W·m-1·K-1。
本发明所述垂直裂纹结构是指涂层截面上，总体方向上垂直于涂层与金属基底界面，并且长度大于涂层总厚度的1/2。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
采用高温固相合成制备热障陶瓷材料粉末ZrO2；6.0wt.％Y2O3；42wt.％Sm2O3：
将ZrO2(纯度99.9％)、Sm2O3(纯度99.99％)、Y2O3(纯度99.99％)三种粉末在1000℃煅烧4h，按照化学计量比称取三种粉末装入球磨罐中，在球磨罐中加入氧化锆球磨球，加入去离子水后，球磨混合48h，球磨罐转速为320r/min，球磨混料结束后，将球磨罐中的浆料彻底转移至不锈钢容器中，在烘箱中130℃干燥48h，然后将干燥的料饼机械研磨破碎过100目筛；将过筛后的混合粉末放在高温箱式电阻炉中1450℃保温12h后，随炉冷却至室温，机械破碎至平均粒径≤5μm。
实施例2
采用共沉淀途径制备热障陶瓷材料粉末ZrO2；10.0wt.％Y2O3；42wt.％(Sm0.5Gd0.5)2O3：
按照化学计量比称取Sm2O3(纯度99.99％)、Gd2O3(纯度99.99％)、Y2O3(纯度99.99％)分别溶于发烟硝酸中，分别加入去离子水配成浓度为1mol/L的三种硝酸盐溶液；将上述四种硝酸盐溶液混合搅拌60min，按照化学计量比称取ZrOCl2·8H2O粉体加入所得混合溶液中，搅拌均匀；在不断搅拌的同时，向所得混合溶液中滴加浓度为10wt％的氨水，直至溶液的pH＝12且没有新的沉淀物出现，停止滴加，并继续搅拌120min后再陈化60min，将所得沉淀后的混合物离心、抽滤后，在烘箱中120℃干燥；将干燥的料饼研磨破碎过100目筛，将过筛后的混合粉末放在高温箱式电阻炉中首先1300℃保温24h后，取出破碎过100目筛，继续在1450℃保温12h后，随炉冷却至室温，研磨破碎至粒径为60nm～2μm。
实施例3
采用电弧熔融破碎制备热障陶瓷材料粉末ZrO2；7.5wt.％Y2O3；30wt.％(Eu0.5Yb0.5)2O3：
按照化学成分配比称取Eu2O3(纯度99.99％)、Y2O3(纯度99.99％)、Yb2O3(纯度99.99％)、ZrO2(纯度99.9％)共同加入电弧熔融炉中，在2760℃熔炼120分钟，然后倾斜陶瓷液态固溶体，采用12kg/cm2的高压空气进行冲击破碎值1-3mm。
实施例4
采用高温固相合成制备热障陶瓷材料粉末ZrO2；7.5wt.％Y2O3；30wt.％(Gd0.7Yb0.3)2O3：
将ZrO2(纯度99.9％)、Y2O3(纯度99.99％)、Gd2O3(纯度99.99％)、Yb2O3(纯度99.99％)四种粉末在600℃煅烧2h；按照化学计量比称取四种粉末装入球磨罐中，在球磨罐中加入氧化锆球磨球，加入去离子水后，球磨混合48h，球磨罐转速为300r/min，球磨混料结束后，将球磨罐中的浆料彻底转移至不锈钢容器中，再在烘箱中130℃干燥72h，将干燥的料饼机械研磨破碎过100目筛，将过筛后的混合粉末放在高温箱式电阻炉中1600℃保温24h后随炉冷却至室温，机械破碎至平均粒径为1μm。
应用例1
将实施例1制备的ZrO2；6.0wt.％Y2O3；42wt.％Sm2O3粉体进行喷雾造粒，筛选20～100μm粒径范围的粉体，经过等离子球化后，得到用于等离子喷涂的粉体；
以定向凝固镍基高温合金DZ125为基体，尺寸为的圆片，采用80目刚玉在0.4MPa压缩空气下对圆片的一个表面进行喷砂处理至表面粗糙度Ra＝5μm，然后用丙酮进行超声清洗，在120℃烘箱中干燥；
采用超音速火焰喷涂HVOF在圆形DZ125高温合金试片表面制备NiCrAlYHfTa金属粘接层，厚度为100μm；
采用大气等离子喷涂在金属粘接层上制备厚度200μm的YSZ(美科204NS系列粉)陶瓷热障层，孔隙率为10％；
采用大气等离子喷涂在YSZ层表面制备一层厚度1800μm的热障陶瓷层，涂层为垂直裂纹(DVC)结构，垂直裂纹密度为2.0条/mm，涂层总孔隙率为12％，得到双陶瓷层高温热障涂层。
应用例2
采用喷雾造粒处理实施例2制备的热障陶瓷材料粉末，得到粒径为20～120μm的中空球状团聚颗粒，继续在1050℃烧结24h后团聚粉体用于等离子喷涂涂层制备热障涂层；
以单晶高温合金DD10为基体，尺寸为的圆片，采用80目刚玉在0.4MPa压缩空气下对圆片的一个表面进行喷砂处理至表面粗糙度Ra＝5μm，然后用丙酮进行超声清洗，在100℃烘箱中干燥；
采用低压等离子喷涂法在镍基单晶高温合金圆形试片表面制备NiCoCrAlYHfSi金属粘接层，厚度为150μm；
采用大气等离子喷涂在金属粘接层上制备一层厚度400μm的YSZ(美科204NS系列粉)陶瓷热障层，孔隙率为15％；
采用大气等离子喷涂在YSZ层表面制备一层厚度600μm的热障陶瓷层，为经典层状多孔结构，涂层孔隙率为30％，喷涂态热导率为0.55W·m-1·K-1，得到双陶瓷层高温热障涂层。
应用例3
将实施例3制备的热障陶瓷材料粉末采用机械破碎法进一步破碎收集5～60μm所得粉体，直接用于大气等离子喷涂制备热障涂层；
以GH3128/3230高温合金为基体，尺寸为的圆片，采用60目刚玉在0.4MPa压缩空气下对圆片的一个表面进行喷砂处理至表面粗糙度Ra＝5μm，再用丙酮进行超声清洗，在100℃烘箱中干燥；
采用低压等离子喷涂法在镍基单晶高温合金圆形试片表面制备NiCrAlY金属粘接层，厚度为200μm；
采用大气等离子喷涂在所述金属粘接层上制备一层厚度为1500μm的热障陶瓷面层，该层为DVC(垂直裂纹)结构，垂直裂纹密度3.6条/mm，涂层孔隙率为12％，得到单层DVC结构高温热障涂层。
应用例4
将实施例4制备的热障陶瓷材料粉末喷雾造粒成高流动性团聚粉体，筛分粒径20～100μm的粉体用于大气等离子喷涂制备热障涂层；
以定向凝固高温合金MAR 247为基体，尺寸为的圆片，采用60目刚玉在0.4MPa压缩空气下对圆片的一个表面进行喷砂处理至表面粗糙度Ra＝5μm，再用丙酮进行超声清洗，在100℃烘箱中干燥；
采用低压等离子喷涂法在镍基单晶高温合金圆形试片表面制备NiCoCrAlY金属粘接层，厚度为100μm；
采用大气等离子喷涂在金属粘接层上制备一层厚度200μm的YSZ(美科204NS系列粉)陶瓷热障层，孔隙率为10％；
采用大气等离子喷涂在YSZ层表面制备一层厚度400μm的热障陶瓷面层，该面层为DVC(垂直裂纹)结构，垂直裂纹密度13cracks/mm，涂层孔隙率为15％，得到双陶瓷层高温热障涂层。
表征及性能测试
1)图1为实施例1制备的热障陶瓷涂层材料粉末的XRD图；由图1可知，所制备的粉体为单一萤石型固溶体相态，无第二相衍射峰，化学纯度高。
2)图2为应用例1中等离子球化后粉末的界面显微结构图，由图2可知，等离子球化粉体内部为不同程度的空心结构，但是粉体颗粒表面连续致密；等离子球化后的粉末表面较为光滑平整，为典型的等离子熔融球化特征。
3)图3为应用例2中烧结后团聚粉体的表面形貌图，如图3所示，粉体颗粒表面可以看见烧结扩散陶瓷晶粒的晶界，以及部分孔隙。这类粉体颗粒形貌对APS涂层孔隙率调控和垂直裂纹生长亦有重要影响。
4)图4为应用例3制备的热障涂层的截面SEM图，可以看到涂层为单层DVC结构，垂直裂纹密度为3.6条/mm，涂层孔隙率为12％。
5)对应用例1～4制备的热障涂层进行激光热导率测试，结果表明，应用例1～4制备的热障涂层的喷涂态平均热导率分别为:1.18W·m-1·K-1、0.55W·m-1·K-1、0.68W·m-1·K-1和1.21W·m-1·K-1；喷涂态涂层在1100～1500℃，100h烧结扩散率变化率分别为：25％、15％、18％和15％，说明抗高温烧结能力优异。
6)对应用例1～4制备的热障涂层进行单边切口法断裂韧性测试，断裂韧性分别为：3.6MPa·m1/2、3.2MPa·m1/2、3.0MPa·m1/2和3.6MPa·m1/2。
7)对应用例1～4制备的热障涂层进行热重-差示扫描量热仪(耐驰，TG-DSC)测试，结果表明，室温-1600℃之间没有相变。
8)采用耐驰高温热膨胀测试仪测试热膨胀系数，应用例1～4制备的热障涂层的热膨胀系数依次为11.6×10-6K-1、12.0×10-6K-1、12.0×10-6K-1和11.0×10-6K-1；
9)测试抗CMAS渗透性能：在热障涂层试样表面铺放30mg/cm2的CMAS混合粉末(即表面载荷30mg/cm2)，置于1500℃空气气氛中保温100h，切割观测涂层试样的界面，通过扫描电镜照片截面及能谱图确认CMAS渗透深度，结果表明，应用例1～4制备的热障涂层能阻挡高温CMAS的渗透，应用例1的热障涂层在1500℃，100h，CMAS腐蚀层厚度≤80μm；应用例2的热障涂层在1500℃，100h，CMAS腐蚀层厚度≤60μm；应用例3的热障涂层在1500℃，100h,CMAS腐蚀层厚度≤65μm；应用例4的热障涂层在1500℃，100h,CMAS腐蚀层厚度≤60μm。
10)对应用例1～4制备的热障涂层进行燃气火焰热梯度循环测试，涂层表面测试温度为1300～1600℃，火焰加热涂层表面5min，然后移开火焰，冷却2min；结果表明，应用例1制备的热障涂层在1580℃表面测试温度下，燃气火焰抗热冲击循环寿命最长达26000次，应用例2制备的热障涂层使用温度1600℃，燃气火焰抗热冲击循环寿命最长达25000次，应用例3制备的热障涂层使用温度≤1600℃，燃气火焰抗热冲击循环寿命最长达23000次，应用例4制备的热障涂层使用温度≤1600℃，燃气火焰抗热冲击循环寿命最长达32000次。
11)将应用例1～4制备的整个涂层样品置于1100℃电炉中恒温1h，取出置于空气中冷却10分钟，记为一次热循环，如此循环往复直至陶瓷层从基体表面剥落停止，累积所经历的次数即为热循环寿命，结果表明：
应用例1制备的热障涂层在1100℃的等温热循环寿命(1h循环)为2300次，应用例2制备的热障涂层在1100℃的等温热循环寿命(1h循环)为2200次，应用例3制备的热障涂层在1100℃的等温热循环寿命(1h循环)为2000次，应用例4制备的热障涂层在1100℃的等温热循环寿命(1h循环)为3000次。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种热障涂层，其特征在于，包括依次层叠设置的镍基高温合金基底、金属粘接层和表面热障陶瓷层，或者包括依次层叠设置的镍基高温合金基底、金属粘接层、YSZ层和表面热障陶瓷层；
所述镍基高温合金基底为铸造高温合金、定向凝固高温合金或单晶高温合金；
所述金属粘接层的成分包括NiCoCrAlY、NiCrAlY、NiCoCrAlYHfTa或NiCoCrAlYHfSi；所述金属粘接层的厚度为100～200μm；
所述YSZ层为氧化钇部分稳定氧化锆，所述氧化钇的摩尔分数为3～5％；所述YSZ层的厚度为200～400μm，孔隙率为10～15％；
所述表面热障陶瓷层的厚度为400～1800μm；所述表面热障陶瓷层所用材料为热障涂层材料；所述热障涂层材料的化学组成为ZrO2；xY2O3；y(AnB1-n)2O3，其中，A和B独立为Sm、Eu、Gd、Dy和Yb中的任意一种；x＝7.5～9wt.％，y＝30～42wt.％，n＝0.5～1.0，x和y代表对应化合物占所述热障涂层材料总质量的质量百分含量。
2.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述热障涂层材料的制备方法包括以下步骤：
将所述热障涂层材料对应的金属氧化物原料分别进行第一煅烧后，得到对应的金属氧化物粉；
将所述对应的金属氧化物粉混合球磨后，进行第二煅烧，得到热障涂层材料。
3.根据权利要求2所述的热障涂层，其特征在于，所述第一煅烧的温度为600～1000℃，时间≥1h；所述第二煅烧的温度为1450～1600℃，时间≥6h。
4.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述热障涂层材料的制备方法包括以下步骤：
将所述热障涂层材料对应的金属源混合溶液与沉淀剂混合，在pH值≥12的条件下进行共沉淀，得到前驱体沉淀物；
将所述前驱体沉淀物进行煅烧，得到热障涂层材料。
5.根据权利要求4所述的热障涂层，其特征在于，所述煅烧的温度为1300～1500℃，总时间为24～36h。
6.权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述热障涂层材料的制备方法包括以下步骤：
将所述热障涂层材料对应的金属氧化物进行混合熔融，得到陶瓷熔融液；
将所述陶瓷熔融液凝固后碎化，得到热障涂层材料。
7.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述表面热障陶瓷层采用大气等离子喷涂方法制备。
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