CN116024515A - 一种超高温热障涂层及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高温热障涂层及其制备方法和应用。该热障涂层的陶瓷面层包括陶瓷外层和陶瓷内层，陶瓷外层的材料为(Gd1‑xYbx)2Zr2O7，陶瓷内层的材料为YSZ。本发明采用等离子喷涂物理气相沉积(PS‑PVD)技术，通过制备工艺参数调控，改善涂层微结构，提高涂层服役寿命，形成一套完整可行的改性锆酸钆超高温热障涂层工艺参数与寿命优化方法。与传统YSZ涂层相比，改性锆酸钆涂层在超高温条件下(>1200℃)仍具有极佳的相稳定性与抗烧结性能；经过优化后的双陶瓷涂层在微观上表现为特定层厚比的均匀连续生长羽毛型柱状结构，同时提高了隔热性能与应变容限、降低了层间热物理性质失配，具有较长的热循环寿命。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机热端部件涂层防护技术领域，具体而言，涉及一种超高温热障涂层及其制备方法和应用。
背景技术
热障涂层(Thermal Barrier Coating,TBC)是将隔热、耐腐蚀、抗高温氧化的陶瓷材料和金属粘结层一同以涂层或薄膜的形式复合于高温部件表面，从而对基体材料起到隔热和抗高温腐蚀作用的一种热防护技术。在航空发动机的一些关键热端部件如涡轮叶片(包括导向叶片、工作叶片)中，常用的基体材料镍基高温合金工作温度远低于先进航空发动机的涡轮进口温度。此时往往需要在叶片表面制备一层低热导率的热障涂层以降低叶片基体温度，延长叶片寿命。这也使得热障涂层技术与高温结构材料技术、先进冷却技术共称为航空发动机涡轮叶片三大关键技术。
如今，随着航空发动机性能的提高，涡轮发动机推重比逐渐增大，涡轮进口燃气温度也随之升高。通常来讲，推重比为10的一级涡轮前进口温度为1680℃左右，推重比为12～15的一级涡轮前进口温度则为1800℃以上，而当推重比提高至15～20时，进口温度将达到2000℃以上。与之相比，传统的6-8wt.％Y2O3稳定ZrO2(YSZ)热障涂层材料只适合在1200℃以下长期使用，在更高的工作温度(超高温)下，就有可能因相变、烧结等问题导致涂层提前失效。针对超高温服役条件研制的众多新型热障涂层材料中，锆酸钆(Gd2Zr2O7,GZO)已被证实具有极佳的应用前景，它在超高温条件下表现出卓越的相稳定性与抗烧结性能，同时隔热性能极佳。然而，这种材料也存在着一些缺点，比如断裂韧性差、热膨胀系数与基底材料不匹配以及会与热生长氧化层(Al2O3)发生反应等，这使得锆酸钆热障涂层的热循环寿命通常较低。
此外，传统热障涂层制备技术如大气等离子喷涂(APS)，制备出的层状结构涂层同样存在热循环寿命低等问题。而电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术制备出的柱状结构涂层虽然提高了应变容限，改善了循环寿命，但同时会不可避免的牺牲掉部分隔热性能。目前，一种有效的解决方法是采用新型高性能热障涂层制备技术等离子喷涂物理气相沉积(PS-PVD)，它兼具了传统的大气等离子喷涂(APS)和电子束-物理气相沉积(EB-PVD)的优势，因此，PS-PVD也被认为是最具发展潜力的超高温涂层制备技术。但是，目前国内外关于PS-PVD的研究主要集中于YSZ材料，对锆酸钆等新型超高温热障涂层材料的研究较少，也暂未总结出改性锆酸钆或锆酸钆涂层PS-PVD特殊结构制备工艺及参数调控方法。
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超高温热障涂层及其制备方法和应用，针对锆酸钆涂层热循环寿命较低问题，本发明在Gd位引入Yb元素掺杂改性，并加入YSZ过渡层形成具有特定层厚比的(Gd1-xYbx)2Zr2O7/YSZ双陶瓷层结构。此外，采用了一种新型高性能热障涂层制备技术PS-PVD，通过工艺优化得到具有特定层厚比的均匀连续生长羽毛型柱状结构涂层，提高热循环寿命。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供了一种超高温热障涂层，该涂层由下至上依次为基体、粘结层和陶瓷面层，该陶瓷面层由陶瓷外层和陶瓷内层组成，陶瓷外层的材料为Yb改性的锆酸钆，陶瓷内层的材料为YSZ。
为了提高热障涂层的热物理性能，本发明采用由Yb改性的锆酸钆作为陶瓷外层和由YSZ作为陶瓷内层的双陶瓷层结构。其中Yb改性的锆酸钆是指在Gd位引入Yb元素掺杂改性，获得(Gd1-xYbx)2Zr2O7。
在一些实施方式中，上述(Gd1-xYbx)2Zr2O7中，x的取值为0<x≤0.2；较为优选地，(Gd1-xYbx)2Zr2O7中x的取值为x＝0.1，即(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7。
(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7是一种改性的稀土锆酸盐，相变温度1530℃，远高于YSZ(约1200℃)，结合气膜冷却技术可以在新型航空发动机热端部件超高温条件下长期服役而不发生相变。同时，稀土锆酸盐材料均有着优异的热物理性能，其中又以锆酸钆的热导率最低，热膨胀系数最高。经Gd位Yb元素掺杂改性后，(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7陶瓷材料的热导率将进一步降低(约0.92W/mK,1100℃)，隔热性能远高于传统YSZ材料(约2.1W/mK,1100℃)。(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7的热膨胀系数与断裂韧性也优于锆酸钆，但仍存在层间热膨胀系数不匹配等问题，因此引入具有特定层厚比的7YSZ(热膨胀系数约12.2 10-6/℃,1100℃)作为(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7(热膨胀系数约11.8 10-6/℃,1100℃)与粘结层(热膨胀系数约17.6 10-6/℃,1100℃)的中间过渡层，同时也解决了锆酸钆与热生长氧化层(Al2O3)直接接触发生反应的问题。
在一些实施方式中，陶瓷内层的材料为6-8wt.％Y2O3稳定的ZrO2。更为优选地，陶瓷内层的材料为7wt.％Y2O3稳定的ZrO2。
为了获得热物理性能更佳的热障涂层，发明人对陶瓷面层的总厚度、陶瓷外层与陶瓷内层的厚度比以及粘结层厚度等参数进行了优化，在一些实施方式中，陶瓷面层的总厚度为200-300μm。
在一些实施方式中，陶瓷外层与陶瓷内层的厚度比为0.5-1。
在本发明中，陶瓷面层在微观上表现为具有特定层厚比的均匀连续生长羽毛型柱状结构。
在一些实施方式中，上述粘结层的材料为MCrAlY，其中M为Ni、Co或Ni+Co。较为优选地，该粘结层的材料为NiCrAlY。
在一些实施方式中，粘结层的厚度为50-100μm。
在一些实施方式中，所述基体的材料为镍基高温合金，所述镍基高温合金选自牌号为DZ125、DZ40M或DD5中的任意一种；较为优选地，镍基高温合金的牌号为DZ40M。
第二方面，本发明提供了上述超高温热障涂层的制备方法，其包括对基体进行第一次预处理；采用等离子喷涂物理气相沉积技术在基体上制备粘结层；对粘结层进行第二次预处理；以及在粘结层上制备陶瓷面层。
由于目前还没有形成改性锆酸钆或锆酸钆涂层PS-PVD特殊结构制备工艺及参数调控方法，本发明的发明人在已有YSZ涂层制备基础上，以提高涂层服役寿命为目的，对送粉方式、气体流量等参数进行了工艺优化，探索出一套完整可行的特殊结构改性锆酸钆或锆酸钆涂层PS-PVD喷涂工艺参数，制备出的涂层具有特定层厚比的均匀连续生长羽毛型柱状结构，表现出了极佳的抗热震性能，有望在严苛复杂的超高温条件下长期稳定服役。
优化后的实施方式中，采用等离子喷涂物理气相沉积技术制备陶瓷面层中的陶瓷内层的制备条件为：
采用配备单阴极O3CP喷枪的PS-PVD系统，喷涂净功率为50-60kW，氩气流量为30-40L/min，氦气流量为50-60L/min，氧气流量为1-4L/min，送粉速率为10-15g/min，载气流量为10 -15L/min，喷涂距离为950-1050mm。
优化后的实施方式中，采用等离子喷涂物理气相沉积技术制备陶瓷面层中的陶瓷外层的制备条件为：采用配备单阴极O3CP喷枪的PS-PVD系统，喷涂净功率为50-60kW，氩气流量为35-45L/min，氦气流量为60-70L/min，送粉速率为5-10g/min，载气流量为10-15L/min，喷涂距离为800-900mm。
在一些实施方式中，所述第一次预处理和第二次预处理均包括喷砂和清洗。
在一些实施方式中，第一次预处理的喷砂采用的是60号砂砾。
在一些实施方式中，第二次预处理的喷砂采用的是280号砂砾。
在一些实施方式中，第一次预处理和第二次预处理的清洗均为：先清除喷砂后残留的沙砾，然后进行高压空气和酒精清洗。
采用上述制备方法，本发明获得了一种能在超高温条件下长期服役的新型热障涂层，该涂层与传统YSZ涂层相比在超过1200℃的超高温条件下仍具有极佳的相稳定性与抗烧结性能，隔热表现优异，同时兼具高应变容限，有望在新型航空发动机热端部件严苛复杂的超高温条件下长期服役。
第三方面，本发明提供了上述超高温热障涂层在空发动机中的应用。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种寿命延长的热障涂层，该热障涂层以镍基高温合金为基体，MCrAlY为粘结层，YSZ与改性锆酸钆材料(Gd1-xYbx)2Zr2O7层级复合形成双陶瓷结构为陶瓷面层；采用等离子喷涂物理气相沉积(PS-PVD)技术制备，通过多组制备工艺参数调控，改善涂层微结构，提高涂层服役寿命，形成一套完整可行的改性锆酸钆超高温热障涂层工艺参数与寿命优化方法。与传统YSZ涂层相比，改性锆酸钆涂层在超高温条件下(>1200℃)仍具有极佳的相稳定性与抗烧结性能；经过优化后的(Gd1-xYbx)2Zr2O7/YSZ双陶瓷涂层在微观上表现为特定层厚比的均匀连续生长羽毛型柱状结构，同时提高了隔热性能与应变容限、降低了层间热物理性质失配，具有较长的热循环寿命。
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为实施例1制备得到的喷涂态涂层表面SEM图；
图2为实施例1制备得到的喷涂态涂层截面SEM图(a)及其局部放大图(b)；
图3为实施例2制备得到的喷涂态涂层截面SEM图(a)及水淬试验后的截面SEM图(b)；
图4为实施例1(a)、实施例2(b)、对比例1(c)、对比例2(d)和对比例3(e)制备得到的涂层在1100℃水淬试验后的表面宏观照片对比图。
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。
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
本实施例提供一种超高温热障涂层，该涂层由下至上依次为基体、粘结层和陶瓷面层，陶瓷面层包括陶瓷内层和陶瓷外层。其中基体材料为DZ40M高温合金，粘结层为商业NiCrAlY粉末(AmdryTM 9624,Oerlikon-Metco)，陶瓷内层的材料为商业7YSZ粉末(M6700,Oerlikon Metco)，陶瓷外层的材料为共沉淀法(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7团聚粉末，粉末中值粒径为22μm。
上述超高温热障涂层的制备方法的具体步骤如下：
(1)基体预处理
喷涂前将基体材料统一切割成直径为25.4mm，高度为6mm的圆片状试样，并先后用煤油、丙酮超声清洗加工过程中残留的油污。
然后对基体待喷涂表面采用60号砂砾进行喷砂处理，喷砂压力0.4MPa，角度75-90°。
喷砂结束后，用高压空气清除喷砂后残留的沙砾，随后用无水乙醇超声清洗样品5min，并用高压空气吹干表面，最后将基体试样安装到喷涂夹具上，完成基体预处理工艺。
(2)制备粘结层
采用配备单阴极O3CP喷枪的PS-PVD系统(ChamPro,Oerlikon Metco)制备。制备条件为：喷涂净功率为50-55kW，氩气流量为100-110L/min，氢气流量为5-10L/min，单送粉管送粉，送粉速率为25-35g/min，载气流量为5-10L/min，喷涂距离为450-500mm，连续走枪15-20遍，喷涂结束后粘结层与氧化层总厚度约150-180μm。
在进行下一步制备陶瓷层前还需要对粘结层进行打磨及预处理工艺。首先依次使用500、1200、2000目砂纸打磨去除表面黑色的氧化层，打磨后涂层整体减薄70-80μm左右，剩余NiCrAlY粘结层厚度约70-110μm。
然后对粘结层待喷涂表面采用280号砂砾进行喷砂处理，喷砂压力0.15-0.18MPa，角度约60-70°。
喷砂结束后，用高压空气清除喷砂后残留的沙砾，随后用无水乙醇清洗样品表面，并用高压空气吹干，最后将试样安装到喷涂夹具上，完成粘结层打磨及预处理工艺。
(3)制备陶瓷面层
采用配备单阴极O3CP喷枪的PS-PVD系统(ChamPro,Oerlikon Metco)制备。制备过程分为两步：
第一步是在NiCrAlY粘结层上喷涂7YSZ陶瓷内层，制备条件为：喷涂净功率为55-60kW，氩气流量为35-45L/min，氦气流量为60-70L/min，氧气流量为1-4L/min，左右径向双送粉管送粉，送粉速率共5-10g/min，载气流量为10-15L/min，喷涂距离为1000-1050mm，连续走枪400-500遍，喷涂结束后7YSZ陶瓷内层厚度约150-180μm。
第二步直接在7YSZ陶瓷内层上喷涂(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7陶瓷外层，制备条件为：喷涂净功率为55-65kW，氩气流量为35-45L/min，氦气流量为60-70L/min，左右径向双送粉管送粉，送粉速率共5-10g/min，载气流量为10-15L/min，喷涂距离为800-900mm，连续走枪250-300遍，喷涂结束后(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7陶瓷外层厚度约70-80μm，(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7与7YSZ的5厚度比接近0.5，得到喷涂态的热障涂层样品。
图1为本发明实施例1制备得到的喷涂态涂层表面SEM图，该涂层具有典型的羽毛型柱状表面结构，柱状晶分布均匀且被柱间间隙隔开，如图1所示，柱状晶的顶部为半球形，且由众多的球形分支构成，这种结构通常被称为“菜花头”结构。
0图2为本发明实施例1制备得到的喷涂态涂层截面SEM图，涂层由上
至下依次为(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7陶瓷外层、7YSZ陶瓷内层、NiCrAlY粘结层与DZ40M基体。其中陶瓷层总厚度约220μm，(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7与7YSZ的厚度比接近0.5，柱状晶由根部到顶部逐渐变宽，呈树枝状生长，每个枝
晶表面均被羽毛状末梢覆盖，因此该结构被称为羽毛型柱状结构，是PS-5PVD技术独特的气相沉积机制产生的结果，如图2(a)所示。在进一步放大
后，如图2(b)所示，(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7与7YSZ之间界面明显，柱状晶之间存在间隙，仅被少量团簇组织填充。
在羽毛型柱状结构的众多特征中，涂层较高孔隙率保证了隔热性能，各
个柱状晶顶部的“菜花头”紧密贴合在一起，加上具有致密结构的柱状晶根部0区域，使得涂层对腐蚀介质也有一定的阻挡效果。在此基础上，柱间间隙的存在提高了应变容限，双陶瓷层特定厚比避免了界面处过大的残余应力，延长了涂层服役寿命。
本发明实施例1制备得到的喷涂态涂层样品，采用水淬试验来评价涂层的抗热震性能，可以预测涂层在温度剧烈变化条件下的循环服役寿命。所有喷涂态样品首先在箱式电阻炉中于1100℃保温10min，然后直接浸于去离子水中冷却至室温，取出烘干后作为单次热震循环。重复该过程，直到涂层表面剥落面积超过30％或基底发生变形，此时的循环次数即代表了涂层抗热震性能。结果如图4(a)所示，水淬试验在200次循环基体发生微形变后停止，此时仅涂层表面的中心区域出现了少许剥落现象，涂层整体仍未失效，抗热震性能极佳。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例在7YSZ陶瓷内层上喷涂(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7陶瓷外层时，连续走枪500-550遍，喷涂结束后(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7陶瓷外层厚度约140-150μm，(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7与7YSZ的厚度比接近1，得到喷涂态的热障涂层样品。
图3(a)为本发明实施例2制备得到的喷涂态涂层截面SEM图，涂层由上至下依次为(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7陶瓷外层、7YSZ陶瓷内层、NiCrAlY粘结层与DZ40M基体。其中陶瓷层总厚度约280-300μm，(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7与7YSZ的厚度比接近1，整体呈现羽毛型柱状结构。
本发明实施例2制备得到的喷涂态涂层样品，采用与实施例1相同条件的水淬试验来评价涂层的抗热震性能。结果如图4(b)所示，水淬试验在200次循环基体发生微形变后停止，此时涂层在边缘出现了可见的辐射状裂纹，后续表征中发现柱状晶根部与(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7陶瓷外层中均出现大量横向裂纹，如图3(b)所示，如裂纹继续扩展将发生断裂及剥落现象，这意味着涂层即将失效。本实施例制备得到的喷涂态涂层样品，同样表现出了极佳的抗热震性能，但随着(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7陶瓷外层及陶瓷隔热层总厚度增加，涂层隔热能力提升，抗热震性能略微下降。
对比例1
本对比例与实施例1制备喷涂态涂层步骤的区别在于，本对比例在7YSZ陶瓷内层上喷涂(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7陶瓷外层时，连续走枪130-150遍，喷涂结束后(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7陶瓷外层厚度约40-45μm，(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7与7YSZ的厚度比接近0.25，得到喷涂态的热障涂层样品。
本对比例制备得到的喷涂态涂层样品，采用与实施例1相同条件的水淬试验来评价涂层的抗热震性能。结果如图4(c)所示，水淬试验在180次循环涂层表面失效面积超过30％后停止，涂层抗热震性能明显低于实施例1与实施例2。本对比例中，涂层层厚比过低，改性锆酸钆陶瓷外层无法提供有效热防护，热循环寿命较短。
对比例2
本对比例与实施例1制备喷涂态涂层的步骤的区别在于使用未优化的工艺参数，本对比例在喷涂7YSZ陶瓷内层与(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7陶瓷外层时氧气流量4-8L/min，采用单送粉管送粉，载气流量为5-10L/min，喷涂距离1000-1050mm，连续走枪400-420遍。喷涂态热障涂层的(Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7陶瓷外层厚度分布不均，沉积效果不理想，工艺参数有待优化。
本对比例制备得到的喷涂态涂层样品，采用与实施例1相同条件的水淬试验来评价涂层的抗热震性能。结果如图4(d)所示，水淬试验在100次循环涂层表面失效面积超过30％后停止，涂层抗热震性能明显低于实施例1与实施例2。本对比例中，涂层厚度分布不均，未形成均匀羽柱状结构，应变容限较低，热循环寿命较短。
对比例3
本对比例与实施例1制备喷涂态涂层的步骤的区别在于，本对比例中
制备陶瓷外层的材料未改性，为固相反应法Gd2Zr2O7团聚粉末，粉末中值5粒径为29μm，在7YSZ陶瓷内层上喷涂Gd2Zr2O7陶瓷外层时连续走枪400遍。喷涂态热障涂层的Gd2Zr2O7陶瓷外层厚度约90μm，层厚比约为0.6，介于实施例1与实施例2之间。
本对比例制备得到的喷涂态涂层样品，采用与实施例1相同条件的水
淬试验来评价涂层的抗热震性能。结果如图4(e)所示，水淬试验在60次循0环涂层表面失效面积超过30％后停止，涂层抗热震性能明显低于实施例1
与实施例2。本对比例中，陶瓷外层材料未改性，力、热学性能较差，热循环寿命较短。
以上所述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5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 (10)
1.一种超高温热障涂层，其特征在于，包括陶瓷面层，所述陶瓷面层由陶瓷外层和陶瓷内层组成，所述陶瓷外层的材料为Yb改性的锆酸钆，所述陶瓷内层的材料为YSZ。
2.根据权利要求1所述的超高温热障涂层，其特征在于，所述陶瓷外层的材料为(Gd1- xYbx)2Zr2O7，其中0<x≤0.2；
优选地，所述(Gd1-xYbx)2Zr2O7中的x＝0.1；
优选地，所述陶瓷内层的材料为6-8wt.％Y2O3稳定的ZrO2；
优选地，所述陶瓷内层的材料为7wt.％Y2O3稳定的ZrO2。
3.根据权利要求2所述的超高温热障涂层，其特征在于，所述陶瓷面层的总厚度为200-300μm；
优选地，所述陶瓷外层与陶瓷内层的厚度比为0.5-1；
优选地，所述陶瓷面层具有均匀连续生长羽毛型柱状结构。
4.根据权利要求3所述的超高温热障涂层，其特征在于，所述超高温热障涂层还包括粘结层，所述粘结层的表面沉积所述陶瓷面层；所述粘结层的材料为MCrAlY，其中M为Ni、Co或Ni+Co；
优选地，所述粘结层的材料为NiCrAlY；
优选地，所述粘结层的厚度为50-100μm。
5.根据权利要求4所述的超高温热障涂层，其特征在于，所述超高温热障涂层还包括基体，所述基体的表面沉积所述粘结层，所述基体的材料为镍基高温合金，所述镍基高温合金选自牌号为DZ125、DZ40M或DD5中的任意一种；
优选地，所述镍基高温合金的牌号为DZ40M。
6.如权利要求1-5任一项所述的超高温热障涂层的制备方法，其特征在于，包括采用等离子喷涂物理气相沉积技术在基体上制备粘结层，以及在粘结层上制备陶瓷面层。
7.根据权利要求6所述的超高温热障涂层的制备方法，其特征在于，采用等离子喷涂物理气相沉积技术制备陶瓷面层中的陶瓷内层的制备条件为：
采用配备单阴极O3CP喷枪的PS-PVD系统，喷涂净功率为50-60kW，氩气流量为30-40L/min，氦气流量为50-60L/min，氧气流量为1-4L/min，送粉速率为10-15g/min，载气流量为10-15L/min，喷涂距离为950-1050mm。
8.根据权利要求7所述的超高温热障涂层的制备方法，其特征在于，采用等离子喷涂物理气相沉积技术制备陶瓷面层中的陶瓷外层的制备条件为：采用配备单阴极O3CP喷枪的PS-PVD系统，喷涂净功率为50-60kW，氩气流量为35-45L/min，氦气流量为60-70L/min，送粉速率为5-10g/min，载气流量为10-15L/min，喷涂距离为800-900mm。
9.根据权利要求8所述的超高温热障涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在制备粘结层之前对基体进行第一次预处理、在制备陶瓷面层之前对粘结层进行第二次预处理，所述第一次预处理和第二次预处理均包括喷砂和清洗；
优选地，所述第一次预处理的喷砂采用的是60号砂砾；
优选地，所述第二次预处理的喷砂采用的是280号砂砾；
优选地，所述第一次预处理和第二次预处理的清洗均为：先清除喷砂后残留的沙砾，然后进行高压空气和酒精清洗。
10.如权利要求1-5任一项所述的超高温热障涂层或权利要求6-9任一项所述的超高温热障涂层的制备方法制备获得的超高温热障涂层在航空发动机中的应用。
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|---|---|---|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1591550A1 (en) * | 2004-04-28 | 2005-11-02 | United Technologies Corporation | Thermal barrier coating having an interfacial layer for spallation life enhancement and low conductivity |
| CN109295409A (zh) * | 2018-11-21 | 2019-02-01 | 广东省新材料研究所 | 一种超高温热障涂层及其制备方法与应用、航空发动机 |
| CN114231908A (zh) * | 2021-12-21 | 2022-03-25 | 北京航空航天大学 | 复合涂层及其制备方法、热障涂层 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| LEI GUO等: ""Thermophysical properties of Yb2O3 doped Gd2Zr2O7 and thermal cycling durability of (Gd0.9Yb0.1)2Zr2O7/YSZ thermal barrier coatings"", 《JOURNAL OF THE EUROPEAN CERAMIC SOCIETY》, vol. 34, no. 5, 19 September 2013 (2013-09-19), pages 1255 - 163 * |
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