CN212451590U - 热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层，其包括超音速喷涂粘结层和等离子喷涂YSZ面层，所述等离子喷涂YSZ面层喷涂在所述超音速喷涂粘结层上；所述超音速喷涂粘结层包括由下至上叠加的基体材料层、超音速喷涂的至少两层粘结层，所述等离子喷涂YSZ面层喷涂在最上方的所述粘结层上。本实用新型采用双层不同氧化物含量的MCrAlY底层，使粘结层具备了热膨胀系数梯度，改善了粘结层和等离子喷涂YSZ面层的热膨胀系数匹配差问题，并且有致密MCrAlY底层，保证金属基体不被氧化并具备与基体较好的结合力。因此，提高了整个涂层体系的综合性能，并且该粘结层制备方法简单，制备过程不需要更换设备或粉末，大大降低了制造成本和加工时间。

Description

热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层

技术领域

本实用新型涉及航空发动机及燃气轮机技术领域，特别涉及一种热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层。

背景技术

在航空发动机及燃气轮机技术领域中，热障涂层(thermal barrier coating,TBC)系统广泛应用在航空发动机和燃气轮机中，用于减少热端部件在工作环境中的高温氧化及热腐蚀，并提高燃机工作效率。典型的热障涂层系统主要由陶瓷面层(多为氧化钇稳定氧化锆YSZ)和MCrAlY(其中M代表Ni，Co或二者兼有)金属粘结层组成的双层结构。陶瓷层具有较低的热传导率，为部件提供隔热保护，金属粘结层既可提高陶瓷隔热层和基体之间的粘结强度，又能有效阻止金属基体被氧化和热腐蚀。

目前，普遍采用的是等离子喷涂MCrAlY涂层或超音速喷涂MCrAlY涂层作为底层，等离子喷涂YSZ面层的涂层体系。超音速喷涂MCrAlY底层致密度高，抗氧化性能良好，但其热膨胀性能更接近于金属，热膨胀系数高，与等离子喷涂YSZ面层的热膨胀系数匹配差，并且其表面粗糙度低，与等离子喷涂YSZ面层结合力差，导致使用时热循环寿命低。等离子喷涂MCrAlY底层表面粗糙度高，与等离子喷涂YSZ面层结合力好，并且内部氧化物(主要为Al₂O₃，热膨胀系数7.2-8.6×10-6/℃)含量高，一定程度上降低了MCrAlY热膨胀系数，使其更接近等离子喷涂YSZ面层。但底层抗氧化性能不好，与基体的结合力也差，难以满足高性能航空发动机及燃气轮机叶片热端部件对长寿命、高可靠性热障涂层的需求。

因此，现在实际应用中的热障涂层在长时间服役后容易出现剥落，而导致涂层和整个组件失效。一般间隔一定的时间，需要对燃气轮机热端部件进行大修。

综上原因，为了提高涂层使用寿命，行业内前期通常采用不同工艺(如超音速+等离子)或不同成分粉末来制备双层或多层的粘结层，使其具备即与等离子喷涂YSZ面层的热膨胀系数匹配好又能阻止基体氧化等综合性能热障涂层。但是，上述方法在加工过程中均增加了换工艺设备或粉末的工序，大大提高了制造成本和加工时间。

经过大量的试验和研究表明，超音速喷涂MCrAlY涂层的热障涂层热循环失效主要是在等离子喷涂YSZ面层的部分或者整体剥落，其主要原因是YSZ面层和金属粘结层以及热氧化生长层(TGO)层的线膨胀系数差异较大，经过高温低温的反复热循环，涂层出现剥落。通过控制超音速喷涂MCrAlY涂层的工艺参数可以控制内部氧化物的含量，经过热循环考核发现，当氧化物含量为20％左右时涂层热循环寿命有显著提高。

有鉴于此，本领域技术人员研制了一种热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层，以期克服上述问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术中热障涂层容易剥落，加工工艺和工序的成本高，时间长等缺陷，提供一种热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层。

本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层，其特点在于，所述热障涂层包括超音速喷涂粘结层和等离子喷涂YSZ面层，所述等离子喷涂YSZ面层喷涂在所述超音速喷涂粘结层上；

所述超音速喷涂粘结层包括由下至上叠加的基体材料层、超音速喷涂的至少两层粘结层，所述等离子喷涂YSZ面层喷涂在最上方的所述粘结层上。

根据本实用新型的一个实施例，所述粘结层为MCrAlY粘结层。

根据本实用新型的一个实施例，所述粘结层包括第一层粘结层和第二层粘结层。

根据本实用新型的一个实施例，所述第一层粘结层的厚度为100～150μm，氧化物含量小于等于5％。

根据本实用新型的一个实施例，所述第一层粘结层的孔隙率小于等于5％。

根据本实用新型的一个实施例，所述第二层粘结层的厚度为50～100μm，氧化物的含量为15～20％。

根据本实用新型的一个实施例，所述第二层粘结层的孔隙率小于等于5％。

根据本实用新型的一个实施例，所述等离子喷涂YSZ面层的厚度为200-300μm，孔隙率小于等于5％。

根据本实用新型的一个实施例，所述MCrAlY粘结层采用的MCrAlY粉末材料为Ni-22Cr-10Al-1Y，粉末粒径为-37+11μm。

根据本实用新型的一个实施例，所述等离子喷涂YSZ面层采用的YSZ粉末材料为ZrO₂ 8Y₂O₃，粉末粒径为-75+45μm。

本实用新型的积极进步效果在于：

本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层，通过采用超音速喷涂方法制备具双层不同氧化物含量的MCrAlY底层，使粘结层具备了热膨胀系数梯度，改善了粘结层和等离子喷涂YSZ面层的热膨胀系数匹配差问题，并且有致密MCrAlY底层，保证金属基体不被氧化并具备与基体较好的结合力。因此，提高了整个涂层体系的综合性能，并且该粘结层制备方法简单，制备过程不需要更换设备或粉末，大大降低了制造成本和加工时间。

附图说明

本实用新型上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1为本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层的结构示意图。

图2为本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层的制备流程图。

图3为本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层的喷涂试样的示意图。

图4为本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层中第二层粘结层氧含量为4％时的涂层制备态显微图片。

图5是本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层中第二层粘结层氧含量为4％时的涂层失效后显微图片。

图6为本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层中第二层粘结层氧含量为13％时的涂层制备态显微图片。

图7为本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层中第二层粘结层氧含量为13％时的涂层失效后显微图片。

图8为本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层中第二层粘结层氧含量为20％时的涂层制备态显微图片。

图9为本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层中第二层粘结层氧含量为20％时的涂层失效后显微图片。

具体实施方式

为让本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细说明。

现在将详细参考附图描述本实用新型的实施例。现在将详细参考本实用新型的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。

此外，尽管本实用新型中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本实用新型说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。

此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本实用新型。

图1为本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层的结构示意图。

如图1所示，本实用新型公开了一种热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层，其包括超音速喷涂粘结层10和等离子喷涂YSZ面层20，将等离子喷涂YSZ面层20喷涂在超音速喷涂粘结层10上。其中，超音速喷涂粘结层10包括由下至上叠加的基体材料层11、超音速喷涂的至少两层粘结层，等离子喷涂YSZ面层20喷涂在最上方的所述粘结层上。

此处，所述粘结层为MCrAlY粘结层。所述粘结层优选地包括第一层粘结层12和第二层粘结层13。

进一步地，第一层粘结层12的厚度优选为100～150μm，氧化物含量优选为小于等于5％。第一层粘结层12的孔隙率优选为小于等于5％。

进一步地，第二层粘结层13的厚度优选为50～100μm，氧化物的含量优选为15～20％。第二层粘结层13的孔隙率优选为小于等于5％。

另外，等离子喷涂YSZ面层20的厚度优选为为200-300μm，孔隙率优选为小于等于5％。

其中，所述MCrAlY粘结层采用的MCrAlY粉末材料优选为Ni-22Cr-10Al-1Y，粉末粒径优选为-37+11μm。

等离子喷涂YSZ面层20采用的YSZ粉末材料优选为ZrO₂ 8Y₂O₃，粉末粒径优选为-75+45μm。

图2为本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层的制备流程图。

如图2所示，根据上述结构描述，本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层的具体制备流程步骤如下：

步骤一，基体材料有机除油：用蘸有丙酮或酒精的脱脂棉擦拭基体金属材料，去除基体金属材料表面的油脂和污染物。

步骤二，基体材料干吹砂：使用80#白刚玉或棕刚玉对基体表面进行均匀的干吹砂，吹砂后表面粗糙度达到Ra:2.0～3.8μm。

步骤三，超音速喷涂第一层粘结层(MCrAlY粘结层)：使用超音速火焰喷涂技术制备一层厚度为100～150μm的MCrAlY粘结层，通过参数控制使涂层满足氧化物含量不超过5％，孔隙率不超过5％的要求。

步骤四，超音速喷涂第二层粘结层(MCrAlY粘结层)：使用超音速火焰喷涂技术制备一层厚度为50～100μm的MCrAlY粘结层，通过参数控制使涂层满足氧化物含量15～20％，孔隙率不超过5％的要求。

步骤五，等离子喷涂YSZ面层：使用等离子喷涂技术喷涂一层200-300μm的YSZ面层，孔隙率控制在5％。

实施例一：

图3为本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层的喷涂试样的示意图。

如图3所示，本实施例中本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层依据以上制备流程，采用以下材料和设备，制备的试样(如图3所示)。

其中，基体材料优选为：φ25.4mm×6mm的HA188高温合金棒材(40Co-22Cr-22Ni-14.5W-0.07La，满足标准AMS5772)。

MCrAlY粉末材料优选为：Ni-22Cr-10Al-1Y(Amdry 9624,Metco)，粉末粒径为-37+11μm。

YSZ粉末材料优选为：ZrO₂ 8Y₂O₃(Metco 204B-NS,Metco)，粉末粒径为-75+45μm。

MCrAlY超音速火焰喷枪：2600DJ喷枪，Metco。

YSZ等离子火焰喷枪：F4喷枪，Metco。

所有喷涂试样采用美国CM1600BL热循环试验炉在大气环境下进行热循环考核，且考核参数为：5～10min升温至1100±7℃，保温45～50min，然后风扇加速冷却5min降至200℃以下，重复以上循环，每个循环1h。

图4为本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层中第二层粘结层氧含量为4％时的涂层制备态显微图片。图5是本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层中第二层粘结层氧含量为4％时的涂层失效后显微图片。

用相同参数制备MCrAlY粘结层的第一层粘结层和第二层粘结层，氧化物含量为4％左右，其显微图如图4所示。

通过热循环考核测得循环寿命为300循环，断裂位置主要发生在靠近TGO的YSZ内部和TGO层，其显微图如图5所示。

实施例二：

图6为本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层中第二层粘结层氧含量为13％时的涂层制备态显微图片。图7为本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层中第二层粘结层氧含量为13％时的涂层失效后显微图片。

实施例二在实施例一的基础上，用实施例一相同的参数制备MCrAlY粘结层的第一层粘结层，调整第二层粘结层的制备参数，测得氧化物含量约13％，其显微图如图6所示。

通过热循环考核测得循环寿命为620循环，断裂位置主要发生在靠近TGO的YSZ内部和TGO层，其显微图如图7所示。

实施例三：

图8为本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层中第二层粘结层氧含量为20％时的涂层制备态显微图片。图9为本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层中第二层粘结层氧含量为20％时的涂层失效后显微图片。

实施例二在实施例一的基础上，用实施例一相同参数制备MCrAlY粘结层的第一层粘结层，调整第二层粘结层的制备参数，测得氧化物含量约20％，其显微图如图8所示。

通过热循环考核测得循环寿命为1020循环，断裂位置主要发生在靠近TGO的YSZ内部和TGO层，其显微图如图9所示。

本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层依据研究结果，使用超音速喷涂MCrAlY粘结层，通过调整工艺参数制备双层粘结层：第一内层(即第一粘结层)为较低氧化物含量(≤5％)层，提供对金属基底的氧化保护，第二外层(即第二粘结层)具有较高氧化物含量(15％～20％)层，能够提高MCrAlY粘结层与等离子喷涂YSZ面层的热膨胀匹配性，提高热循环寿命。并且其制备方法使用相同设备和粉末，只需在喷涂过程更改工艺参数，大大简化制造工艺和降低了成本。

综上所述，本实用新型热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层，通过采用超音速喷涂方法制备具双层不同氧化物含量的MCrAlY底层，使粘结层具备了热膨胀系数梯度，改善了粘结层和等离子喷涂YSZ面层的热膨胀系数匹配差问题，并且有致密MCrAlY底层，保证金属基体不被氧化并具备与基体较好的结合力。因此，提高了整个涂层体系的综合性能，并且该粘结层制备方法简单，制备过程不需要更换设备或粉末，大大降低了制造成本和加工时间。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层，其特征在于，所述热障涂层包括超音速喷涂粘结层和等离子喷涂YSZ面层，所述等离子喷涂YSZ面层喷涂在所述超音速喷涂粘结层上；

所述超音速喷涂粘结层包括由下至上叠加的基体材料层、超音速喷涂的至少两层粘结层，所述等离子喷涂YSZ面层喷涂在最上方的所述粘结层上。

2.如权利要求1所述的热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层，其特征在于，所述粘结层为MCrAlY粘结层。

3.如权利要求2所述的热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层，其特征在于，所述粘结层包括第一层粘结层和第二层粘结层。

4.如权利要求3所述的热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层，其特征在于，所述第一层粘结层的厚度为100～150μm，氧化物含量小于等于5％。

5.如权利要求4所述的热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层，其特征在于，所述第一层粘结层的孔隙率小于等于5％。

6.如权利要求3所述的热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层，其特征在于，所述第二层粘结层的厚度为50～100μm，氧化物的含量为15～20％。

7.如权利要求6所述的热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层，其特征在于，所述第二层粘结层的孔隙率小于等于5％。

8.如权利要求3所述的热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层，其特征在于，所述等离子喷涂YSZ面层的厚度为200-300μm，孔隙率小于等于5％。

9.如权利要求2所述的热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层，其特征在于，所述MCrAlY粘结层采用的MCrAlY粉末材料为Ni-22Cr-10Al-1Y，粉末粒径为-37+11μm。

10.如权利要求2所述的热膨胀系数梯度粘结层的热障涂层，其特征在于，所述等离子喷涂YSZ面层采用的YSZ粉末材料为ZrO₂ 8Y₂O₃，粉末粒径为-75+45μm。

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