一种含有桩钉结构增强体的热障涂层的制作方法
【专利摘要】一种含有桩钉结构增强体的热障涂层，包括金属粘结层、陶瓷隔热层和若干桩钉结构增强体，金属粘结层设置在基体的外表面，陶瓷隔热层设置在金属粘结层的外表面，各桩钉结构增强体的顶端穿过陶瓷隔热层并与部分的金属粘结层相接。本实用新型能够使涂层的结合强度提高75%～150%，涂层的抗热疲劳性最高提高8.5倍，且从整体结构角度分析，一方面桩钉结构增强体与原始等离子喷涂涂层组成了物相特征不同的双相混合强化结构，对裂纹扩展起到阻碍作用，使裂纹钝化、偏转，增加了所需的扩展驱动力；另一方面桩钉结构增强体在热障涂层纵向尺度上产生“钉扎效应”，把陶瓷隔热层钉扎在金属粘结层上，即使周边界面形成裂纹也能保证陶瓷层不立即剥落。
【专利说明】一种含有粧钉结构增强体的热障涂层
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种含有桩钉结构增强体的热障涂层。
【背景技术】
[0002]热障涂层是将耐闻温、闻隔热的材料涂覆在基体合金表面，以提闻基体合金抗闻温能力，降低其表面温度的一种热防护技术。热障涂层不仅在舰船、能源等领域有广阔的应用前景，同时热障涂层更是发展下一代航空发动机必不可少的关键技术。
[0003]实际应用的典型航空热障涂层大都是双层结构，即分为表层的陶瓷隔热层和底层的金属粘结层。其中陶瓷隔热层材料是氧化钇部分稳定的氧化锆，通常采用大气等离子喷涂或者电子束物理气相沉积方法制备；金属粘结层材料是MCrAlY，其中M代表N1、Co或者Ni与Co的混合物，通常采用低压等离子喷涂或者超音速火焰喷涂方法制备，其功能是改善基体与陶瓷层之间的热膨胀不匹配性，防止基体被高温氧化腐蚀。
[0004]尽管热障涂层的发展已有近30年历史，涂层材料、结构与制备工艺不断被改进，但是制约热障涂层应用与发展的巨大障碍仍是涂层的过早剥落问题。热障涂层在陶瓷隔热层与金属粘结层界面处的开裂是其高温服役失效的主要表现形式。热障涂层的早期剥落给发动机热端部件造成了极大损伤，也产生了重大经济损失，成为影响发动机向更高推重比发展的主要因素之一。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种界面结合力高，抗热疲劳性能显著改善的含有桩钉结构增强体的热障涂层。
[0006]本实用新型的技术方案是这样实现的:
[0007]本实用新型所述的含有桩钉结构增强体的热障涂层，其特点是包括金属粘结层、陶瓷隔热层和若干桩钉结构增强体，其中所述金属粘结层设置在基体的外表面，所述陶瓷隔热层设置在金属粘结层的外表面，且所述金属粘结层、陶瓷隔热层和基体之间的界面结合为机械结合，所述各桩钉结构增强体的顶端穿过陶瓷隔热层并与部分的金属粘结层相连接，其底面位于陶瓷隔热层的外表面上。
[0008]其中，上述各桩钉结构增强体的底面与陶瓷隔热层的外表面上设置有一层陶瓷隔热层A。
[0009]上述金属粘结层的厚度小于或等于100 μ m。
[0010]上述陶瓷隔热层的厚度小于或等于400 μ m。
[0011]上述各桩钉结构增强体分别设置成倒置的球冠形状，且相邻的桩钉结构增强体的分布间距相等。
[0012]上述各球冠形状的桩钉结构增强体的高度小于陶瓷隔热层和金属粘结层的总厚度，且球冠的底面距陶瓷隔热层和金属粘结层的界面的距离为50?400 μ m，球冠的顶点距陶瓷隔热层和金属粘结层的界面的距离为10?100 μ m。[0013]上述各桩钉结构增强体内部的陶瓷隔热层与金属粘结层的结合为冶金结合。
[0014]本实用新型由于采用在热障涂层中设置有若干桩钉结构增强体的结构，使涂层的结合强度经拉伸试验测试提高了 75%?150%，涂层的抗热疲劳性能经热震试验测试最高提高8.5倍。而且，采用激光改性方法制备桩钉结构增强体可形成网状裂纹，起到释放应力作用，在热循环条件下松弛了热应力，延迟了增强体部位的热疲劳裂纹萌生。激光改性产生的定向凝固效应使桩钉结构增强体形成柱状晶组织，抑制了陶瓷层单斜相的生成，提高了局部韧性，可以抵抗一部分热应力的破坏。从整体结构角度分析，一方面桩钉结构增强体与原始等离子喷涂涂层组成了物相特征不同的双相混合强化结构，对裂纹扩展起到了阻碍作用，使裂纹钝化、偏转，增加了所需的扩展驱动力；另一方面桩钉结构增强体在热障涂层纵向尺度上产生了 “钉扎效应”，把陶瓷隔热层钉扎在金属粘结层上，即使周边界面形成裂纹也能保证陶瓷层不立即剥落。
[0015]下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型实施例一的立体结构示意图。
[0017]图2为本实用新型实施例一的局部剖面示意图。
[0018]图3为本实用新型实施例二的立体结构示意图。
[0019]图4为本实用新型实施例二的局部剖面示意图。
【具体实施方式】
[0020]如图1-图4所示，本实用新型所述的含有桩钉结构增强体的热障涂层，包括金属粘结层3、陶瓷隔热层2和若干桩钉结构增强体1，其中所述金属粘结层3设置在基体4的外表面，所述陶瓷隔热层2设置在金属粘结层3的外表面，且所述金属粘结层3、陶瓷隔热层2和基体4之间的界面结合为机械结合，所述各桩钉结构增强体I的顶端穿过陶瓷隔热层2并与部分的金属粘结层3相接，其底面位于陶瓷隔热层2的外表面上，所述基体4为金属基体，所述金属粘结层3的厚度小于或等于100 μ m,所述陶瓷隔热层2的厚度小于或等于400 μ m，所述各桩钉结构增强体I分别设置成倒置的球冠形状，且相邻的桩钉结构增强体I的分布间距相等，所述各球冠形状的桩钉结构增强体I的高度小于陶瓷隔热层2和金属粘结层3的总厚度，且球冠的底面7距陶瓷隔热层2和金属粘结层3的界面5的距离为50?400 μ m，球冠的顶点8距陶瓷隔热层2和金属粘结层3的界面5的距离为10?100 μ m。此夕卜，还可以在各桩钉结构增强体I的底面与陶瓷隔热层2的外表面上设置有一层陶瓷隔热层A9。
[0021]实施例一:
[0022]以下结合图1和图2具体描述本实用新型的结构和制造过程:选择GH4169镍基高温合金作为基体4，采用超音速火焰喷涂方法在基体4表面制备SOMffl厚的金属粘结层3，金属粘结层3与基体4的界面6是机械结合，采用大气等离子喷涂方法在金属粘结层3上制备200Mffl厚的陶瓷隔热层2，陶瓷隔热层2与金属粘结层3的界面5是机械结合，采用激光脉冲改性的方法制备等间距分布的桩钉结构增强体1，从图1和图2可以看出桩钉结构增强体I呈倒置的球冠形，在整个涂层的纵向尺度上桩钉结构增强体I垂直跨越了部分金属粘结层3和全部陶瓷隔热层2，由于激光重熔作用位于桩钉结构增强体I内的金属粘结层3和陶瓷隔热层2的界面5消失，二者形成冶金结合，如图2所示，桩钉结构增强体I的高度h小于280Mm，球冠的底面7距原始的界面5的垂直距离a为200Mm，球冠的顶点8距原始的界面5的垂直距离b为40Mm。
[0023]实施例二
[0024]以下结合图3和图4具体描述本实用新型的结构和制造过程:选择GH4169镍基高温合金作为基体4，采用低压等离子喷涂方法在基体4表面制备IOOMm厚的NiCoCrAH金属粘结层3，金属粘结层3与基体4之间的界面6是机械结合，采用大气等离子喷涂方法在金属粘结层3上制备IOOMffl厚的陶瓷隔热层2，陶瓷隔热层2与金属粘结层3的界面5是机械结合，采用激光脉冲改性的方法制备若干等间距分布的桩钉结构增强体1，此时对涂层进行400°C退火处理，再对涂层表面进行喷砂处理，随后采用大气等离子喷涂方法在激光改性后的涂层表面再制备200Mm厚的陶瓷隔热层A9。从图4可以看出桩钉结构增强体I呈倒置的球冠形，球冠的底面7被陶瓷隔热层A9所覆盖，在整个涂层的纵向尺度上桩钉结构增强体I垂直跨越了全部陶瓷隔热层2和部分的金属粘结层3，由于激光重熔作用位于桩钉结构增强体I内的金属粘结层3和陶瓷隔热层2之间的界面5消失，二者形成冶金结合，如图4所示，桩钉结构增强体I的高度h小于200Mffl，球冠的底面7距原始的界面5的垂直距离a为lOOMm，球冠的顶点8距原始的界面5的垂直距离b为30Mm。
[0025]本实用新型是通过实施例来描述的，但并不对本实用新型构成限制，参照本实用新型的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本实用新型权利要求限定的范围之内。
【权利要求】
1.一种含有桩钉结构增强体的热障涂层，其特征在于包括金属粘结层(3)、陶瓷隔热层(2)和若干桩钉结构增强体(1)，其中所述金属粘结层(3)设置在基体(4)的外表面，所述陶瓷隔热层(2)设置在金属粘结层(3)的外表面，且所述金属粘结层(3)、陶瓷隔热层(2)和基体(4)之间的界面结合为机械结合，所述各桩钉结构增强体(I)的顶端穿过陶瓷隔热层(2)并与部分的金属粘结层(3)相连接，其底面位于陶瓷隔热层(2)的外表面上。
2.根据权利要求1所述含有桩钉结构增强体的热障涂层，其特征在于上述各桩钉结构增强体(I)的底面与陶瓷隔热层(2)的外表面上设置有一层陶瓷隔热层A (9)。
3.根据权利要求1所述含有桩钉结构增强体的热障涂层，其特征在于上述金属粘结层(3)的厚度小于或等于100 μ m。
4.根据权利要求1所述含有桩钉结构增强体的热障涂层，其特征在于上述陶瓷隔热层(2)的厚度小于或等于400 μ m。
5.根据权利要求1所述含有桩钉结构增强体的热障涂层，其特征在于上述各桩钉结构增强体(I)分别设置成倒置的球冠形状，且相邻的桩钉结构增强体(I)的分布间距相等。
6.根据权利要求5所述含有桩钉结构增强体的热障涂层，其特征在于上述各球冠形状的桩钉结构增强体(I)的高度小于陶瓷隔热层(2)和金属粘结层(3)的总厚度，且球冠的底面(7)距陶瓷隔热层(2)和金属粘结层(3)的界面(5)的距离为50?400 μ m，球冠的顶点(8)距陶瓷隔热层(2)和金属粘结层(3)的界面(5)的距离为10?ΙΟΟμπι。
【文档编号】B32B15/04GK203697601SQ201320832548
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年12月13日
【发明者】佟鑫, 周克崧, 常发 申请人:广州有色金属研究院