一种多层热障涂层及其制备方法与流程

本发明属于合金涂层制备领域，具体涉及一种多层热障涂层及其制备方法。

背景技术：

近些年，为提高航空发动机的推力和燃料的热效率，航空发动机设计的入口温度高达1700℃，叶片等高温部件的工作温度也达到1200℃左右，远远高于先进镍基高温合金可承受的工作温度（1000℃）。为解决此难题，在叶片表面制备一层热障涂层，可以使高温合金表面与高温燃气之间降低100-300℃。热障涂层不仅可以提高叶片抗高温腐蚀能力，延长其使用寿命，还可以提高发动机的温度，提高工作效率，被广泛应用于航空发动机等领域。目前应用最广泛的热障涂层由金属粘结层和隔热陶瓷层双层系统组成。高温服役时，金属粘结层与透过陶瓷层的氧反应生成热生长氧化物（thermallygrownoxidetgo），成为热障涂层失效的一个重要原因。除此之外，外部腐蚀介质（如cmas）与陶瓷层反应和陶瓷层烧结也是导致热障涂层过早剥落失效的重要原因。为解决以上原因引起的热障涂层过早失效问题，采用多层复合涂层技术和特殊制备方法延长热障涂层寿命已成为研究热点。中国专利（申请号：201110021402.6）公布了一种具有al2o3封闭层的多层热障涂层，其由表面al2o3封闭层、第一陶瓷层、第二陶瓷层和粘结层组成，提高了抗热腐蚀性。但表层al2o3封闭层热膨胀系数为8.0×10^-6m/k，而第二陶瓷层zro2热膨胀系数为11～13×10^-6m/k，两者热膨胀系数相差较大，在服役时由于热膨胀系数不同产生较大热失配应力导致al2o3封闭层剥落，而且制备工艺复杂。中国专利（申请号：200910218772.1）公布了一种热障涂层及其制备方法，其特点是采用多层系统，由隔热陶瓷层、梯度结构层、抗断裂结构层和粘结层构成，具有良好的抗断裂性和延长寿命的特点，但该涂层体系结构和制备工艺复杂，原料获取困难，制备涂层体系成本过高。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种多层热障涂层及其制备方法。该涂层结构具有良好的抗高温氧化、抗热震综合性能，原料成本较低，制备工艺简单。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种多层热障涂层，该多层热障涂层由下至上包括：粘结层、8ysz陶瓷层和al2o3/8ysz（8mol%y2o3稳定的zro2）复合涂层；其中al2o3/8ysz复合涂层中，al2o3的质量分数为10%~50%，8ysz为50%~90%。

优选的，所述的al2o3/8ysz复合涂层中，al2o3的质量分数为25%，8ysz为75%。

所述的多层热障涂层中粘结层的厚度为50～150μm，8ysz陶瓷层的厚度为50～150μm，al2o3/8ysz复合涂层的厚度为100～150μm。

一种制备如上所述的多层热障涂层的方法，包括以下步骤：

1）将8ysz粉末和氧化铝粉末按一定质量比混合，置于球磨机中混合12小时后得到复合粉末；

2）对高温合金基体表面进行净化处理和喷砂处理，备用；

3）采用热喷涂方法在步骤2）预处理后的基体表面喷涂一层粘结层，然后再采用热喷涂方法在粘结层上喷涂8ysz陶瓷层，最后将步骤1）制得的复合粉末热喷涂于8ysz陶瓷层上，形成al2o3/8ysz复合涂层；即得多层热障涂层。

步骤2）所述的净化处理具体为：对高温合金基体机械磨削去除氧化皮，然后放入50～70g/lnaoh溶液中浸泡30分钟，进行除油处理。

步骤1）中氧化铝粉末的粒径为25～45μm，8ysz粉末的粒径为45～75μm。

作为优选，所述的热喷涂技术包括但不限于等离子喷涂，超音速火焰喷涂等。

所述的各层涂层厚度根据实际运用场所可以变化。

本发明的热障涂层具有优良的抗高温氧化性和耐腐蚀性，如图1所示，表层为al2o3/8ysz复合涂层，al2o3与8ysz两者混合可以得到优良的耐高温、耐磨和抗热震的综合性能。首先该层中al2o3具有较好的致密性，能够有效阻挡氧和外部腐蚀介质向涂层内扩散以免涂层因发生氧化或腐蚀而过早失效，而且复合层中al2o3有较好的耐磨性。其次喷涂后该层具有较多的垂直裂纹，大大增加了涂层的应变容限，明显提高了涂层的抗热震性。为减小表层al2o3/8ysz复合层与金属粘结层因热膨胀系数差产生的热失配应力，在表层al2o3/8ysz复合涂层与金属粘结层之间喷涂8ysz陶瓷层，缓解因两者热膨胀系数不匹配产生的热失配应力。该新型多层热障涂层具有良好的抗高温氧化、抗热震综合性能，原料成本较低，制备工艺简单。

本发明的显著优点在于：

涂层原材料为商用微米级粉末，来源广，成本低，而且制备工艺简单。制备的涂层结合强度高，表面的al2o3/8ysz复合陶瓷层致密，能够有效阻止氧和腐蚀介质向涂层内扩散，大大提高了涂层的抗高温氧化性能，而且表层al2o3/8ysz复合涂层具有一定数量垂直裂纹，增强了涂层的应变容限，提高了其抗热震性，表面al2o3/8ysz复合陶瓷层与金属粘结层之间设置8ysz陶瓷层具有缓解两者热失配应力作用，有效地延长了热障涂层的寿命,可广泛用于各种高温耐热部件。

附图说明

图1是本发明多层热障涂层结构示意图；1-基体材料，2-粘结层，3-8ysz陶瓷层，4-al2o3/8ysz复合陶瓷层；

图2是本发明实施例1中al2o3/8ysz复合陶瓷层微观组织电镜图；

图3是本发明提出的多层热障涂层三个实施例与传统双层结构热障涂层的抗高温氧化性能对比图；

图4是本发明提出的多层热障涂层三个实施例与传统双层结构热障涂层的热震寿命对比图。

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明进一步详细说明，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1

一种多层热障涂层及其制备方法，包括以下步骤：

步骤1）：将8ysz粉末（75wt%）和氧化铝粉末（25wt%）混合，8ysz粉末粒径范围45～75μm，氧化铝粉末粒径范围25～45μm，将混合粉末置于行星球磨机中混合12小时后得到复合粉末；

步骤2）：将inconel718高温合金基体表面进行净化处理，具体净化处理条件为：对基底机械磨削去除氧化皮，然后放入浓度为60g/l的naoh溶液中浸泡30分钟，进行除油处理；然后对高温合金基体表面进行喷砂处理，为热喷涂做准备；

步骤3）：采用等离子喷涂在步骤2）处理后的基底上制备一层平均厚度为100μm的nicocraly粘结层，nicocraly粉末粒径范围38～75μm，然后再采用等离子喷涂在上述所得的粘结层进行喷涂平均厚度为100μm的8ysz陶瓷层；最后采用等离子喷涂将步骤1）处理的复合粉末喷涂在上述所得的8ysz陶瓷层上，平均厚度为150μm的al2o3/8ysz复合陶瓷层，即得多层结构热障涂层。

各层具体喷涂参数见表1。

表1等离子喷涂工艺参数

slm*=standardlitresperminute

上述工艺制备的多层热障涂层结合良好，表面al2o3/8ysz复合陶瓷层孔隙率仅为2%。将上述制备的多层热障涂层和传统的双层结构热障涂层在1100℃电阻炉高温氧化200小时后发现，多层热障涂层中粘结层高温氧化生成的热生长氧化物（thermallygrownoxides简称tgo）平均厚度为7.1μm，而传统双层结构热障涂层中tgo平均厚度为8.9μm，表明本发明设计的多层热障涂层具有更优异的抗高温氧化性能。将上述制备的多层热障涂层和传统的双层结构热障涂层放入温度为1000℃电阻炉内保温15分钟，取出试样放入水中快速冷却至室温，如此循环进行热震试验。结果表明，本发明设计多层热障涂层热震寿命为103次，与传统的双层结构热障涂层热障寿命62次相比而言提高了41次，分析其原因为al2o3/8ysz复合陶瓷层中存在较多的垂直裂纹从而增加了涂层的应变容限，在al2o3/8ysz复合陶瓷层与粘结层之间设置8ysz陶瓷层有效减少热失配应力，从而提高了多层热障涂层抗热震性能。上述试验结果表明本发明设计的多层热障涂层具有更优异的抗高温氧化性和抗热震性综合性能。

实施例2

一种多层热障涂层及其制备方法，包括以下步骤：

步骤1）：将8ysz粉末（90wt%）和氧化铝粉末（10wt%）混合，8ysz粉末粒径范围45～75μm，氧化铝粉末粒径范围25～45μm，将混合粉末置于行星球磨机中混合12小时后得到复合粉末；

步骤2）：将inconel718高温合金基体表面进行净化处理，具体净化处理条件为：对基底机械磨削去除氧化皮，然后放入浓度为60g/l的naoh溶液中浸泡30分钟，进行除油处理；然后对高温合金基体表面进行喷砂处理，为热喷涂做准备；

步骤3）：采用等离子喷涂在步骤2）处理后的基底上制备一层平均厚度为100μm的nicocraly粘结层，nicocraly粉末粒径范围38～75μm，然后再采用等离子喷涂在上述所得的粘结层进行喷涂平均厚度为100μm的8ysz陶瓷层；最后采用等离子喷涂将步骤1）处理的复合粉末喷涂在上述所得的8ysz陶瓷层上，平均厚度为150μm的al2o3/8ysz复合陶瓷层，即得多层结构热障涂层。

上述制备的多层热障涂层结合良好，al2o3/8ysz复合陶瓷层中存在较多的垂直裂纹。对上述制备的多层热障涂层进行实施例1相同的抗高温氧化试验和热震试验，发现经过200小时高温氧化后tgo平均厚度为7.5μm，小于传统双层结构热障涂层tgo平均厚度。上述制备的多层热障涂层热震寿命为81次，较传统双层热障涂层热震寿命提高了19次。

实施例3

一种多层热障涂层及其制备方法，包括以下步骤：

步骤1）：将8ysz粉末（50wt%）和氧化铝粉末（50wt%）混合，8ysz粉末粒径范围45～75μm，氧化铝粉末粒径范围25～45μm，将混合粉末置于行星球磨机中混合12小时后得到复合粉末；

步骤2）：将inconel718高温合金基体表面进行净化处理，具体净化处理条件为：对基底机械磨削去除氧化皮，然后放入浓度为60g/l的naoh溶液中浸泡30分钟，进行除油处理；然后对高温合金基体表面进行喷砂处理，为热喷涂做准备；

步骤3）：采用等离子喷涂在步骤2）处理后的基底上制备一层平均厚度为100μm的nicocraly粘结层，nicocraly粉末粒径范围38～75μm，然后再采用等离子喷涂在上述所得的粘结层进行喷涂平均厚度为100μm的8ysz陶瓷层；最后采用等离子喷涂将步骤1）处理的复合粉末喷涂在上述所得的8ysz陶瓷层上，平均厚度为150μm的al2o3/8ysz复合陶瓷层，即得多层结构热障涂层。

上述制备的多层热障涂层结合良好，al2o3/8ysz复合陶瓷层中存在较多的垂直裂纹。对上述制备的多层热障涂层进行实施例1相同的抗高温氧化试验和热震试验，发现经过200小时高温氧化后tgo平均厚度为6.5μm，小于传统双层结构热障涂层tgo平均厚度。上述制备的多层热障涂层热震寿命为67次，较传统双层热障涂层热震寿命提高了5次。由于复合涂层中氧化铝质量分数已经达到50%，导致al2o3/8ysz复合陶瓷层与8ysz陶瓷层热膨胀系数差值相比实施例1和2中两者的热膨胀系数差值都要大，相比实施例1和实施例2而言，热震寿命有所降低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。