一种抗cmas腐蚀的热障涂层陶瓷层的大气等离子喷涂制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及热障涂层制备技术领域，更具体是指应用大气等离子喷涂方法制备一 种抗CMAS腐蚀的热障涂层陶瓷层。
【背景技术】
[0002] 热障涂层（ThermalBarrierCoatings)，简称TBCs，是先进航空发动机热端部件 的关键科学技术之一。研究发现，航空发动机祸轮叶片热障涂层除了要经受高温、热疲劳和 机械载荷等作用外，还会遭受化学腐蚀、侵蚀和冲刷，最终导致涂层失效。其中，由氧化巧 (CaO)、氧化儀（MgO)、S氧化二侣（Al2〇3)、二氧化娃（Si化）W及微量饥、硫、钢、铁元素组成 的表面沉积物（CMA巧对TBCs的隔热性能和服役寿命的影响很大。
[0003] 目前应用最广泛的热障涂层陶瓷层材料是氧化锭部分稳定的氧化错（YSZ， Zr〇2+化~8wt% )Y203)，但是在1250°C及更高温度，CMAS对YSZ陶瓷层存在显著的破坏作 用，主要表现在：烙融CMAS通过YSZ陶瓷层表面的空隙和裂纹渗透到涂层内部，冲击压实 YSZ陶瓷层，并产生较大的内应力，导致YSZ陶瓷层分层、剥落；YSZ陶瓷层逐渐烙融于玻璃 态CMAS中，造成稳定剂氧化锭炸2〇3)损失，氧化错狂r〇2)发生晶型转变，降低了涂层应变 损伤容限；CMAS中Si、化的内扩散加剧了YSZ陶瓷层烧结、大幅度降低了孔隙率，TBCs的 隔热能力急剧下降。
[0004] 制备抗CMAS防护涂层的主要方法有：磁控瓣射、邸-PVD、APS、电泳沉积、CVD、涂覆 粉体、溶液渗入和烙融盐涂覆后热处理等。AygunA.等（见参考文献1;AygunA，Vasiliev A1L，Pa化ureNP，MaXQ.ActaMaterial2007,55:67：M-45.)研究发现，使用SPPS方法 在YSZ中添加（摩尔百分比）20%的S氧化二侣（Al2〇3)和（摩尔百分比）5%的二氧化铁 (Ti〇2)形成YSZ+Al+Ti层，作为改性YSZ陶瓷层，Ti〇2为烙融CMAS的形核剂，A1 2〇3促进烙 融CMAS发生结晶，从而使烙融CMAS在改性YSZ陶瓷层表面结晶，在不影响TBCs使用的情 况下阻止了CMAS的渗入，但是YSZ在高于1200°C容易发生相变和氧化错的烧结现象，使其 应用受到限制。MohanP.等采用电泳法在YSZ陶瓷层表面沉积氧化侣，再进行烧结，得到致 密的防护层，进而阻止烙融CMAS的渗入（见参考文献2;MohanP，YaoB，PattersonT，Sohn Y比Surface&CoatingsTechnology2009,204:797 - 801)。氧化侣层与YSZ陶瓷层热膨胀 系数不匹配，使得TBCs涂层在热循环实验中的寿命比较低，限制了此方法的应用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种抗CMAS腐蚀的热障涂层陶瓷层的制备方法，更具体指 应用大气等离子喷涂（AP巧法在YSZ陶瓷层上面制备一层第二陶瓷层。所述第二陶瓷层呈 层片状，结构致密，热导率低，高温相稳定性好。表面涂覆CMAS的第二陶瓷层在1250°C热处 理3化后，在CMAS层和束^陶瓷层的界面形成一层互反应层，互反应层的王要成分为La与 Ca、Si形成的一种高烙点、高致密度的疏松结构的娃酸盐氧基磯灰石相，互反应层有效地阻 止了烙融CMAS的渗入，即有效地阻止了Ca、Si元素对热障涂层的进一步侵害。
[0006] 本发明所述的一种抗CMAS腐蚀的热障涂层陶瓷层的大气等离子喷涂制备方法， 包括有下列步骤：
[0007] 第一步：基体预处理，并在预处理后的基体上制备第一陶瓷层一-YSZ陶瓷层； [000引第二步：大气等离子喷涂用粉体的制备；
[0009] 本发明制备第二陶瓷层所用粉体的粒径为30~50ym。
[0010] 第S步：大气等离子喷涂法制备第二陶瓷层；
[001U 工艺参数为；喷涂功率为20~40KW，喷涂距离为100~150mm，送粉速度为8~ 12g/min，横向等离子枪的移动速度为500ym/s，Ar气流量为SOslpm，&气流量为30slpm， 第二陶瓷层的沉积厚度为100~250ym，进一步优选为120~170ym。
[0012] 本发明的优点在于：
[0013] 1、根据邸D、SEM及EDS对所制备陶瓷层性能的分析，调整喷涂工艺参数和材料化 学成分比，得到满足化学计量比的单相LaP〇4陶瓷层。
[0014] 2、制备方法简单可行，易于控制。
[0015] 3、本发明制备的抗CMAS腐蚀的热障涂层陶瓷层对烙融CMAS的润湿性较差， 1250°C热处理3化后，在CMAS层与第二陶瓷层界面处形成一层互反应层，有效阻止了CMAS 的进一步渗入，YSZ陶瓷层保持了原有的相稳定性，第二陶瓷层具有良好的抗CMAS腐蚀性 能。
【附图说明】
[0016] 图1为大气等离子喷涂法制备第二陶瓷层使用的优化造粒粉的形貌图；
[0017] 图2为大气等离子喷涂法制备LaP〇4陶瓷层的XRD物相分析图；
[0018] 图3为大气等离子喷涂法制备的LaP〇4陶瓷层的截面形貌图；
[0019] 图4为大气等离子喷涂法制备的LaP〇4陶瓷层表面涂覆CMAS粉在1250°C热处理 3化后的截面形貌图；
[0020] 图5为大气等离子喷涂法制备的LaP〇4陶瓷层经过不同时间热处理后CMAS渗入 深度的曲线图。
【具体实施方式】：
[0021] 下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0022] 本发明提供一种抗CMAS腐蚀的热障涂层陶瓷层的大气等离子喷涂制备方法，所 述的制备方法包括如下步骤：
[0023] 第一步：基体预处理，并在预处理后的基体上制备第一陶瓷层一一YSZ陶瓷层；
[0024] 采用线切割的方法将Al2〇3基体切割成15mmX20mmX2mm的薄片，将切割好的基体 试样依次用400#、600#、800#的SiC水磨砂纸打磨，喷砂预处理W增加基体表面粗趟度（Ra < 2);将喷砂预处理的基体试样依次用丙酬和己醇超声波清洗lOmin，烘干，备用。
[0025] 使用Metco7M等离子喷涂设备在喷砂预处理的Al2〇3基体试样上制备YSZ陶瓷 层，喷涂功率为30KW，喷涂距离为150mm，送粉速度为lOg/min，横向等离子枪的移动速度为 500ym/s，Ar气流量为SOslpm，&气流量为30slpm，YSZ陶瓷层的沉积厚度为100ym。
[0026] 第二步：大气等离子喷涂用粉体的制备；
[0027] 本发明制备第二陶瓷层所用粉体采用喷雾干燥工艺制备，粉体的粒径为30~ 50Um。
[002引第S步：大气等离子喷涂法制备第二陶瓷层；
[0029] 采用Metco7M等离子喷涂设备在YSZ陶瓷层表面沉积第二陶瓷层，喷涂功率为 20~40KW，喷涂距离为100~150mm，送粉速度为8~12g/min，横向等离子枪的移动速度为 500ym/s，Ar气流量为80slpm，H2气流量为30slpm，第二陶瓷层沉积厚度为100~250ym。
[0030] 将CMAS粉涂覆在第二陶瓷层表面研究其抗CMAS腐蚀性能，所述第二陶瓷层对烙 融CMAS的润湿性较差，1250°C热处理3化后，在CMAS层与第二陶瓷层界面处形成一层互反 应层，有效阻止了CMAS的进一步渗入，YSZ陶瓷层保持了原有的相稳定性，第二陶瓷层具有 良好的抗CMS腐蚀性能。
[0031]连施例1:洗用LaPjOg粉体制备第二陶瓷层；
[0032] 第一步：基体预处理，并在预处理后的基体上制备第一陶瓷层一一YSZ陶瓷层； [003引采用线切割的方法将Al203基体切割成15mmX20mmX2mm的薄片，将切割好的基体 试样依次用400#、600#、800#的SiC水磨砂纸打磨，喷砂预处理W增加基体表面粗趟度（Ra < 2);将喷砂预处理的基体试样依次用丙酬和己醇超声波清洗lOmin，烘干，备用。
[0034] 使用Metco7M等离子喷涂设备在喷砂预处理的Al2〇3基体试样上制备YSZ陶瓷 层，喷涂功率为30KW，喷涂距离为150mm，送粉速度为lOg/min，横向等离子枪的移动速度为 500ym/s，Ar气流量为SOslpm，&气流量为30slpm，YSZ陶瓷层的沉积厚度为100ym。
[0035] 第二步：大气等离子喷涂用粉体的制备；
[0036] 采用LaP3〇9粉体制备第二陶瓷层，LaP3〇9粉体采用喷雾干燥工艺制备，制备的 LaPgOg粉体形貌如图1所示，LaP3〇9粉体的粒径在30~50ym之间。
[0037] 第S步：大气等离子喷涂法制备第二陶瓷层；
[003引采用Metco7M等离子喷涂设备在YSZ陶瓷层表面喷涂LaPjOg粉体来沉积第二陶 瓷层，喷涂功率为30KW，喷涂距离为100mm，送粉速度为lOg/min，横向等离子枪的移动速度 为500ym/s，Ar气流量为SOslpm，&气流量为30slpm，第二陶瓷层的沉积厚度为150ym。
[0039] 采用邸S对制得第二陶瓷层的成分进行分析，能谱成分分析结果见表1，可W看出 制得第二陶瓷层中La和P的原子比为1: 1。XRD分析图谱如图2所示，XRD物相分析结果 表明第二陶瓷层是单斜相独居石结构的LaP化，本实施例中第二陶瓷层即为LaP化陶瓷层。 制得LaP〇4陶瓷层的截面形貌如图3所示，可W看出，LaPO4陶瓷层结构致密，孔隙较少，与 YSZ陶瓷层结合较好。
[0040] 将CMAS粉分别涂覆在LaP〇4陶瓷层和YSZ陶瓷层表面，所述CMAS粉的粒度是 60ym，CMAS粉的涂覆密度为30mg/cm2;两组试样均在1250°C分别热处理化、1化、3化及 9化后，用沈M观察分析，表面涂覆CMAS粉的LaP〇4陶瓷层在1250°C热处理30h后的截面 形貌图如图4,可W看出，Ca、Si元素从LaP〇4陶瓷层表面向LaP〇4陶瓷层内部渗入，Ca、Si 与La发生反应生成娃酸盐氧基磯灰石相，大量娃酸盐氧基磯灰石相的形成致使在LaP〇4陶 瓷层和CMAS层界面处形成一层互反应层，有效阻止了Ca、Si向YSZ陶瓷层的进一步渗入。 12