一种界面稳定的热障涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本技术属于航空发动机技术领域，特别涉及一种界面稳定的热障涂层及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着航空发动机向高推重比发展，燃烧室中温度和压力不断提高，高涡轮前燃气进口温度已经成为高推重比航空发动机的一大特征。作为发动机的核心零部件，涡轮叶片长期经受高温燃气的冲击和侵蚀，服役环境非常恶劣。涡轮叶片选用的高温合金已经受到了其自身服役温度极限的挑战。目前最新一代镍基高温合金的最高使用温度也不高于1150°C，而且已经接近合金熔点的85%，再往上大幅度提高合金的使用温度难度很大。根据发动机冷却能力，作为高推重比航空发动机涡轮叶片用高温合金材料的单独使用已难以满足发动机高速发展的需求。
[0003]热障涂层(TBCs)—般由抗氧化腐蚀性能良好的金属粘结底层(PtAl或MCrAlY，M =祖，(:0或附+(:0)和导热系数低的陶瓷面层(￥203部分稳定的2抑2，￥32)组成。它广泛应用于航空发动机热端部件，使得高温合金能够承受更高的服役温度，提高涡轮前燃气进口温度，同时也可使发动机寿命和可靠性大幅度提高，耗油量降低，动力性能显著改善。
[0004]金属粘结层作为陶瓷面层和高温合金基体之间的过渡层，其作用主要有两个:一是降低陶瓷面层和高温合金基体之间由于热膨胀系数不匹配所引起的热应力;二是提高整个热障涂层体系的抗氧化腐蚀性能(YSZ陶瓷面层是氧离子导体，且多为多孔或柱状晶结构，这些结构会成为腐蚀介质的快速扩散通道，加剧高温合金基体的腐蚀)。粘结层的成分设计对热循环过程中氧化物的生长速度、成分、与基体的结合力等有决定性的作用，并且粘结层材料应能与高温合金基体形成良好的界面扩散阻力，以避免在服役过程中出现基体和粘结层性能的退化(互扩散引起)。目前常规金属粘结底层(PtAl或MCrAlY)在服役过程中不可避免地与高温合金基体发生互扩散，形成脆性互扩散带和拓补密堆相(TCP)等有害析出相，引起合金组织失稳。研究发现，高温合金表面脆性互扩散带和TCP的形成将导致合金基体的高周疲劳和持久寿命等高温力学性能下降50%以上。同时，金属粘结层中的抗氧化性元素如Al、Cr等向合金内扩散也会导致涂层的抗高温氧化腐蚀性能下降。
[0005]因此，如何在保证金属粘结层良好抗氧化性能的同时保证涂层与高温合金的界面匹配性及稳定性成为发展高温合金防护涂层的关键问题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种与高温合金界面相容性好，抗氧化性能优异，应变容限高的高温合金用热障涂层的制备方法。
[0007]本发明一种界面稳定的热障涂层，该涂层由YSZ活性扩散障/MCrAlY金属粘结底层/渗铝层/YSZ陶瓷面层组成；其中YSZ活性扩散障采用电子束物理气相沉积方法制备，MCrAlY金属粘结底层采用真空电弧镀方法制备，渗铝层采用固体粉末包埋方法或化学气相沉积方法制备，YSZ陶瓷面层采用电子束物理气相沉积方法制备，呈典型柱状晶结构。
[0008]本发明一种界面稳定的热障涂层的制备方法，按照以下步骤进行:
[0009](I)YSZ活性扩散障的制备:
[0010]采用电子束物理气相沉积方法在单晶高温合金基体制备YSZ活性扩散障，将上述沉积完YSZ活性扩散障的试片在750°C进行空气稳定退火4?6小时；
[0011](2)MCrAlY 底层的制备:
[0012]采用真空电弧镀方法在步骤(I)制备的涂层表面制备20?40μπι左右的MCrAlY涂层，然后在1050°C进行真空扩散热处理2?4小时；
[0013](3)底层后处理技术:
[0014]对步骤(2)制备的扩散态MCrAlY底层采用湿吹砂表面强化平整技术，提高防护涂层界面结合力，改善二次渗铝层结构；
[0015](4)渗铝层的制备:
[0016]采用固体包埋法或化学气相沉积方法对步骤(3)的MCrAlY涂层进行二次渗铝；
[0017](5)渗铝涂层后处理技术:
[0018]对步骤(4)制备的涂层进行湿吹砂处理，光整涂层表面，促进Al2O3氧化膜的快速形成；
[0019](6)YSZ陶瓷面层制备方法:
[0020]采用电子束物理气相沉积方法在步骤(5)制备的涂层上制备YSZ陶瓷面层，制备过程中采用离子清洗5?10分钟、电子束加热单晶高温合金基体至850?900°C;
[0021 ] (7) YSZ陶瓷面层后处理方法:
[0022]将步骤(6)制备的涂层在700?900°C进行空气稳定化退火4?20小时，提高热障涂层的组织稳定性。
[0023 ]为了解决传统MCrAl Y涂层中与高温合金基体之间的互扩散问题，在MCrAl Y涂层中与高温合金基体之间加入一层活性扩散障。高温服役过程中，高温合金基体/YSZ活性扩散障和YSZ活性扩散障/MCrAlY涂层界面处可以形成两层连续的富Al氧化物，这两层富Al氧化物有效地阻止MCrAlY涂层与高温合金基体间的扩散，提高MCrAlY涂层与高温合金基体间的界面稳定性。
[0024I 为了解决MCrAlY涂层中Al元素含量有限的问题，对MCrAlY涂层进行二次渗招处理，使MCrAlY涂层表面形成一层富Al层。该富Al层在氧化过程中能形成连续致密的Al2O3氧化膜，可以提高MCrAlY底层与YSZ陶瓷面层的界面稳定性。
[0025]为了进一步提高热障涂层的应变容限，YSZ陶瓷面层采用电子束物理气相沉积方法制备，呈典型柱状晶结构。
[0026]该涂层具有良好的抗氧化性能和冷热交变循环能力。该方法既可以解决涂层界面相容性问题，又可以提高涂层的应变容限，从而提高高温合金的抗氧化性能。
[0027]本发明与现有技术相比具有以下主要优点:
[0028](I)、通过在MCrAlY底层和高温合金基体之间引入活性扩散障，既可以在高温氧化过程中涂层/合金界面两侧原位生成致密Al2O3薄膜，有效地阻止涂层和合金组元的互扩散，同时，通过界面反应形成的Al2O3薄膜有利于提高氧化物扩散障的粘附性，提高MCrAlY底层和高温合金基体之间的界面稳定性。
[0029](2)对MCrAlY底层进行渗铝处理，可以使MCrAlY涂层表面形成一层富Al层。该富Al层在氧化过程中能形成连续致密的Al2O3氧化膜，提高MCrAlY底层和YSZ陶瓷面层之间的界面稳定性。
[0030](3)、对扩散态MCrAlY底层采用湿吹砂表面强化平整技术，可以提高防护涂层界面结合力，改善渗铝层结构。
[0031](4)、渗铝层后的湿吹砂处理有助于改善陶瓷面层的结构，提高涂层界面结合力。
[0032](5)、采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备的柱状晶结构YSZ陶瓷面层可以提高涂层的应变容限，提高防护涂层抗冷热循环能力。
[0033](6)、陶瓷面层制备过程中离子清洗、基体加热等技术有助于去除界面污染物，提高防护涂层界面结合力。
[0034](7)、陶瓷面层后处理有助于提高陶瓷面层的