一种抗cmas腐蚀微纳米复合结构热障涂层及其制备方法

一种抗cmas腐蚀微纳米复合结构热障涂层及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层的制备方法。本发明所述的热障涂层包括在合金基体上制备得到的粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层；所述的第一陶瓷层为氧化钇部分稳定氧化锆涂层，可以采用大气等离子喷涂、电子束物理气相沉积方法或等离子蒸发沉积的方法制备，厚度为50～200μm；所述第二陶瓷层为等离子蒸发沉积系统制备的抗CMAS涂层，厚度为1～100μm。高温下，熔融的CMAS在本发明制备的第二陶瓷层表面不润湿。本发明制备的含有粘结层+第一陶瓷层+抗CMAS的第二陶瓷的多层热障涂层体系可以有效阻止熔融CMAS的渗入，具有优异的抗熔融CMAS腐蚀性能。
【专利说明】
一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及热障涂层腐蚀与防护技术领域，具体是指一种具有微纳米复合结构的抗CMAS腐蚀的热障涂层及其制备方法。
【背景技术】
[0002]热障涂层(Thermal Barrier Coatings)，简称TBCs，是先进航空发动机热端部件的关键科学技术之一。随着发动机推重比的提高，涡轮前燃气进口温度也大幅提高，到第四代战斗机时，燃气进口温度已经达到了 1650°C，单纯依靠高温合金单晶技术已经很难满足航空发动机的发展要求。后来，美国NASA提出了热障涂层的概念，即在高温合金基底表面制备一层耐高温、高隔热的防护涂层，一般由金属粘结层和陶瓷层组成。当前应用最广泛的热障涂层中陶瓷层材料是氧化乾部分稳定的氧化错(YSZ，Zr02+6?8wt.% Y2O3)。
[0003]等离子蒸发沉积系统(plasma evaporated deposit1n system)是一种制备热障涂层的新型技术。等离子蒸发沉积兼具等离子喷涂(PS)和电子束物理气相沉积(EB-PVD)的优点，可以通过改变工艺参数，实现气相、液相、固相多相复合沉积，制备出层状、柱状或混合状结构涂层，其制备效率高、成本低。较之大气等离子喷涂(APS)，等离子蒸发沉积系统的输出功率可达180kw，工作气压能降到Imbar，而且等离子射流能拉长到2m，射流直径可以增加至200?400mm。
[0004]在飞机飞行过程中，发动机会吸入大气中的各种固体颗粒物，例如火山喷发后漂浮在大气中的火山灰，其主要化学成分Ca0，Mg0，Al203和S12,以及少量Fe(Ni，Ti)等的氧化物，简称为CMAS ο当发动机服役温度高于1200 0C时，CMAS在TBCs表面有很好的润湿性，在毛细作用下通过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，产生较大的内应力，导致陶瓷层分层、剥落;而且YSZ陶瓷层中的稳定剂氧化钇(Y2O3)会与CMAS发生反应，诱发氧化锆(ZrO2)发生相变，降低了涂层的应变损伤容限；同时CMAS中的S1、Ca内扩散加剧了 YSZ陶瓷层的烧结、大幅降低了孔隙率，TBCs的隔热能力急剧下降。因此CMAS腐蚀已经被广泛认为是热障涂层剥落失效的主要原因。
[0005]制备抗CMAS防护涂层的主要方法有:
[0006]1.表面封孔技术；
[0007]2.在表面制备不可渗透涂层或牺牲性涂层来阻挡CMAS的渗入；
[0008]3.新型陶瓷层材料，如:稀土锆酸盐陶瓷层。
[0009]上述三个方面在国内外都有大量的专利申请，其本质都是在陶瓷层表面形成一层致密的保护层，使恪融的CMAS无法渗透通过来抵抗CMAS的腐蚀。但不论如何设计，该致密层的热膨胀系数必然和底层的陶瓷层不一致，在高温热循环条件下，致密层更容易产生裂纹和失效。因此，上述的CMAS防护技术并没有在实际生产中得到大规模应用。

【发明内容】

[0010]本发明提出一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层及其制备方法，更具体指应用等离子蒸发沉积系统(plasma evaporated deposit1n system)制备抗CMAS腐蚀涂层。所述的该涂层具有微纳米复合结构，高温下熔融CMAS在涂层表面不润湿，并且滚动角小，CMAS很难在涂层表面附着，从而避免了CMAS腐蚀的发生。
[0011]本发明提供的抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层的制备方法，包括下列步骤:
[0012]第一步，基体表面喷砂预处理；
[0013]第二步，在基体上制备NiAlX(X:Dy，Hf，Zr等)、NiCoCrAlY或NiAlPt粘结层。制备方法是低压等离子喷涂方法、等离子蒸发沉积法、电子束物理气相沉积或者电镀Pt后渗铝法；
[0014]第三步，在粘结层上制备第一陶瓷层。所述的第一陶瓷层为氧化钇部分稳定氧化锆层(YSZ)。采用的制备方法是大气等离子喷涂方法(APS)、等离子蒸发沉积法或电子束物理气相沉积法；
[0015]第四步，在第一陶瓷层上采用等离子蒸发沉积法制备具有微纳米复合结构的第二陶瓷层，其原材料为氧化铝或氧化钇部分稳定氧化锆等。所用粉末为纳米团聚粉，粉末的一次粉末粒径为50?500nm，团聚后粒径为I?30μηι。所述的等离子蒸发沉积法具体步骤如下:
[0016](I)将喷好第一陶瓷层YSZ的基体装入夹具中，然后把夹具装到真空室内的自动转动工件台上，关闭真空室，抽真空到真空室的压力低于Imbar;
[0017](2)设定喷涂电功率为55?lOOkw，电流为1800?2500Α，打开工作气体阀门，引弧，待电弧稳定后，逐步调整等离子气体流量到Ar 35slpm，He 30?60slpm;
[0018](3)调整工件台至等离子焰流中，利用等离子焰流对基体进行预加热，同时通过红外探头探测基体温度，当基体温度升到600?1000°C后，停止加热；
[0019](4)打开装有第二陶瓷层粉末的送粉器，调整送粉率为5?30g/min，喷涂距离为900?I 10mm，开始沉积第二陶瓷层；
[0020](5)涂层沉积结束后，停止送粉。一般沉积时间越长，涂层越厚，本发明中选择沉积时间为Imin?1min，得到厚度为I?ΙΟΟμπι的第二陶瓷层。
[0021](6)逐步减小气体流量，灭弧，待真空室冷却至室温后，泄真空；
[0022](7)放气结束后，打开真空室，取出基体。
[0023]本发明还提供一种抗CMAS腐蚀的微纳米复合结构的热障涂层。所述的热障涂层，包括三层:粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层。
[0024]所述的粘结层材料分为三种:第一种为NiAlX(X:Dy，Hf，Zr等)，其组分包括40?6011101%的祖，38?6011101%的厶1，0.05?1.511101%的父(父:07，!^，21等)；第二种为祖厶1?扒其组分包括40?60mol %的Ni，34?46mol %的Al，4?20mol %的Pt ；第三种为NiCoCrAlY，其组分包括40?6(^七％的祖，15?25￥七％的(:0，16?27￥七％的0，5?10￥七％的厶1，0.05?2￥七％的Y。所述的第一陶瓷层为YSZ层，即陶瓷底层，制备在粘结层表面，其材料为氧化钇部分稳定氧化锆(Zr02+(6?8wt%)Y203)。第二陶瓷层为陶瓷顶层，制备在第一陶瓷层表面，具有微纳米复合结构，可以抗CMAS腐蚀，其材料为氧化铝或氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)等材料。
[0025]优选地，第一陶瓷层的厚度为50?200μπι，第二陶瓷层的厚度为I?ΙΟΟμπι。
[0026]本发明的优点在于:
[0027]1.等离子蒸发沉积技术可实现气相、液相、固相多相复合沉积，最终沉积出来的第二陶瓷层是柱状晶结构，并且在柱状晶表面分布着很多微纳米颗粒。由于这些微纳米颗粒的存在，涂层具有超疏水和自清洁性。常温下测得水与第二陶瓷层之间的接触角约160°，滚动角小于5° ； 1250°C下熔融的CMAS在涂层表面不铺展不润湿，起到了很好的防CMAS作用。
[0028]2.等离子蒸发沉积技术，可以直接在现有热障涂层(第一陶瓷层)表面制备第二陶瓷层(抗CMAS微纳米复合结构热障涂层)，且与第一陶瓷层的结合力良好。
[0029]3.第二陶瓷层具有柱状晶结构，柱状晶结构的枝晶间隙可以释放热应力，使涂层具有更高的应变容限，热循环寿命高；如果第一陶瓷层也选用等离子蒸发沉积技术制备且第二陶瓷层选用YSZ时，可以一次性制备出第一和第二陶瓷层，简化制备工艺，提高生产效率。
[0030]4.第二陶瓷层选用YSZ时，与第一陶瓷层完全相容，稳定性良好;第二陶瓷层选用氧化铝时，价格低廉，降低了涂层的喷涂成本。
[0031 ] 5.等离子蒸发沉积技术效率高，而且具有非常好的绕镀性，在非视线区域也可以沉积出涂层，能完成复杂工件的喷涂。
【附图说明】
[0032]图1是本发明制得的双陶瓷层热障涂层的结构示意图；
[0033]图2(a)是本发明实施例1中用等离子蒸发沉积系统喷涂10秒制备的第二陶瓷层表面二次电子形貌图(放大5000倍)；
[0034]图2(b)是本发明实施例1中用等离子蒸发沉积系统喷涂I分钟制备的第二陶瓷层表面二次电子形貌图(放大5000倍)；
[0035]图2(c)是本发明实施例1中用等离子蒸发沉积系统喷涂10分钟制备的第二陶瓷层表面二次电子形貌图(放大5000倍)；
[0036]图2(d)是本发明实施例1中用等离子蒸发沉积系统喷涂10分钟制备的第二陶瓷层表面二次电子形貌图(放大500倍)；
[0037]图2(e)是荷叶表面的SEM照片及结构示意图；
[0038]图3(a)是本发明实施例1中制备的抗CMAS腐蚀微纳米复合结构涂层在1250°C下CMAS腐蚀4小时后，试样中心的表面形貌图；
[0039]图3(b)是本发明实施例1中制备的抗CMAS腐蚀微纳米复合结构涂层在1250 V下CMAS腐蚀4小时后，试样边缘有CMAS残留的表面形貌图；
[0040]图4是在本发明实施例2中制得的热障涂层表面测水的润湿角的示意图；
[0041]图5(a)是本发明实施例3中大气等离子喷涂制备的YSZ热障涂层在1250°C下CMAS腐蚀4小时后的表面形貌图；
[0042]图5(b)是本发明实施例3中大气等离子喷涂制备的YSZ热障涂层在1250°C下CMAS腐蚀4小时后的截面形貌图；
[0043]图5(c)是本发明实施例3中等离子蒸发沉积系统制备的抗CMAS第二陶瓷层在1250°CTCMAS腐蚀4小时的表面形貌图；
[0044]图5(d)是本发明实施例3中等离子蒸发沉积系统制备的抗CMAS第二陶瓷层在1250tCTCMAS腐蚀4小时的截面形貌图。
【具体实施方式】
[0045]以下通过具体实施例详细说明本发明技术方案的实施以及所具有的有益效果，但是不能对本发明的可实施范围形成任何限定。该领域的普通技术人员根据上述内容对本发明的技术方案做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
[0046]本发明提供一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层的制备方法，包括下列步骤:
[0047]第一步，基体预处理；
[0048]将高温合金基体依次在200#、400#、600#、800#砂纸上打磨表面，然后超声波清洗lOmin，喷砂预处理使表面粗糙度Ra〈2。所述的高温合金基体为K3合金。
[0049]第二步，在基体上制备NiAlX(X选择Dy、Hf或Zr等)、NiCoCrAlY或NiAlPt粘结层。
[0050](A)采用低压等离子喷涂方法制备NiAlXU选择Dy、Hf或Zr等)或NiCoCrAlY粘结层；
[0051]将第一步预处理后的基体装在低压等离子喷涂设备的夹具中，然后将其安装在真空室的自动工件运动台上，调整主要工艺参数:电流为600?700A，电压为40?60kw，送粉率为15?25g/min，喷涂距离为200?300mm，主气流量Ar气为50?70m3/h，H2气流量为3?6m3/h，真空度为6?lOkPa。本发明中选择沉积时间10?30min，得到厚度为40?80μηι的粘结层。
[0052](B)采用等离子蒸发沉积方法制备NiAlXU选自Dy、Hf或Zr等)或NiCoCrAlY粘结层；
[0053]将第一步预处理后的基体装在等离子蒸发沉积设备的夹具中，然后将其安装在真空室的自动工件运动台上，调整主要工艺参数:喷涂电功率30?60kw，电流800?1200A，送粉率10?30g/min，喷涂距离300mm?800mm，主气流量Ar 35slpm，He 30?60slpm，真空度30?50mbar。本发明中选择沉积时间为2?I Om i η，得到厚度为40?80μηι的粘结层。
[0054](C)采用电子束物理气相沉积方法制备NiAlX(X选自Dy、Hf或Zr等)或NiCoCrAlY粘结层；
[0055]将第一步预处理后的基体放置在电子束物理气相沉积设备的旋转基板上，然后把待蒸发的NiAlX(X: Dy，Hf，Zr等)或NiCoCrAlY棒料放入水冷铜坩祸中，沉积室抽真空至3 X10—3Pa,把基板预热至700?800°C，调节电子束电压为18?20kV，电子束电流为1.2A?1.5A，试样旋转速率为12?15r/min，预热、蒸发棒料，控制棒料上升速率0.2?0.4mm/min。本发明中选择沉积时间为30?40min，得到厚度40?80μηι的粘结层。
[0056](D)采用电镀Pt后渗铝的方法制备NiAlPt粘结层；
[0057]配置Pt的电镀液，选取初始成分为:亚硝酸二氨铂(Pt(NH3)2(NO2)2)含量17g/L，硝酸铵(NH4NO3)含量100g/L，亚硝酸钠(NaNO2)含量10g/L，氨水(NH3.H2O)含量50g/L。将基体放入Pt电镀液中，设置电镀Pt电流为0.5?2.0mA/mm2，电镀时间为Ih，镀液温度80 °C，电镀Pt层的厚度为5?15μπι。然后再利用包埋渗方法渗铝，包埋渗的工艺参数为:保温温度1000°C，保温时间90min，最终得到厚度40?80μπι的NiAlPt粘结层。
[0058]将制备好的粘结层放入真空热处理炉中，设置热处理温度为1050°C，保温时间4h，进行扩散处理，提高涂层与高温合金基体的结合力，然后随炉冷却。
[0059]第三步，在粘结层上制备第一陶瓷层氧化钇部分稳定氧化锆层(YSZ)。
[0060](A)采用大气等离子喷涂方法制备第一陶瓷层；
[0061]将制备好粘结层的基体装在大气等离子喷涂设备的夹具中，然后将其安装在真空室的自动工件运动台上，调整主要工艺参数:电流为600?700A，电压为60?80V，送粉率为15?25g/min，喷涂距离为100?250mm，主气流量Ar气为50?70L/min，H2气流量为6?8L/min。本发明中选择沉积时间为10?30min，得到厚度为50?200μηι的第一陶瓷层。
[0062](B)采用等离子蒸发沉积方法制备第一陶瓷层；
[0063](BI)将制备好粘结层的基体装入夹具中，然后把夹具装到真空室内的自动工件运动台上，关闭真空室，抽真空到真空室的压力低于Imbar;
[0064](Β2)设定喷涂电功率为55?lOOkw，电流为1800?2500Α，打开工作气体阀门，弓丨弧，待电弧稳定后，逐步调整等离子气体流量到Ar 35slpm，He 30?60slpm;
[0065](B3)调整工件距离使得基体位于等离子焰流中，利用等离子焰流对基体进行预加热，同时通过红外探头探测基体温度，当基体温度升到600?1000°C后，停止加热；
[0066](B4)打开装有YSZ粉末的送粉器，调整送粉率为5?30g/min，喷涂距离为1200?1400mm，开始沉积第一陶瓷层；
[0067](B5)YSZ涂层沉积结束后，停止送粉;一般沉积时间越长，涂层越厚，本发明中选择沉积时间Imin?20min，得到厚度为50?200μπι的第一陶瓷层；
[0068](Β6)逐步减小气体流量，灭弧，待真空室冷却后，泄真空；
[0069](Β7)放气结束后，打开真空室，取出基体。
[0070](C)采用电子束物理气相沉积方法制备第一陶瓷层；
[0071]将制备好粘结层的基体试样放置在电子束物理气相沉积设备的旋转基板上，然后把待蒸发的YSZ棒料放入水冷铜坩祸中，沉积室抽真空至3 X 10—3Pa,把基板预热至700?800°C，调节电子束电压为18?20kV，电子束电流为1.2A?1.5A，试样旋转速率为12?15r/min，预热、蒸发棒料，控制棒料上升速率0.2?0.4mm/min。本发明中选择沉积时间30?50min，得到厚度为50?200μπι的第一陶瓷层。
[0072]第四步，在第一陶瓷层上采用等离子蒸发沉积法制备第二陶瓷层，其材料为氧化铝或氧化钇部分稳定氧化锆等。所用喷涂粉末为纳米团聚粉，粉末的一次粉末粒径为50?500nm，团聚后粒径为I?30μηι，具体步骤如下:
[0073](I)将喷好第一陶瓷层YSZ的基体装入夹具中，然后把夹具装到真空室内的自动转动工件台上，关闭真空室，抽真空到真空室的压力低于Imbar;
[0074](2)设定喷涂电功率为55?lOOkw，电流为1800?2500Α，打开工作气体阀门，引弧，待电弧稳定后，逐步调整等离子气体流量到Ar 35slpm，He 30?60slpm;
[0075](3)调整工件距离至等离子焰流中，利用等离子焰流对基体进行预加热，同时通过红外探头探测基体温度，当基体温度升到600?KKKTC后，停止加热；
[0076](4)打开装有第二陶瓷层粉末的送粉器，调整送粉率为5?30g/min，喷涂距离为900?I 10mm，开始沉积第二陶瓷层；
[0077](5)涂层沉积结束后，停止送粉;沉积时间越长，涂层越厚，本发明中选择沉积时间Imin?1min，得到厚度为I?ΙΟΟμπι的第二陶瓷层；
[0078](6)逐步减小气体流量，灭弧，待真空室冷却后，泄真空；
[0079](7)放气结束后，打开真空室，取出基体。
[0080]实施例1:在高温合金基体表面制备:低压等离子喷涂NiCoCrAlY粘结层+等离子蒸发沉积第一陶瓷层YSZ+等离子蒸发沉积第二陶瓷层YSZ的热障涂层，具体步骤如下:
[0081 ] 第一步，将高温合金基体依次在200#、400#、600#、800#砂纸上打磨表面，然后超声波清洗lOmin，喷砂预处理使表面粗糙度Ra〈2。所述的高温合金为K3合金。
[0082]第二步，在基体上采用低压等离子喷涂制备NiCoCrAlY粘结层。
[0083]将合金基体装在低压等离子喷涂设备的夹具中，然后将其安装在真空室的自动工件运动台上，调整主要工艺参数:电流为600Α，电压为40kw，送粉率为15g/min，喷涂距离为200mm，主气流量Ar气为501113/11，!12气流量为3m3/h，真空度为6kPa。本发明中选择沉积时间为lOmin，得到厚度为50μπι的第一陶瓷层。
[0084]将制备好的粘结层放入真空热处理炉中，设置热处理温度为1050°C，保温时间4h，进行扩散处理，提高涂层与高温合金基体的结合力，然后随炉冷却。
[0085]第三步，在NiCoCrAlY粘结层上采用等离子蒸发沉积方法一次性制备第一陶瓷层和第二陶瓷层，具体步骤如下:
[0086](I)将喷好粘结层的基体装入夹具中，然后把夹具装到真空室内的自动转动工件台上，关闭真空室，抽真空到真空室的压力低于Imbar;
[0087](2)设定喷涂电功率为lOOkw，电流为2500A，打开工作气体阀门，引弧，待电弧稳定后，逐步调整等离子气体流量到Ar 35s lpm，He 60s lpm;
[0088](3)调整工件距离至等离子焰流中，利用等离子焰流对基体进行预加热，同时通过红外探头探测基体温度，当基体温度升到600°C后，停止加热；
[0089](4)打开装有第一陶瓷层YSZ粉末的送粉器，调整送粉率为5g/min，喷涂距离为1400mm，开始沉积第一陶瓷层，第一陶瓷层YSZ粉末是粒径I?20μπι的微米粉；沉积时间20min，得到厚度为200μπι的第一陶瓷层；
[0090](5)打开装有第二陶瓷层YSZ粉末的送粉器，调整送粉率为5g/min，喷涂距离为1100mm，开始沉积第二陶瓷层，第二陶瓷层YSZ粉末是纳米团聚粉，一次粉末粒径为200nm，团聚后粒径为I?30μηι ；依次设置沉积时间为I Os，Imin，I Omin，分别得到厚度为Ιμπι，2m，ΙΟΟμπι的第二陶瓷层；
[0091 ] (6)沉积结束后，逐步减小气体流量，灭弧，待真空室冷却后，泄真空；
[0092](7)放气结束后，打开真空室，得到一种抗CMAS腐蚀的微纳米复合结构的热障涂层，具体结构如图1所示，所述的热障涂层包括高温合金基体上依次制备的粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层。
[0093]图2(a)、(b)、(c)、(d)为在等离子蒸发沉积设备IlOOmm位置喷涂不同时间的第二陶瓷层表面二次电子图像，由图可见，第二陶瓷层的柱状晶结构主要是由气态和固体小颗粒共同沉积形成的，在沉积1s时，如图2(a)，第二陶瓷层表面仅有一些固体小颗粒，随沉积时间的延长，在固体颗粒上逐渐长出准柱状晶结构的涂层;沉积I到10分钟时，如图2(b)，基体表面固体小颗粒逐渐增加，到沉积10分钟时柱状晶已经布满表面，如图2(c)、2(d)，由气相形成的柱状晶柱头为半球，尺寸约10?20μπι，在这些半球表面和空隙中还夹杂了大量直径约0.5?Ιμπι的微纳米颗粒，这些形貌构成类似于荷叶表面的微纳米复合结构。图2(e)显示出荷叶表面上有许多微小的乳突，乳突的平均大小约为ΙΟμπι，而每个乳突由许多直径为Iμπι左右的突起组成的，荷叶之所以具有超疏水性和自清洁的特性就是因为有这种乳突结构存在。
[0094]将CMAS涂敷于第二陶瓷层表面，然后在1250°C的管式炉中恒温24h。如图3(a)所示在腐蚀后的试样中心区域没有发现CMAS附着。而图3(b)所示的试样边缘区域残留了少量CMAS，且都是球形的。通过测量发现熔融CMAS与第二陶瓷层的接触角在150?180°之间。
[0095]实施例2:在高温合金基体表面制备:电子束物理气相沉积NiAlDy粘结层+电子束物理气相沉积第一陶瓷层YSZ+等离子蒸发沉积第二陶瓷层YSZ的热障涂层，具体步骤如下:
[0096]第一步，将高温合金基体依次在200#、400#、600#、800#砂纸上打磨表面，然后超声波清洗lOmin，喷砂预处理使表面粗糙度Ra〈2。所述的高温合金为K3合金。
[0097]第二步，在基体上用电子束物理气相沉积方法制备NiAlDy粘结层，制备步骤如下:
[0098](I)使用高纯镍(Ni)，高纯铝(Al)及纯度99.7wt.%的镝(Dy)，按照设计成分配比，Al含量为50mol %，Dy含量为0.5mol %，余量为Ni。对镍块及铝块表面进行打磨，除去表面的氧化膜，然后用无水酒精和丙酮进行超声波清洗约15min，烘干后，对配制的合金使用电弧恪炼的方法，制备出Φ 7Omm X I OOmm革巴材；
[0099](2)将上述靶材在真空热处理炉中进行1200°C均匀化热处理24h，然后随炉冷却；
[0100](3)将靶材放进电子束物理气相沉积设备的坩祸中，沉积室抽真空至3X10—￥&，把基板预热至800°C，调节电子束电压为20kV，电子束电流为1.5A，试样旋转速率为15r/min，预热、蒸发棒料，控制棒料上升速率0.2mm/min。沉积时间40min，得到厚度为80μηι的粘结层；
[0101](4)将制备好的NiAlDy粘结层放入真空热处理炉中，设置热处理温度为1050°C，保温时间4h，进行扩散热处理，提高涂层与高温合金基体的结合力。
[0102]第三步，在NiAlDy粘结层上用电子束物理气相沉积方法制备YSZ第一陶瓷层，制备步骤如下:
[0103](I)将YSZ粉体干压成型，制成Φ 70mm X 10mm的YSZ棒料；
[0104](2)将上述棒料在200MPa下冷等静压成型I?2h，然后将棒料放在高温烧结炉1200°C下烧结4h，随炉冷却；
[0105](3)将制备好粘结层的基体放置在电子束物理气相沉积设备的旋转基板上，然后把待蒸发的YSZ棒料放入水冷铜坩祸中，沉积室抽真空至3 X 10—3Pa，把基板预热至800°C，调节电子束电压为20kV，电子束电流为1.5A，试样旋转速率为12r/min，预热、蒸发棒料，控制棒料上升速率0.2mm/min。本发明中选择沉积时间30min，得到厚度为I ΟΟμπι的第一陶瓷层；
[0106]第四步，在第一陶瓷层上用等离子蒸发沉积方法制备第二陶瓷层YSZ，制备步骤如下:
[0107](I)将喷好第一陶瓷层YSZ的基体装入夹具中，然后把夹具装到真空室内的自动转动工件台上，关闭真空室，抽真空到真空室的压力低于Imbar;
[0108](2)设定喷涂电功率为lOOkw，电流为2500Α，打开工作气体阀门，引弧，待电弧稳定后，逐步调整等离子气体流量到Ar 35s lpm，He 60s lpm;
[0109](3)调整工件距离至等离子焰流中，利用等离子焰流对基体进行预加热，同时通过红外探头探测基体温度，当基体温度升到600°C后，停止加热；
[0110](4)打开装有第二陶瓷层粉末的送粉器，调整送粉率为5g/min，喷涂距离为900mm，开始沉积第二陶瓷层，第二陶瓷层粉末是纳米团聚粉，一次粉末粒径为50nm，团聚后粒径为5 ?30μπι;
[0111](5)涂层沉积结束后，停止送粉;沉积时间越长，涂层越厚，选择沉积时间5min，得到厚度为50μπι的第二陶瓷层；
[0112](6)沉积结束后，逐步减小气体流量，灭弧，待真空室冷却后，泄真空；
[0113](7)放气结束后，打开真空室，得到一种抗CMAS腐蚀的微纳米复合结构的热障涂层。
[0114]将CMAS涂敷于第二陶瓷层表面，然后在1250°C的管式炉中恒温24h<XMAS在表面不润湿，说明涂层有良好的抗CMAS性能。室温下测水与第二陶瓷层的接触角如图4所示大约
160。ο
[0115]对试样进行高温循环氧化测试:将试样放在1050°C的高温炉中，在该温度下保温55min，取出试样用风扇吹5min，如此循环往复，试样循环氧化500h后，氧化增重0.66mg/cm2，第二陶瓷层并未失效(剥落面积占总面积的5%，即判定试样初步失效)，说明第一陶瓷层和第二陶瓷层结合力好，且抗氧化性能优异。
[0116]对试样进行抗热冲击测试，试样被高温火焰加热到120(TC，在该温度下保温300s，然后熄灭高温高速火焰，在空气中冷却90s，如此循环往复，试样的寿命达到了 2000次，说明涂层抗热冲击性能良好。
[0117]将涂层放在1200°C的管式炉中恒温100h，取出观察其表面与截面，较之涂层的制备态，恒温10h后柱状晶表面的微纳米颗粒的形态并未发生变化，说明涂层的高温热稳定性优良。
[0118]实施例3:在高温合金基体表面制备电镀Pt渗铝的NiAlPt粘结层+大气等离子喷涂第一陶瓷层YSZ+等离子蒸发沉积第二陶瓷层Al2O3的多层热障涂层，具体步骤如下:
[0119]第一步，将高温合金基体依次在200#、400#、600#、800#砂纸上打磨表面，然后超声波清洗lOmin，喷砂预处理使表面粗糙度Ra〈2。所述的高温合金为K3合金。
[0120]第二步，采用电镀以及包埋渗的方法在合金基体上制备NiAlPt粘结层，NiAlPt粘结层的制备步骤如下:
[0121]配置Pt的电镀液，选取初始成分为:亚硝酸二氨铂(Pt(NH3)2(NO2)2)含量17g/L，硝酸铵(NH4NO3)含量100g/L，亚硝酸钠(NaNO2)含量10g/L，氨水(NH3.H2O)含量50g/L。将基体放入Pt电镀液中，设置电镀Pt电流为2mA/mm2，电镀时间为lh，镀液温度80°C，电镀Pt层的厚度为5μπι。然后再利用包埋渗方法渗铝，包埋渗的工艺参数为:保温温度1000°C，保温时间90min，最终得到厚度60μπι的NiAlPt粘结层。将制备好的NiAlPt粘结层放入真空热处理炉中，设置热处理温度为1050°C，保温时间4h，然后随炉冷却。
[0122]第三步，采用大气等离子喷涂的方法在NiAlPt粘结层表面制备第一陶瓷层YSZ，主要工艺参数:电流为600A，电压为80V，送粉率为15g/min，喷涂距离为100mm，主气流量Ar气为50L/min，出气流量为8L/min，沉积时间为30min，第一陶瓷层的沉积厚度为150μπι。
[0123]第四步，采用等离子蒸发沉积方法在第一陶瓷层上制备第二陶瓷层Al2O3,具体步骤如下:
[0124](I)将喷好第一陶瓷层YSZ的基体装入夹具中，然后把夹具装到真空室内的自动转动工件台上，关闭真空室，抽真空到真空室的压力低于Imbar;
[0125](2)设定喷涂电功率为10kw，电流为1800Α，打开工作气体阀门，引弧，待电弧稳定后，逐步调整等离子气体流量到Ar 35s lpm，He 60s lpm;
[0126](3)调整工件距离至等离子焰流中，利用等离子焰流对基体进行预加热，同时通过红外探头探测基体温度，当基体温度升到600°C后，停止加热；
[0127](4)打开装有Al2O3粉末的送粉器，调整送粉率为30g/min，喷涂距离为1100mm，开始沉积第二陶瓷层，粉末是纳米团聚粉，一次粉末粒径为50nm，团聚后粒径为5?30μπι;沉积时间Imin，得到厚度为ΙΟμπι的涂层；
[0128](5)沉积结束后，逐步减小气体流量，灭弧，待真空室冷却后，泄真空；
[0129](6)放气结束后，打开真空室，取出基体，得到电镀Pt渗铝的NiAlPt粘结层+大气等离子喷涂第一陶瓷层YSZ+等离子蒸发沉积第二陶瓷层Al2O3的多层热障涂层。
[0130]对制备得到的多层热障涂层进行CMAS测试，结果和实施例1相同，CMAS在表面不润湿，说明涂层有良好的抗CMAS性能。图5(a)是大气等离子喷涂制备的YSZ热障涂层腐蚀后的表面和5(b)截面形貌，可以看到同样条件下，大气等离子喷涂的第一陶瓷层已经明显被CMAS覆盖，且渗入到涂层内部，发生严重腐蚀剥落。图5(c)(d)中等离子蒸发沉积制备的抗CMAS第二陶瓷层的表面和截面都没有发现CMAS渗入。
【主权项】
1.一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层的制备方法，包括有下列步骤: 第一步，基体表面喷砂预处理； 第二步，在基体上制备粘结层； 第三步，在粘结层上制备第一陶瓷层； 第四步，在第一陶瓷层上制备具有微纳米复合结构的第二陶瓷层。2.根据权利要求1所述的一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层的制备方法，其特征在于:第二步所述的粘结层采用的制备方法是低压等离子喷涂方法、等离子蒸发沉积法、电子束物理气相沉积或者电镀Pt后渗铝法。3.根据权利要求1所述的一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层的制备方法，其特征在于:第三步所述的第一陶瓷层采用的制备方法是大气等离子喷涂方法、等离子蒸发沉积法或电子束物理气相沉积法。4.根据权利要求1所述的一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层的制备方法，其特征在于:第四步所述的第一陶瓷层的制备所用粉末为粒径I?20μπι的微米粉;第二陶瓷层的制备所用粉末为纳米团聚粉，粉末的一次粉末粒径为50?500nm，团聚后粒径为I?30μηι。5.根据权利要求1所述的一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层的制备方法，其特征在于:第四步所述的第二陶瓷层采用的制备方法是等离子蒸发沉积法。6.根据权利要求1所述的一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层的制备方法，其特征在于:第四步具体步骤如下: (1)将喷好第一陶瓷层YSZ的基体装入夹具中，然后把夹具装到真空室内的自动转动工件台上，关闭真空室，抽真空到真空室的压力低于Imbar; (2)设定喷涂电功率为55?lOOkw，电流为1800?2500Α，打开工作气体阀门，引弧，待电弧稳定后，逐步调整等离子气体流量到Ar 35slpm，He 30?60slpm; (3)调整工件台至等离子焰流中，利用等离子焰流对基体进行预加热，同时通过红外探头探测基体温度，当基体温度升到600?1000°C后，停止加热； (4)打开装有第二陶瓷层粉料的送粉器，调整送粉率为5?30g/min，喷涂距离为900?.1lOOmm，沉积时间为Imin?1min ；得到第二陶瓷层。7.一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层，其特征在于:包括粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层； 所述的粘结层材料分为三种:第一种为NiAlX，X为Dy、Hf或Zr，其组分包括40?60mol %的Ni，38?60mol %的Al，0.05?I.5mol %的X ；第二种为NiAlPt，其组分包括40?60mol %的Ni，34?46mol %的Al，4?20mol %的Pt ；第三种为NiCoCrAlY,其组分包括40?60wt%的附，15?25wt% 的(:0，16?27wt% 的0，5?10wt% 的厶1，0.05?2wt% 的丫； 所述的第一陶瓷层为YSZ层，制备在粘结层表面，其材料为氧化钇部分稳定氧化锆，SPZr02+(6?8wt% )Y203 ； 所述的第二陶瓷层为陶瓷顶层，制备在第一陶瓷层表面，具有微纳米复合结构，其材料为氧化铝或氧化乾部分稳定氧化错。8.根据权利要求7所述的一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层，其特征在于:第一陶瓷层的厚度为50?200μπι，第二陶瓷层的厚度为I?ΙΟΟμπι。9.根据权利要求7所述的一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层，其特征在于:第二陶瓷层是由气相形成的柱状晶结构，柱状晶柱头为半球，尺寸10?20μπι，在这些半球表面和空隙中还夹杂了直径0.5?Ιμπι的微纳米颗粒。
【文档编号】C23C14/08GK106086765SQ201610590053
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月25日 公开号201610590053.2, CN 106086765 A, CN 106086765A, CN 201610590053, CN-A-106086765, CN106086765 A, CN106086765A, CN201610590053, CN201610590053.2
【发明人】郭洪波, 邓阳丕, 魏亮亮
【申请人】北京航空航天大学