专利名称：一种热障涂层系统的制作方法
一种热障涂层系统
技术领域：
本发明涉及能源、动力、航空、航天、材料制备等技术领域，具体涉及一种热障涂层系统及其制备方法。
背景技术：
热障涂层(TBC)广泛应用于能源、动力、航空、航天、机械等领域，例如航天器和航空器的高温部件的热防护、抗腐蚀、抗冲蚀等。现代航天器的热端部件、航空发动机叶片、 燃气轮机等高温部件的服役温度高达1500°C，远远超过高温合金的服役极限，因此必须采用如热障涂层等热防护手段对合金基体进行高温防护。热障涂层通常是指沉积在高温合金表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂层，其主要作用是热障，避免基体的高温氧化、腐蚀、磨损等，它能将传至金属基体的温度降低50-150°C左右，从而提升热端部件的耐高温能力。热障涂层系统一般包括基体、粘结层(BC)、陶瓷层以及由于粘接层氧化形成的热生长氧化层(TGO)四种材料基元。制备工艺主要有电子束物理气相沉积(EB-PVD)、大气等离子喷涂(APS)等技术。EB-PVD工艺成本较高，但是所制备的热障涂层结构均勻，微结构具有柱状晶特征，与基体的结合强度高，服役寿命长，主要应用于航空发动机热障涂层制备。APS成本较低廉，微结构具有币状多层重叠式特点，热障效果较好，主要应用于民用重型燃气轮机热障涂层制备。EB-PVD热障涂层长寿命的原因主要是陶瓷层柱状晶结构均勻，柱状晶之间晶界结合弱，相当于存在大量垂直裂纹，极大地缓和热失配应变，降低了热应力强度，因而具有长寿命的优点。本专利主要涉及APS涂层，其微结构主要为平行于基体的片状结构，在热障涂层面内结合强度较高，缓和热应力的能力较弱，在温度剧烈变化时，常常由于热应力而失效。因而降低APS热障涂层中的热应力是提高APS寿命的关键因素之一。造成热障涂层失效的主要原因如下(1)高温服役过程中，氧原子扩散到粘结层，导致粘结层氧化生长，在陶瓷层和粘接层之间形成热生长氧化物。TGO的高温快速生长造成陶瓷层与粘结层界面损伤失效。因此，增加氧原子的扩散阻力，降低氧原子进入粘结层的速度是提高热障涂层寿命的关键技术之一。(2)陶瓷层与粘结层结合情况决定了二者界面结合强度，因此，提高粘结层与陶瓷层的结合强度是提高热障涂层寿命的另一个关键技术。(3)温度剧烈变化时，陶瓷层中的热应力是造成其脱落的主要原因之一。因此， 增加陶瓷层缓和热失配的能力，降低陶瓷层中的热应力是提高热障涂层寿命的又一关键技术。基于以上三点考虑，我们提出了一种新型热障涂层系统，以改进传统热障涂层结构，达到高效热障和长寿命的协同。
发明内容本发明的目的在克服现有技术不足，提供一种具有高效热障与长寿命的热障涂层系统。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种热障涂层系统，包括基体、粘结层和制备在粘结层上的多层陶瓷涂层；所述多层陶瓷涂层包括依次制备在粘结层上的强化层、过渡层和增韧隔热层，所述增韧隔热层上设有垂直裂纹。所述增韧隔热层、过渡层和强化层的材料均为氧化钇部分稳定氧化锆。强化层的结合率> 96% ；增韧隔热层的结合率为20% 40% ；过渡层的结合率具有渐变特征，从强化层的结合率递减至增韧隔热层的结合率。强化层的厚度为30_110μπι，过渡层的厚度为10_30μπι，增韧隔热层的厚度为 100-400 μm0增韧隔热层上的垂直裂纹的间距小于20倍的增韧隔热层厚度。增韧隔热层上的垂直裂纹的间距为30-800 μ m。强化层为高温熔融粉末粒子沉积形成的柱状晶结构。过渡层和增韧隔热层为不同熔融状态的粉末粒子沉积而成。与现有技术相比，本发明的有益效果在于本发明热障涂层系统中，陶瓷涂层制备含有足够垂直裂纹的增韧隔热层，垂直裂纹的存在使得陶瓷涂层具有高应变韧性特点，增加了陶瓷层缓和热失配的能力，降低了陶瓷层中的热应力，使之具有高效热障与长寿命特征；在容易发生脱粘的界面附近制备有强化层，可增加氧原子扩散阻力并将层离失效位置由界面转移至远离TGO的陶瓷层内部；同时，在增韧隔热层和强化层之间制备有过渡层，可有效降低热失配应力。本发明的新型组合式多层热障涂层系统能够有效提高TGO和陶瓷涂层间的界面结合强度，又能显著增加陶瓷涂层应变韧性，具有抗断裂、抗氧化和高应变韧性等多重功能，因而具有高效热障与长寿命之特点。本发明热障涂层系统具有热障效果好、寿命长、成本低、工艺灵活和可控性好等优点。
图1为本发明一种热障涂层的示意图。具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述请参阅图1所示，本专利发明一种热障涂层系统，包括依次制备在基体1上的粘结层2和陶瓷涂层。陶瓷涂层主要包括增韧隔热层6、强化层4，以及两层之间的过渡层5 ；强化层4、过渡层5和增韧隔热层6依次制备在粘结层2上。陶瓷涂层的材料为YW。通过将YW 粉末粒子以完全熔融的方式沉积在粘结层上获得致密、断裂韧性高的柱状晶结构的强化层 4，结合率> 96% ；强化层4的沉积厚度为30-110 μ m，为垂直于表面的类柱状晶结构，晶粒尺寸在纳米级，涂层致密，达到增加氧原子扩散阻力及增强界面结合强度之目的；通过将完全熔融和半熔融的私1粉末粒子沉积到强化层上获得材料性能渐变的过渡层5，过渡层5厚度为10-30 μ m,可在制备过程中通过逐渐降低喷涂的粒子温度，或者增加喷涂距离，或者改变喷涂速度来实现由致密到疏松的结构，实现材料性能渐变，降低热失配应力；通过将YSZ 粉末粒子沉积到过渡层5上获得增韧隔热层6，增韧隔热层6厚度为100-400 μ m，含有大量的垂直裂纹，可以采用APS工艺直接喷涂制备，表面垂直裂纹可以通过陶瓷层表面剧烈冷却方式或者激光表面刻蚀或者调整喷枪速度、进粉率、喷涂距离等工艺制备。增韧隔热层6 表面制备有间距小于增韧隔热层厚度20倍的垂直裂纹，优选制备间隔小于30-800 μ m的垂直裂纹，使在给定热震强度下不造成界面脱粘，垂直裂纹数量、间距、几何尺寸及形貌可通过工艺参数以及后处理进行控制；增韧隔热层6的结合率相同，其结合率为20% 40% ； 过渡层5接触强化层4处的结合率与强化层4的结合率相同，接触增韧隔热层6的结合率与增韧隔热层6的结合率相同，过渡层5中从强化层4到增热隔热层6的结合率依次降低。 增韧隔热层6、强化层4及过渡层5构成了一新型组合式多层陶瓷涂层结构，使之具有高效热障与长寿命之特点。本发明热障涂层系统实际使用时，在粘结层2与强化层4之间生成热生长氧化层3。由于本发明的新型组合式多层热障涂层系统的增韧隔热层包含足够垂直裂纹，通过垂直裂纹可以显著增加陶瓷层的应变韧性，起到降低热应力和提高热障之作用，可有效提高陶瓷涂层的耐久性及寿命；然后通过强化层增加氧原子的扩散阻力，降低氧原子进入粘结层的速度，尽可能减少TGO的高温快速生长所造成的陶瓷层与粘结层间的界面失效； 同时，制备有过渡层可有效缓解增韧隔热层与强化层间的热失配应力。从而，所发明的新型组合式多层热障涂层系统在实现强隔热的同时，可有效提高陶瓷涂层的抗氧化、抗断裂及应变韧性能力。强化层主要指微观结构致密，孔隙率低的陶瓷层，可通过控制工艺参数和沉积条件进行控制，如可通过在制备过程中通过较高的喷涂温度与基体温度获得。尽管上面结合附图对本发明的优选实例进行了详细描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围内，还可以做出很多形式的陶瓷层内部结构，也可改变表面垂直裂纹的密度或几何尺寸。强化层厚度、材料组分、制备方法等也可任意改变。这些均在本发明的保护之内。目前已经有大量的研究表明，在厚度较薄时，陶瓷层越致密，粘接强度越好；陶瓷层表面裂纹越多抗热震性能越好，但是却没有将这两种因素结合起来的先例。本专利中，将这两种因素结合在一起制备成的新型热障涂层，基于实验与理论论证，寿命将大幅提高。
权利要求
1.一种热障涂层系统，其特征在于，包括基体、粘结层和制备在粘结层上的多层陶瓷涂层；所述多层陶瓷涂层包括依次制备在粘结层上的强化层、过渡层和增韧隔热层，所述增韧隔热层上设有垂直裂纹。
2.根据权利要求1所述的一种热障涂层系统，其特征在于，所述增韧隔热层、过渡层和强化层的材料均为氧化钇部分稳定氧化锆。
3.根据权利要求1所述的一种热障涂层系统，其特征在于，强化层的结合率>96%;增韧隔热层的结合率为20% 40% ；过渡层结合率具有渐变特征，即从强化层的结合率递减至增韧隔热层的结合率。
4.根据权利要求1所述的一种热障涂层系统，其特征在于，强化层的厚度为 30-110 μ m，过渡层的厚度为10-30 μ m，增韧隔热层的厚度为100-400 μ m。
5.根据权利要求1所述的一种热障涂层系统，其特征在于，增韧隔热层内垂直裂纹间距小于20倍的增韧隔热层厚度。
6.根据权利要求1所述的一种热障涂层系统，其特征在于，增韧隔热层内垂直裂纹间距为 30-800 μ m。
7.根据权利要求1所述的一种热障涂层系统，其特征在于，强化层为高温熔融粉末粒子沉积形成的类柱状晶结构。
全文摘要
本发明公开了一种热障涂层系统，包括基体、粘接层和制备在粘接层上的多层陶瓷涂层；所述多层陶瓷涂层包括依次制备在粘结层上的强化层、过渡层和增韧隔热层，所述增韧隔热层上设有垂直裂纹。本发明热障涂层系统中，陶瓷涂层制备含有足够垂直裂纹的增韧隔热层，垂直裂纹的存在使得陶瓷涂层具有高应变韧性特点，增加了陶瓷层缓和热失配的能力，降低了陶瓷层中的热应力，使之具有高效热障与长寿命特征；在容易发生脱粘的界面附近制备有强化层，可增加氧原子扩散阻力并将层离失效位置由界面转移至远离热生长氧化层(TGO)的陶瓷层内部；同时，在增韧隔热层和强化层之间制备有过渡层，可有效降低热失配应力，具有长寿命之特点。
文档编号B32B18/00GK102423935SQ201110308
公开日2012年4月25日 申请日期2011年10月12日 优先权日2011年10月12日
发明者张伟旭, 王铁军, 范学领 申请人:西安交通大学