专利名称：具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层及制备方法
具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层及制备方法技术领域
本发明属于涂层制备技术领域，特别是涉及一种具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层及制备方法，通过改善粘结层后期供Al状况，提高热障涂层的抗热冲击性，延长其使用寿命。
背景技术：
随着航空航天技术的进步，航空燃气涡轮机正在向着高流量比、高推重比和高涡轮进口温度方向发展，但随着燃气温度和燃气压力的不断提高，热端部件服役温度高达 1500°C，远远超过高温合金的服役极限，由此促进了降低发动机热端部件温度技术的发展与应用。除改进冷却技术外，在高温合金热端部件表面制备热障涂层是重要手段之一。
陶瓷热障涂层系统一般采用双层结构，其中表层是陶瓷层，多采用被钇稳定的锆， 该层在高温下稳定性较好，主要起隔热作用；陶瓷层与基体之间为粘结层，目前该层通常采用MCrAH材料，其中M包括镍、钴、铁或其中组合中的至少一种，Cr是铬，Al是铝，而Y是钇，其功能是改善基体与陶瓷层之间的热匹配，并且在高温服役过程中于粘结层与陶瓷层之间形成热生长氧化物层(TGO :Thermally Grown Oxides)。TGO可以防止粘结层氧化腐蚀，直接影响热障涂层的寿命。多年研究发现，热障涂层的失效多集中于TGO处，随着其不断生长，附近将会形成贫铝区，从而导致该区域Ni，Co等元素选择性氧化，形成的氧化物与 TGO中Al2O3发生反应生成尖晶石结构物质(Spinel),会影响氧化膜的连续性，消耗合金元素，加速涂层的退化，最终导致涂层失效。
为了解决上述问题，我们提出一种新型热障涂层系统通过改善铝元素扩散机制， 增加氧化后期粘结层的供Al，进而干预TGO的生长，可以有效提高热障涂层的使用寿命。发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，通过预先沉积富铝扩散层3，改善氧化后期主粘结层的供Al，减少TGO层5附近尖晶石结构物质的形成，提高热障涂层的抗热冲击性， 延长其使用寿命。
本发明的技术方案如下
—种具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层，其在基体4与主粘结层2之间设置一层富Al扩散层3。
本发明的陶瓷热障涂层，基体上的瓷热障涂层为三层，依次为富铝扩散层3、主粘结层2和陶瓷涂层I ;对应的厚度依次为20 60 μ m、100 150 μ m和250 500 μ m。
本发明的具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层的制备方法，步骤如下
I)对基体4表面进行清洗和喷砂处理；
2)采用超音速火焰喷涂方法在基体表面沉积富铝扩散层3 ；
3)采用超音速火焰或者等离子喷涂方法在富铝扩散层3表面上沉积主粘结层2 ；
4)采用等离子喷涂方法在主粘结层上沉积陶瓷层1，获得具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层。
所述步骤2)中用于沉积富铝扩散层3的颗粒选择Ni20Al材料，其中Ni是镍，Al 是铝，平均粒径分布为45 125 μ m,采用的超音速喷涂方法，喷涂功率20 50kW，喷涂电流400 800A，送粉气体为N2,气体压力O. 6MPa，喷涂距离80 180mm，涂层厚度为20 60 μ m0
所述的步骤3)中用于沉积主粘结层2的粉末可选择MCrAlY材料，其中M包括镍、 钴、铁至少一种或其中的组合，Cr是铬，Al是铝，而Y是钇，其平均粒径分布范围为10 100 μ m，，所采用的沉积方法为超音速火焰喷涂或等离子喷涂方法。
本发明的热障涂层系统是在基体4上预先喷涂富铝扩散层3，与主粘结层2及陶瓷层I构成具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层系统，可以在氧化后期为TGO的生长提供充分的Al，减少尖晶石的生成。本发明属于涂层制备技术领域，特别是涉及制备一种具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层及制备方法，改善粘结层后期供Al状况，提高热障涂层的抗热冲击性和延长其使用寿命。
图I为本发明一种具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层的示意图2a为经典陶瓷热障涂层系统在服役初期的Al的扩散情况；
图2b为本发明的陶瓷热障涂层系统在服役初期的Al的扩散情况；
图3a为经典陶瓷热障涂层系统在服役后期的Al的扩散情况；
图3b为本发明的陶瓷热障涂层系统在服役后期的Al的扩散情况。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述
实施例I :
参见图1，采用镍基高温合金作为基体4，将待喷涂的基体4表面以刚玉砂砾进行喷砂粗化处理，去除表面的氧化层及杂物，活化及粗化表面。选用Ni20Al作为富铝扩散层3 的材料，利用超音速火焰喷涂方法制备富铝扩散层3，喷涂功率20 50kW，喷涂电流400 800A，送粉气体为N2,气体压力O. 6MPa，喷涂距离100mm，涂层厚度为20 μ m。选用CoNiCrAH 作为主粘结层2的材料，其成分及质量百分数为Ni为32%、Cr为21%、Al为8%、Y为O. 5%， 余量为Co，利用超音速火焰喷涂方法在富铝扩散层3表面上制备主粘结层2，涂层厚度为 130 μ m。最后选择8YSZ作为陶瓷层I的材料，质量百分数为Y2O3为8%，余量为ZrO2，采用等离子喷涂方法在主粘结层2表面上制备陶瓷层I，厚度为300 μ m。
实施例2
本实施例采用与实施例I相同的方法，制备富铝扩散层3的喷涂距离为180mm，富铝扩散层3的厚度为60 μ m,主粘结层2的厚度为100 μ m,陶瓷层I的厚度为300 μ m,其余步骤同实例I。
实施例3
本实施例制备富铝扩散层3的喷涂距离为80mm，富铝扩散层3的厚度为40 μ m。选用NiCrAH作为主粘结层2的材料，其成分及质量百分数为Cr为22%、A1为10%、Y为1%，余量为Ni，利用等离子喷涂方法在富铝扩散层3表面上制备主粘结层2，涂层厚度为120 μ m。 陶瓷层I的厚度为400 μ m，其余步骤同实例I。
对比新的热障涂层系统与经典热障涂层系统，如附图2、3所示。图2a，b表示的是氧化初期两种陶瓷热障涂层体系Al扩散的情况，在陶瓷热障涂层服役初期，经典陶瓷热障涂层系统中，如图2a所示，由于Al相比较Ni，Cr，Co的氧化势能最低，在主粘结层2与陶瓷层I界面形成TGO层5，这样Al便与粘结层内部形成一定的浓度梯度，主粘结层2内部Al 将向表层扩散，同时，由于主粘结层2与基体4也存在Al的浓度梯度，故主粘结层2中Al 同时向两个方向扩散；而具有富铝扩散层的陶瓷热障涂层中，如图2b所示，同样的原因，主粘结层2中Al向上扩散供给TGO层10生长，但由于富铝扩散层3的存在，减少了主粘结层 2与基体4之间Al的浓度梯度，有利于推迟主粘结层2中贫铝区7出现的时间。图3a，b 表示的是氧化后期两种陶瓷热障涂层体系Al扩散的情况，在热障涂层服役后期，经典陶瓷热障涂层系统中，如图3a所示，主粘结层2中Al已经不能及时充分供给TGO层5的生长， 导致TGO层5下方出现贫铝区7，Ni、Cr、Co便获得优先氧化势，形成氧化物，进而与已经生成的Al2O3反应生成尖晶石结构物质Ni (Cr, AD2O4层6,影响氧化膜的连续性，消耗合金元素，加速涂层的退化，最终导致涂层失效；而具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层中，如图3b所示，由于富铝扩散层3的存在，主粘结层2中Al的含量较充足，此时仍可以充分供给TGO层5的生长，保证TGO层5主要成分为Al2O3,不生成或者少生成尖晶石结构物质，将贫铝区出现的时间推迟，从而延长涂层使用寿命。
由于本发明的具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层系统在氧化后期，富铝扩散层3可以提供更多的Al供给TGO的生长，推迟贫铝区7形成的时间，尽可能减少TGO尖晶石的快速生长所造成的陶瓷层I与主粘结层间2的界面失效。
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，可以改变富铝扩散层与主粘结层的厚度，材料组分也可以任意改变。这些均在本发明的保护之内。
权利要求
1.具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层，其特征是在基体与主粘结层之间设置一层富铝扩散层。
2.如权利要求I所述的陶瓷热障涂层，其特征是基体上的瓷热障涂层为三层，依次为富铝扩散层、主粘结层和陶瓷层；对应的厚度依次为20 60 μ m、100 150 μ m和250 500 μ m0
3.权利要求2的具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层的制备方法，其特征是步骤如下 1)对基体表面进行清洗和喷砂处理； 2)采用超音速火焰喷涂方法在基体表面沉积富铝扩散层； 3)采用超音速火焰或者等离子喷涂方法在富铝扩散层表面上沉积主粘结层； 4)采用等离子喷涂方法在主粘结层上沉积常规的陶瓷层，获得具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层。
4.如权利要求3所述的方法，其特征是所述步骤2)中用于沉积富铝扩散层的粉末选择Ni20Al材料，其平均粒径分布为45 125 μ m,采用的超音速喷涂方法，喷涂功率20 50kff,喷涂电流400 800A，送粉气体为N2,气体压力O. 6MPa，喷涂距离80 180mm，涂层厚度为20 60μπι。
5.如权利要求3所述的方法，其特征是所述的步骤3)中用于沉积主粘结层的粉末可选择MCrAH材料，其中M包括镍、钴、铁的至少一种或其中的组合，平均粒径分布范围为10 .100 μ m，所采用的沉积方法为超音速火焰喷涂或等离子喷涂方法。
全文摘要
本发明是具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层及其制备方法。在基体与主粘结层之间设置一层富铝扩散层。基体上的陶瓷热障涂层为三层，依次为富铝扩散层、主粘结层和陶瓷层；对应的厚度依次为20～60μm、100～150μm和250～500μm。采用超音速火焰喷涂方法在基体表面沉积富铝扩散层；采用超音速火焰或者等离子喷涂方法在富铝扩散层表面上沉积主粘结层；采用等离子喷涂方法在主粘结层上沉积常规的陶瓷层，获得具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层。本发明在热障涂层生长后期的贫铝期为热生长氧化物的生长提供充分的铝元素，减少尖晶石结构物质的生成，从而能够改善热障涂层的抗热冲击性和延长其使用寿命。
文档编号C23C4/04GK102925841SQ20121044416
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月7日 优先权日2012年11月7日
发明者郝杰, 韩玉君, 陆冠雄, 叶福兴 申请人:天津大学