抗砂尘高温粘附的自层剥涂层及其制备方法与流程

本发明属于涂层技术领域，特别涉及一种抗砂尘高温粘附的自层剥涂层及其制备方法。

背景技术：

环境条件对于各种装备的质量及使用可靠性有重要的影响，尤其砂尘环境是引起许多装备，包括武器装备、民用装备失效的一个重要环境因素。砂尘环境在自然界十分常见，广泛存在于沙漠、沿海等地区。各种军事装备、军用直升机和运输机，在现代战争中担负着十分重要的作战使命。广泛分布的砂尘环境，对军用设备、直升机和运输机的部件、系统和机载设备具有严重影响。随着我国军队现代化的不断进步，先进战机、直升机、运输机巡航、作战半径不断扩大，遭遇的极端环境也越来越多。砂尘问题已对战机、直升机等作战性能、可靠性和耐久性产生重大影响。

当战机、直升机从沙漠地区起飞或降落，或者从火山云层飞过，环境中的沙粒或者火山灰等外来粒子有可能积聚在发动机高温热表面，造成发动机引擎核心气流受到干扰，氧气供应不足，燃料燃烧不完全，导致引擎回火，进而造成引擎熄火以及飞机空中停车，带来灾难性后果，严重者导致部件烧毁。因此，亟需要增强航空发动机涡轮部件的抗砂尘粘着性能来满足先进战机/直升机在特殊环境下服役的要求。

目前，研究者开展了大量关于cmas(cao-mgo-al2o3-sio2)腐蚀导致发动高温部件失效的研究，也有部分研究者通过在叶片表面设计仿生结构的方式，实现降低涡轮叶片表面cmas粘着的效果。就成分而言，cmas只是砂尘具有不同成分构成的几种存在形式，而对于自然环境中广泛存在的砂尘，如何实现具有普适性砂尘的高温抗粘着，仍然是亟待解决的难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种抗砂尘高温粘附的自层剥涂层及其制备方法，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

抗砂尘高温粘附的自层剥涂层，包括实体层级堆积结构；

自层剥涂层总厚度为5μm～500μm；

每层堆积结构厚度是自层剥涂层总厚度的0.002～0.998倍，每层堆积结构之间由粘接层粘结。

进一步的，每层堆积结构的材质为氧化锆、氧化钇稳定的氧化锆、锆酸镧中的一种或两种。

进一步的，自层剥涂层具有纵向孔隙；所述纵向孔隙是指由涂层表面至涂层底部具有贯穿性和/或非贯穿性纵向孔隙结构，自层剥涂层被纵向孔隙分隔为孤立的树状结构。

进一步的，涂层实体层级堆积结构是由具有柱状和/或树状结构的各层级结构由基体表面至涂层表面逐层堆积，每层间由粘接层粘接。

进一步的，涂层具体堆积方式为：每层实体结构间纵向孔隙相互贯通的堆积方式、每层实体结构间纵向孔隙不相互贯通的堆积方式，或两种方式混合的堆积方式。

进一步的，实体层级堆积结构中每层堆积结构的柱状和/或树状结构数量相同或者不同；不同时，每层数量相差不超过±50％。

进一步的，实体层级堆积结构中每层堆积结构的柱状和/或树状结构的沉积单元可以为气相材料粒子和/或纳米级材料粒子，当沉积单元为气相材料粒子和纳米级材料粒子时，气相材料粒子体积百分比为g，纳米级材料粒子的体积百分比为h，50％≤g≤100％；0≤h≤50％。

进一步的，粘接层为团簇、熔融液滴、半熔材料颗粒中的一种或多种。

所述的抗砂尘高温粘附的自层剥涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)将高温合金基体(5)表面清洁干净之后放置在真空腔室内；利用不含涂层材料的等离子束流对高温合金基体进行预热；

(2)利用等离子气体加热锆酸镧涂层材料粉末，形成由气相材料粒子流与高能等离子气体组成的混合高速流，混合高速流施加到基体(5)表面进行扫描沉积，制备形成柱状与树状结构混合排列的涂层；

(3)然后调整基体位置，由团簇流与高能等离子气体组成的混合高速流进行涂层的制备，形成粘接层；

(4)重复(2)与(3)过程，最终制备得到抗砂尘高温粘附的自层剥涂层。

进一步的，步骤(1)中控制腔室压力为100～500pa；利用不含涂层材料的等离子束流对高温合金基体进行预热至600～950℃；

步骤(2)中以氩气、氢气的混合气体，或者氩气、氢气和氦气的混合气体作为等离子气体加热涂层材料粉末，送粉率设置为0.02～50g/min；其中基体位置距粉末送入等离子束流处800mm-1200mm，制备形成柱状与树状结构混合排列的涂层；涂层材料粉末为氧化锆、氧化钇稳定的氧化锆、锆酸镧中的一种或两种；

步骤(3)中，基体位置调整至距粉末送入等离子束流处500mm-600mm或1200mm-1500mm，形成由团簇流与高能等离子气体组成的混合高速流，进行涂层的制备，形成粘接层；

步骤(4)中，重复(2)与(3)过程，最终制备得到5μm～500μm的抗砂尘高温粘附的自层剥涂层。

本发明中，每层堆积结构之间由粘接层粘结；砂尘高温粘附于涂层表面后，由于层级之间粘接单元弱的结合作用，在粘结处涂层发生自层剥，同粘附的砂尘一起剥落，露出新鲜涂层，减小砂尘粘附对涂层整体与被保护部件的影响，实现抗砂尘高温粘附功能。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

抗砂尘高温粘附的自层剥涂层可以直接制备于热部件基体之上，也可以制备于具有热障涂层、环境障涂层或其他涂层的部件上，不需要改变部件的几何特性，对部件无损坏。涂层具有的实体层级堆积、层间弱结合结构，可以实现在砂尘高温粘附于涂层表面后，涂层逐层剥落，实现砂尘粘附的自清理功能；另外，涂层具有的纵向孔隙结构可以实现涂层与部件之间的热膨胀匹配性，有效提高涂层寿命。本发明解决了当砂尘被吸入发动机后，在涡轮等热部件外表面沉积粘着的问题，避免了砂尘对部件的腐蚀等损伤行为，保证了涡轮部件冷却特性的稳定。

附图说明

图1为本发明一种抗砂尘高温粘附的自层剥涂层的结构示意图。

其中，1——抗砂尘高温粘附的自层剥涂层；2——实体层级堆积结构；3——纵向孔隙；4——粘接层；5——基体或(基体+粘结层)或(基体+粘结层+陶瓷层)。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种抗砂尘高温粘附的自层剥涂层1，涂层具有贯通及未贯通的纵向孔隙3和由具有柱状和/或树状结构的各层级结构由5表面至涂层表面逐层堆积的实体层级堆积结构2，实体层级堆积结构2的每层间由粘接层4层粘接。这种具有层间弱结合作用的结构，在砂尘高温粘附于涂层表面后，发生涂层逐层剥落，实现砂尘粘附的自清理功能，并露出新鲜涂层表面，减小砂尘粘附对涂层整体与被保护部件的影响，实现抗砂尘高温粘附功能。

实施例1

一种抗砂尘高温粘附的自层剥涂层的制备方法，包括：

(1)将高温合金基体5进行表面去油、喷砂处理，之后放置在真空腔室内，利用多级真空泵系统控制腔室压力为200pa；利用不含涂层材料的等离子束流对高温合金基体进行预热至600℃；

(2)以氦气/氩气/氢气的体积比例为6:3.5:1作为等离子气体加热锆酸镧涂层材料粉末，送粉率设置为5g/min，形成由气相材料粒子流与高能等离子气体组成的混合高速流，混合高速流施加到基体5表面进行扫描沉积，其中基体5位置距粉末送入等离子束流处1000mm，制备形成厚度为1μm的柱状与树状结构混合排列的涂层；

(3)调整氦气/氩气/氢气的体积比例为5:3:1，基体位置调整至距粉末送入等离子束流处1200mm，形成由团簇流与高能等离子气体组成的混合高速流，进行涂层的制备，形成厚度为0.5μm的粘接层；

(4)重复(2)与(3)过程，最终制备得到的总厚度为500μm抗砂尘高温粘附的自层剥涂层；各层涂层间的柱状和/或树状结构之间形成空隙，各层涂层的空隙连通或者不连通，形成贯通及未贯通的纵向孔隙。

实施例2

一种抗砂尘高温粘附的自层剥涂层的制备方法，包括：

(1)将表面具有热障涂层的高温合金部件放置在真空腔室内，利用多级真空泵系统控制腔室压力为100pa；利用不含涂层材料的等离子束流对部件进行预热至800℃；

(2)以氩气/氢气的体积比例为5:1作为等离子气体加热氧化锆涂层材料粉末，送粉率设置为2g/min，形成由气相材料粒子流、纳米级材料粒子流与高能等离子气体组成的混合高速流，其中g＝50％，h＝50％，混合高速流施加到部件表面进行扫描沉积，其中部件位置距粉末送入等离子束流处320mm，制备形成厚度为50μm的树状结构的涂层；

(3)调整氩气/氢气的体积比例为8:1，部件位置调整至距粉末送入等离子束流处450mm，形成由团簇、熔融液滴与高能等离子气体组成的混合高速流，进行涂层的制备，制备厚度10μm的粘接层；

(4)重复(2)与(3)过程，最终制备得到的涂层总厚度为230μm。

实施例3

一种抗砂尘高温粘附的自层剥涂层的制备方法，包括：

(1)将带有热障涂层的高温合金叶片放置在真空腔室内，利用多级真空泵系统控制腔室压力为150pa；利用不含涂层材料的等离子束流对高温合金基体进行预热至950℃；

(2)以氦气/氩气/氢气的体积比例为6:3.5:1作为等离子气体加热百分之七氧化钇稳定的氧化锆涂层材料粉末，送粉率设置为5g/min，形成由气相材料粒子流与高能等离子气体组成的混合高速流，混合高速流施加到叶片表面进行扫描沉积，其中叶片位置距粉末送入等离子束流处1000mm，制备形成厚度为25μm的柱状结构涂层；

(3)调整氦气/氩气/氢气的体积比例为5:3:1，基体位置调整至距粉末送入等离子束流处1200mm，形成由团簇流与高能等离子气体组成的混合高速流，进行涂层的制备，制备由单层粘接单元组成的粘接层；

(4)重复(2)与(3)过程，最终制备得到的总厚度为128μm抗砂尘高温粘附的自层剥涂层。

实施例4

一种抗砂尘高温粘附的自层剥涂层的制备方法，包括：

(1)将高温合金基体进行表面去油、喷砂处理，之后放置在真空腔室内，利用多级真空泵系统控制腔室压力为500pa；利用不含涂层材料的等离子束流对高温合金基体进行预热至700℃；

(2)以氩气/氢气的体积比例为5:1作为等离子气体加热氧化锆与百分之七氧化钇稳定的氧化锆混合涂层材料粉末，送粉率设置为15g/min，形成由纳米级材料粒子流与高能等离子气体组成的混合高速流，混合高速流施加到基体表面进行扫描沉积，其中基体位置距粉末送入等离子束流处320mm，制备形成厚度为45μm的树状结构混合排列的涂层；

(3)调整氩气/氢气的体积比例为8:1，基体位置调整至距粉末送入等离子束流处260mm，形成由熔融液滴、半熔材料颗粒与高能等离子气体组成的混合高速流，进行涂层的制备，形成厚度为0.5μm的粘接层；

(4)重复(2)与(3)过程，最终制备得到的总厚度为500μm抗砂尘高温粘附的自层剥涂层。

实施例5

一种抗砂尘高温粘附的自层剥涂层的制备方法，包括：

(1)将高温合金基体进行表面去油、喷砂处理，之后放置在真空腔室内，利用多级真空泵系统控制腔室压力为200pa；利用不含涂层材料的等离子束流对高温合金基体进行预热至600℃；

(2)以氦气/氩气/氢气的体积比例为6:3.5:1作为等离子气体加热氧化锆涂层材料粉末，送粉率设置为2g/min，形成由气相材料粒子流与高能等离子气体组成的混合高速流，混合高速流施加到基体表面进行扫描沉积，其中基体位置距粉末送入等离子束流处950mm，制备形成初始层厚度为1μm的柱状与树状结构混合排列的涂层；

(3)调整氦气/氩气/氢气的体积比例为5:3:1，基体位置调整至距粉末送入等离子束流处1150mm，形成由团簇流与高能等离子气体组成的混合高速流，进行涂层的制备，形成厚度为由单层粘接单元组成的粘接层；

(4)重复(2)与(3)过程，其中，制备第二、三层堆积结构厚度为1μm，制备第四层堆积结构厚度为0.7μm，第五层堆积结构厚度为0.6μm，第六层堆积结构厚度为0.5μm，最终制备得到的总厚度为5μm抗砂尘高温粘附的自层剥涂层。