一种抗烧结长寿命双层柱状结构热障涂层及其制备方法与流程

本发明属于涂层技术领域，特别涉及一种抗烧结长寿命双层柱状结构热障涂层及其制备方法。

背景技术：

热障涂层(tbcs)是航空发动机和燃气轮机发展的核心技术之一。目前，航空发动机和燃气轮机的热端构件材料多采用高温合金，其承温极限不超过1100℃，这已远远无法满足发动机内部热端构件的服役温度。因此，必须在高温合金热端构件表面涂覆具有隔热作用的tbcs，以使高温合金在远超其承温极限的环境中稳定服役。因此，tbcs的结构设计必须兼顾考虑其隔热功能和服役寿命。

tbcs在长时间高温热暴露中，烧结会引发涂层隔热功能的衰退，并直接威胁涂层的服役寿命。根本原因是，烧结导致tbcs内部大量起隔热作用的微孔隙愈合消失。例如，在1300℃热暴露50小时，以ysz制备的tbcs的热导率将从初始态的～1.0w/m·k升至～2.2w/m·k，隔热能力直接下降50％以上。因此，tbcs抗烧结的关键是是保持其内部孔隙的稳定存在或自发再生。

另一方面，tbcs在服役中开裂剥落的主要原因是涂层的应变能量释放率(gi)超过了其自身的临界应变能量释放率(gic)。因此，延长涂层服役寿命的关键就是降低涂层的gi，或提高涂层的gic，或者两者兼顾实现。涂层的gi与其自身的弹性模量正相关，而涂层的gic即为其断裂韧性。因此，降低涂层的整体弹性模量、同时提升涂层整体的断裂韧性，无疑会增强涂层抗开裂的能力，从而使高隔热的热障涂层可以较长时间稳定服役。

综上，新一代高性能tbcs的结构设计一方面需在热暴露中保证隔热孔隙的稳定存在，另一方面需同时提升涂层的抗剥落能力，以实现tbcs抗烧结长寿命的协同设计。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种抗烧结长寿命双层柱状结构热障涂层及其制备方法，隔热层内的复合片层结构设计可在高温服役中自发通过界面的张开形成隔热孔隙，从而达到抗烧结的目的；增韧层则可提高热障涂层的抗开裂剥落能力，柱状结构可降低涂层在服役中的开裂驱动力，增韧层和柱状结构可延长热障涂层的服役寿命，以实现新一代热障涂层抗烧结长寿命的协同设计。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种抗烧结长寿命双层柱状结构热障涂层，包括自下至上依次设置的增韧层和隔热层，增韧层包括由第一热障涂层材料形成的若干层第一片层单元；隔热层包括交替设置的第一涂层和第三片层单元，隔热层的底层为第一涂层，非底层的第一涂层覆盖其下方的第一涂层和第三片层单元；第一涂层包括若干层第二片层单元，第二片层单元和第三片层单元分别由第二热障涂层材料粉末和第三热障涂层材料粉末形成，且第一片层单元和第二片层单元的片层致密度均大于90％；第三片层单元的片层致密度小于60％；隔热层和增韧层被纵向缝隙分割为柱状；增韧层占增韧层和隔热层总厚度的10％～50％。

进一步的，隔热层内沿热流方向相邻的第三片层单元之间有m层第二片层单元，m为10-100内的自然数；所有第三片层单元的体积为所有第二片层单元和所有第三片层单元总体积的10％～50％。

进一步的，增韧层内第一片层单元的层间结合率不低于50％；隔热层内第二片层单元的层间结合率不高于30％。

进一步的，增韧层中，相邻两层第一片层单元之间具有第一层间微孔隙，同层第一片层单元中，相邻第一片层单元之间具有第一层内微裂纹；隔热层中，相邻两层第二片层单元之间具有第二层间微孔隙，同层第二片层单元中，相邻第二片层单元之间具有第二层内微裂纹。

进一步的，第一片层单元和第二片层单元在垂直于热流方向的尺寸为5μm～40μm，沿热流方向的尺寸为0.5μm～5μm；第三片层单元沿垂直于热流方向的尺寸为10μm～300μm，沿平行于热流方向尺寸为0.5μm～15μm。

一种抗烧结长寿命双层柱状结构热障涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在基体上沉积100μm～150μm厚的金属粘结层；

步骤2、在金属粘结层上采用热喷涂的方法沉积第一热障涂层材料，形成增韧层；

步骤3、采用混合喷涂的方法，在增韧层上交替沉积第二热障涂层材料和第三热障涂层材料，形成隔热层；

步骤4、采用水流冲击的方法，在隔热层和增韧层内制备纵向缝隙，在隔热层和增韧层上形成柱状结构。

进一步的，步骤2中，在沉积第一热障涂层材料之前，先将基体和金属粘结层预热至300℃～500℃。

进一步的，步骤3中，在沉积的过程中，基体的温度不超过200℃。

进一步的，步骤3中，采用等离子喷涂沉积第二热障涂层材料，采用悬浮液液料喷涂技术喷涂第三热障涂层材料粉末3的悬浮液，第三热障涂层材料粉末的悬浮液浓度为2mol/l～5mol/l。

进一步的，步骤4包括以下步骤：

步骤4.1、在20min内将隔热层和增韧层及基体同时加热升温至900～1400℃，且在900～1400℃停留时间不超过2min；

步骤4.2、采用水流冲击隔热层和增韧层，在10s内使热障涂层的温度降至200℃。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明基于成熟低成本的等离子喷涂工艺，设计具有抗烧结长寿命的双层柱状结构热障涂层。在隔热层内沉积复合片层堆叠结构，基于不同致密度片层的烧结收缩差异性，在高温服役中自发形成高隔热的孔隙，实现抗烧结热障涂层的设计和制备；引入增韧层，在保证涂层高隔热的同时，以增强热障涂层整体的抗剥落能力；在隔热层和增韧层内植入纵向缝隙形成柱状结构，以降低涂层服役中的开裂驱动力，实现热障涂层的长寿命服役。

增韧层厚度为增韧层3和隔热层4总厚度的10％～50％，增韧层厚度下限10％以保证涂层整体具有一定的抗开裂能力，增韧层厚度上限为50％，以保证不削弱涂层整体的隔热性能；双层柱状结构可兼顾实现涂层的抗烧结和长寿命，对新一代高性能热障涂层的发展具有重要影响。

通过不同致密度的片层单元的复合沉积，克服了单一片层堆叠结构在高温服役中烧结引发的性能显著衰退，达到了整体抗烧结的目的；提出的抗烧结长寿命双层柱状结构热障涂层的新型结构以低成本成熟的等离子喷涂工艺为基础，具有可行性强、可快速实现工程化应用的特征。

附图说明

图1为采用等离子喷涂技术沉积制备的抗烧结长寿命双层柱状结构热障涂层的表面形貌示意图；

图2为图1的a-a’剖面图；

图3为热处理后的抗烧结长寿命双层柱状结构热障涂层的断面形貌示意图；

附图中：1、基体，2、金属粘结层，3、增韧层，4、隔热层，5、纵向缝隙，51-第一纵向缝隙，52-第二纵向缝隙，53-第三纵向缝隙，54-第四纵向缝隙，55-第五纵向缝隙，56-第六纵向缝隙，6、第一片层单元，7、第二片层单元，8、第三片层单元，91、第一层间微孔隙，92、第二层间微孔隙，101、第一层内微裂纹，102、第二层内微裂纹，11、高温服役形成的孔隙。

具体实施方式

以下是发明人给出的具体实施例，需要说明的是，这些实施例是本发明较优的例子，用于本领域的技术人员理解本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

请参阅图1所示，本发明提供一种抗烧结长寿命双层柱状结构热障涂层的制备方法，包含以下步骤：

步骤1、在圆柱形高温合金基体1的外表面采用低压等离子喷涂工艺制备150μm厚的金属粘结层2。

步骤2、在金属粘结层2上采用粒径为5μm～25μm的8ysz熔炼破碎粉末，通过大气等离子喷涂方法制备出厚度为150μm的增韧层3。在喷涂的过程中，为了使第一片层单元6的层间结合率不低于50％，采用加热台将基体1和金属粘结层2预热至400℃再进行喷涂；第一片层单元6沿垂直于热流方向的尺寸为5μm～40μm，沿热流方向的尺寸为0.5～5μm，在相邻两层第一片层单元6之间含有第一层间微孔隙91，同一层第一片层单元6之间具有第二层内微裂纹101，第一层间微孔隙91在垂直于热流方向尺寸为1μm～40μm、平行于热流方向尺寸0.01μm～0.5μm；第一层内微裂纹101在垂直于热流方向尺寸为0.01μm～0.8μm，平行于热流方向尺寸0.5μm～5μm。喷涂功率为42kw，主气氩气为50l/min，辅气氢气为7l/min，喷涂距离80mm，走枪速率500mm/s。

步骤3、采用混合喷涂的方法在增韧层3上制备隔热层4：

步骤3.1、采用粒径为40μm～70μm的8ysz球形中空粉末，通过大气等离子技术喷涂制备出厚度10μm、层间结合率30％的第一涂层，第一涂层由8～15层第二片层单元7堆叠而成；第二片层单元7沿垂直于热流方向的尺寸为5μm～40μm，沿热流方向的尺寸为0.5～5μm，在相邻两层第二片层单元7之间含有第二层间微孔隙92，同一层中的相邻的第二片层单元7之间具有第二层内微裂纹102，第二层间微孔隙92在垂直于热流方向尺寸为1μm～40μm，平行于热流方向尺寸0.01μm～0.5μm；第二层内微裂纹102在垂直于热流方向尺寸为0.01μm～0.8μm，平行于热流方向尺寸0.5μm～5μm。喷涂功率为42kw，主气氩气为50l/min，辅气氢气为7l/min，喷涂距离110mm，走枪速率800mm/s，采用压缩空气控制基体温度不超过150℃；

步骤3.2、采用悬浮液液料喷涂技术喷涂浓度为2mol/l的纳米ysz分散液，在已沉积的第一涂层上喷涂形成若干个垂直于热流方向的第三片层单元8，第三片层单元8沿垂直于热流方向的尺寸为10μm～300μm，平行于热流方向尺寸为0.5～15μm。喷涂功率为39kw，主气氩气为60l/min，辅气氢气为4l/min，喷涂距离250mm，走枪速率1500mm/s，液流速率为20ml/min；

步骤3.3、在步骤3.1形成的第一涂层和步骤3.2形成的第三片层单元8上采用大气等离子技术再覆盖一层第一涂层，第一涂层包括8～15层第二片层单元7；第二片层单元7由第二热障涂层材料粉末熔化后撞击至步骤3.1形成的第一涂层和步骤3.2形成的第三片层单元8上，并经铺展凝固而形成；采用压缩空气控制基体温度不超过150℃；

步骤3.4、重复步骤3.1至步骤3.3，直至隔热层4总厚度达到350μm，其中第三片层单元8的体积占第二片层单元7和第三片层单元8总体积的30％。

步骤4，采用强水流冲击的方法在增韧层3和隔热层4内制备纵向缝隙5，具体包括以下步骤：

步骤4.1、采用火焰对制备完毕的增韧层3和隔热层4进行加热，5min内使隔热层3和基体同时升至900℃；

步骤4.2、采用液流速度为5m/s，液流直径为0.2mm的强水流冲击隔热层4，使隔热层4和增韧层3温度在10s内降至200℃以下；隔热层4和增韧层3在冷却收缩过程中，受到基体1的束缚而在隔热层4和增韧层3内部产生横向拉伸应力，从而形成纵向缝隙5。

实施例2

本实施例与实施例2的不同之处在于，步骤1中，金属粘结层2的厚度为100μm；步骤2中，沉积的过程中预热基体温度至300℃；步骤3中，在沉积的过程中控制基体温度为不超过180℃。

实施例3

本实施例与实施例3的不同之处在于，步骤1中，金属粘结层2的厚度为125μm；步骤2中，沉积的过程中预热基体温度至500℃；步骤3中，在沉积的过程中控制基体温度为不超过160℃，纳米ysz分散液的液浓度为5mol/l。

实施例4

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤3中，纳米ysz分散液的液浓度为3.5mol/l。

实施例5

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤2中，增韧层3的厚度为50μm，步骤3中隔热层4的厚度为450μm。

实施例6

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤2中，增韧层3的厚度为250μm，步骤3中隔热层4的厚度为250μm。

实施例7

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤3中，第三片层单元8的体积占第二片层单元7和第三片层单元8总体积的50％。

实施例8

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤3中，第三片层单元8的体积占第二片层单元7和第三片层单元8总体积的10％。

实施例9

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤4中，10min内使涂层和基体同时升至1150℃，且在900～1150℃停留时间不超过2min。

实施例10

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤4中，15min内使涂层和基体同时升至1400℃且在900～1400℃停留时间不超过2min。

实施例11

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤4中，所选强水流速度为300m/s，水流直径为5.1mm。

实施例12

本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤4中，所选强水流速度为500m/s，水流直径为10mm。

基于以上工艺，制备出抗烧结长寿命双层柱状结构热障涂层，如图1和图2所示。抗烧结长寿命双层柱状结构热障涂层包括自下而上依次设置的金属粘结层2、增韧层3和隔热层4。增韧层3由第一热障涂层材料粉末沉积形成，增韧层3占双层结构热障涂层总厚度的10％～50％，所用第一热障涂层材料的断裂韧性大于或等于2.5mpa·m^1/2。增韧层厚度下限10％是为了保证涂层整体具有一定的抗开裂能力，增韧层厚度上限50％是为了不削弱涂层整体的隔热性能。

隔热层4占双层结构热障涂层总厚度的50％～90％，所用第二热障涂层材料和第三热障涂层材料在1000℃～1600℃下热导率不超过2.5w/m·k。

增韧层3和隔热层4内包含纵向缝隙5；纵向缝隙5沿垂直于热流方向的宽度为隔热层4和增韧层3总厚度的0.1％～3％，沿热流方向的深度为隔热层4和增韧层3总厚度的10％～100％，相邻但不接触的纵向缝隙5间隔为隔热层4和增韧层3总厚度的1～10倍，例如图1中，第一纵向缝隙51和第二纵向缝隙52之间的间距，第一纵向缝隙51和第三纵向缝隙53之间的间距，第四纵向缝隙54和第五纵向缝隙55之间的间距以及第五纵向缝隙55和第六纵向缝隙56之间的间距均在隔热层4厚度的1～10倍范围内。纵向缝隙5将增韧层3和隔热层4分割成若干柱状结构。各柱状结构的横截面形状为不规则图形。

隔热层4由第二片层单元7和第三片层单元8复合堆叠构成。具体的，隔热层4包括交替设置的第一涂层和第三片层单元8，第一涂层包括若干层第二片层单元7；隔热层4由第二热障涂层材料粉末和第三热障涂层材料粉末交替分层沉积形成；第一热障涂层材料粉末和第二热障涂层材料粉末分别沉积形成第一片层单元6和第二片层单元7，且第一片层单元6和第二片层单元7的片层致密度均大于90％；第三热障涂层材料粉末沉积形成第三片层单元8，片层致密度小于60％。第三片层单元8间隔设置在第一涂层上，且其覆盖其下的第一涂层的表面积的10％～50％，下限是保证形成一定的孔隙隔热，上限是避免形成过大的孔隙影响服役寿命。沿热流方向相邻第三片层单元8在隔热层4内纵向间隔m层第二片层单元7，m为自然数，m的取值范围为10-100。所有第三片层单元8的体积含量为所有第二片层单元7和所有第三片层单元8总体积的10％～50％。m的取值范围和体积含量的下限是为了使涂层在高温服役中可自发形成一定的新孔隙，达到抗烧结的目的；m的取值范围和体积含量的上限是为了避免新形成的孔隙相互连接形成大孔隙进而引发涂层的开裂剥落。第一片层单元6和第二片层单元7由粉末溶滴铺展重新凝固形成，第一片层单元6和第二片层单元7的尺寸相同，垂直于热流方向的尺寸为5μm～40μm、沿热流方向为0.5μm～5μm。第三片层单元8由含有纳米颗粒的悬浮液铺展而成，第三片层单元8沿垂直于热流方向的尺寸为10μm～300μm，沿平行于热流方向尺寸为0.5μm～15μm，含有纳米颗粒的悬浮液中的纳米颗粒的粒径为5nm～200nm。

增韧层3包括若干层第一片层单元6；增韧层3内的第一片层单元6间的结合率不低于50％；隔热层4内第二片层单元7间的结合率不高于30％。增韧层结合率不低于50％可保证其整体的抗开裂能力，隔热层结合率不高于30％可保证其整体的隔热能力。

增韧层3中的相邻两层第一片层单元6之间含有第一层间微孔隙91，同一层第一片层单元6之间具有第二层内微裂纹101；隔热层4中，相邻两层第二片层单元7之间含有第二层间微孔隙92，同一层中的相邻第二片层单元7之间具有第二层内微裂纹102，第一层间微孔隙91和第二层间微孔隙92在垂直于热流方向尺寸均为1μm～40μm，平行于热流方向尺寸均为0.01μm～0.5μm，第一层内微裂纹101和第二层内微裂纹102在垂直于热流方向尺寸均为0.01μm～0.8μm，平行于热流方向的尺寸均为0.5μm～5μm。

参照图3，在服役过程中，由于第三片层单元8与第二片层单元7的收缩方向相反，且疏松第三片层单元8的收缩程度较第二片层单元7大，从而在第二片层单元7和第三片层单元8界面自发形成若干垂直于热流方向的孔隙，即高温服役形成的孔隙11，延缓性能衰退，达到整体抗烧结的目的。同时，增韧层可提高涂层在服役过程中的开裂抗力，柱状结构可降低涂层在服役中的开裂驱动力，达到长寿命服役的目的。进而，基于双层柱状结构设计，实现抗烧结长寿命热障涂层的协同设计。