热障涂层的制备方法和热障涂层与流程

本发明涉及涂层的制造，具体而言，涉及一种热障涂层的制备方法和热障涂层。

背景技术：

1、热障涂层(tbcs)由抗氧化、抗腐蚀的粘结层和耐高温、抗腐蚀和低导热的陶瓷层组成，可提高热端部件的抗高温氧化能力和抗腐蚀能力，延长热端部件使用寿命，热障涂层是提高燃气轮机效率的一种有效表面防护技术，以氧化钇部分稳定氧化锆(ysz)(热导率为2.1～2.2w/m﹒k))为陶瓷层的热障涂层已广泛应用于燃气涡轮发动机热端部件防护。但ysz长时间工作温度不高于1250℃，在更高温度下将发生相变、烧结等现象，降低热障涂层使用寿命，且ysz陶瓷材料也具有相对较高热导率。然而，随着燃气涡轮发动机技术发展，涡轮前进口温度持续提高，在承温能力和隔热能力方面，ysz已不能满足应用需求。针对更高服役工况下应用的热障涂层，本领域已开发了承温能力达到1300℃～1400℃、热导率更低的新型陶瓷层材料，如稀土锆酸盐(热导率1.2～1.5w/m﹒k)、稀土铈酸盐(热导率～1w/m﹒k)等。

2、然而，新型陶瓷层材料一般具有较低断裂韧性，ysz陶瓷材料断裂韧性6～9mpa·m1/2，稀土锆酸盐陶瓷材料断裂韧性～1.5mpa·m1/2，为提高新型陶瓷材料断裂韧性，主要从成分改性(如稀土改性锆酸钆(gd2zr2o7))方面着手，同时，采用ysz/新型陶瓷复合结构陶瓷层可以缓解新型陶瓷层材料断裂韧性低导致的热障涂层寿命不足的问题，且在服役环境下，粘结层表面形成的热生长氧化物(tgo)与新型陶瓷材料也存在发生反应的现象，也需要采用ysz/新型稀土陶瓷层复合结构，如国内外学者开发了ysz/改性gd2zr2o7、ysz/改性la2zr2o7和ysz/la2ce2o7等双陶瓷层结构热障涂层。

3、热障涂层的隔热能力与陶瓷材料和陶瓷层结构密切相关，在陶瓷层总厚度不变的情况下，ysz和新型陶瓷材料组成的陶瓷层的层数增加，会形成多个ysz陶瓷层与新型陶瓷层的界面，这也为陶瓷层各界面和陶瓷层结构稳定性控制提出了更高要求。

技术实现思路

1、本发明的第一个目的在于提供一种热障涂层的制备方法，以解决现有多层结构热障涂层多界面控制和各层组织结构稳定性控制的技术问题。

2、本发明提供的热障涂层的制备方法，包括至少一轮次的双陶瓷层结构制备，每一轮次的所述双陶瓷层结构制备包括，先采用eb-pvd制备ysz陶瓷层和后采用eb-pvd制备新型陶瓷层，所述新型陶瓷层包括改性gd2zr2o7、改性la2zr2o7或la2ce2o7中的一种。

3、本发明热障涂层的制备方法带来的有益效果是：

4、本发明采用以上制备方法，提高了具有不同类型的多层陶瓷层的热障涂层在制备过程中的稳定性和各陶瓷层之间的界面结合能力，制得的热障涂层结合强度、抗热震性能和隔热性能良好，具有优异的综合能力。

5、优选的技术方案中，在由采用eb-pvd制备ysz切换至采用eb-pvd制备新型陶瓷层过程中，在5min内将工件由ysz靶材对应位置逐渐转移到新型陶瓷靶材对应位置，转移过程中同步调节制备ysz陶瓷层的第一预热电子枪和制备新型陶瓷层的第二预热电子枪的扫描位置和范围，确保转移过程中工件温度＞800℃。

6、优选的技术方案中，当所述第二预热电子枪扫描范围完全覆盖工件时，降低所述第一预热电子枪的电子束电流为零，提高所述第二预热电子枪的电子束电流，将工件加热至900℃～1000℃。

7、优选的技术方案中，第一次所述采用eb-pvd制备ysz陶瓷层为在mcraly粘结层的表面制备ysz陶瓷层，所述第一次所述采用eb-pvd制备ysz陶瓷层的过程中，工件温度900℃～1000℃，蒸发过程中真空室压强为0.1pa～0.5pa，在第一蒸发电子枪的电子束电流保持0.5a～1a下沉积5min～10min，工件转速5rpm～15rpm；然后提高蒸发枪电子束电流至1.5a，工件转速为15rpm～50rpm。

8、优选的技术方案中，在所述ysz陶瓷层表面制备新型陶瓷层时，提高第二蒸发电子枪的电子束电流，工件温度900℃～1000℃，蒸发过程中真空室压强为0.1pa～0.5pa，工件转速为15rpm～50rpm，所述第二蒸发电子枪的电子束电流在1min内提高至0.8a～1a；然后，所述第二蒸发电子枪的电子束电流在1min再提高到1.5a。

9、优选的技术方案中，包括多轮次的所述双陶瓷层结构制备，相邻轮次的所述双陶瓷层结构制备之间的切换过程中，在5min内将工件由所述新型陶瓷靶材对应位置逐渐转移到所述ysz靶材对应位置，转移过程中同步调节所述第一预热电子枪和所述第二预热电子枪的扫描位置和范围，确保转移过程中工件温度＞800℃。

10、优选的技术方案中，当将工件由新型陶瓷靶材对应位置逐渐转移到ysz靶材对应位置过程中，所述第一预热电子枪扫描范围完全覆盖工件时，降低所述第二预热电子枪的电子束电流为零，提高第一预热电子枪的电子束电流，将工件加热至900℃～1000℃。

11、优选的技术方案中，在所述新型陶瓷层表面制备所述ysz陶瓷层的过程中，工件温度900℃～1000℃，蒸发过程中真空室压强为0.1pa～0.5pa，工件转速为15rpm～50rpm，第一蒸发电子枪的电子束电流在1min内提高至0.8a～1a；然后，所述第一蒸发电子枪的电子束电流在1min再提高到1.5a。

12、本发明的第二个目的在于提供一种热障涂层，以解决多层结构热障涂层多界面控制和各层组织结构稳定性控制的技术问题。

13、本发明提供的热障涂层，由上述中任一项的热障涂层的制备方法制备而成。

14、本发明热障涂层的制备方法带来的有益效果是：

15、通过采用热障涂层的制备方法获得热障涂层，相应地，该热障涂层具有上述热障涂层的制备方法的所有优势，在此不再一一赘述。

16、优选的技术方案中，若所述热障涂层为双陶瓷层结构，ysz陶瓷层和新型陶瓷层厚度分别为50μm～150μm；若所述热障涂层为多陶瓷层结构，所述ysz陶瓷层和所述新型陶瓷层厚度分别为10μm～50μm。

技术特征：

1.一种热障涂层的制备方法，其特征在于，包括至少一轮次的双陶瓷层结构制备，每一轮次的所述双陶瓷层结构制备包括，先采用eb-pvd制备ysz陶瓷层(3)和后采用eb-pvd制备新型陶瓷层(4)，所述新型陶瓷层(4)包括改性gd2zr2o7、改性la2zr2o7或la2ce2o7中的一种。

2.根据权利要求1所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，在由采用eb-pvd制备ysz切换至采用eb-pvd制备新型陶瓷层(4)过程中，在5min内将工件由ysz靶材对应位置逐渐转移到新型陶瓷靶材对应位置，转移过程中同步调节制备ysz陶瓷层(3)的第一预热电子枪和制备新型陶瓷层(4)的第二预热电子枪的扫描位置和范围，确保转移过程中工件温度＞800℃。

3.根据权利要求2所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，当所述第二预热电子枪扫描范围完全覆盖工件时，降低所述第一预热电子枪的电子束电流为零，提高所述第二预热电子枪的电子束电流，将工件加热至900℃～1000℃。

4.根据权利要求1所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，第一次所述采用eb-pvd制备ysz陶瓷层(3)为在mcraly粘结层(2)的表面制备ysz陶瓷层(3)，所述第一次所述采用eb-pvd制备ysz陶瓷层(3)的过程中，工件温度900℃～1000℃，蒸发过程中真空室压强为0.1pa～0.5pa，在第一蒸发电子枪的电子束电流保持0.5a～1a下沉积5min～10min，工件转速5rpm～15rpm；然后提高蒸发枪电子束电流至1.5a，工件转速为15rpm～50rpm。

5.根据权利要求1所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，在所述ysz陶瓷层(3)表面制备新型陶瓷层(4)时，提高第二蒸发电子枪的电子束电流，工件温度900℃～1000℃，蒸发过程中真空室压强为0.1pa～0.5pa，工件转速为15rpm～50rpm，所述第二蒸发电子枪的电子束电流在1min内提高至0.8a～1a；然后，所述第二蒸发电子枪的电子束电流在1min再提高到1.5a。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，包括多轮次的所述双陶瓷层结构制备，相邻轮次的所述双陶瓷层结构制备之间的切换过程中，在5min内将工件由所述新型陶瓷靶材对应位置逐渐转移到所述ysz靶材对应位置，转移过程中同步调节第一预热电子枪和第二预热电子枪的扫描位置和范围，确保转移过程中工件温度＞800℃。

7.根据权利要求6所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，当将工件由新型陶瓷靶材对应位置逐渐转移到ysz靶材对应位置过程中，所述第一预热电子枪扫描范围完全覆盖工件时，降低所述第二预热电子枪的电子束电流为零，提高第一预热电子枪的电子束电流，将工件加热至900℃～1000℃。

8.根据权利要求7所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，在所述新型陶瓷层(4)表面制备所述ysz陶瓷层(3)的过程中，工件温度900℃～1000℃，蒸发过程中真空室压强为0.1pa～0.5pa，工件转速为15rpm～50rpm，第一蒸发电子枪的电子束电流在1min内提高至0.8a～1a；然后，所述第一蒸发电子枪的电子束电流在1min再提高到1.5a。

9.一种热障涂层，其特征在于，所述热障涂层由权利要求1-8中任一项的热障涂层的制备方法制备而成。

10.根据权利要求7所述的热障涂层，其特征在于，若所述热障涂层为双陶瓷层结构，ysz陶瓷层(3)和新型陶瓷层(4)厚度分别为50μm～150μm；若所述热障涂层为多陶瓷层结构，所述ysz陶瓷层(3)和所述新型陶瓷层(4)厚度分别为10μm～50μm。

技术总结
本发明提供了一种热障涂层的制备方法和热障涂层，涉及涂层的制造技术领域，为解决多层结构热障涂层多界面控制和各层组织结构稳定性控制的问题而设计。热障涂层的制备方法包括至少一轮次的双陶瓷层结构制备，每一轮次的所述双陶瓷层结构制备包括，先采用EB‑PVD制备YSZ陶瓷层和后采用EB‑PVD制备新型陶瓷层，所述新型陶瓷层包括改性Gd<subgt;2</subgt;Zr<subgt;2</subgt;O<subgt;7</subgt;、改性La<subgt;2</subgt;Zr<subgt;2</subgt;O<subgt;7</subgt;或La<subgt;2</subgt;Ce<subgt;2</subgt;O<subgt;7</subgt;中的一种。本发明提供的热障涂层的制备方法可以热障涂层制备过程稳定性和各陶瓷层之间界面结合能力。

技术研发人员：王世兴,何箐,李建超,李新慧,董金全,由晓明
受保护的技术使用者：北京金轮坤天特种机械有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13