一种含有垂直裂纹结构的高隔热长寿命热障涂层及其制备方法

本发明涉及高温涂层防护，具体涉及一种含有垂直裂纹结构的高隔热长寿命热障涂层及其制备方法。

背景技术：

1、热障涂层技术与高温结构材料、冷却技术被称为先进燃气涡轮发动机热端部件的三大核心关键技术。即使采用气膜冷却技术，热端部件表面的工作温度也远远高于目前合金材料的承温能力。此外，气膜冷却技术的应用使热端部件的加工愈加复杂，冷却气流量的加大也会降低热效率。热障涂层技术是目前提高燃气涡轮发动机高推重比和热效率的最有效途径。目前大气等离子喷涂(aps)和电子束物理气相沉积技术(eb-pvd)是制备热障涂层最常用的技术。aps因具有热源温度高、操作简单、喷涂效率高、所得涂层的热导率较低等优点被广泛应用。但是，aps涂层也存在层与层间的结合力较差且应力损伤容限较低、抗热震性能较差等缺点。eb-pvd涂层具有结合强度较大，应力损伤容限高，优异的抗冲击和热循环寿命。但是，eb-pvd技术也存在沉积效率低、涂层的热导率高，隔热效果较差。

2、为了提高涂层的隔热性能和结合强度，延长热端部件的服役寿命，各种先进的热喷涂技术不断被研制出来。中国发明专利cn201910093357.1采用混合喷涂技术和水流冲击的方法制备了一种抗烧结长寿命双层柱状结构热障涂层。中国发明专利cn202111414306.8提供了一种致密厚热障涂层的制备方法，采用单峰粒度级配的纳米陶瓷粉末为原料，通过高能等离子喷涂工艺制备出低孔隙率的高结合强度的陶瓷热障涂层，有效的提高涂层的抗热震性能及隔热性能，进而提高涂层使用温度，延长涂层使用寿命。中国发明专利cn202010438702.3提供了一种重型燃气轮机叶片高性能热障涂层及其多工艺组合制备方法，具体是采用激光熔覆技术制备mcraly粘结层+激光冲击强化技术大面积调控mcraly熔覆层组织结构及应力状态+激光冲击微造型技术在强化层表面选择性加工微凹坑织构+大气等离子喷涂技术制备ysz陶瓷层，制得热障涂层。热障涂层具有优良的界面结合强度、较高的抗高温氧化性能以及热冲击性能。中国发明专利cn202210068076.2介绍了通过高热焓大气等离子喷涂制备dvc热障涂层的技术，等离子喷枪的功率选择了50-210kw，喷枪移动速度500-1000mm/s，预热温度选择了室温至380℃。特别是，通过高能等离子喷涂、悬浮液等离子喷涂以及大气等离子喷涂等技术制备含有垂直裂纹结构的热障涂层。垂直裂纹的引入可显著提高了热障涂层的应力损伤容限和服役寿命。

3、但是，目前制备含有垂直裂纹涂层的技术如高能等离子喷涂、悬浮液等离子喷涂等技术成本高；此外，目前制备含有垂直裂纹涂层技术大多采用高功率等离子喷涂技术、熔融破碎喷涂粉末同时也需要对基体加热至700℃以上，才能得到含有垂直裂纹的热障涂层。更为重要的是，目前制备的含有垂直裂纹的涂层大多较致密且涂层中的垂直裂纹直到粘结层导致涂层的耐熔盐腐蚀和隔热性能较差。

4、鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决目前制备含有垂直裂纹涂层技术大多采用高功率等离子喷涂技术、熔融破碎喷涂粉末同时也需要对基体加热至700℃以上，才能得到含有垂直裂纹的热障涂层，涂层大多较致密且涂层中的垂直裂纹直到粘结层导致涂层的耐熔盐腐蚀和隔热性能较差的问题，提供了一种含有垂直裂纹结构的高隔热长寿命热障涂层及其制备方法。

2、为了实现上述目的，本发明公开了一种含有垂直裂纹结构的高隔热长寿命热障涂层，由下而上依次包括金属合金基体、粘结层、8ysz微纳结构隔热层和含有垂直裂纹结构的稀土掺杂氧化锆/铪陶瓷层。

3、所述粘结层包括第一粘结层和第二粘结层，所述第一粘结层的厚度为80～100μm，所述第二粘结层的厚度为30～60μm，所述8ysz微纳结构涂层的厚度为180～250μm，所述含有垂直裂纹结构的稀土掺杂氧化锆/铪陶瓷层的厚度为300～1300μm。

4、所述粘结层为mcralysihf，m为ni或nico，包括以下质量百分比的成分：61.9～74％的ni+co，20～25％的cr，5～10％的al，0.4～1.5％的y，0.3～0.8％的si，0.3～0.8％的hf。

5、所述8ysz微纳结构隔热层所用的8ysz是质量分数为8wt.％的氧化钇部分稳定氧化锆，原始粉末是20-40nm的8ysz纳米粉，8ysz纳米粉由四方相t-zro2和单斜m--zro2组成，所述四方相t-zro2的质量百分比大于97％，所述单斜m--zro2的质量百分比小于3％。

6、所述含有垂直裂纹结构的稀土掺杂氧化锆/铪陶瓷层中的稀土氧化物为氧化钇、氧化钪、氧化镱、氧化钆中的任意两种或多种组合，总的稀土氧化物占质量百分数小于12％；

7、本发明还公开了上述含有垂直裂纹结构的高隔热长寿命热障涂层的制备方法，包括以下步骤：

8、s1，将金属合金基体采用酒精和丙酮清洗后喷砂粗化预处理，对喷砂粗化后的金属合金基体进行超声清洗，

9、s2，在经粗化后的金属基体表面采用超音速火焰喷涂技术制备第一层粘结层，

10、s3，在第一层粘结层上采用大气等离子喷涂技术制备第二层粘结层；

11、s4，将步骤s3中得到的带有粘结层的试样预热至200～500℃；

12、s5，采用大气等离子喷涂技术在粘结层的表面依次制备8ysz微纳结构隔热层和含有垂直裂纹结构的稀土掺杂氧化锆/铪陶瓷层。

13、所述步骤s2中超音速火焰喷涂技术的工艺参数为：氧气流量为50～55l/min，煤油流量为28～32l/min，喷涂距离为330～380mm，送粉率50～80g/min，喷枪管为4-6英寸，喷枪移动速率750～850mm/s，步距2～4mm。

14、所述步骤s3中大气等离子喷涂技术的工艺参数为：喷涂电流为400～500a，喷涂功率为28～34kw，送粉率为25～40g/min，喷涂距离为100～140mm，主气流量ar气为40～55l/min，h2气流量为4～8l/min，喷枪移动速率为750～850mm/s，步距2～4mm。

15、所述步骤s5中大气等离子喷涂的工艺参数为：喷涂电流为500～650a，喷涂功率为36～40kw，送粉率为35～50g/min，喷涂距离为70～100mm，主气流量ar气为40～50l/min，喷枪移动速率为250～350mm/s，步距2～4mm。

16、所述步骤s5中8ysz微纳结构隔热层和含有垂直裂纹结构的稀土掺杂氧化锆/铪陶瓷层的粉末材料为通过喷雾造粒工艺得到初级的纳米团聚粉末，然后经过900-1100℃烧结4-6h，再进行筛选得到粒径在10-40μm范围内的8yszz微纳结构隔热层粉末材料和含有垂直裂纹结构的稀土掺杂氧化锆/铪陶瓷层的粉末材料。

17、与现有技术比较本发明的有益效果在于：

18、1、本发明采用的是普通(常规)大气等离子喷涂技术制备得到了既含有隔热陶瓷层又含有高应力损伤容限陶瓷层的热障涂层体系，本发明的制备方法简单，成本低廉、技术可控，制备的热障涂层具有普通等离子喷涂涂层的低导热系数，又具有电子束物理气相沉积涂层的优异热循环性能；

19、2、本发明在制备过程中基体的预热温度200-500℃，远低于基体合金的工作温度，喷涂时对基体合金本身的力学性能不造成任何影响；

20、3、本发明的微纳结构隔热陶瓷层中含有一定量的纳米组织，既提高了整个涂层的韧性，又降低了涂层的导热系数；

21、4、相对于致密垂直裂纹结构(dvc)的涂层，本发明中垂直裂纹陶瓷层中也具有一定的孔隙率，有助于增强涂层的隔热性能和抗烧结性能，同时也可提高热障涂层体系的热循环寿命。