一种多相镶嵌式渐变色热障涂层、制备方法及制备系统

本发明属于热障涂层材料，尤其涉及一种多相镶嵌式渐变色热障涂层、制备方法及制备系统。

背景技术：

1、随着航空发动机向高推重比、高强度、长寿命和高可靠性发展，其关键零部件材料制备与加工制造工艺复杂，导致其服役环境越来越恶劣和极端，涡轮叶片等高温部件的工作环境温度也随之不断提高。作为航空发动机领域的关键热防护技术之一，热障涂层因其优良的耐高温、抗氧化、防腐蚀和低热导性能，为航空发动机和燃气轮机的热端部件提供了有效防护。其结构健康状况直接关系到航空发动机热端部件的在役安全和使用寿命。热障涂层是由金属过渡层(或称金属粘结层)和耐热、隔热性好的陶瓷热防护层组成的“层合型”金属陶瓷复合涂层系统。

2、尽管热障涂层作为高温部件表面的保护性涂层技术在航空发动机中已获得了成功应用，但在严苛服役环境下，热障涂层面临高温、高压和外部冲击的挑战，容易引起失效现象，严重制约其服役寿命。一旦涂层发生过早退化或失效，被其保护的合金将直接暴露在过高温度中，这对整个航空发动机的安全性和可靠性造成隐患和威胁。因此，如何进一步延长热障涂层的服役寿命一直是学界和工业界密切关注和亟待解决的重要问题。

3、目前，热障涂层制备最广泛使用的技术是等离子喷涂技术和电子束物理气相沉积，其中大气等离子喷涂技术因低成本、高效率等优点被广泛应用。大气等离子方法制备的喷涂态涂层的微观结构中包含大量层间未结合缺陷(小孔隙)和不规则大孔隙，在热震初始阶段，由于尺寸较小的孔隙发生快速烧结，导致孔隙率的减小，进而导致原始设计的热障涂层系统的服役性能随之下降。基于此，诸多国内外研究人员做了大量探索，目前已公开的专利和发表的论文：中国专利公开号为cn114574798a和cn111363998a，liu等人发表在journal of thermal spray technology的2016年第25卷1期中的high heat insulatingthermal barrier coating designed with large two-dimensional inter-lamellarpores等相关文献。即设置含有多孔微球的陶瓷层以及采用造孔剂等方法提高陶瓷面层的孔隙率，进而提高热障涂层的抗烧结性能。鉴于大气等离子热障涂层内存在大量孔隙，容易使得氧气进入陶瓷层/粘结层的界面中，导致粘结层中al等金属元素被氧化，经过数次热振循环在陶瓷层/粘结层的界面中会产生tgo(thermally grown oxide,简称tgo)氧化层。随着热振循环的次数增加，tgo层会逐渐增厚，最终导致靠近tgo层的陶瓷层破裂失效。基于此，相关文献做出研究，公开发表的专利和论文：中国专利公开号为cn104451519a和李长久等人发表在journal of thermal spray technology的2013年第22卷8期中evolutionoflamellar interface cracks during isothermal cyclic test of plasma-sprayed8ysz coating with a columnar structured ysz interlayer等文献，均设置致密陶瓷层以阻碍氧气的进入，防止金属氧化物的生成、形成tgo层，以此来提高热障涂层的抗氧化性。但随着涂层的致密化，其断裂韧性变差。因此，传统的大气等离子热障涂层的隔热性、断裂韧性以及应变容限等性能已经无法足更高温度下的防护要求，亟需发展一种更可靠的热障涂层系统。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种多相镶嵌式渐变色热障涂层、制备方法及制备系统，提供的热障涂层具有优异的隔热性能、较高的断裂韧性和应变容限。从而改善了涂层的热震性能、提高了热障涂层的服役寿命。

2、为实现上述目的，本发明公开了一种多相镶嵌式渐变色热障涂层，包括：从下往上依次为合金基体、粘结层和陶瓷层；

3、所述合金基体，为航空发动机热端部件，如航空发动机叶片，是本发明一种多相镶嵌式变色热障涂层保护的对象；

4、所述粘结层，基于合金金属粉末和混合粉末制备；所述混合粉末包括：合金金属粉末和陶瓷粉末；所述粘结层降低了合金基体与陶瓷层之间因热膨胀系数不匹配所产生的内应力。

5、所述陶瓷层，基于大粒径陶瓷粉末、小粒径陶瓷粉末和多孔球型颗粒制备；所述多孔球型颗粒经一级5-15μm陶瓷粉末颗粒团聚烧结后保持多孔的结构形态；所述陶瓷层阻止部分氧气进入、抑制粘结层金属被氧化产生氧化层的速率，同时改善了热障涂层的隔热性能和应变容限。

6、可选地，所述粘结层包括：金属粘结层和梯度渐变过渡层；

7、所述金属粘结层靠近所述合金基体，基于所述合金金属粉末制备；

8、所述梯度渐变过渡层靠近所述陶瓷层，基于所述混合粉末制备。

9、可选地，所述陶瓷层包括：致密陶瓷层和陶瓷顶层；

10、所述致密陶瓷层，基于所述梯度渐变过渡层上表面经大气等离子喷涂形成；

11、所述多孔结构陶瓷顶层，基于所述致密陶瓷涂层上表面采用三相送粉工艺等离子喷涂形成，所述多孔结构陶瓷顶层直接暴露在高温环境中。

12、可选地，所述合金金属粉末为：镍铬铝钇合金粉末、钴铬铝钇合金粉末或镍钴铬铝钇合金粉末；

13、所述陶瓷粉末为：氧化钇稳定氧化锆粉末、氧化镁稳定氧化锆粉末、氧化钙稳定氧化锆粉末、氧化铈稳定氧化锆粉末、锆酸镧粉末、锆酸钆粉末中的预设种类。

14、为实现上述目的，本发明还公开了一种多相镶嵌式渐变色热障涂层的制备方法，包括：

15、s1.对合金基体表面进行预热处理；

16、s2.在所述合金基体表面制备粘结层；所述粘结层包括单一合金金属粉末制备的金属粘结层和混合粉末制备的梯度渐变过渡层，其中所述金属粘结层靠近合金基体，由单一的合金金属粉末通过单独送粉方式制备，所述梯度渐变过渡层靠近陶瓷层，由合金金属粉末和陶瓷粉末通过两相送粉方式制备；

17、s3.在所述梯度渐变过渡层上表面经大气等离子喷涂形成致密陶瓷涂层；

18、s4.在所述致密陶瓷涂层上表面采用三相送粉工艺等离子喷涂形成多孔结构陶瓷顶层，所述多孔结构陶瓷顶层直接暴露在高温环境中。

19、可选的，所述s2中制备所述梯度渐变过渡层包括：

20、提供第一相粉末、第二相粉末为小粒陶瓷粉末颗粒和合金金属粉末颗粒；

21、基于小粒陶瓷粉末颗粒和合金金属粉末颗粒，经等离子喷涂形成梯度层，若干层梯度层堆积形成梯度渐变过渡层；其中，每层两相粉末各自的体积占比率不同。

22、可选的，所述s3中制备所述致密陶瓷涂层包括：

23、提供第一相陶瓷粉末、第二相陶瓷粉末为小粒径陶瓷粉末颗粒和大粒径陶瓷粉末颗粒；

24、将小粒径陶瓷粉末颗粒经大气等离子喷涂形成致密涂层基体，将大粒径陶瓷粉末颗粒均匀镶嵌在致密涂层基体内，从而形成致密结构陶瓷层。

25、可选的，所述s4中制备所述多孔结构陶瓷顶层包括：

26、提供第一相粉末、第二相粉末和第三相粉末为小粒径陶瓷粉末颗粒、大粒径陶瓷粉末颗粒和多孔球型颗粒；

27、将小粒径陶瓷粉末颗粒经大气等离子喷涂形成致密涂层基体，将大粒径陶瓷粉末颗粒和多孔球型颗粒均匀镶嵌在涂层基体内，从而形成所述多孔隙结构陶瓷顶层。

28、可选的，所述s2中，基于小粒陶瓷粉末颗粒和合金金属粉末颗粒，经等离子喷涂形成梯度层采用增量式pid控制方法来实现；

29、所述增量式pid控制方法包括：

30、步骤1：用户设定初始值，理论送粉量、送粉比例、喷枪移动速率；

31、步骤2：读取初始化指令，计算送粉速率，结合送粉电机输出转速函数，启动pwm信号，驱动送粉器送粉；

32、步骤3：基于送粉量监测传感器监测送粉速率参数计算出当前送粉量，将实际送粉量与理论送粉量进行比较，对监测结果进行反馈，经过pid算法计算生成控制电压传送至送粉电机；

33、步骤4：当达到理论送粉量时，判断是否达到设置循环次数，若未达到则调整送粉比列进入下一个循环，若达到则结束作业。

34、为实现上述目的，本发明还公开了三相送粉大气等离子装置，包括：

35、送粉装置；所述送粉装置包括1号送粉器、2号送粉器、3号送粉器，用于粉末颗粒的输出；其中，1号送粉器、2号送粉器设置在等离子焰流高温段，3号送粉器设置在等离子焰流低温段；

36、等离子喷枪；所述等离子喷枪包括隔热壳体、等离子气体输入口、等离子焰流阳极出口、电机阴极、冷却水输入输出口、喷枪悬挂臂等，所述等离子喷枪与送粉装置相配合进行喷涂；所述等离子喷枪主体包括外部隔热壳体，所述隔热壳体包括前端盖、后端盖和中部柱体，所述前端盖、后端盖固定在中部柱体内部两端，所述前端盖包括等离子焰流阳极出口，所述后端盖包括靠近中心的等离子气体输入口和靠近边界的冷却水输入口以及固定在后端盖上的电极阴极，所述中部柱体包括侧部的冷却水输出口，所述喷枪悬挂臂通过绝缘体固定在隔热壳体的中部柱体上。

37、供给系统；所述供给系统包括主电源、送粉箱、储气装置以及热交换器，所述供给系统与等离子喷枪和送粉装置相连接，提供直流电、粉末颗粒、气体以及冷却水；所述主电源、送粉箱、储气装置以及热交换器并列安放，所述主电源与热交换器、等离子喷枪、控制柜、转接箱连接，所述送粉箱与送粉装置连接，所述储气装置与等离子喷枪连接，所述热交换器与转接箱连接。

38、控制系统；所述控制系统包括控制柜、转接箱，所述控制系统用于控制并连接喷枪、送粉箱、热交换器等装置。

39、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

40、本发明通过提出一种新型送粉工艺即三相送粉装置来调节热障涂层的微观结构，从而得到一种多相镶嵌式渐变色热障涂层。本发明提出的一种多相镶嵌式渐变色热障涂层从下往上依次为合金基体、粘结层以及陶瓷层，其中，粘结层从下往上由单一合金粉末制备的金属粘结层和混合粉末制备的梯度渐变过渡层共同组成，陶瓷层从下往上由致密陶瓷层和多孔结构陶瓷顶层共同组成。梯度渐变过渡层由新型送粉工艺结合增量式pid控制算法经大气等离子喷涂得到梯度渐变结构，使得陶瓷层与粘结层之间无明显界面，从而降低因涂层膨胀系数的差异所产生的内应力，使粘结层和陶瓷层界面结合更加稳固；致密陶瓷层由第一相小粒径陶瓷粉末颗粒经等离子喷涂形成致密的涂层基体，使得第二相大粒径陶瓷粉末颗粒均匀镶嵌其中，其致密的微观结构可以阻止部分氧气进入抑制粘结层金属被氧化产生tgo氧化层，同时第二相大粒径陶瓷粉末颗粒的引入，使得热障涂层的断裂韧性得以加强；多孔结构陶瓷顶层在致密陶瓷层的基础上使疏松多孔的多孔球型颗粒均匀镶嵌其中，其多孔隙结构增强了热障涂层的隔热性能和应变容限。本发明所提出的一种新型送粉工艺使得涂层微观结构得到改善，从而提高热障涂层的服役寿命。