一种低导热抗烧结双模结构热障涂层及其制备工艺的制作方法

本发明涉及涂层技术领域，特别涉及一种热障涂层及其制备工艺。

背景技术：

随着科学技术的不断发展，热端部件的工作条件越来越苛刻。例如，航空燃气涡轮机技术向高进口温度、高流量比、高推重比的发展趋势，导致燃烧室中的燃气温度和压力不断提高。目前，燃气温度已接近2000K。为适应这一恶劣的涡轮工作环境，采用陶瓷热障涂层是主要的选择对策。陶瓷热障涂层用于燃气轮机的高温合金部件表面，起隔热作用，可降低金属表面温度，提高燃气工作温度，从而改善燃气效率，并延长热端部件的使用寿命。

热障涂层的制备方法主要有电子束物理气相沉积和大气等离子喷涂两种方法，这其中，尤以等离子喷涂，由于其焰流温度高，特别适合喷涂陶瓷等高熔点材料，且涂层成分和厚度易于控制，对工件尺寸和形状限制小，工效高，已经成为表面工程领域制备热障涂层的一种重要技术方法。

等离子喷涂热障涂层中存在3种典型的缺陷，分别是球形孔、平行于热流方向纵向孔隙、垂直于热流方向的横向孔隙。研究表明垂直于热流方向的孔隙能使涂层隔热性能大幅提升，而平行于热流方向孔隙的影响则微乎其微，随机分布的孔隙对的影响介于二者之间。这些缺陷内的主要物质是空气，空气的热导率无论是高温还是低温均大大低于固体基材，当热量流经这些密闭空气的时候，其传输速率将大大降低，因此，在保持热障涂层结构完整性的前提下，可通过提高垂直于热流方向的孔隙率来降低涂层的热导率、改善隔热效果。在高温服役过程中，热障涂层中较大的缺陷基于能量最低原理会趋向于球化分布，较小的缺陷会直接愈合消失，这将大大降低垂直于热流方向的孔隙分布，从而显著影响涂层的隔热、热应变协调能力等。现有工艺制备的陶瓷层裂纹尺寸在几十纳米到几百纳米之间，经过一段时间服役后，尺寸小于200纳米的裂纹会愈合，严重影响涂层服役寿命，因此通过合适的工艺控制制作含有垂直于热流方向大裂纹的涂层结构变得非常有意义。

总之，若能通过涂层结构设计与制备方法的控制，在不影响涂层力学性能的前提下尽可能通过简单易行的方法制备这种垂直于热流方向的大尺寸孔隙，将是提高热障涂层隔热性能和寿命的重要方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低导热抗烧结双模结构热障涂层及其制备工艺，使该涂层的热导率显著降低且不明显影响涂层的力学性能，且在服役过程中热障涂层的热导率趋于稳定，具有长寿命和高隔热效果的特征，从而能够大幅度提高涂层服役性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低导热抗烧结双模结构热障涂层，所述的热障涂层含有横向尺寸为50～200μm、纵向尺寸为0.2～0.5μm且体积含量为5％～40％的大孔隙，涂层孔隙呈现双模结构特征。

进一步的，所述的热障涂层还含有亚微米与微米尺寸的层间裂纹和纵向裂纹外。

进一步的，该热障涂层孔隙呈现双模结构特征。

一种低导热抗烧结双模结构热障涂层的制备工艺，包含以下步骤：

步骤一，通过混合喷涂方法，将热障涂层材料粉末和造孔材料粉末悬浮液进行复合喷涂沉积，制备出含有造孔材料体积含量为5％～40％的复合陶瓷涂层，其中，造孔材料粉末形成横向尺寸为50～200μm、纵向尺寸为0.5～3μm的扁平状颗粒层，热障涂层材料粉末中熔化的部分也形成扁平粒子，并进一步形成含有亚微米与微米尺寸的层间裂纹和纵向裂纹的多孔结构；

步骤二，通过烧结处理，在造孔材料粉末形成的扁平状颗粒层和热障涂层材料粉末形成的扁平粒子间形成横向尺寸为50～200μm、纵向尺寸为0.2～0.5μm的大孔隙，得到低导热抗烧结双模结构热障涂层。

进一步的，所述的热障涂层材料，选择服役高温条件下热导率低于2.5W/m·K的陶瓷材料。

进一步的，所述的热障涂层材料为氧化锆、锆酸镧、铈酸镧、锆酸钆、六方铝陶瓷或烧绿石结构陶瓷。

进一步的，所述的造孔材料选择具有高温收缩特性的材料。

进一步的，所述的造孔材料选择具有快速烧结收缩特性的纳米颗粒或纳米非晶颗粒的低导热率陶瓷材料，或能够通过分解反应既减少质量又减少体积形成低导热率陶瓷材料的材料。

进一步的，所述的烧结处理是在高于热障涂层服役温度下对复合涂层进行热处理或利用热障涂层的服役环境自发进行处理。

进一步的，所述的大孔隙在热障涂层内部纵向间隔一层到十几层热障涂层材料扁平粒子。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明公开一种低导热抗烧结双模结构热障涂层及其制备工艺，通过混合喷涂方法，将热障涂层材料粉末和造孔材料粉末喷涂沉积，制备出含有造孔材料体积含量为5％～40％的复合陶瓷涂层；通过烧结处理，在造孔材料粉末形成的扁平粒子和热障涂层材料粉末形成的扁平粒子间形成横向尺寸为50～200μm、纵向尺寸为0.2～0.5μm的大孔隙，得到低导热抗烧结双模结构热障涂层。本发明通过混合喷涂，将造孔材料和热障涂层材料共同喷涂，以在热障涂层材料性形成的扁平粒子层之间形成造孔材料形成的扁平粒子层，造孔材料形成的扁平粒子层在高温时进行收缩，形成横向尺寸为50～200μm、纵向尺寸为0.2～0.5μm的大孔隙。本发明通过涂层结构设计与制备方法的控制，在不影响涂层力学性能的前提下通过简单易行的方法制备这种垂直于热流方向的大尺寸孔隙，对提高热障涂层隔热性能和寿命有着重要影响。

与现有技术相比，本发明涂层在高温制备条件下或热障涂层服役初期，依赖于造孔材料和热障涂层材料具有不同的烧结性能特征，自发制备出含有扁平粒子形貌层间孔隙的热障涂层，从而呈现同时含有小尺寸孔隙和大尺寸孔隙的双模结构特征。本发明热障涂层中的大尺寸孔隙降低了纵向导热率，同时在服役初期制备的大尺寸孔隙会显著抑制和延缓涂层热导率的升高，且由于孔隙的纵向尺寸较大，从而在服役后期能够避免烧结愈合而保留下来，呈现抗烧结特征。

附图说明

图1为纳米颗粒的堆积形貌视图；

图2为复合结构陶瓷层的断面形貌视图；

图3为烧结处理后涂层的断面形貌视图。

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。

实施例1：

一种低导热抗烧结双模结构热障涂层的制备工艺，包含以下步骤：

在高温合金基体及其粘结层表面，采用粒径为10μm～30μm的8YSZ喷涂粉末，液料为纳米YSZ分散液，通过等离子粉末与悬浮液液料喷涂相结合的复合喷涂制备出复合结构涂层，即8YSZ喷涂粉末基于粉末喷涂形成扁平粒子结构含有亚微米与微米尺寸的层间裂纹和纵向裂纹的结构，而纳米YSZ分散液则基于液料喷涂在液料未干燥或干燥但不熔化的条件下喷涂沉积形成横向尺寸为50～200μm、纵向尺寸为0.5～3μm的扁平状颗粒层，因此涂层呈现明显的熔滴铺展后再冷却凝固形成的片层与悬浮液滴铺展后干燥形成的颗粒堆积层所构成的双模结构，如图1所示，纳米颗粒之间堆积疏松，在后期高温加热或高温服役中因快速烧结收缩出大孔隙，如图2可知，纳米颗粒堆的扁平状粒子层，其长度为上百微米，厚度为几微米。经过1000℃以上高温处理后，涂层的高倍断面形貌如图3所示，由于纳米颗粒的快速烧结收缩，涂层中出现了大孔隙，横向尺寸可根据喷涂参数控制在50～200μm、纵向尺寸0.2～0.5μm、体积含量为5％～40％。该涂层具有低导热抗烧结的特征。

实施例2：

一种低导热抗烧结双模结构热障涂层的制备工艺，包含以下步骤：

在高温合金基体及其粘结层表面，采用粒径为25μm～75μm的中空球形锆酸镧喷涂粉末，液料为氢氧化锆和氢氧化镧的纳米分散液，通过等离子粉末与悬浮液液料复合喷涂制备出复合结构涂层，即锆酸镧喷涂粉末基于粉末喷涂形成扁平粒子结构含有亚微米与微米尺寸的层间裂纹和纵向裂纹的结构，而纳米氢氧化锆和氢氧化镧的分散液则基于液料喷涂在液料未干燥条件下喷涂沉积形成横向尺寸为50～200μm、纵向尺寸为0.5～3μm的扁平状颗粒层，因此涂层呈现明显的双模结构，纳米颗粒之间堆积疏松，在后期高温加热或高温服役中，因氢氧化锆和氢氧化镧分解变为氧化锆和氧化镧且很快进一步固溶为锆酸镧，质量减少和物质密度增加均导致其体积显著收缩，且快速烧结收缩，从而形成大孔隙。该涂层具有低导热抗烧结的特征。