一種多層熱障塗層及其形成方法

2023-06-08 18:24:01

一種多層熱障塗層及其形成方法
【專利摘要】本發明涉及一種多層熱障塗層，包括從下至上依次設置的基體、粘結層和陶瓷頂層，該陶瓷頂層由從下至上依次設置的分別具有不同微觀結構的含垂直裂紋陶瓷底層，多孔隙中間陶瓷層和緻密陶瓷頂層組成。本發明還提供一種多層熱障塗層的形成方法，包括提供基體和粘結層；在所述粘結層的上表面通過等離子噴塗形成含垂直裂紋陶瓷底層；在所述含垂直裂紋陶瓷底層的上表面通過等離子噴塗形成多孔隙中間陶瓷層；在所述多孔隙中間陶瓷層的上表面通過等離子噴塗形成緻密陶瓷頂層。本發明通過從下至上依次設置的含垂直裂紋陶瓷底層，多孔隙中間陶瓷層和緻密陶瓷頂層形成含不同微觀結構的多層熱障塗層，使得熱障塗層具有數倍於現有的熱障塗層的熱循環壽命。
【專利說明】一種多層熱障塗層及其形成方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及熱障塗層，更具體地涉及一種多層熱障塗層及其形成方法。

【背景技術】
[0002]自20世紀初期，渦輪機一直朝著高流量比、高推重比、高進口溫度的方向發展，燃燒室中的燃氣溫度和壓力被不斷提高。為了保護熱端部件不被氧化和腐蝕，熱障塗層作為一種有效的保護方法得到了廣泛的研宄和應用。Padture N.P在Science中指出，熱障塗層在提高發動機、渦輪機、汽輪機熱效率以及服役壽命的所有耐高溫材料中具有無可替代的作用。在美國、歐洲以及我國的航空發動機推進計劃中均把熱障塗層技術列為與高溫結構材料、高效葉片冷卻技術並重的高性能航空發動機高壓渦輪葉片技術的三大關鍵技術。
[0003]目前的熱障塗層，如圖1所示，主要包括從下至上依次設置的基體1、粘結層2和陶瓷頂層3，其中，該陶瓷頂層3為單層的多孔陶瓷層。在高溫服役環境下，該熱障塗層通過等離子噴塗形成，由於該單層的多孔陶瓷層結構的特點，可以得到較為理想的低熱導率，滿足其隔熱作用的功能性要求。
[0004]隨著熱障塗層技術在發動機熱端部件的應用，人們進一步認識到，現有的熱障塗層雖可以提高發動機的工作溫度和增強部件的抗腐蝕能力，但是由於惡劣的工作環境以及塗層系統自身的材料特點，往往會引起熱障塗層的提前失效，從而大大影響了熱障塗層的推廣。目前已有研宄指出，在陶瓷層和粘結層界面發生剝離之前，陶瓷層內已經發生了開裂失效。


【發明內容】

[0005]為了解決上述現有技術中存在的現有的熱障塗層的提前失效的問題，本發明旨在提供一種多層熱障塗層及其形成方法。
[0006]本發明提供一種多層熱障塗層，包括從下至上依次設置的基體、粘結層和陶瓷頂層，其中，該陶瓷頂層由從下至上依次設置的分別具有不同微觀結構的含垂直裂紋陶瓷底層，多孔隙中間陶瓷層和緻密陶瓷頂層組成。
[0007]所述含垂直裂紋陶瓷底層的厚度為70 μ m?90 μ m。
[0008]所述多孔隙中間陶瓷層的厚度為120μπι?140 μm。
[0009]所述緻密陶瓷頂層的厚度為40 μπι?60 μπι。
[0010]所述含垂直裂紋陶瓷底層的垂直裂紋密度為1.SmnT1?2.2mm '
[0011]所述多孔隙中間陶瓷層的孔隙率為12.5%?17.7%。
[0012]本發明還提供一種多層熱障塗層的形成方法，包括以下步驟:SI，提供基體；S2，在所述基體的上表面形成粘結層；S3，在所述粘結層的上表面通過等離子噴塗形成含垂直裂紋陶瓷底層；S4，在所述含垂直裂紋陶瓷底層的上表面通過等離子噴塗形成多孔隙中間陶瓷層；以及S5，在所述多孔隙中間陶瓷層的上表面通過等離子噴塗形成緻密陶瓷頂層。
[0013]在所述步驟S3，S4，S5中，所述等離子噴塗均採用8wt%氧化紀部分穩定的氧化錯(8YSZ)粉末實現。
[0014]在所述步驟S3，S4中，所述等離子噴塗均採用球形空心粉末實現。採用球形空心粉末更容易產生孔隙結構。
[0015]在所述步驟S5中，所述等離子噴塗採用燒結破碎粉末實現。採用燒結破碎粉末更容易產生緻密結構。
[0016]在所述步驟S3中，所述等離子噴塗的預熱溫度為740?800 °C，噴塗過程中不涉及任何冷卻，從而在所述含垂直裂紋陶瓷底層中形成垂直裂紋。含垂直裂紋陶瓷底層在如此高的預熱溫度下已經形成柱狀晶結構，具有比層狀結構要高的斷裂抗性，而其中存在的縱向裂紋，可以增大陶瓷層自身的應變容限，又會在熱循環(服役過程中)過程中有效地釋放一部分能量，從而緩解含垂直裂紋陶瓷底層與粘結層界面處的應力集中。
[0017]在所述步驟S4中，所述等離子噴塗的預熱溫度為200?300°C，噴塗過程中採用壓縮空氣冷卻，從而在所述多孔隙中間陶瓷層中形成多孔隙結構。
[0018]在所述步驟S5中，所述等離子噴塗的預熱溫度為700?800°C，噴塗過程中採用壓縮空氣冷卻，從而在所述緻密陶瓷頂層中形成緻密的柱狀晶結構。此外，緻密陶瓷頂層阻礙了氧氣的進入，從而減緩了粘結層氧化生成界面間的脆性相，即熱生長氧化物，從而緩解含垂直裂紋陶瓷底層與粘結層界面處的應力集中。
[0019]本發明通過從下至上依次設置的含垂直裂紋陶瓷底層，多孔隙中間陶瓷層和緻密陶瓷頂層形成含不同微觀結構的多層熱障塗層，其中，含垂直裂紋陶瓷底層可以提高熱障塗層的應變容限，進而實現高開裂抗性；多孔隙中間陶瓷層可以保證熱障塗層較低的熱導率，滿足其隔熱的功能性要求；而緻密陶瓷頂層則可以起到阻止氧氣和腐蝕介質進入的作用，抑制陶瓷頂層和粘結層界面的氧化反應及腐蝕導致的開裂，從而確保熱障塗層的結構和功能穩定性，並且使得熱障塗層具有數倍於現有的熱障塗層的熱循環壽命。本發明利用等離子噴塗工藝製備含垂直裂紋陶瓷底層，多孔隙中間陶瓷層和緻密陶瓷頂層的多層熱障塗層，僅通過改變不同的噴塗工藝參數來獲得不同微觀結構的陶瓷頂層，該製備方法不僅廉價而且尚效。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是根據現有技術的熱障塗層的複合層結構圖；
[0021]圖2是根據本發明的多層熱障塗層的複合層結構圖。

【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖，給出本發明的較佳實施例，並予以詳細描述。
[0023]根據本發明的多層熱障塗層通過以下方法進行形成:
[0024]SI，由鎳基合金738提供基體10。
[0025]S2，在不送粉的情況下，利用噴槍將基體10預熱至250°C後，直接在基體10的上表面噴塗NiCrAH粉末形成粘結層20 ;此時，電壓設定為60V，電流設定為500A，主氣壓力為0.4MPa，氫氣壓力為0.25MPa，將噴槍移動速度設定為150mm/s，噴塗距離為100mm，送粉率為10g/min，所形成的粘結層20的厚度為150 μ m左右。
[0026]S3，在不送粉的情況下，利用噴槍將基體10和粘結層20預熱至750°C後，然後在無任何冷卻措施的條件下，直接在粘結層20的上表面噴塗球形空心的8￥203-21"02粉末形成含垂直裂紋陶瓷底層31。此時，電壓為65V，電流為600A，主氣壓力為0.4MPa，氫氣壓力為0.25MPa，將噴槍移動速度設定為150mm/s，噴塗距離為80mm，送粉率為10g/min，所形成的含垂直裂紋陶瓷底層31的厚度為80 μ m，垂直裂紋密度為2.0mm \
[0027]S4，在不送粉的情況下，利用噴槍將基體10、粘結層20和含垂直裂紋陶瓷底層31預熱至250°C後，然後在採用壓縮空氣冷卻的條件下，直接在含垂直裂紋陶瓷底層31的上表面噴塗球形空心的SY2O3-ZrO2粉末形成多孔隙中間陶瓷層32。此時，噴塗過程的電壓略微較低，控制在63V左右，噴塗距離為90mm，其他噴塗參數與前面保持不變。所形成的多孔隙中間陶瓷層32的厚度為140 μm，孔隙率在15%。
[0028]S5，在不送粉的情況下，利用噴槍將基體10、粘結層20、含垂直裂紋陶瓷底層31和多孔隙中間陶瓷層32預熱至750°C後，然後在採用壓縮空氣冷卻的條件下，直接在多孔隙中間陶瓷層32的上表面噴塗燒結破碎的8￥203-21<)2粉末形成緻密陶瓷頂層33。此時，電壓為65V，電流為600A，主氣壓力為0.4MPa，氫氣壓力為0.25MPa。將噴槍移動速度設定為150mm/s，噴塗距離為80mm，送粉率為15g/min左右。所形成的緻密陶瓷頂層33的厚度為50 μ m0
[0029]上述工藝製備出的多層熱障塗層，在1050°C的馬弗爐中保溫lOmin，然後迅速放入去離子水中冷卻至室溫。以這樣的條件進行熱循環試驗，以表面剝落面積比例達到20%時的熱循環次數作為塗層壽命。本發明提出的一種含不同微觀結構多層熱障塗層經歷了138次之後失效，而相同實驗條件下，採用常規工藝製備的塗層經歷了 65次即發生失效。
[0030]在形成含垂直裂紋陶瓷底層31的步驟S3中，將預熱溫度控制在740?800°C，電壓控制在64-66V，電流控制在600-610A，主氣壓力控制在0.4-0.45MPa，氫氣壓力控制在0.25-0.29MPa，噴槍移動速度控制在140-160mm/s，噴塗距離控制在75_85mm，送粉率控制在8-12g/min，從而確保所形成的含垂直裂紋陶瓷底層31的厚度為70?90 μ m，垂直裂紋密度為 1.8mm 1 ?2.2mm 1O
[0031]在形成多孔隙中間陶瓷層32的步驟S4中，將噴塗過程的電壓控制在60-63V，噴塗距離控制在85-95mm，從而確保所形成的多孔隙中間陶瓷層32的厚度為120?140μπι，孔隙率為12.5%?17.7%。
[0032]在形成緻密陶瓷頂層33的步驟S5中，將預熱溫度控制在740-800 °C，電壓控制在64-66V，電流控制在600-605A，主氣壓力控制在0.4-0.45MPa，氫氣壓力控制在0.25-0.3Mpa，噴槍移動速度控制在140-160mm/s，噴塗距離控制在80-90mm，送粉率控制在10-15g/min，從而確保所形成的緻密陶瓷頂層33的厚度為40?60 μπι。
[0033]應當理解，上述含垂直裂紋陶瓷底層31，多孔隙中間陶瓷層32和緻密陶瓷頂層33的各厚度可以需要根據各層的具體作用進行選擇，含垂直裂紋陶瓷底層31需要提高熱障塗層的應變容限，多孔隙中間陶瓷層32需要保證熱障塗層較低的熱導率，而緻密陶瓷頂層33需要阻止氧氣和腐蝕介質進入。進一步地，優選將上述含垂直裂紋陶瓷底層31，多孔隙中間陶瓷層32和緻密陶瓷頂層33的總厚度控制在240?290 μ m，從而更好地實現本發明的目的。
[0034]以上所述的，僅為本發明的較佳實施例，並非用以限定本發明的範圍，本發明的上述實施例還可以做出各種變化。即凡是依據本發明申請的權利要求書及說明書內容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發明專利的權利要求保護範圍。本發明未詳盡描述的均為常規技術內容。
【權利要求】
1.一種多層熱障塗層，包括從下至上依次設置的基體、粘結層和陶瓷頂層，其特徵在於，該陶瓷頂層由從下至上依次設置的分別具有不同微觀結構的含垂直裂紋陶瓷底層，多孔隙中間陶瓷層和緻密陶瓷頂層組成。
2.根據權利要求1所述的多層熱障塗層，其特徵在於，所述含垂直裂紋陶瓷底層的厚度為70 μπι?90 μπι，所述多孔隙中間陶瓷層的厚度為120 μπι?140 μπι，和/或所述緻密陶瓷頂層的厚度為40 μπι?60 μπι。
3.根據權利要求1所述的多層熱障塗層，其特徵在於，所述含垂直裂紋陶瓷底層的垂直裂紋密度為1.8mm 1?2.2mm
4.根據權利要求1所述的多層熱障塗層，其特徵在於，所述多孔隙中間陶瓷層的孔隙率為 12.5%?17.7%。
5.—種多層熱障塗層的形成方法，包括以下步驟:S1，提供基體；S2，在所述基體的上表面形成粘結層；其特徵在於，還包括步驟: S3，在所述粘結層的上表面通過等離子噴塗形成含垂直裂紋陶瓷底層； S4，在所述含垂直裂紋陶瓷底層的上表面通過等離子噴塗形成多孔隙中間陶瓷層；以及 S5，在所述多孔隙中間陶瓷層的上表面通過等離子噴塗形成緻密陶瓷頂層。
6.根據權利要求5所述的形成方法，其特徵在於，在所述步驟S3，S4,S5中，所述等離子噴塗均採用8被％氧化釔部分穩定的氧化鋯粉末實現。
7.根據權利要求6所述的形成方法，其特徵在於，在所述步驟S3，S4中，所述等離子噴塗均採用球形空心粉末實現，在所述步驟S5中，所述等離子噴塗採用燒結破碎粉末實現。
8.根據權利要求5所述的形成方法，其特徵在於，在所述步驟S3中，所述等離子噴塗的預熱溫度為740?800°C，噴塗過程中不涉及任何冷卻，從而在所述含垂直裂紋陶瓷底層中形成垂直裂紋。
9.根據權利要求5所述的形成方法，其特徵在於，在所述步驟S4中，所述等離子噴塗的預熱溫度為200?300°C，噴塗過程中採用壓縮空氣冷卻，從而在所述多孔隙中間陶瓷層中形成多孔隙結構。
10.根據權利要求5所述的形成方法，其特徵在於，在所述步驟S5中，所述等離子噴塗的預熱溫度為700?800°C，噴塗過程中採用壓縮空氣冷卻，從而在所述緻密陶瓷頂層中形成緻密的柱狀晶結構。
【文檔編號】C23C4/10GK104451519SQ201410697118
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月26日 優先權日:2014年11月26日
【發明者】王衛澤, 俞澤新, 於景業, 吳良敏, 陳雨帆 申請人:華東理工大學