[发明专利]一种用于研究平板结构热障涂层界面屈曲破坏的热障涂层试样的制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种热障陶瓷涂层材料的制备，更具体地说，是指一种采用等离子喷涂工艺制备含内埋界面缺陷的热障涂层实验试样。

背景技术

近年来航空发动机向高流量比、高推重比、高涡轮空气进口温度方向发展，发动机热端部件，特别是燃烧室的燃气温度和燃气压力不断提高，现代超音速飞机的飞行速度已达到或超过4倍音速，航空发动机的空气进口温度已达到1400℃，随着发动机的性能不断提高，预计将会达到1700℃，甚至可能达到2000℃。这样高的温度远超过现有合金的熔点，因此为了达到如此高的燃气温度，必须采取相应措施，一是改进冷却技术，以降低燃烧室壁与燃气接触的温度；二是使用更先进的高温合金材料；三是在现有耐热合金上喷涂热障涂层(ThermalBarrier Coatings，TBCs)。但是无论采用哪种冷却技术，都会降低发动机的热效率，因此采用先进的热障涂层技术是未来航空发动机热端部件防护技术的主流趋势。热障涂层是指把陶瓷粉末喷涂在高温合金热端部件表面，利用低热导率的具有良好隔热性能的陶瓷涂层保护合金免受燃气的高温腐蚀和冲蚀，大大延长高温部件的使用寿命。它已成为现代航空发动机的关键技术之一，它是许多国家航空装备制造业发展的关键材料，为航空发动机及燃气轮机工业带来重大的改进和效益，是一种具有高性能和高附加值的先进材料。在实际应用中，由于材料参数不匹配、高温蠕变、高温界面氧化和陶瓷材料高温相变等因素共同导致热障涂层受到热应力和残余压缩应力的交替作用，伴随着涂层界面孔洞或界面裂纹的不断成核、扩展和裂纹连接，最终导致陶瓷涂层通常以屈曲和剥落形式而破坏。一旦涂层发生剥落，热端金属部件将直接暴露在高温恶劣环境下，其后果是十分严重的。界面屈曲破坏是热障涂层材料不可避免的最主要最常见的破坏模式，对于该问题已吸引了固体力学、材料科学和应用数学等领域中科研工作者的广泛关注。

为了比较充分地研究陶瓷层与合金基体之间的界面结合性能，研究人员希望能够人为地在热障涂层界面处预制出某些缺陷或界面裂纹，以便进行力学建模分析和计算。但是由于陶瓷层与合金基体结合牢固以及陶瓷材料是典型的脆性材料，所以一般很难在其界面人为地预制界面裂纹。目前针对热障涂层界面屈曲破坏特性的相关研究，国内外尚未见专门报道制备含界面缺陷(或界面裂纹)热障涂层样品或制备方法。

发明内容

本发明的目的是：提出一种合理的制备含内埋界面缺陷的热障涂层实验试样的工艺，预先设计的界面缺陷材料成分选取合理，并且可以任意设置界面缺陷位置和大小，为热障涂层界面屈曲破坏的研究提供了一种极具有针对性的实验试样，彻底解决了当前难于寻找合适的带界面缺陷(裂纹)的热障涂层试样的问题，节省了大量的实验时间和人力物力，而且该方法可以推广到其它类型的薄膜/涂层系统界面屈曲破坏问题的分析。

本发明的目的通过下述方式实现的：

本发明工艺按如下步骤进行：

第一步将合金基体(1)进行增强粗糙度的前处理；

第二步采用等离子喷涂方式喷涂粘结层(2)粉末材料，在基体(1)上形成粘结层(2)，并制得第一基体；

第三步采用等离子喷涂方式制备预制界面缺陷

将经第二步制得的所述第一基体进行适当的表面毛化处理，然后用软材质耐高温金属薄片或耐高温胶带(3)紧紧缠住第一基体两端，仅仅露出中间一小部分粘结层，获得第二基体；其中露出的粘结层(2)宽度代表了界面缺陷长度a；再对第二基体喷涂Al₂O₃粉末材料，在第二基体上形成Al₂O₃薄层(4)，并制得第三基体；

第四步采用等离子喷涂工艺制备陶瓷层

将经第三步制得的所述第三基体去除缠在两端的耐高温金属薄片或耐高温胶带(3)，然后利用等离子喷涂工艺制备陶瓷层(5)，最终得到热障涂层实验试样。

在上面四个步骤中，第二步中制得粘结层(2)厚度为80～120μm的第一基体；粘结层(2)粉材的粒度为50～80μm的NiCrAlY。

第三步中界面缺陷长度a可以设定为：a＝1mm、2mm、3mm、4mm、6mm、8mm或10mm。第三基体中Al₂O₃薄层(4)厚度为1～5μm，Al₂O₃粉材的粒度为30～50μm。

第四步中，陶瓷粉材的粒度为30～70μm的含6～8wt％Y₂O₃的ZrO₂，热障陶瓷涂层厚度为100～400μm。