[发明专利]一种镍合金基体表面热障涂层及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种镍合金基体表面热障涂层及制备方法，具体是采用料浆喷涂法及低温烧结法在镍合金基体表面制备微晶玻璃粘结层与陶瓷表层复合结构。属于金属表面复合结构制造技术领域。

背景技术

K38G镍合金是广泛使用的铸造镍合金。常用于制造现代航空发动机、航天器和火箭发动机以及舰艇和工业燃气轮机在高温下工作的零部件。在复杂的工作环境下，单靠它自身的性能还是不能完全满足要求，因此为得到更好的耐热和耐蚀性能，在其表面施加热障涂层(Thermal Barrier Coatings)是一种便捷途径。

目前，热障涂层的结构主要可分为双层结构，多层结构和梯度结构三种结构形式。双层结构主要有陶瓷表层和粘结层组成，由于双层结构简单，制备工艺成熟，热障效果好，目前广泛应用。

目前广泛应用的粘结层材料为MCrAlY(M代表Ni或NiCo)合金粉末。MCrAlY合金粘结层在高温氧化时会形成热长大氧化物(TGO)，也即热生长层，这是一个体积膨胀的过程，由于TGO的韧性与合金基体的相比微不足道，在界面会限制这种体积变化，因此会出现残余压应力，冷却到环境温度时，残余压应力会进一步增大。理论计算显示，在陶瓷/金属界面加入简化的TGO氧化层后，界面的应力分布将发生反转，导致涂层在交变应力作用下发生裂纹的扩展并最终导致涂层失效。目前使用的表层陶瓷材料是8wt％Y₂O₃-ZrO₂(8YSZ)陶瓷材料，这种表层陶瓷热障涂层具有较低的热导率，较高的热膨胀系数及良好的抗热冲击性，但长期使用温度不能超过1200℃，温度过高会导致8YSZ发生相变，容易被烧结，氧传导速率增加，金属粘结层容易被氧化，从而导致涂层脱落失效，已难以满足涡轮进口温度进一步提高的需要。

近年来，具有烧绿石结构的锆酸盐陶瓷以其良好的高温热稳定性、隔热性能和抗热腐蚀性能，已成为热障涂层陶瓷隔热表层材料研究的热点之一。其中，锆酸镧(La₂Zr₂O₇)及稀土掺杂的锆酸镧(La_1.7Nd_0.3Zr₂O₇和La_1.7Nd_0.3(Zr_0.85Ce_0.15)₂O₇)均具有优异的高温热稳定性，并具有较8YSZ更低的导热系数。微晶玻璃被广泛用于金属或合金的保护性抗氧化涂层、粘结或电子封装。这主要是由于微晶玻璃可以通过调整成分，使其热物性能与金属基体和陶瓷表层的热物性能达到更好的匹配性；其次，微晶玻璃本身作为氧化物材料，在使用过程中不会形成金属粘结层表面的TGO，从而从根本上解决TGO生长导致涂层剥落失效的难题，而且由于高温下玻璃的粘性流动可以大幅度释放界面的热应力，减少裂纹的产生，达到延长涂层使用寿命的目的。

在镍合金基体表面用料浆喷涂-低温烧结法制备以微晶玻璃层为粘结层，La₂Zr₂O₇或La_1.7Nd_0.3(Zr_0.85Ce_0.15)₂O₇为陶瓷表层的热障涂层及其制备方法，在国内外尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种工艺方法简单，操作简便，通过料浆喷涂-低温烧结技术在镍合金表面制备以微晶玻璃作为粘结层、锆酸盐作为陶瓷表层的热障涂层，涂层具有良好的抗热震性能、隔热和抗氧化性能的镍合金基体表面热障涂层及制备方法。

本发明一种镍合金基体表面热障涂层，包括玻璃粘合层和陶瓷表层，所述玻璃粘合层按重量百分比由下述组分组成：

本发明一种镍合金基体表面热障涂层中，所述陶瓷表层材料为锆酸盐La₂Zr₂O₇、La_1.7Nd_0.3Zr₂O₇或La_1.7Nd_0.3(Zr_0.85Ce_0.15)₂O₇中的一种。

本发明一种镍合金基体表面热障涂层的制备方法，包括以下步骤：