[发明专利]一种复合热障涂层及其制备方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及热障涂层领域，特别涉及一种用于燃气涡轮发动机高温部件的热障涂层陶瓷层的制备方法，改善其抗氧化性能并提高陶瓷层的高温下稳定性。

【背景技术】

航天、航空、航海、燃气发电、化工和冶金等众多领域的飞速发展促进了热障涂层的研究开发与应用。为了提高涡扇发动机以及燃气轮机的效率，提高推力/质量比和使用寿命，许多密度低、室温韧性好、高温强度高的先进材料将被大量使用，各种功能涂层将得到广泛应用，其中热障涂层对提高发动机工作温度起着非常重要的作用。

所谓热障涂层是指由金属粘结层和陶瓷表面涂层组成的涂层系统。陶瓷层借助这一中间合金粘结层而与金属基体连结，从而降低了界面应力，避免陶瓷层的过早剥落。应用最广的热障涂层制备工艺是等离子喷涂和电子束物理气相沉积。

热障涂层中的陶瓷层通常选用的材料是Y₂O₃部分稳定的ZrO₂陶瓷（YSZ），因为它具有一定的孔隙率，导致较低的热导率，同时又和基体镍基高温合金以及氧化铝有相近的热膨胀系数。此外，一定孔隙的存在使得陶瓷层有较好的抗冲击能力；高熔点使得陶瓷层可以直接在高温条件下使用。但是由于陶瓷层中存在的孔隙与通道，加之高温下的YSZ属于快离子导体，通常的YSZ不会阻止氧的通过。并且YSZ在高温下长时间的循环使用，会发生烧结，晶粒长大，气孔收缩，使得陶瓷层的热导率增大，减少了热障涂层的使用寿命。

近年来有报道称烧绿石结构的稀土锆酸盐是很有前途的TBC材料，其中La₂Zr₂O₇与Gd₂Zr₂O₇在熔点（2300°C）以下相是稳定的以下相是稳定的，而且比YSZ热导率更低，但是它们的热胀系数相对较低、涂层韧性较差，目前这种涂层的热循环寿命还不如YSZ涂层。若TBCs的陶瓷层中能综合这两种涂层的优点，势必可以提高涂层的使用寿命。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种复制热障涂层及其制备方法，在传统的YSZ表面复合一层稀土锆酸盐陶瓷层，可以用于高温燃气轮机，涡轮喷气发动机等高温热机，改善其抗氧化性能并提高陶瓷层的高温下稳定性。

为达到以上目的，本发明复制热障涂层制备方法包括以下各步骤：

1） 采用薄膜制备工艺，在陶瓷层表面上沉积一层R₂O₃薄膜，R为Nd，Sm，Eu，Gd或Tb中的一种或两种以上组合；

2） 将镀膜后的热障涂层陶瓷层置于电阻炉中，在空气条件下进行扩散烧结，使得在陶瓷层表面区域形成R₂Zr₂O₇稀土锆酸盐陶瓷层。

上述方法中，所述的薄膜制备工艺包括等离子喷涂或磁控溅射。

所述步骤1）薄膜的沉积厚度是1-10μm。

所述步骤2）扩散烧结时间2-10小时，温度为1000-1400°C。

所述等离子喷涂工艺条件为，电压74V，电流650A，R₂O₃送粉率60g·min^-1，氩气流速2550L·h^-1，氢气流速425L·h^-1，喷涂距离80-150mm。

所述磁控溅射工艺条件为，纯度99.99%以上的R₂O₃靶，靶材与工件表面的距离50mm，直流电源，功率25W，工作气体Ar气，压力0.16-0.3Pa，流速21-28sccm。

一种复合热障涂层，包括陶瓷层和粘结层，所述陶瓷层为质量分数为6-8%Y₂O₃的ZrO₂陶瓷，该陶瓷表面涂覆有R₂O₃薄膜，R为Nd，Sm，Eu，Gd或Tb中的一种或两种以上组合，所述粘结层为MCrAlY合金体系，其中M表示Ni，Co，Fe或者它们的混合。

所述粘结层中Al质量分数在8-12%。

所述粘结层中，当M为Ni时，Ni，Cr，Al和Y的质量分数分别是69%，20%，10%和1%。

所述粘结层中，当M为Ni和Co混合物时，Ni，Co，Cr，Al和Y的质量分数分别是31%，31%，25%，12%和1%。