[发明专利]一种高寿命耐氧化热障涂层材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于热障涂层表面处理及改性技术领域，尤其涉及一种高寿命耐氧化热障涂层材料及其制备方法。

背景技术

随着航空航天技术的快速发展，涡轮发动机的燃气进口温度和效率不断提高，而现有的高温合金和冷却技术已无法满足这一需求，目前国际上通用的最为有效、经济和可行的方法是在工件喷涂具有高温氧化和绝热功能的热障涂层（TBCs）材料，以此来保护叶片等高温部件免受高温度的侵蚀，增加燃气轮机功率，延长发动机的使用寿命。

TBCs 是由陶瓷氧化物和具有抗高温氧化性能的中间层组成的一种热防护系统；目前实际应用的典型航空用TBCs大都采用双层结构：起隔热作用的陶瓷面层（TC）和改善基体与陶瓷层物理相容性的金属粘结层（BC）；热障涂层的制备方法有多种，例如激光熔覆、超音速火焰喷涂（HVOF）、大气等离子喷涂（APS）、电子束物理气相沉积(EB-PVD)等；其中，大气等离子喷涂由于具有较高的喷涂沉积效率及结合强度、低的材料要求、良好的经济效益、简易的工艺过程等优点，是目前民航发动机热障涂层的主要制备方法。

在实际应用中，由于TBCs在强烈的高温氧化和腐蚀的恶劣环境中服役，并且承受频繁的冷热循环冲击，所以其使用寿命非常有限，容易发生涂层开裂、剥离、脱落等形式的失效，而且主要发生在化学组成和物理性能陡变的金属粘结层和陶瓷层的结合界面上；由等离子喷涂制备的热障涂层具有以下缺点：涂层疏松多孔且涂层成分不均匀，表面粗糙度较大；因此，在高温环境中，外界氧元素向陶瓷层和金属粘结层快速扩散，形成所谓的热生长氧化物TGO；由于等离子喷涂制备的涂层表面疏松多孔，因此在涂层界面处很难形成连续致密的TGO保护膜，并且随着氧化反应的进一步进行，过渡层中的Al逐渐贫化，粘结层内的Ni、Cr、Co等元素则会形成具有尖晶石结构的大颗粒氧化物，形成较大的生长应力，进而在涂层界面和TGO层内部萌生裂纹，最终导致涂层过早失效。

鉴于以上技术问题考虑，本发明公开了一种高寿命耐氧化热障涂层材料及其制备方法；这种涂层材料主要分为三层：金属粘结层、细晶重熔层、陶瓷层；这种涂层材料在陶瓷层与粘结层界面处引入一层重熔层，并且对该重熔层进行喷砂处理，进一步粗化最表层结构，能够更好的实现陶瓷层与粘结层之间的机械结合；此外，该重熔层组织成分均匀，具有超细的晶体结构，在高温氧化环境中，能够加速Al元素的选择性氧化，促使涂层在很短的时间内快速形成连续致密的氧化膜，从而使非受控的TGO生长按照预想的模式生长，进而有效地提高涂层的抗氧化性能，是一种理想的高寿命耐氧化热障涂层材料。

发明内容

为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种高寿命耐氧化热障涂层材料及其制备方法；通过结构设计和制备方法设计，解决了离子喷涂方法制备涂层时粘结层表面疏松多孔，界面处难以获得连续致密的TGO保护膜，导致涂层容易开裂、翘曲和脱落等问题，具有较强的高温耐氧化性能，提高了热效率，延长了使用寿命。

本发明提出的一种高寿命耐氧化热障涂层材料，包括金属基体，在所述的金属基体表面形成金属粘结层，在所述的金属粘结层表面形成组织均匀的细晶重熔层，在所述的细晶重熔层表面形成陶瓷面层。

所述的粘结层及陶瓷层均采用等离子喷涂方法获得，所述的细晶重熔层采用强流脉冲电子束重熔技术制备而成。

所述金属基体优选采用镍基高温合金，先采用喷砂粗化处理后再沉积金属粘结层。

所述等离子喷涂制备的金属粘结层采用MCrAlY，其中；M：Co、Ni或Co+Ni，为常规技术选择，厚度在150~200μm之间。

所述强流脉冲电子束制备的细晶重熔层表面光滑致密，重熔层厚度在10~40μm之间。  

所述细晶重熔层最表层先采用喷砂粗化处理后再沉积陶瓷面层。

所述等离子喷涂制备的陶瓷面层优选采用质量百分含量为6％～8％Y₂O₃稳定的ZrO₂，厚度在200~300μm之间。

本发明中，上述公开的高寿命耐氧化热障涂层材料与现有制备技术相比，具有以下优点：利用电子束对等离子喷涂方法制备的金属粘结层表面进行重熔处理，涂层表面形成均匀致密的重熔层，厚度可达几十微米；该层重熔层组织细化、均匀，在氧化前期能够快速形成TGO保护膜，从而有效抑制了其他元素的扩散，提高了涂层的抗氧化性能，减小了循环热应力的产生，有效提高了涂层的使用寿命。

本发明还提出了一种高寿命耐氧化热障涂层材料的制备方法，技术方案如下：