[发明专利]一种低导热抗烧结热障涂层及其制备工艺

说明书

【技术领域】

本发明涉及涂层技术领域，具体为一种热障涂层及其制备工艺。

【背景技术】

燃气涡轮发动机的主要发展方向是提高发动机涡轮前燃烧温度、增加推重比和提升涡轮发动机部件在包括腐蚀和氧化等严酷服役环境下的热效率。随着发动机燃烧温度、推重比和热效率的提高，发动机热端部件，特别是燃烧室中的燃气温度和燃气压力不断提高，燃气涡轮机的燃气工作温度预计很快将达到1930℃。这样高的温度已经超过现有合金的熔点，因此必须采用冷却以及隔热措施，才能保证透平叶片在高温环境中长时间地工作，在现有技术条件下，厚度为250μm或更厚的热障涂层可使叶片基体表面温度降低50甚至超过100℃，这相当于经过30年的努力才能在提高高温合金使用温度的方面取得的进展。

典型的热障涂层陶瓷涂层制备方法包括由电子束物理气相沉积(EB-PVD)和等离子喷涂，其中，等离子喷涂陶瓷涂层因其独特的层状组织结构而具有较低的热导率和优异的隔热性能，在燃气轮机热端叶片和航空发动机热端静叶等方面具有广泛的应用背景。在热障涂层正常工作条件下，大部分温度梯度是落在陶瓷表层上的，此外，陶瓷表层是直接与高温燃气相接触的，它还要承受燃气中外来粒子的高速冲击、磨损以及高温化学环境的热腐蚀、热冲击。同时陶瓷表层又与粘结层、TGO层相接触，使其还应当具备与粘结层/TGO层之间良好的热匹配和化学相容性。因此，陶瓷层材料及其制备方法的研究，特别是具有更低热导率的材料和涂层结构设计的探索研究，对热障涂层的发展具有十分重要的意义。

热障涂层的制备过程中，高速喷涂的片与片之间的交叠处存在大量晶间孔隙：分别是球形孔、平行于热流方向纵向孔隙、垂直于热流方向的横向孔隙。研究表明垂直于热流方向的孔隙能使涂层隔热性能大幅提升。这些孔隙和微孔内的主要物质是空气，空气的热导率无论是高温还是低温均大大低于固体基材，当热量流经这些密闭空气的时候，其传输速率将大大降低，因此，在保持热障涂层结构完整性的前提下，可通过提高垂直于热流方向的孔隙率来降低涂层的热导率、改善隔热效果。

在高温服役过程中，热障涂层的结构将由于相变和烧结作用而发生显著改变，比如裂纹烧结愈合、层状结构逐渐消失、热导率上升导致涂层隔热性能下降、弹性模量提高和热应变协调能力下降导致涂层寿命下降等。现有工艺制备的陶瓷层裂纹尺寸在几十纳米到几百纳米之间，经过一段时间服役后，尺寸小于200nm的裂纹会快速愈合，严重影响涂层服役寿命，因此通过合适的工艺控制制作含有垂直于热流方向大裂纹的涂层结构变得非常有意义。

总之，若能通过涂层结构设计与制备方法的控制，在不影响涂层力学性能的前提下尽可能通过简单易行的方法制备这种垂直于热流方向的大尺寸孔隙，将是提高热障涂层隔热性能和寿命的重要方法。

【发明内容】

本发明的目在于提供一种低导热抗烧结热障涂层及其制备工艺，使该涂层的热导率显著降低且不明显影响涂层的力学性能，具有长寿命和高隔热效果的特征，从而能够大幅度提高涂层服役性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低导热抗烧结热障涂层制备工艺，包括以下步骤：通过热喷涂方法，将热障涂层材料A粉末和可相变收缩的陶瓷材料B粉末喷涂沉积，制备出B粉末体积含量为5％～50％的复合陶瓷涂层，其中，B粉末形成B扁平粒子，A粉末中熔化的部分形成A扁平粒子，各扁平粒子间形成部分结合部分孔隙的结构；在热处理或实际应用过程的高温条件下复合在A扁平粒子构成的骨架内的B扁平粒子产生相变收缩产生新的裂纹或增大原有孔隙，形成大孔隙。

进一步的，A扁平粒子与B扁平粒子间形成的大孔隙的横向尺寸为50～200μm、纵向尺寸为0.1～0.5μm。

进一步的，热喷涂时，B粉末形成横向尺寸为10～200μm、纵向尺寸为1～10μm的B扁平粒子。

进一步的，所述热喷涂为等离子喷涂或等离子喷涂复相沉积(plasmaspray-physicalvapordeposition)。

进一步的，所述的可相变收缩的陶瓷材料B粉末为能高温相变并且新相能稳定存在、两相密度差异不小于5％的材料。