[发明专利]一种具有预制微观纵向裂纹结构的热障涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有预制微观纵向裂纹结构的热障涂层及其制备方法。该热障涂层的陶瓷隔热层含有植入的高密度微观纵向裂纹，制备方法是利用大气等离子喷涂技术耦合干冰微粒喷射工艺制备陶瓷隔热层，通过干冰微粒喷射工艺对陶瓷熔融颗粒的在线淬火在陶瓷隔热层中植入微观纵向裂纹。与传统大气等离子喷涂和EB‑PVD(Electron beam‑physical vapor deposition)方法制备的热障涂层相比，本发明设计制备的具有预制微观纵向裂纹结构的热障涂层，既具备传统等离子喷涂制备的热障涂层的低热导率，又具有EB‑PVD技术制备的热障涂层的高应变容限，且能够在不降低涂层热冲击、隔热和CMAS(CaO‑MgO‑Al₂O₃‑SiO₂)腐蚀抗力前提下有效释放因热应力不匹配而产生的应力，从而提高热障涂层在苛刻工况条件下的热循环服役寿命。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及到一种具有预制微观纵向裂纹结构的热障涂层及其制备方法。

背景技术

随着航空、航天、船舰、电力及汽车技术的发展，航空发动机及燃气涡轮发动机技术的研发水平成为制约现代工业持续进步的瓶颈。当前，不断提高金属热端部件的工作温度是发展高效率、长服役寿命发动机的关键。因此，在金属热端部件表面使用具有抗高温氧化和隔热功能的热障涂层(TBCs)是提高航空和燃气涡轮发动机工作温度最有效可行的技术途径。

热障涂层(TBCs)是一种具有隔热和抗高温氧化与腐蚀防护功能的涂层系统。通过在金属基体表面沉积一定厚度且具有较低热导率的陶瓷涂层，可以提高发动机的工作温度。另一方面，TBCs可以提高金属热端部件的服役寿命和可靠性。目前，应用最广泛的TBC系统均采用双层结构：起隔热作用的表面陶瓷层(TC)和改善基体与陶瓷层物理相容性的金属粘结层(BC)。目前，制备热障涂层最常用的方法是大气等离子喷涂(APS)与电子束物理气相沉积(EB-PVD)；其中，APS制备的涂层具有典型的层状结构，具有更好的隔热性能，但TBCs在非常严苛的热力学载荷环境中服役，通常会遭遇热疲劳失效，导致涂层过早开裂、剥落等；EB-PVD制备的热障涂层具有柱状晶显微结构，该结构涂层与APS制备的涂层相比具有更好的应变容限和更长的服役寿命。然而，这种具有宏观柱状间隙或宏观纵向裂纹结构的TBCs往往具有高热导率且容易发生CMAS腐蚀失效；且EB-PVD设备昂贵、沉积效率低、涂层厚度不可控、表面清洗复杂，不适合制备结构复杂工件以及大器件上的涂层。APS由于其加工成本低、沉积效率较高、重复性好、工艺相对简单，已被广泛应用于制备航空发动机叶片、尾喷管、燃气轮机燃烧室壁、推力增强器、燃油喷管、过渡进气管段以及透平静止部件等上的热障涂层。

鉴于APS和EB-PVD制备热障涂层各自结构的优缺点，本发明公开了一种具有微观纵向裂纹结构设计的热障涂层及其制备方法；这种结构设计的热障涂层和传统热障涂层一样，具有双层结构：金属粘结层和表面陶瓷层；这种热障涂层的陶面层中含有人为植入的微观纵向裂纹，在不显著降低涂层抗热冲击性能和隔热性能前提下提高涂层的应变容限，从而延长热障涂层的服役寿命。

发明内容

为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种具有微观纵向裂纹结构设计的热障涂层及其制备方法；通过涂层结构和制备方法设计，在表面陶瓷层中植入微观纵向裂纹，提高涂层的应变容限，解决APS方法制备热障涂层服役过程中过开裂、剥落等问题，延长热障涂层的服役寿命。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种具有预制微观纵向裂纹结构的热障涂层，具有陶瓷隔热层，所述陶瓷隔热层含有高密度微观纵向裂纹，所述微观裂纹中微观纵向裂纹的比率为33％以上。

优选地，所述的陶瓷隔热层材料包括具有低导热系数的氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)、锆酸镧(LZ)、铈酸澜(LC)、镁铝酸澜(LMA)。

优选地，所述的陶瓷隔热层中任一微观纵向裂纹的纵向尺寸均不超过所述陶瓷隔热层总厚度，是非贯穿性裂纹。