[发明专利]一种新型热障涂层制备工艺

说明书

本发明涉及一种新型热障涂层制备工艺，包括如下步骤：在基体表面生成金属粘结底层；生成原位热生长氧化物层(TGO)；生成陶瓷隔热面层。TGO层是在基体服役之前预生长的。TGO层的成分包括α‑氧化铝。本发明通过大颗粒干冰喷射净化粗化处理以及预先真空氩气氧化处理，预置一层致密连续的、以α‑氧化铝为主的TGO层。该氧化膜将具有良好抗高温氧化能力，阻止快速氧化发生，降低TGO层层厚增长速率，达到降低热障涂层剥落发生概率的目的。

技术领域

本发明涉及热障涂层领域，具体涉及一种新型热障涂层制备工艺。

背景技术

燃气轮机是发展成熟、应用广泛的一种机械装置，该机械装置通过将燃料的化学能转化为热能及机械能来驱动喷气式飞机、大型舰船、发电机组及流体泵等设备或设施。为了提高能源利用效率，用于燃气轮机的涡轮热端部件的金属材料在设备工作时往往接近或达到其热稳定性的临界状态，即为了提高燃气轮机使用效率，涡轮进气口温度被大幅度提高。实际上目前先进燃气轮机的涡轮一级动、导向叶片工作时往往处于高于其熔点的混合燃气气氛中。只是由于该金属材料表面被在其上涂敷一层隔热涂层或高温防护涂层以及一层空气膜隔离、冷却，才使其在长时间服役的情况下不被熔化。但是，冷却空气的使用降低了燃气轮机的效率，这与通过提高涡轮进气口温度来提高燃气轮机的效率的初衷相矛盾。因此，为了降低冷却空气的使用量，提高热障涂层的隔热能力尤为重要。

热障涂层体系多以陶瓷材料为基础，例如多铝红柱石、氧化铝、氧化铪、氧化锆、氧化钇等。目前普遍使用的是7-8％氧化钇部分稳定的氧化锆。由于氧化锆陶瓷层是优良的氧透过体以及热膨胀系数与基体失配度较高，因此在热障涂层体系中除起到隔热作用的陶瓷涂层以外，在陶瓷层和金属材料基体之间，还需要制备一层粘结层。该粘结层在高温环境下其表面会生成一层致密、连续、附着的以氧化铝为主的热生长氧化物层(Thermal GrownLayer，TGO层)，阻止了氧化或热腐蚀的进一步进行，从而起到高温防护的作用。

在现有技术中，一般热障涂层由陶瓷隔热面层(Ceramic Top Coat,TC)、热生长氧化物层(Thermal Grown Oxide,TGO)和金属粘结底层(Metallic Bond Coat,BC)构成。热障涂层体系的制备方法包括热喷涂和电子束物理气相沉积(EBPVD)等工艺。与热喷涂工艺制备的陶瓷层相比，EBPVD镀覆的陶瓷层具有柱状晶粒结构，此种结构在提高了陶瓷层应变容限的同时降低了涂层的隔热性能。同时，由于工艺限制，EBPVD制备的叶片或其他零件的往往较小，对尺寸的敏感性较高。根据美国专利US5073433和US5705231，针对大型部件，可以通过热喷涂获得相似的涂层。而且，针对目前较大的涡轮热端部件，例如重型发电机组或大型舰船推进系统所用的燃气轮机的涡轮一级静、动叶片，国内外往往采用热喷涂工艺来制备其热障涂层体系。

陶瓷隔热面层的作用是提供物理保护防止外来物冲击，隔热降低基体温度，以及提供一定的抗高温氧化、抗热腐蚀性能。陶瓷隔热面层顾名思义，其材料是由陶瓷材料组成，例如多铝红柱石、氧化铝、氧化铪、氧化锆、氧化钇等。目前普遍使用的是7-8wt％氧化钇部分稳定的氧化锆(7-8YSZ)粉末。金属粘结底层的作用是对陶瓷外层提供粘附力。同时通过原位生成或外部热处理工艺制备的一层具有保护基体作用的热生长氧化物层，即TGO层，提供抗高温氧化能力和抗热腐蚀能力。

但是，在现有技术中，陶瓷隔热面层中存在微裂纹和空隙，这些区域含有一定量的氧元素。在热端部件预氧化过程或服役过程中，外部的氧元素与这些微裂纹、空隙中的氧元素一起，持续的通过陶瓷材料中的阴离子空位传输至金属粘结底层/陶瓷隔热面层界面，使金属粘结底层表面氧化。虽然TGO层能够一定程度的延缓氧化的快速进行，但伴随服役时间的加长，该氧化层将逐渐增厚，产生越来越大的内应力，导致涂层在TGO/BC和/或TGO/TC界面产生裂纹，并最终导致涂层的剥落。