[发明专利]一种功能梯度热障涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种功能梯度热障涂层及其制备方法，即利用激光近净成型技术在零部件基体合金上制备成分、结构连续变化的粘结层和陶瓷层。该方法制备热障涂层不受传统热喷涂加工过程中模具、卡具和工具以及零部件尺寸大小和几何形状复杂程度的约束；同时制备的热障涂层具有柱状晶粒取向结构、涂层结晶度高、厚度可控、以及涂层与基体之间结合强度超过350MPa等优点；本发明公开的一种功能梯度热障涂层的热循环寿命远高于传统纯YSZ与双陶瓷层热障涂层的热循环寿命，使用本发明的热障涂层可有效提高燃气轮机的进口燃气温度和热通道部件的服役寿命。

技术领域

本发明属于热障涂层技术领域，特别是涉及一种功能梯度热障涂层及其制备方法。

背景技术

热障涂层技术是将高温环境下具有较低热导率和较高稳定性的材料覆盖于基材表面，形成不仅具有热障效果，而且能够防止氧化、腐蚀、外来物冲蚀等对基材造成损伤的涂层，目前该技术广泛应用于地面重型(发电)燃气轮机的热通道部件，如燃烧室的过渡段、火焰筒等和透平叶片的表面。

目前最为成熟的热障涂层陶瓷层材料为6～8wt.％Y₂O₃部分稳定的ZrO₂(简称6～8YSZ)，YSZ材料具有较高的断裂韧性、低的热导率(2.12W·m^-1·K^-1，1273K)以及与基材更接近的热膨胀系数(11.5×10^-6K^-1，293K～1273K)，且长期安全使用温度低于1200℃。但是对于更高进口燃气温度(1600℃及以上)的先进重型燃气轮机，传统的YSZ涂层因其氧透性高、1200℃以上易烧结和发生相变、以及高温易腐蚀等缺点，显然已无法满足要求。因此，研发在更高温度下寿命更长、导热系数更低、具有更强抗烧结和超高温无相变能力的新型材料或结构已是先进热障涂层技术的主要发展方向。

磁铅石结构的六铝酸盐RMAl₁₁O₁₉(R＝La～Gd；M＝Mg，Mn～Zn)材料具有热导率低、热膨胀系数高、抗烧结、2000℃以下无相变以及高温透氧性低等优点，成为了替代传统YSZ材料的潜在高温热障涂层新材料。但是，六铝酸盐材料的热膨胀系数和断裂韧性均低于YSZ材料，导致单一六铝酸盐热障涂层热循环寿命很短；此外，大气等离子喷涂六铝酸盐涂层过程中易形成部分非晶相，高温条件下，非晶相向晶态转变将导致涂层体积收缩，从而使涂层内部产生大量裂纹，以上都严重制约了六铝酸盐热障涂层的服役可靠性。

发明内容

本发明目的在于针对单一六铝酸盐热障涂层热循环寿命短以及现有大气等离子喷涂六铝酸盐涂层工艺的不足，提供了一种功能梯度热障涂层及其制备方法，该热障涂层在高于1200℃的温度下仍具有较长的热循环寿命，同时兼顾高温相稳定性、抗烧结与高效热障等性能。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种功能梯度热障涂层，该梯度热障涂层包括依次设置在基体上的粘结层和陶瓷层。

本发明进一步的改进在于，基体为镍基高温合金。

本发明进一步的改进在于，粘结层为从100％NiCoCrAlY涂层逐渐过渡为100％6～8YSZ涂层。

本发明进一步的改进在于，陶瓷层为从100％6～8YSZ涂层过渡为100％的RMAl₁₁O₁₉涂层，其中R＝La～Gd；M＝Mg，Mn～Zn。

一种功能梯度热障涂层的制备方法，包括如下步骤：

步骤(1)，对镍基高温合金基体表面进行净化和粗化处理；

步骤(2)，采用激光近净成型技术，在步骤(1)后处理后的高温合金基体表面沉积80～200μm的粘结层；