[发明专利]一种航空发动机叶片高性能热障涂层及多工艺组合制备方法

说明书

一种航空发动机叶片高性能热障涂层及其多工艺组合制备方法，属于航空发动机热障涂层技术领域。制备方法为：采用电弧离子镀技术制备MCrAlY粘结层+脉冲电子束界面调控技术改善粘结层表面组织结构+电子束物理气相沉积技术制备YSZ陶瓷层，控制相应参数，制得热障涂层。本发明制备的热障涂层体系具有优良的界面结合强度、较高的抗高温氧化性能及热循环寿命，解决了航空发动机叶片对高结合强度、高隔热、抗氧化及长寿命TBCs的可控制备的需求，具有非常广阔的市场前景。

技术领域

本发明属于表面改性技术，尤其是一种航空发动机叶片表面涂层技术，具体地说是一种航空发动机叶片高性能热障涂层及多工艺组合制备方法。

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燃油效率不断提高，而现有的高温合金已无法满足这一需求，目前国际上通用的最为经济、有效和可行的方法是在其表面涂覆热障涂层（TBCs），以此来保护叶片等高温部件免受高温度的侵蚀，进而延长发动机的使用寿命。TBCs 是由具有隔热作用的陶瓷面层和具有抗高温氧化性能的中间金属粘结层所组成的一种热防护系统，即陶瓷层面以Y₂O₃部分稳定的ZrO₂（YSZ）为主，金属粘结层以MCrAlY（M=Ni、Co、Ni+Co）为主，其中，MCrAlY粘结层可以改善基体与陶瓷间物理相容性。

针对航空发动机叶片对高性能TBCs的迫切需求，目前，商用YSZ陶瓷面层多采用电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术，制备的涂层具有较高的应变容限及抗热冲击性能；MCrAlY粘结层多采用低压等离子喷涂（LPPS）或电弧离子镀（AIP）技术，制备的粘结层具有高致密性和低孔隙率。因此，“LPPS/AIP+（EB-PVD）”组合工艺是目前航空发动机叶片TBCs应用领域的主流制备技术。

但是该TBCs在长期高温服役条件下会发生早期剥落失效，进而严重缩短了其使用寿命，由界面氧化导致的热生长氧化物（TGO）非受控生长及快速增厚是导致TBCs剥落失效的主要因素。TGO是粘结层中的金属元素在高温环境中与扩散到内部的氧发生反应所致，与MCrAlY粘结层表面状态及微观结构密切相关。针对以上TBCs系统，其粘结层/陶瓷层界面均粗糙不平，这便会加速TGO的失稳氧化及热应力不均分布。

因此，如何改善TBCs界面状态，改善粘结层表面组织结构，控制TGO稳态生长，成为发展航空发动机叶片高性能TBCs可控制备的关键。

发明内容

本发明的目的是针对现有单一方法制备的航空发动机叶片涂层存在寿命短，易剥落等问题，发明一种航空发动机叶片高性能热障涂层及其多工艺组合制备方法，它采用电弧离子镀（AIP）技术制备MCrAlY粘结层+脉冲电子束（PEB）界面调控技术改善粘结层表面组织结构+电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术制备YSZ陶瓷层，该TBCs体系具有优良的界面结合强度、较高的抗高温氧化性能及热循环寿命，解决了航空发动机叶片对高结合强度、高隔热、抗氧化及长寿命TBCs的可控制备的需求。

本发明的技术方案之一是：

一种航空发动机叶片高性能热障涂层，其特征在于，所述的热障涂层包括NiCoCrAlY粘结层、NiCoCrAlY重熔层和YSZ陶瓷面层，所述的NiCoCrAlY粘结层厚度约40~70μm，所述的NiCoCrAlY重熔层厚度约5~15μm，所述的YSZ陶瓷面层厚度约200~300μm。

粘结层表面经脉冲电子束辐照处理后十分光滑且组织致密细小，YSZ陶瓷层在重熔层表面沉积后，界面柱状晶生长具有形貌遗传继承效应，高能态重熔层表面能够增加原子形成率，细化界面晶粒，有效提高了电子束物理气相沉积方法制备的陶瓷层沉积质量及界面结合强度。