[发明专利]一种抗CMAS侵蚀的热障涂层材料及其制备工艺

说明书

本发明涉及一种抗CMAS侵蚀的热障涂层材料及其制备，在基底上，右下至上依次包括粘结层、YSZ陶瓷层和氮氧化硅自损涂层，其中自损涂层厚度为30‑80μm，孔隙率为15％‑20％，由Si₂N₂O颗粒构成，颗粒粒径范围在1.2‑10μm之间；所述热障涂层材料总厚度在140‑260μm之间。自损涂层Si₂N₂O会与CMAS剧烈反应，生成致密产物，隔绝CMAS与涂层以阻止CMAS对深层涂层及金属基板的进一步侵蚀，而且，Si₂N₂O密度低(2.81g/cm³)，质量轻，与YSZ涂层结合性好，适合用于飞行器中。

技术领域

本发明涉及一种热障涂层材料材料，尤其涉及一种抗CMAS侵蚀的热障涂层材料的制备工艺。

背景技术

飞行器在运行时，不可避免地会从空气中摄入粉尘、火山灰、砂砾等微粒，这些微小粒子会沉积在发动机的热端部件上，在高温下熔融并腐蚀热障涂层，导致热障涂层性能降低，甚至直接失效。对失效发动机上的沉积物研究表明，这些沉积物主要由CaO、MgO、Al₂O₃、SiO₂四种成分组成，因此也将这种粉末沉积物腐蚀称为CMAS腐蚀。一方面，在热端部件表面吸附并沉积的CMAS很容易导致其表面气膜冷却孔堵塞，降低冷却效应，进而改变了构件的温度场和应力场；另一方面，高温下熔融CMAS渗透到热障涂层内部，加速涂层的烧结和相变失稳，致使热障涂层服役寿命和隔热性能大幅度降低。

不同种类热障涂层材料抵抗CMAS侵蚀的能力有很大区别。对于目前应用较为广泛的YSZ热障涂层材料，如CN110791734A公开了一种涡轮工作叶片热障涂层制备方法，在低压涡轮工作叶片上制备MCrAlY底层和YSZ陶瓷面层，涂层质量一致性和稳定性较好；CN111005023A公开了一种抗熔融CMAS腐蚀的热障涂层，在YSZ陶瓷层上制备一层MAX相防护层；US2005112381A公开了一种硅基底的保护层，包括防扩散层、抗氧化层、屏障层以及热障涂层，其中可采用氮氧化硅作为防扩散层。然而，高温熔融状态的CMAS仍会对YSZ涂层造成严重的侵蚀，根源在于二者的化学相容性。高温下，CMAS呈熔融状态，具有一定的流动性，可以沿涂层中的微裂纹渗入到涂层内部的晶界和孔隙处。在与CMAS接触的界面上，YSZ中的两种成分Y₂O₃和ZrO₂都可以溶解到熔融CMAS中，这就使得YSZ中渗入了CMAS的晶界和孔隙不端拓宽，形成较宽阔的通道，利于CMAS向涂层内部不断入侵。而YSZ中较低的Y₂O₃含量和Y₂O₃在CMAS中较高的溶解度，使得受CMAS侵蚀的YSZ热障涂层的成分发生改变，材料相稳定性大幅降低，此时ZrO₂由四方相向单斜相发生转变，并伴随5％的体积膨胀，所引入的应力会使YSZ涂层内部产生大量裂纹，最终导致涂层剥落。因此，有必要在热障涂层表面预制一层自损型涂层，涂层材料与CMAS发生剧烈反应，溶解进入熔融CMAS中将改变CMAS的元素构成，而元素构成的改变则会使CMAS中结晶析出新相，从而形成阻隔层阻碍CMAS向涂层内部的进一步深入，以达到CMAS不接触叶片的效果。

发明内容

本发明提供一种抗CMAS侵蚀的热障涂层材料及其制备工艺，通过设置自损型涂层，自损涂层材料与CMAS剧烈反应形成致密层，产物能够紧密附着在涂层表面，有效阻止了熔融CMAS对材料的进一步侵蚀，表现出优异的抗CMAS能力。

本发明主要技术方案如下：

一种抗CMAS侵蚀的热障涂层材料，其特征在于，在超合金基板上，由下到上依次包括以下组成：粘结层(1)、YSZ陶瓷涂层(2)、自损涂层(3)；所述自损涂层厚度为30-80μm，孔隙率为15％-20％，由Si₂N₂O颗粒构成，颗粒粒径范围在1.2-10μm之间；所述热障涂层材料总厚度在140-260μm之间。