[发明专利]一种高结合的同/异质多界面毫米级厚质热障涂层及制备方法

说明书

一种高结合的同/异质多界面毫米级厚质热障涂层及制备方法，将高温合金基体表面喷砂粗糙化并预热；采用等离子熔射技术，将陶瓷粉体送入高能超音速熔射装置的等离子体射流的高温区，将合金粘结粉体送入等离子体射流的低温区，通过陶瓷粉体与合金粘结粉体的输送量的连续变化，在预热的高温合金基体表面依次沉积粘结层、连续渐变梯度过渡层以及陶瓷层，形成同/异质多界面毫米级厚质热障涂层；本发明与以往机械混合原料、逐步沉积涂层相比，工艺简单可靠，喷涂过程无需换粉，一步法实现同/异质多界面毫米级厚质热障涂层的制备，涂层质量明显提高。而且该方法制备的同/异质多界面热障涂层可明显缓解多界面的层间应力。

技术领域

本发明涉及高性能热障涂层的制备，特别涉及一种高结合的同/异质多界面毫米级厚质热障涂层及制备方法，属于材料表面工程领域。

背景技术

热障涂层(Thermal Barrier Coatings，简称TBCs)是被广泛应用于航空发动机和燃气轮机热端部件表面，具有热防护和热阻挡作用的功能化涂层。TBCs系统一般包括高温合金基体、合金粘结层、热生长氧化物TGO及陶瓷涂层四层结构。所牵涉的界面主要包括金属基体与涂层间的异质固-固界面以及陶瓷涂层摊片间的同质固-固界面，其中界面结合方式一般是物理机械结合。此外，在这些界面处还包括熔滴撞击基体过程中环境气体的嵌入所形成的气-固界面(即未结合区)。这些未结合区将直接影响TBCs高温服役下的热循环寿命。因此，界面的有效结合是涂层得以发挥作用的重要条件，也在很大程度上决定了涂层应用的可靠性和使用寿命。

高能等离子超音速熔射技术是通过等离子体发生器气动结构、冷却系统全新设计，并通过增大喷涂功率与气体流量实现熔滴超音速飞行的喷涂方法，是国际最为前沿的喷涂技术，利用这一技术成功制备出有别于普通等离子喷涂多孔结构的“多级界面微纳柱晶”热障涂层，熔滴的速度可以达到500m·s^-1以上，而普通等离子中熔滴速度仅在200m·s^-1左右，熔滴的超高速飞行引起熔滴尺寸扁平率的极大提高，统计表明涂层内部层状结构的平均厚度仅为普通等离子喷涂涂层的1/3，表明在相同涂层厚度下，超高速飞行熔滴形成涂层的层状结构界面数量将提高3倍。此外，熔滴的冷却速度与普通APS相比提高了1至2个数量级，导致层状结构之间柱晶的外延生长，导致平均结合强度高达52MPa，与普通涂层相比提高30％以上，极大地提高了涂层可靠性。

此外，随着喷涂涂层厚度的增加，涂层层状结构的多层界面由于残余应力存在易诱发应力集中，从而影响涂层的可靠性。功能梯度涂层是微观结构或成分逐步过渡的涂层体系，要求材料性能随涂层内部位置逐渐变化，这一涂层结构的设计极大地改善整体材料体系的应力集中及热物理性能。但目前梯度涂层基本采用机械混合原料粉体后再逐层沉积的方法制备，形成了一种共混梯度组织结构。由于原料粉体在熔点上差异，常常会出现低熔点材料过熔而高熔点材料熔化不足的情况，因此需要制备低残余应力、高结合的同/异质多界面厚质热障涂层。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种高结合的同/异质多界面毫米级厚质热障涂层及制备方法该方法能够获得高结合、高可靠性的热障涂层体系。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种高结合的同/异质多界面毫米级厚质热障涂层的制备方法，将高温合金基体表面喷砂粗糙化并预热；

采用等离子熔射技术，将陶瓷粉体送入高能超音速熔射装置的等离子体射流的高温区，将合金粘结粉体送入等离子体射流的低温区，通过陶瓷粉体与合金粘结粉体的输送量的连续变化，在预热的高温合金基体表面依次沉积粘结层、连续渐变梯度过渡层以及陶瓷层，形成同/异质多界面毫米级厚质热障涂层；

其中，等离子熔射技术的工艺条件为：喷涂功率为50-140kW，主气流量为100-240slpm，喷涂距离为90-150mm。

本发明进一步的改进在于，合金粘结粉体的粒径为10-90μm。