[发明专利]一种高热匹配性热障涂层及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及高温防护涂层技术领域，具体为一种高热匹配性热障涂层及其制备方法。热障涂层服役条件下主要包括：PtAl涂层(底层)，TGO氧化膜(中间层)和YSZ陶瓷层(面层)；本发明通过复合电镀在PtAl涂层中引入Zr‑Y元素，在热障涂层服役过程，在Zr、Y协同作用下在TGO氧化膜晶界析出Ysubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;稳定ZrOsubgt;2/subgt;，从而提高TGO氧化膜与YSZ和PtAl涂层的热匹配性；同时TGO氧化膜析出的Ysubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;稳定ZrOsubgt;2/subgt;阻碍Al元素的外氧化，延缓了PtAl涂层相变，提高了TGO氧化膜与PtAl涂层的粘附性。如此，全方位增加TGO与YSZ、TGO与PtAl涂层的匹配性，从而显著提高热障涂层的服役性能。

技术领域

本发明涉及高温防护涂层技术领域，具体而言，涉及一种高热匹配性热障涂层及其制备方法与应用。

背景技术

镍基高温合金由于其优异的高温力学性能被广泛应用于航空发动机和燃气轮机涡轮叶片，但是随着涡轮进口温度的不断提高(甚至高于1700℃)，镍基高温合金基体承温能力有限(Ni的熔点为1450℃)，必须在基体表面添加热障涂层以提高涡轮叶片的服役可靠性。

传统的热障涂层分为陶瓷层和金属粘结层。其中陶瓷层主要由YSZ(Y₂O₃-ZrO₂)组成，主要功能为隔热，以提高基体的承温能力。金属粘结层一方面作为陶瓷层和高温合金基体的过渡层，另一方面产生致密的氧化膜，以提高高温合金基体的抗高温氧化和抗热腐蚀性能。常见的金属粘结层为MCrAlY涂层和PtAl涂层。

在热障涂层服役过程中，环境中的氧气通过陶瓷层进入与粘结层发生反应，在粘接层和陶瓷层之间形成氧化膜即TGO，氧化膜主要为致密的Al₂O₃。一方面，由于YSZ(Y₂O₃-ZrO₂)陶瓷层与TGO氧化膜(Al₂O₃)热膨胀系数相差较大，服役过程中YSZ/TGO界面容易产生应力集中，产生裂纹；另一方面，服役过程PtAl涂层由于Al元素消耗发生相变，产生体积膨胀，加上TGO与PtAl涂层的热膨胀系数相差较大，变形不同步，从而导致TGO与PtAl涂层粘结不牢靠，容易在界面位置开裂。由此可见，TGO氧化膜与YSZ、PtAl涂层的匹配性不足，是整个热障涂层提前失效的关键原因。国内外研究表明，TGO氧化膜的性能是决定涡轮叶片热障涂层服役寿命最关键的因素之一。因此，亟需提高TGO与YSZ、TGO与PtAl涂层的热匹配性，进而提高热障涂层服役可靠性及服役寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高热匹配性热障涂层及其制备方法，以提高热障涂层YSZ陶瓷层与TGO氧化膜热匹配性，同时提高TGO氧化膜与PtAl涂层的热匹配性并增加其粘附性，从而提高热障涂层的服役可靠性及服役寿命。

本发明的技术方案是：

本发明提出的一种高热匹配性热障涂层，由以下涂层结构组成：含Zr和Y元素的PtAl涂层和YSZ陶瓷层；其中含Zr和Y元素的PtAl涂层作为底层，YSZ陶瓷层作为面层。

一种高热匹配性热障涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)将Zr粉和Y粉混后进行高能球磨，形成Zr-Y合金粉末；

(2)在高温合金基体上进行复合电镀：以铂网为阳极，电镀液为磷酸氢根四氨合铂，并加入Zr-Y合金粉，电镀得到Zr-Y掺杂Pt复合层；

(3)将电镀后的样品真空退火：先将步骤(2)所得Zr-Y掺杂Pt复合层在低温度下保温以去除电镀应力，然后在高温下保温，扩散降低样品表面铂的浓度，避免后续形成PtAl₂脆性相；