[发明专利]一种纳米/类柱状晶混合结构热障涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备新型混合结构热障涂层的方法，特别是一种使用常规等离子喷涂工艺喷涂纳米YSZ粉末以制备具有更高应变容限、良好综合性能的纳米/类柱状晶混合结构热障涂层的方法。

背景技术

热障涂层(Thermal Barrier Coating，TBC)是利用陶瓷材料优异的耐高温、隔热、抗腐蚀性能，以涂层的方式将陶瓷与金属基体相复合的一种高温结构材料表面防护技术，通常由低热导率的陶瓷面层和与金属基体、陶瓷面层具有良好热膨胀系数匹配性的金属粘结层组成。热障涂层的使用会显著提高航空发动机高温热端部件工作温度，提高热端部件使用寿命，从而提高航空发动机效率。

自20世纪70年代以来，氧化锆基热障涂层(Thermal Barrier Coatings，TBCs)已成功地应用于保护航空发动机燃烧室及其他高温部件，6～8％YSZ(YSZ-氧化钇部分稳定氧化锆)材料具有很多优良的特性，如高韧性、高强度、良好的抗热冲击性能、热膨胀系数大、抗腐蚀等，在很多航空、航天等领域都有重要的应用价值。6～8YSZ是迄今为止最为经典的热障涂层材料，在燃气轮机方面获得大量应用。

YSZ热障涂层的制备工艺最常见的有电子束物理气相沉积(Electron Beam Physical Vapor Deposition，EB-PVD)和等离子喷涂(Plasma Spray，PS)两种，其中电子束物理气相沉积工艺制备的热障涂层具有柱状晶结构，这种结构提高了涂层的应变容限(热应力缓和性能)，使涂层具有较高的服役寿命，但这种结构涂层的隔热性能较差，涂层的热导率通常在1.5～2.0W/m·K左右；等离子喷涂工艺制备的热障涂层根据使用的喷涂粉末不同而具有不同的微观结构，通常熔炼破碎、烧结破碎、中空粉末喷涂涂层为典型的层状结构涂层，而纳米团聚粉末喷涂涂层为纳米结构涂层。纳米结构涂层是近二十年来提出的热障涂层发展方向，并已获得了应用，相对层状结构涂层而言，纳米结构涂层具有更低的热导率(0.7～1.1w/m·K)，同时纳米晶、部分未熔纳米粒子的存在可在一定程度上提高涂层的热应力缓和性能。

上述的纳米结构热障涂层虽然进一步降低了涂层的热导率，但涂层服役寿命仍然与EB-PVD-TBC存在较大差距。目前国际上使用熔炼破碎、烧结破碎或中空粉末(HOSP)，结合常规等离子喷涂工艺，制备了一种具有类柱状晶(垂直于基体的网状裂纹)结构的涂层，这种涂层相对常规层状结构涂层具有更低的孔隙率，从而隔热性能略有下降，但提高了涂层层间结合力，使涂层具有较高的结合强度，同时在不改变工艺装置的前提下，利用工艺参数的调整，制备出了垂直于基体方向的垂直裂纹结构(类似EB-PVD-TBC的柱状晶结构)，这一结构的获得，有利于提高涂层的应变容限，从而保证涂层隔热性能优于EB-PVD-TBC的同时，进一步提高等离子喷涂涂层的应变容限，从而提高涂层的热循环寿命。

国际上有较多微米粉末喷涂类柱状晶结构涂层的报导及应用，例如专利号为“US5558992”的美国专利，专利号为“EP1281788A1”的欧洲专利所公开的技术，但均使用较密实或表面熔融的熔炼破碎、烧结破碎、HOSP(团聚成中空粉末后进行等离子球化处理)粉末制备涂层，虽然较易获得类柱状晶的垂直裂纹结构，但涂层的隔热性能相对下降(热导率1.2～1.6W/m·K)，同时在柱状晶周围存在较多的横向裂纹(层间平行于基体方向的裂纹)。申请号为“200910237548”，名称为“带有网状裂纹结构的多元稀土氧化物掺杂氧化锆热障涂层及其制备方法”的中国发明专利申请所公开的制备方法，使用多元稀土氧化物改性粉末(团聚前为固相合成的微米粉末)制备的涂层横向裂纹比例为10～50％，会导致涂层在服役过程中沿横向裂纹产生开裂，不能充分利用类柱状晶结构的优势，影响涂层的使用可靠性和服役寿命的进一步提高；同时部分类柱状晶结构涂层应用过程中对厚度有一定要求，通常需要达到0.5mm以上。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基本接近传统涂层隔热性能、具有较高的结合强度且同时提高热循环寿命的纳米/类柱状晶混合结构热障涂层及其制备方法。