[发明专利]一种原位合成制备复合热障涂层的方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及热障涂层领域，特别涉及一种用于燃气涡轮发动机高温部件的热障涂层陶瓷层的制备方法。

【背景技术】

燃气涡轮发动机被广泛的应用于飞机，船舶，车辆和发电机组。在过去的50年间，典型燃气轮机的涡轮前温度已经从960℃提高到了1500-1600℃，而涡轮机叶片多由Ni基（或Co基）高温合金构成，这一温度已慢慢接近其熔点。在叶片表面制备一层阻碍高温火焰和基体直接接触的陶瓷材料，就能实现提高使用温度，降低系统冷却要求的目的。这部分起到隔热和抗氧化作用的涂层系统，就是所谓的热障涂层。

通常，100-500μm的TBCs就能使叶片基体温度下降100-300℃，这相当于人类经过30年才能在提高高温合金使用温度方面取得的进展。因此，热障涂层材料在航空航天、动力发电、原子能设备等诸多方面得到了广泛的应用，并取得了良好的社会和经济效益。如何进一步改善和延长热障涂层的实用性能和使用寿命，也成为近年来研究的热点问题。

Y₂O₃部分稳定的ZrO₂陶瓷（YSZ）是一种相对理想的陶瓷层材料，因为它具有较低的热导率，同时又和基体Ni基高温合金以及氧化铝有相近的热膨胀系数。此外，较高的硬度（~14GPa）使得陶瓷层有较好的抗冲击和抗腐蚀的能力；高熔点使得陶瓷层可以直接在高温条件下使用。

但是，YSZ在高温下长时间的循环使用，会发生烧结，晶粒长大，气孔收缩，使得陶瓷层的热导率增大，最终使得涂层界面应力变大导致涂层剥落，降低了热障涂层的使用寿命。在这样的背景下，又出现了稀土锆酸盐材料的陶瓷层。这种陶瓷层中有比YSZ更多的空位和更加复杂的晶胞结构，加之稀土原子质量较大，会增加陶瓷层内的声子散射，减小声子的平均自由程，从而降低材料的热导率。此外，YSZ在高温下是优良的氧离子导体，也就是说在高温下是氧透明的，而稀土锆酸盐材料的陶瓷在高温下是氧离子导电的绝缘体。

本发明采用原位合成制备技术制备稀土锆酸盐陶瓷层，用于高温燃气轮机，涡轮喷气发动机等高温热机具有良好的应用前景。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种原位合成制备复合热障层的方法，采用空气等离子喷涂技术在普通热障涂层材料YSZ陶瓷层表面上喷涂一层稀土锆酸盐/YSZ复合陶瓷层。该陶瓷层材料具有高温相稳定性，与传统的YSZ相比具有较低的热导率，且降低了陶瓷层的透氧率；使得陶瓷层使用寿命增长，可以满足热端部件长期服役和抗高温氧化等要求。

为了达到以上目的，本发明提供了一种原位合成制备复合热障涂层的方法，将R₂O₃粉体、ZrO₂粉体及YSZ粉末混合均匀后，将该混合粉末喷涂在高温合金基体上的粘结层表面，最后放置于电阻炉中进行烧结，使R₂O₃相和ZrO₂相反应生成的锆酸盐相，弥散分布在YSZ陶瓷层中，其中，R为Nd，Sm，Eu，Gd或Tb中的一种或两种以上组合。

作为本发明的优选实施例，所述R₂O₃粉体、ZrO₂粉体及YSZ粉末采用以下方法混合：先将R₂O₃粉体、ZrO₂粉体通过球磨混合，然后再与YSZ粉末混合。

作为本发明的优选实施例，所述R₂O₃粉体和ZrO₂粉体的摩尔比为1:2。

作为本发明的优选实施例，所述球磨后的R₂O₃/ZrO₂混合粉末和YSZ粉末的摩尔比为1:4-4:1。

作为本发明的优选实施例，所述喷涂参数：电压74V，电流650A，送粉率60g·min^-1，氩气流速2550L·h^-1，氢气流速425L·h^-1，喷涂距离80-150mm。

作为本发明的优选实施例，所述烧结温度为1000-1400°C，时间为2-10小时。

一种原位合成制备复合热障涂层的方法，包括以下步骤：

1）将摩尔比为1:2的R₂O₃和ZrO₂粉体混合球磨，R为Nd，Sm，Eu，Gd或Tb中的一种或两种以上组合；