[发明专利]具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于涂层制备技术领域，特别是涉及一种具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层及制备方法，通过改善粘结层后期供Al状况，提高热障涂层的抗热冲击性，延长其使用寿命。

背景技术

随着航空航天技术的进步，航空燃气涡轮机正在向着高流量比、高推重比和高涡轮进口温度方向发展，但随着燃气温度和燃气压力的不断提高，热端部件服役温度高达1500℃，远远超过高温合金的服役极限，由此促进了降低发动机热端部件温度技术的发展与应用。除改进冷却技术外，在高温合金热端部件表面制备热障涂层是重要手段之一。

陶瓷热障涂层系统一般采用双层结构，其中表层是陶瓷层，多采用被钇稳定的锆，该层在高温下稳定性较好，主要起隔热作用；陶瓷层与基体之间为粘结层，目前该层通常采用MCrAlY材料，其中M包括镍、钴、铁或其中组合中的至少一种，Cr是铬，Al是铝，而Y是钇，其功能是改善基体与陶瓷层之间的热匹配，并且在高温服役过程中于粘结层与陶瓷层之间形成热生长氧化物层（TGO：Thermally Grown Oxides）。TGO可以防止粘结层氧化腐蚀，直接影响热障涂层的寿命。多年研究发现，热障涂层的失效多集中于TGO处，随着其不断生长，附近将会形成贫铝区，从而导致该区域Ni，Co等元素选择性氧化，形成的氧化物与TGO中Al₂O₃发生反应生成尖晶石结构物质（Spinel），会影响氧化膜的连续性，消耗合金元素，加速涂层的退化，最终导致涂层失效。

为了解决上述问题，我们提出一种新型热障涂层系统通过改善铝元素扩散机制，增加氧化后期粘结层的供Al，进而干预TGO的生长，可以有效提高热障涂层的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，通过预先沉积富铝扩散层3，改善氧化后期主粘结层的供Al，减少TGO层5附近尖晶石结构物质的形成，提高热障涂层的抗热冲击性，延长其使用寿命。

本发明的技术方案如下：

一种具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层，其在基体4与主粘结层2之间设置一层富Al扩散层3。

本发明的陶瓷热障涂层，基体上的瓷热障涂层为三层，依次为富铝扩散层3、主粘结层2和陶瓷涂层1；对应的厚度依次为20～60μm、100～150μm和250～500μm。

本发明的具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层的制备方法，步骤如下：

1）对基体4表面进行清洗和喷砂处理；

2）采用超音速火焰喷涂方法在基体表面沉积富铝扩散层3；

3）采用超音速火焰或者等离子喷涂方法在富铝扩散层3表面上沉积主粘结层2；

4）采用等离子喷涂方法在主粘结层上沉积陶瓷层1，获得具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层。

所述步骤2）中用于沉积富铝扩散层3的颗粒选择Ni20Al材料，其中Ni是镍，Al是铝，平均粒径分布为45～125μm，采用的超音速喷涂方法，喷涂功率20～50kW，喷涂电流400～800A，送粉气体为N₂，气体压力0.6MPa，喷涂距离80～180mm，涂层厚度为20～60μm。

所述的步骤3）中用于沉积主粘结层2的粉末可选择MCrAlY材料，其中M包括镍、钴、铁至少一种或其中的组合，Cr是铬，Al是铝，而Y是钇，其平均粒径分布范围为10～100μm，，所采用的沉积方法为超音速火焰喷涂或等离子喷涂方法。

本发明的热障涂层系统是在基体4上预先喷涂富铝扩散层3，与主粘结层2及陶瓷层1构成具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层系统，可以在氧化后期为TGO的生长提供充分的Al，减少尖晶石的生成。本发明属于涂层制备技术领域，特别是涉及制备一种具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层及制备方法，改善粘结层后期供Al状况，提高热障涂层的抗热冲击性和延长其使用寿命。

附图说明

图1为本发明一种具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层的示意图；

图2a为经典陶瓷热障涂层系统在服役初期的Al的扩散情况；

图2b为本发明的陶瓷热障涂层系统在服役初期的Al的扩散情况；

图3a为经典陶瓷热障涂层系统在服役后期的Al的扩散情况；

图3b为本发明的陶瓷热障涂层系统在服役后期的Al的扩散情况。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

实施例1：