[发明专利]一种抗熔融CMAS腐蚀的稀土铝酸盐热障涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高温涂层腐蚀与防护技术领域，具体是指一种用于高温合金构件表面的抗熔融CMAS腐蚀的稀土铝酸盐热障涂层材料及其制备方法。

背景技术

热障涂层，简称TBCs，是指将耐高温、抗腐蚀、高隔热的陶瓷材料涂覆在基体合金表面,以提高基体合金抗高温氧化腐蚀能力、降低合金表面工作温度，从而显著提高发动机的工作温度和效率，延长基体合金部件在高温高应力状态下的寿命的一种热防护技术。典型的热障涂层体系由陶瓷层、金属粘结层和高温合金基体组成。

目前在燃气轮机涡轮叶片上应用最广泛的热障涂层材料是6～8wt％氧化钇部分稳定的氧化锆(简称8YSZ)，这是由于它具有优异的综合性能，其热导率是2.1W·m^-1·K^-1，线膨胀系数是9～11×10^-6K^-1，断裂韧性是6～9MPa·m^1/2。

YSZ热障涂层在1200℃以上服役时不仅会发生烧结、相变，还容易受到高温、高压、冲刷和环境表面沉积物等极其恶劣的环境侵蚀，将使涂层的隔热性能和工作寿命大大降低，最终导致YSZ热障涂层失效。CMAS是一种主要的有害环境表面沉积物，其主要成分是氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、三氧化二铝(Al₂O₃)和二氧化硅(SiO₂)，还包含微量钒、硫、钠、铁等元素。CMAS颗粒被吸入到涡轮叶片中，会对YSZ热障涂层表面造成冲刷和磨蚀；在1250℃及以上的高温环境下，熔融CMAS对YSZ陶瓷层有很好的润湿作用，熔融CMAS通过YSZ陶瓷层表面的空隙和裂纹渗透到涂层内部，冲击压实YSZ陶瓷层，引起YSZ陶瓷层孔隙收缩、表层致密化，大大降低了YSZ热障涂层的热力学性能；YSZ在熔融CMAS中会发生溶解，造成稳定剂氧化钇损失，氧化锆发生晶型转变，降低了涂层应变损伤容限；熔融CMAS渗透到YSZ热障涂层底部腐蚀热生长氧化物层及合金基体，化学反应和热力耦合作用导致涂层的线膨胀系数和热导率发生改变，最终使涂层分层、开裂和剥落。

随着涡轮机进气口温度显著提高，逐渐达到并超过了CMAS的低共熔点，大大加强了熔融CMAS对热障涂层TBCs的破坏。

发明内容

为了解决现有YSZ热障涂层容易遭受熔融CMAS腐蚀的问题，本发明提出一种新型抗熔融CMAS腐蚀的稀土铝酸盐热障涂层及制备方法。

本发明的第一个目的是提供一种热障涂层陶瓷层材料，所述陶瓷层材料为稀土铝酸盐石榴石结构化合物或稀土铝酸盐钙钛矿化合物。

本发明的第二个目的是提供一种热障涂层，包括在基体上制备得到的粘结层，在粘结层上制备得到的第一陶瓷层及第二陶瓷层。所述第一陶瓷层为YSZ层；第二陶瓷层由稀土铝酸盐石榴石结构化合物或稀土铝酸盐钙钛矿化合物构成。

所述的粘结层材料分为三种：第一种为NiAlDy，其组分包括(摩尔百分比)40～60％的Ni，38～60％的Al，0.05～1.5％的Dy；第二种为NiAlPt，其组分包括(摩尔百分比)40～60％的Ni，34～46％的Al，4～20％的Pt；第三种为NiCoCrAlY，其组分包括(质量百分比)40～60％的Ni，15～25％的Co，16～27％的Cr，5～10％的Al，0.05～2％的Y。所述的第一陶瓷层为陶瓷底层，制备在粘结层表面，其材料为氧化钇稳定氧化锆(ZrO₂+(6～8wt％)Y₂O₃)；第二陶瓷层为陶瓷顶层，制备在第一陶瓷层表面，其材料为新型稀土铝酸盐石榴石结构化合物R₃Al₅O₁₂或稀土铝酸盐钙钛矿化合物XAlO₃，其中R为Y，Gd，Tb，Er和Yb中任意一种或两种，X为Y，La，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Er和Yb中任意一种或两种。

优选地，第一陶瓷层的厚度等于第二陶瓷层的厚度。

本发明的第三个目的是提供一种抗熔融CMAS腐蚀的稀土铝酸盐热障涂层的制备方法，包括下列步骤：

第一步，基体表面喷砂预处理。

第二步，在基体上制备NiAlDy、NiCoCrAlY或NiAlPt粘结层，制备方法可以是大气等离子喷涂方法、电子束物理气相沉积方法或者电镀以及包埋渗的方法。

第三步，在粘结层上制备第一陶瓷层和第二陶瓷层；