[发明专利]一种抗CMAS腐蚀的热障涂层陶瓷层的大气等离子喷涂制备方法

说明书

本发明公开了一种抗CMAS腐蚀的热障涂层陶瓷层的大气等离子喷涂制备方法，属于热障涂层材料及其制备领域。本发明利用大气等离子喷涂方法在YSZ陶瓷层上制备一层第二陶瓷层，第二陶瓷层对熔融CMAS的润湿性较差，1250℃热处理后，在第二陶瓷层与CMAS界面处形成一层互反应层，有效地阻止了熔融CMAS的进一步渗入，YSZ陶瓷层保持了原有的相稳定性。因此，本发明制备的第二陶瓷层可以阻止熔融CMAS的渗入，具有优异的抗CMAS腐蚀的性能，显著提高了CMAS耦合作用下热障涂层的寿命。

技术领域

本发明涉及热障涂层制备技术领域，更具体是指应用大气等离子喷涂方法制备一种抗CMAS腐蚀的热障涂层陶瓷层。

背景技术

热障涂层(Thermal Barrier Coatings)，简称TBCs，是先进航空发动机热端部件的关键科学技术之一。研究发现，航空发动机涡轮叶片热障涂层除了要经受高温、热疲劳和机械载荷等作用外，还会遭受化学腐蚀、侵蚀和冲刷，最终导致涂层失效。其中，由氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、三氧化二铝(Al₂O₃)、二氧化硅(SiO₂)以及微量钒、硫、钠、铁元素组成的表面沉积物(CMAS)对TBCs的隔热性能和服役寿命的影响很大。

目前应用最广泛的热障涂层陶瓷层材料是氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ，ZrO₂+(6～8wt％)Y₂O₃)，但是在1250℃及更高温度，CMAS对YSZ陶瓷层存在显著的破坏作用，主要表现在：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，并产生较大的内应力，导致YSZ陶瓷层分层、剥落；YSZ陶瓷层逐渐熔融于玻璃态CMAS中，造成稳定剂氧化钇(Y₂O₃)损失，氧化锆(ZrO₂)发生晶型转变，降低了涂层应变损伤容限；CMAS中Si、Ca的内扩散加剧了YSZ陶瓷层烧结、大幅度降低了孔隙率，TBCs的隔热能力急剧下降。

制备抗CMAS防护涂层的主要方法有：磁控溅射、EB-PVD、APS、电泳沉积、CVD、涂覆粉体、溶液渗入和熔融盐涂覆后热处理等。Aygun A.等(见参考文献1：Aygun A,VasilievAl L,Padture N P,Ma X Q.Acta Material 2007,55:6734–45.)研究发现，使用SPPS方法在YSZ中添加(摩尔百分比)20％的三氧化二铝(Al₂O₃)和(摩尔百分比)5％的二氧化钛(TiO₂)形成YSZ+Al+Ti层，作为改性YSZ陶瓷层，TiO₂为熔融CMAS的形核剂，Al₂O₃促进熔融CMAS发生结晶，从而使熔融CMAS在改性YSZ陶瓷层表面结晶，在不影响TBCs使用的情况下阻止了CMAS的渗入,但是YSZ在高于1200℃容易发生相变和氧化锆的烧结现象，使其应用受到限制。Mohan P.等采用电泳法在YSZ陶瓷层表面沉积氧化铝，再进行烧结，得到致密的防护层，进而阻止熔融CMAS的渗入(见参考文献2：Mohan P,Yao B,Patterson T,Sohn YH.Surface&Coatings Technology 2009,204:797–801)。氧化铝层与YSZ陶瓷层热膨胀系数不匹配，使得TBCs涂层在热循环实验中的寿命比较低，限制了此方法的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗CMAS腐蚀的热障涂层陶瓷层的制备方法，更具体指应用大气等离子喷涂(APS)法在YSZ陶瓷层上面制备一层第二陶瓷层。所述第二陶瓷层呈层片状，结构致密，热导率低，高温相稳定性好。表面涂覆CMAS的第二陶瓷层在1250℃热处理30h后，在CMAS层和第二陶瓷层的界面形成一层互反应层，互反应层的主要成分为La与Ca、Si形成的一种高熔点、高致密度的疏松结构的硅酸盐氧基磷灰石相，互反应层有效地阻止了熔融CMAS的渗入，即有效地阻止了Ca、Si元素对热障涂层的进一步侵害。