[发明专利]自修复热障层及其制造方法

说明书

本发明涉及通过APS制造自修复热障层的方法，其特征在于，在所述热障层中引入含铝的MoSi₂粉末，其中所述MoSi₂粉末包含2至15重量%含量的铝。在此，以基于所述热障层计0.5至5重量%的质量含量引入所述MoSi₂粉末。在该方法中，将所述热障层粉末在轴向上远离燃烧器的第一位点处注射，并将所述MoSi₂粉末在轴向上更远离燃烧器的第二位点处注射，其中在第一和第二位点之间设定20至60 mm的注射距离(l)。通过双注射原理和注射距离(l)以及喷射距离的选择，确保了该热障层材料在等离子体射流中充分熔化，但是供入的MoSi₂粉末仅熔化或开始熔化，而不发生材料的分解。由此，所述热障层与不配备有相应MoSi₂粉末的热障层相比实现使用寿命的显著改进。

本发明涉及高温保护层领域，特别是陶瓷热障层（WDS），其如用于燃气涡轮或飞机涡轮。

现有技术

在氧化环境中用于高温基底的原料通常是连续形成热力学稳定的氧化物层的那些。该氧化物层用作环境与实际高温基底之间的屏障。已证明对此特别合适的合金尤其是形成氧化铝（Al₂O₃）、二氧化硅（SiO₂）或氧化铬（Cr₂O₃）层的那些。其中例如包括不锈钢、超合金或金属间相MX，其中M = Ti、Fe、Co或Ni，且X = Al、Si或Cr。[1]

根据标准，首先对高温基底配备扩散保护层作为增粘剂层，在其上通常布置其它热保护层（英语：热障涂层，TBC）作为最上层。

经氧化钇部分稳定的二氧化锆（具有6至8重量％Y₂O₃的ZrO₂ = YSZ）通常用作这类TBC（其也称为热障层）的标准材料，因为它既具有非常好的热机械性能，还可以非常好地通过增粘剂层与高温基底粘合。[2]

然而，此外其它陶瓷材料，例如锆酸钆或具有其它稳定性组分如MgO、CaO或CeO₂的二氧化锆也适合作为热障层。

通常，目前的热障层通过等离子体喷涂或通过EB-PVD（英语：电子束物理气相沉积）施加到高温基底或增粘剂层上。虽然通过EB-PVD施加的层有利地具有柱状结构并且是可高度负荷的，但是其相比于通过等离子体喷涂而施加的层而言不利地具有更高的导热性。

一方面，在操作部件过程中由于热障层中的热负荷，可能发生裂缝，因为YSZ可以在高温下经历相变。另外，由于增粘剂层的氧化，经常在热障层中出现裂缝。

如果这些裂缝，特别是平行于界面的裂缝生长太严重，则所述裂缝可能导致热障层的剥落，由此不利地使得高温基底不再被保护。

从[3]已知，70％二硅化钼（MoSi₂）和30％NiCrAlY的混合层作为增粘剂层和功能层之间的中间层应当实现使用寿命的改进。

作为另一种解决方法，Derelioglu等人[4]选择了一种解决方法，其中硼掺杂的MoSi₂用作YSZ热障层中的牺牲材料，其应自动修复由于热所致的裂缝。在此，与裂缝相邻的所包含的MoSi₂(B)颗粒应当优选氧化，在此形成无定形的SiO₂相，其渗入所产生的裂缝中并在那里在形成固体ZrSiO₄的情况下再次填充和封闭它们。自修复热障层的成功在此在很大程度上取决于引入的MoSi₂(B)颗粒的大小及其分布。

迄今的YSZ和MoSi₂混合层未显示出使用寿命的改进，而是相反地显示出使用寿命的减少和热障层的早期剥落。

但是，可以在[4]中示例性地显示自修复性能，其中在由YSZ和MoSi₂制成的层中诱发裂缝，并且将其在热处理之后封闭。