[发明专利]一种具有抗粒子冲刷表面层的热障涂层及其制备方法

说明书

一种具有抗粒子冲刷表面层的热障涂层及其制备方法，该热障涂层为采用等离子喷涂‑物理气相沉积工艺设置在基体上的呈羽毛状结构的陶瓷层，该陶瓷层的上端部为高内聚强度表面层，且该陶瓷层位于高内聚强度表面层下面的部分与高内聚强度表面层之间为无界面连接，高内聚强度表面层具有和表面层以下陶瓷层相同的材料成分、物相和宏观羽毛状结构。本发明的工艺简单、成本低、涂层结合强度高，制备的具有高内聚强度表面层的热障涂层能大幅度提高热障涂层的抗粒子冲刷性能，使用寿命长。

技术领域

本发明属于热障涂层技术领域，涉及一种具有抗粒子冲刷表面层的热障涂层及其制备方法。

背景技术

热障涂层(TBCs)是利用陶瓷材料优越的耐高温、抗腐蚀和低导热性能，以涂层的方式将陶瓷与金属基体相复合，提高热端部件的使用温度和抗高温氧化能力，延长热端部件的使用寿命，提高发动机效率的一种表面防护技术。目前热障涂层结构主要有层片状结构和柱状晶结构，前者主要用于温度较低或静止部件上，涂层与基体之间为机械结合，结合强度一般，同时层片状结构应变容限低，涂层在热冲击下容易过早剥落。后者具有柱状晶之间的间隙，使得涂层向应变容限高，热循环寿命高。但柱状晶之间的垂直间隙成为热和腐蚀介质的通道，涂层隔热和耐腐蚀能力低。

等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)技术是在低压等离子喷涂基础上发展起来的一种新型气相沉积涂层方法。制备的热障涂层结构主要是一种类似柱状晶的羽毛状结构。研究发现，羽毛状结构热障涂层具有较好的综合性能，其隔热性能明显高于柱状晶结构，接近层片结构；热循环寿命明显高于层片结构，接近柱状晶涂层。但值得注意的是，PS-PVD制备的羽毛状结构热障涂层，其抗冲刷性能低是一个不容忽视的短板，有待提高。

冲蚀失效是指在带硬质颗粒的气流反复作用下，处于作用区域的陶瓷层变密实从而发生厚度变薄、裂纹形成甚至涂层剥落的现象。这里的硬质颗粒来源主要有两类，一是在燃烧过程中形成的碳颗粒或者是发动机燃烧室内壁、涡轮叶片等被冲蚀形成的粒子；另一类是来自被吸入的外界物体，如沙粒、灰尘、盐、金属粉尘等。在发动机服役过程中，由于惯性力引起硬质颗粒偏离气体流道从而撞击涂层表面形成冲刷，极易诱发涂层剥落，导致失效。而PS-PVD羽毛状结构陶瓷层在受到外来粒子撞击挤压后，会在陶瓷层中产生一个与表面成450的剪切带，裂纹就从这些地方诱发并生长，一方面横向扩展，一方面延伸到陶瓷层与粘结层的界面处。同时，因为热膨胀不匹配及涂层内部相变烧结等因素产生的热应力/能量会通过这些裂纹得到释放，使得这些裂纹迅速增多并长大，最终导致羽毛状晶断裂、失效。