[发明专利]一种具有梯度结构的YSZ-稀土锆酸盐热障涂层及制备方法

说明书

本发明提出一种具有梯度结构的热障涂层及其制备方法。所述涂层材料包括粘结层、8YSZ‑稀土锆酸盐梯度层和表面层。8YSZ‑稀土锆酸盐材料具有较低的热导率、抗高温烧结性能和优异的抗热冲击性，还能阻挡服役时氧元素进入粘结层，缓解粘结层氧化形成TGO，梯度结构的优化设计能降低材料的热不匹配应力，提髙了整个材料构件的热稳定性；表面层为抗CMAS腐蚀层，能缓解现有YSZ涂层遭受CMAS腐蚀的问题，采用的Pd或者氧化物陶瓷层，高温下熔融CMAS在表面层不润湿，并且滚动角小，CMAS很难在涂层表面附着，从而避免了CMAS腐蚀的发生。

技术领域

本发明涉及一种具有梯度结构的YSZ-稀土锆酸盐热障涂层及制备方法。

背景技术

随着航空发动机向高推重比发展，发动机的进口温度不断提高，达到1700℃。叶片等高温部件的工作温度也达到1200℃左右，远远高于先进镍基高温合金可承受的工作温度（1000℃）。因此，采用热障涂层技术是大幅度提高航空发动机工作温度的唯一切实可行的方法。目前应用最广的热障涂层材料为氧化钇部分稳定氧化锆，作为热障涂层材料，8YSZ具有许多不可比拟的优势，但8YSZ在1200 ℃左右会发生相变，产生相转变应力，并伴有晶粒长大、微气孔收缩、烧结等现象，导致涂层在冷却过程中出现裂纹、剥落，易使涂层失效。另外，由于热障涂层服役环境复杂，金属粘结层与透过陶瓷层的氧反应生成热生长氧化物，成为热障涂层失效的一个重要原因。除此之外，外部腐蚀介质（如CMAS）与陶瓷层反应也是导致热障涂层过早剥落失效的重要原因。因此，开发比8YSZ 服役温度更高、寿命更长并且具有阻氧，抗CMAS腐蚀的热障涂层已成为该领域的研究热点。烧绿石结构的 La₂Zr₂O₇、Nd₂Zr₂O₇、Gd₂Zr₂O₇等稀土锆酸盐 (Re₂Zr₂O₇) 的熔点在2000 ℃以上，热导率也比 YSZ 低，但是断裂韧性比较差，与8YSZ复合成梯度涂层，断裂韧性得到提高，涂层的热循环寿命被极大提高，稀土锆酸盐涂层起到隔热和保护8YSZ的作用。另外，YSZ是一个经典的氧离子导体，是固体氧化物燃料电池（SOFC）中首选的固体电解质，即YSZ是氧透过性材料。在SOFC中，稀土锆酸盐是阴极材料La_1-xSr_xMnO₃和YSZ之间的反应产物，其氧离子电导率很低。因此，可以说稀土锆酸盐是氧不透过的，可以更好的保护黏结层不被氧化。中国专利（公开号为CN103668191A）采用磁控溅射方法在EB-PVD制备的YSZ陶瓷层表面沉积5～30μm的铝膜层，并真空热处理带有铝膜的热障涂层使其表面生成一层致密的氧化铝，从而阻挡氧的透过性，但是该层氧化铝常含有很多不稳定的成分如γ-Al₂O₃和δ-Al₂O_3。这些不稳定的成分在加热的过程中将转变为稳定的α-Al₂O₃同时伴随着体积的巨大收缩（γ→α，～15%）易使涂层中产生裂纹。中国专利（公开号为CN102070335A）公开了一类可用于热障涂层的烧绿石结构稀土锆酸盐材料体系，提供的材料具有低热导率、高热稳定性和抗高温烧结性能，但是单纯的稀土锆酸盐材料作为陶瓷层断裂韧性较差，并且会与粘结层反应生成铝酸盐，从而影响服役寿命。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种具有梯度结构的热障涂层及其制备方法。所述涂层材料包括粘结层、8YSZ-稀土锆酸盐梯度层和表面层。8YSZ-稀土锆酸盐材料具有较低的热导率、抗高温烧结性能和优异的抗热冲击性，还能阻挡服役时氧元素进入粘结层，缓解粘结层氧化形成TGO，梯度结构的优化设计能降低材料的热不匹配应力，提髙了整个材料构件的热稳定性；表面层为抗CMAS腐蚀层，能缓解现有YSZ涂层遭受CMAS腐蚀的问题，采用的Pd或者氧化物陶瓷层，高温下熔融CMAS在表面层不润湿，并且滚动角小，CMAS很难在涂层表面附着，从而避免了CMAS腐蚀的发生。