[发明专利]柱层双模结构热障涂层及其制备方法

说明书

本发明提供了一种柱层双模结构热障涂层及其制备方法，所述热障涂层由材料粉末形成的扁平状颗粒层叠而形成，呈现出层状结构；热障涂层上具有纵向的孔隙；热障涂层被纵向的孔隙分割成若干块，呈现出柱状结构。在制备时，先通过热喷涂方法，将热障涂层材料粉末进行喷涂沉积，制备出扁平状颗粒堆叠的层状热障涂层，然后通过激发应力诱发孔隙的预处理工艺，在层状热障涂层内形成若干纵向的孔隙，得到柱层双模结构热障涂层。本发明提供的柱层双模结构热障涂层，在显著提高涂层服役寿命的同时，不牺牲涂层的纵向隔热性能，从而兼顾了热障涂层的高隔热和长寿命。

技术领域

本发明涉及涂层技术领域，特别涉及一种热障涂层及其制备工艺。

背景技术

作为高效洁净能源动力系统的核心装备，燃气轮机的制造技术已成为衡量一个国家工业水平的重要标志。高效率、低能耗是燃气轮机永恒追求的目标，而效率的提高必然使得燃烧室中的燃气温度和压力不断提高。目前，燃气温度已接近2000K，这远远高于热端构件材料(高温合金)所能承受的极限温度(～1400K)。热障涂层是突破热端构件抗高温能力瓶颈的行之有效的方法。通过将热导率相对较低的高熔点材料涂覆于高温合金表面，避免高温工作介质直接作用在金属基体表面，可显著提高燃气工作温度，提升金属构件的耐高温性和抗氧化腐蚀。因此，热障涂层是确保燃机高效稳定运行的关键技术之一。

纵向隔热功能和横向应变容限，是热障涂层长寿命隔热使役功能所要求的两个重要性能指标，是涂层从材料选择、结构设计到制备工艺优化所面向的基本目标。针对热障涂层高隔热的需求，采用等离子喷涂技术制备的层状结构无疑是热障涂层的首选。等离子喷涂热障涂层内部大量的垂直于热流方向的横向孔隙显著降低了涂层的表观热导率(约为相应块材的30～40％)。且APS技术成本低、工艺规范成熟，是目前工程化制备TBCs的主导技术。然而，等离子喷涂热障涂层的服役寿命相对较差，这主要是由于在服役过程中，涂层内部微孔隙愈合，无法保持高的应变容限。

针对热障涂层长寿命的需求，柱状结构由于其可在热服役过程中保持高的应变容限，因此具有极其优异的服役寿命。在这方面，通过电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备的涂层首开先河。EB-PVD涂层由彼此分离的柱状晶组成，显著提升了其应变容限，从而使得涂层的服役寿命较传统等离子喷涂热障涂层提高了5～8倍。类似的结构还可通过悬浮液或溶液先驱体等离子喷涂获得，其中的涂层是形成近球形小液滴等颗粒的堆积，相应的工艺仍然处于研发阶段。另外，在等离子喷涂过程中，通过提高沉积温度形成片层间近乎完全结合的致密结构涂层，由于致密涂层自身与基体之间的巨大热膨胀不匹配产生的巨大应力也可在相对致密的结构中植入大尺度纵向裂纹，从而形成类柱状结构(DVC)。DVC结构的服役寿命较传统等离子喷涂热障涂层提高约3～6倍。然而，上述工艺在获取具有长寿命的柱状结构的同时，由于形成致密涂层结构而牺牲了纵向的隔热能力。例如，EB-PVD和DVC结构的热障涂层的纵向热导率是相应块材的60％甚至80％以上。因此，通过合适的工艺控制实现热障涂层高隔热长寿命的协同设计和制备变得非常有意义。

基于层状结构和柱状结构分别对热障涂层高隔热和长寿命的贡献，若能将层状结构和柱状结构有机结合，形成宏观柱状、微观层状的柱/层双模结构，将有可能实现高隔热和长寿命的协同设计。另外，基于等离子喷涂技术的成熟工艺开展结构设计，也有望将新型柱/层结构尽快实现工程化应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柱层双模结构热障涂层，该热障涂层在保留层状结构优异隔热性能的同时，通过柱状结构显著提升涂层在高温服役中的应变容限，达到高隔热长寿命的协同设计。

本发明的目的还在于提供一种柱层双模结构热障涂层的制备方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种柱层双模结构热障涂层，所述热障涂层由材料粉末形成的扁平状颗粒层叠而形成，呈现出层状结构；热障涂层上具有纵向的孔隙；热障涂层被纵向的孔隙分割成若干块，呈现出柱状结构。