[发明专利]一种兼具热障及抗CMAS腐蚀附着的热障涂层及其制备工艺

说明书

本发明公开一种兼具热障及抗CMAS腐蚀附着的热障涂层及其制备工艺，所述热障涂层为双层结构，包括抗CMAS腐蚀附着层和隔热层；靠近基体的隔热层为热障涂层总厚度的30％～60％，靠近热流的抗CMAS腐蚀附着层的厚度为热障涂层总厚度的40％～70％；隔热层和抗CMAS腐蚀附着层均由片层堆叠而成；抗CMAS腐蚀附着层的片层能够进行层剥。涂层在服役过程中，大片层堆叠的片层显著增加了CMAS的渗入路径，从而延缓了CMAS沿表面缺陷渗入的速度，提升了涂层抗CMAS腐蚀能力；另一方面，温度变化产生的膜基热失配应力可引发抗CMAS附着涂层的局部层剥，从而将附着于热障涂层表面的CMAS沉积物去除，以消除CMAS在气膜孔附近的沉积而引发的气膜孔堵塞，从而大幅度提升航空发动机热端金属部件的长期服役稳定性。

技术领域

本发明属于涂层技术领域，特别涉及一种热障涂层。

背景技术

作为飞机的心脏，发动机的性能会直接影响飞机性能的各项指标，而最能体现发动机性能的参数之一就是推重比。现代航空发动机追求的目标就是不断提高推重比、降低服役成本。推重比的增加，必然要求发动机涡轮前温度进一步升高。目前，涡轮前温度已远远超过了热端构件金属材料。因此，在热端金属构件表面涂覆低导热的热障涂层，并设计先进的冷却系统，是确保航空发动机热端金属构件稳定运行的关键所在。

航空发动机在飞越火山岩上空等恶劣的环境时，会从进气道吸入一定的沙粒、浮尘和飞灰。尽管地理位置和服役条件不同，但经测试，这些硅酸盐矿物颗粒的化学组分都基本相同，主要为CaO、MgO、Al₂O₃、SiO₂以及少量的Ni和Fe的氧化物，其熔点大约在1200℃左右，统称为钙镁铝硅酸盐(Calcium-Magnesium-Alumino-Silicate,CMAS)。随着航空工业的发展，当发动机工作温度达到1200℃以上时，CMAS颗粒在发动机内部高温作用下溶化后会使发动机热端部件受到不同程度的损害。一方面，熔融CMAS会侵蚀热端构件表面的热障涂层，使其寿命和性能严重下降。据报道，CMAS沉积物对热障涂层的影响主要是通过熔融CMAS沿涂层表面缺陷渗入到陶瓷层内部，冷却过程中产生的脆性玻璃相导致陶瓷层应变容限降低，从而引发涂层分层开裂。因此，抑制CMAS腐蚀的关键就是延缓CMAS沿表面缺陷渗入的速度，从而降低CMAS渗入的深度。

另一方面，熔融CMAS会在航空发动机热端构件冷却气膜孔附近堆积，造成冷却气膜孔堵塞，显著削弱了冷却气体对高温合金的冷却作用，引发高温合金的严重烧蚀。相比于CMAS对热障涂层的相对“缓慢”腐蚀，CMAS附着引发的冷却气膜孔堵塞会在短时间内直接损伤金属基体，无疑更为致命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼具热障及抗CMAS附着的热障涂层及其制备工艺，该涂层在保留热障涂层隔热功能的前提下，可显著延缓CMAS沿表面缺陷的渗入速度，并通过牺牲具有低结合率的表面抗CMAS层，自发去除附着于冷却气膜孔附件的CMAS沉积物，以实现高推重比航空发动机的高温热端金属部件的长时间稳定运行。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种兼具热障及抗CMAS腐蚀附着的热障涂层，所述热障涂层为双层结构，包括抗CMAS腐蚀附着层和隔热层；靠近基体的隔热层为热障涂层总厚度的50％～70％，靠近热流的抗CMAS腐蚀附着层的厚度为热障涂层总厚度的30％～50％；隔热层和抗CMAS腐蚀附着层均由片层堆叠而成；抗CMAS腐蚀附着层的片层能够进行层剥。

进一步的，隔热层的片层单元的横向尺寸为8～20μm、纵向尺寸为0.8～2.5μm，沿热障涂层的厚度方向相邻片层单元的结合率为20％～30％；

抗CMAS腐蚀附着层的片层单元的横向尺寸为100～300μm、纵向尺寸为0.8～2.5μm，沿热障涂层的厚度方向相邻片层单元的结合率为5％～10％。