[发明专利]抗烧结双模复合结构热障涂层及其制备工艺

说明书

本发明公开一种抗烧结双模复合结构热障涂层的制备工艺，包含：步骤一，在基体上沉积金属，形成金属粘结层；步骤二，通过热喷涂方法，在金属粘结层上将第一热障涂层材料粉末和第二热障涂层材料粉末交替分层沉积形成复合层状结构热障涂层；步骤三，通过强流冲击冷却的预处理工艺，在复合层状结构热障涂层内形成若干纵向孔隙，得到双模复合结构热障涂层。本发明所提出的双模复合结构，将在服役中自发形成若干垂直于热流方向的孔隙，并保持高应变容限，从而具有抗烧结、长寿命的特征。

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及其制备工艺。

背景技术

热障涂层(Thermal barrier coatings,TBC)广泛应用于航空发动机和燃气轮机的高温热端构件。作为一种隔热陶瓷涂层，厚度300～500μm的TBC可使热端构件的承温能力提升50～300℃，这对于提高燃气进口温度，进而提升发动机推重比、效率等具有十分重要的意义。

热障涂层普遍采用热喷涂方法制备，其结构是由无数熔融液滴铺展凝固堆叠而形成的。因此，热喷涂热障涂层通常呈现出层状结构；在层状结构内还包含微米和亚微米级的微孔隙和微裂纹。这种特殊的结构一方面使得热障涂层的结构热导率在原有低导热材料的基础上进一步降低。以目前广泛使用的氧化钇稳定的氧化锆(Yttria stabilizedzirconia,YSZ)材料为例，YSZ块材的热导率约为2.5W/m·K，而采用等离子喷涂制备的YSZ涂层的热导率则约为1.0W/m·K。另一方面，这种特殊的结构使得涂层在制备态的弹性模量小于块材的50％，从而使得涂层具有一定的协调应变的能力。因此，热喷涂热障涂层往往具有优异的隔热能力和应变容限。

在服役过程中，保持热障涂层的高隔热性能、高应变容限是发展新一代高性能热障涂层的关键所在。然而，在高温热暴露中，热喷涂涂层内的微米和亚微米级孔隙往往会由于烧结而愈合，从而显著降低涂层的隔热能力。另外，由于应变容限的急剧降低，涂层在服役过程中将积聚大量的应变能量，这是导致涂层剥离失效的主要原因之一。因此，如何提高热障涂层结构的抗烧结性，同时及时释放涂层在服役中产生的应变能量，将是发展抗性能衰减、长寿命热障涂层的难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗烧结双模复合结构热障涂层及其制备工艺，该涂层在高温服役中由于复合片层的差异化烧结收缩而自发形成若干垂直于热流方向的孔隙，降低由于微孔隙愈合而造成的隔热能力下降的影响，达到整体抗烧结的目的；同时该涂层的柱状结构可以使涂层在长时间服役中保持高的应变容限，达到长寿命的目的，实现新一代高性能热障涂层的制备。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

抗烧结双模复合结构热障涂层的制备工艺，包含以下步骤：

步骤一，在基体上沉积金属，形成金属粘结层；

步骤二，通过热喷涂方法，在金属粘结层将第一热障涂层材料粉末和第二热障涂层材料粉末交替分层沉积形成复合层状结构热障涂层；第一热障涂层材料粉末沉积形成第一片层单元，第二热障涂层材料粉末沉积形成第二片层单元；第二片层单元采用悬浮液液料喷涂技术喷涂第二热障涂层材料粉末的分散液制备而成，悬浮液浓度为2～5mol/L；

步骤三，通过强流冲击冷却的预处理工艺，在复合层状结构热障涂层内形成若干纵向孔隙，得到双模复合结构热障涂层；其中，纵向孔隙沿双模复合结构热障涂层表面内的宽度为双模复合结构热障涂层总厚度的0.05％～5％，纵向孔隙沿纵向的深度为双模复合结构热障涂层总厚度的10％～100％，相邻纵向孔隙间隔为双模复合结构热障涂层总厚度的1～20倍。

进一步的，制备复合层状结构热障涂层时，第二热障涂层材料粉末体积含量为第一热障涂层材料粉末和第二热障涂层材料粉末总体积的10％～50％。

进一步的，相邻第二片层单元在复合层状结构热障涂层内纵向间隔M层第一片层单元，M为自然数，M的取值范围为1-100。