[发明专利]兼具相稳定的自增强多模式纳米结构热障涂层及制备方法

说明书

兼具相稳定的自增强多模式纳米结构热障涂层及制备方法，采用超音速等离子喷涂方法在基体上喷涂合金粉，形成粘接层，然后在粘接层上喷涂纳米结构的氧化钇稳定氧化锆球形颗粒团聚体，形成涂层；超音速等离子喷涂方法工艺参数为：弧电流：300‑550A，弧电压：110‑150V，主气流量：120‑155slpm，二次气体流量：10‑40slpm，喷涂距离：90‑110mm，送粉量：30‑50g/min。该涂层内部呈现一种纳米晶区(30‑90nm)、亚微米晶区(110‑900nm)、未融纳米区(20‑60nm)、半融化区以及非晶区共同组成的多模式纳米结构热障涂层，具有高相稳定性以及自增强特性。

技术领域

本发明涉及航空发动机及重型燃气轮机涡轮叶片领域，特别涉及一种兼具相稳定的自增强多模式纳米结构热障涂层及制备方法。

背景技术

近些年，由于晶粒尺寸效应，纳米技术显著改善了材料的物理及力学性能。涡轮叶片是航空发动机中承载温度最高、服役条件最为苛刻的核心部件。但即使是单晶叶片材料，其承载温度极限也只有1150℃左右。热障涂层是目前国际上公认、可以大幅度提高发动机叶片服役温度的最为切实可行的方法，各航空强国均把热障涂层列为关键科学技术。等离子喷涂是目前制备热障涂层的一种常用方法，同时纳米结构材料也逐渐拓展到等离子喷涂热障涂层领域。相比氧化钇部分稳定的二氧化锆(YSZ)传统微米涂层，等离子喷涂的纳米结构热障涂层被研究者证实具有优异的隔热及热循环寿命。然而，在纳米结构涂层形成的过程中，通常将纳米结构粉体进行喷雾造粒形成团聚粉末。在与等离子射流相互作用过程中，需要综合调控纳米粉体的熔化程度，使涂层结构保留一些原始纳米结构粉体镶嵌在熔化再结晶区(一般为层片多孔结构)内，这种结构是目前被称为传统的双模式纳米结构涂层。

随着新一代航空发动机对高性能热障涂层的迫切需求，这种传统的双模式纳米结构涂层高温下的快速烧结使其逐渐显示出一些弊端。烧结将促使纳米晶的长大及应力的增加。另一方面，当YSZ的高温服役温度超过1200℃时，YSZ晶体结构中的Y³⁺离子会脱离它的平衡位置，喷涂态的亚稳非转移的t'相会缓慢的转变为t'、少Y的t相及富Y的c相的混合相。随后t-m相转变发生，并伴随着3-5％的体积膨胀，使得涂层内裂纹的形成，导致涂层过早失效。因此必须改进现有等离子喷涂工艺技术，提高熔滴撞击基体前的飞行速度并获得组织结构细密、相成分稳定、高温性能优异的热障涂层，满足我国高性能航空发动机及重型燃气轮机的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼具相稳定的自增强多模式纳米结构热障涂层及制备方法。

为达到以上目的，本发明采取如下技术方案予以实现：

兼具相稳定的自增强多模式纳米结构热障涂层的制备方法，采用超音速等离子喷涂方法在基体上喷涂合金粉，形成粘接层，然后在粘接层上喷涂纳米结构的氧化钇稳定氧化锆球形颗粒团聚体，形成YSZ纳米结构陶瓷涂层；其中，超音速等离子喷涂方法的工艺参数为：弧电流：300-550A，弧电压：110-150V，主气流量：120-155slpm，二次气体流量：10-40slpm，喷涂距离：90-110mm以及送粉量：30-50g/min。

本发明进一步的改进在于，氧化钇稳定氧化锆球形颗粒团聚体的直径为30-70μm，相成分为四方相结构。

本发明进一步的改进在于，氧化钇稳定氧化锆球形颗粒团聚体内部晶粒尺寸为20-60nm。

本发明进一步的改进在于，高温合金的牌号为GH3030、GH4169、单晶DD3、DD5、DD6、单晶CMSX-6或单晶SRR99。

本发明进一步的改进在于，合金粉的平均粒度为30-45μm。

本发明进一步的改进在于，合金粉为CoNiCrAlY、NiCoCrAlY、NiCoCrAlYTa、NiCrAlY、NiCrAlYSi、CoCrAlY、FeCrAlY或NiCrAl。