[发明专利]一种用于单晶高温合金热防护的热障涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及一种用于单晶高温合金热防护的热障涂层及其制备方法，属于材料热防护技术领域。所述热障涂层以单晶高温合金为基体，基体上面是由阻挡层、气相沉积工艺制备的下粘结层、热喷涂工艺制备的上粘结层以及陶瓷层按先后顺序叠加组成的热障涂层，该热障涂层能够抑制基体与粘结层之间的元素互扩散以及避免喷砂工艺导致单晶高温合金基体再结晶。本发明所热障涂层制备过程采用的均是成熟的工艺，操作简单，易于实现规模化生产。

技术领域

本发明涉及一种用于单晶高温合金热防护的热障涂层及其制备方法，属于材料热防护技术领域。

背景技术

热障涂层技术是保障航空发动机及地面燃气轮机热端部件使用性能的关键技术之一，其优劣直接影响热端部件的整体性能。热障涂层通常具有由陶瓷层和金属粘结层构成的双层结构，其中陶瓷层主要起隔热作用，金属粘结层则起到缓解陶瓷层与基体间热膨胀系数不匹配、提供涂层高温抗氧化性能和抗腐蚀性能的作用。MCrAlY(M为Ni、Co或NiCo)粘结层因其良好的塑性、较高的高温强度、优异的抗氧化性能和抗腐蚀性能，成为目前最为常用的粘结层之一。

热障涂层的主要制备方法包括气相沉积和热喷涂工艺。对于涡轮工作叶片等体积较小且要求较高的零件，通常采用气相沉积工艺制备热障涂层。另外，对于以单晶高温合金为基材的热端部件，为了避免实施喷砂工艺进而避免单晶基体发生再结晶，其表面的热障涂层也往往采用气相沉积工艺制备。但是，对于导向叶片等体积较大的静子零件，则需要采用具有更大工艺容限的热喷涂工艺在其表面制备热障涂层。

超音速火焰喷涂工艺是制备MCrAlY粘结层的常规方法之一。为了保证由HVOF(超音速火焰喷涂)工艺制备的粘结层与基体之间的结合性能，通常需要在实施HVOF工艺之前，采用喷砂工艺对基体进行粗化处理，以提高基体的表面粗糙度并去除基体表面杂质。然而，当采用HVOF工艺在单晶高温合金基体表面直接制备MCrAlY粘结层时，由喷砂工艺引入到单晶高温合金表面的强烈塑性变形将在其后续热处理或服役过程中诱发再结晶，从而严重恶化单晶高温合金的高温力学性能。这一问题是采用热喷涂方法在单晶高温合金表面制备热障涂层所面临的难点之一。

另外，MCrAlY涂层与单晶高温合金基体之间存在的元素成分差异，容易导致二者在高温服役环境下发生元素互扩散，给MCrAlY粘结层和单晶高温合金基体的性能均带来不利影响。为了抑制基体与粘结层之间的元素互扩散，本领域技术人员开发了多种扩散阻挡层，如金属阻挡层、金属间化合物阻挡层和陶瓷阻挡层等，并研究了各种扩散阻挡层对元素互扩散的阻挡效果，其中以陶瓷阻挡层的阻挡效果最为显著，也是受到最多关注的一类阻挡层。通常，扩散阻挡层采用诸如电弧离子镀、磁控溅射等的气相沉积工艺制备。然而，当陶瓷阻挡层被直接应用于采用热喷涂工艺制备的粘结层与基体之间时，在热喷涂工艺中，高速飞行的粉末粒子在撞击已沉积的陶瓷阻挡层的同时，容易破坏陶瓷阻挡层。同时，陶瓷阻挡层的粗糙度也无法满足喷涂涂层的制备需求。因此，如何通过结构与制备工艺设计将陶瓷阻挡层应用于以热喷涂工艺制备的热障涂层体系中，从而抑制以热喷涂工艺制备的粘结层与基体之间的元素互扩散，并避免单晶基体在后续热处理中再结晶，成为了另一个需要解决的关键问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于单晶高温合金热防护的热障涂层及其制备方法，所述热障涂层包括阻挡层、以气相沉积工艺制备的下粘结层、以热喷涂工艺制备的上粘结层以及陶瓷层，能够同时实现抑制基体与粘结层之间的元素互扩散以及避免喷砂工艺导致单晶高温合金基体再结晶的技术效果；而且制备该热障涂层所采用的均是成熟的工艺，操作简单，易于实现规模化生产。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种用于单晶高温合金热防护的热障涂层，所述热障涂层依次由阻挡层、下粘结层、上粘结层以及陶瓷层组成，阻挡层与单晶高温合金基体接触；

阻挡层为氮化物陶瓷、氧化物陶瓷、碳化物陶瓷或者氧氮化物陶瓷，优选氮化钛陶瓷；