[发明专利]一种具有自修复和温敏功能的热障涂层的制备方法

说明书

本发明涉及一种具有自修复和温敏功能的热障涂层的制备方法，包括以下步骤：制备金属烧结混合材料；采用超音速火焰喷涂工艺或爆炸喷涂工艺将金属烧结混合材料喷涂在高温合金表面形成底层，然后采用液料等离子喷涂工艺将氧化钇稳定氧化锆YSZ前驱体溶胶喷涂在底层表面形成中间层，最后采用等离子喷涂工艺或爆炸喷涂工艺将SiO₂混合La‑Ce‑Zr‑O的陶瓷复合材料喷涂在中间层表面形成表层。有效的克服了传统热障涂层韧性不足、只能单一防护的难题。通过发动机涡轮叶片所处环境热冲击强度不同，可进行智能自适应调节防御强度，可兼具隔热耐蚀和抗冲蚀性能，从而有效延长涂层的使用寿命。

技术领域

本发明属于航空发动机叶片防护用的温度检测、自修复热障涂层材料技术领域，具体涉及一种具有自修复和温敏功能的热障涂层的制备方法。

背景技术

热障涂层作为燃气轮机热端部件的防护涂层，可以大大的提高燃气轮机的服役寿命与服役温度。目前广泛使用的热障涂层粘结层以NiCrCoAlY为主。但在持续的高温环境下，粘接层会逐渐的氧化生成Al2O3、CrO等高温氧化物，其中Al2O3对基体与陶瓷层的结合起到一定的强化作用，而如CrO等高温氧化物在高温下不稳定，导致陶瓷层和基体之间的结合强度下降，进而导致陶瓷层逐渐剥落。因此，需要一种既可以减缓高温下陶瓷层与基体间的热应力，又具有较强高温稳定性的可以增加基体与陶瓷层之间结合强度的新型粘结层。高熵合金作为一种新兴的高性能合金，其在高温下表现为优秀的组织稳定性，Wei-Lin Hsu发现Ni基高熵合金在持续的高温环境下会生成一定的Al2O3，这将进一步提高了高熵合金在高温环境下的稳定性。因此可以利用高熵合金的高温稳定性及其在高温下形成的具有粘结性质的耐高温氧化物，一方面提高粘结层的耐高温性能，另外可以提高陶瓷层与基体的结合强度。

另外，热障涂层寿命很大程度上依赖于温度变化，其在服役过程中表面温度Ts要比基底界面温度Tb高得多，沿涂层厚度方向上的温度差(Ts-Tb)是导致涂层产生垂直裂纹和界面剥离的重要因素。但是涂层内部温度的准确测量却难以实现。目前在高温环境下采用的测温技术主要有示温漆、红外测温、热电偶测温。示温漆是一种温度敏感涂料，涂敷在零件表面，依靠在特定温度范围内呈现特定颜色来指示零件表面温度及温度分布，但是其精度一般，误差±50℃以上，测温＜800℃，不能适用于热障涂层的高温环境。红外测温技术属于非接触式测温，测温范围广、不会破坏被测对象的温度场、反应速率快，但其易受到物体发射率、测量距离、烟尘等外界因素的影响，测量误差较大，在高温环境下尤为严重。热电偶是一种利用热电效应的接触式测温法，虽然操作简单，测量精度高，但因测温元件必须与被测介质相接触，在一定时间内达到热平衡才能实现测温目的，所以存在延迟现象，且无法监测涂层内部温度。综上所述，目前的测温方式都无法胜任这一工作。近年来，基于物质光学响应温度特性的荧光测温技术迅速发展，通过在热障涂层内部掺杂稀土荧光元素，当热障涂层经过不同温度环境服役后，荧光材料的光谱宽度、荧光强度、荧光寿命会随之发生相应改变，因而可以研究其与温度的关联性实现对热障涂层服役温度实时监测的目的。Gentleman M M对Eu3+掺杂YSZ涂层的荧光强度与0～1200℃范围内服役的映射关系进行了研究，并给出了该温度范围内涂层荧光强度的衰退曲线，为科学预测涂层剩余寿命提供了理论依据。Chen X等人研究了YSZ粉末掺杂Dy3+及等离子喷涂YSZ:Dy3+涂层随温度升高的荧光强度变化，并建立了荧光衰减周期与涂层在0～1000℃服役的映射关系。Pin L等人研究了溶胶凝胶沉积法制备的掺杂稀土薄膜，并证实了Tm3+在较高温度下的应用。因此，本发明提出采用液料等离子喷涂技术制备Er3+稀土离子共掺杂的温敏热障涂层，利用稀土元素发光性能与温度的映射关系，可实时监控涂层内部温度的变化趋势。通过在热障涂层各层掺杂不同含量的稀土荧光示踪离子，当热障涂层经过高温环境服役后，研究其与温度耦合影响关系实现对涂层深度范围内服役温度实时监测的目的.