[发明专利]一种新型孔隙率梯度的热障涂层

说明书

本发明涉及一种新型孔隙率梯度的热障涂层，包括：生长于基体表面的金属粘结底层；生长于金属粘结底层之上的热生长氧化物层(TGO)；生长于TGO层之上的陶瓷隔热面层；所述陶瓷隔热面层由单一陶瓷材料成分或多种陶瓷材料成分复合的陶瓷材料制成；所述陶瓷隔热面层由TGO层与陶瓷隔热面层的界面至陶瓷隔热面层外表面的方向孔隙率呈连续梯度减小。本发明制备的热障涂层体系，在保证热障涂层的隔热效果的前提下，提高了热障涂层的隔热效率以及抗热冲击性能，进而提高了涡轮叶片组件的服役寿命。

技术领域

本发明涉及热障涂层领域，具体涉及一种新型孔隙率梯度的热障涂层。

背景技术

燃气轮机是发展成熟、应用广泛的一种机械装置，该机械装置通过将燃料的化学能转化为热能及机械能来驱动喷气式飞机、大型舰船、发电机组及流体泵等设备或设施。为了提高能源利用效率，用于燃气轮机的涡轮热端部件的金属材料在设备工作时往往接近或达到其热稳定性的临界状态，即为了提高燃气轮机使用效率，涡轮进气口温度被大幅度提高，实际上目前先进燃气轮机的涡轮一级动、导向叶片工作时往往处于高于其熔点的混合燃气气氛中。只是由于该金属材料表面被在其上涂敷一层隔热涂层或高温防护涂层以及一层空气膜隔离、冷却，才使其在长时间服役的情况下不被熔化。但是，冷却空气的使用降低了燃气轮机的效率，这与通过提高涡轮进气口温度来提高燃气轮机的效率的初衷相矛盾。因此，为了降低冷却空气的使用量，提高热障涂层的隔热能力尤为重要。

热障涂层体系多以陶瓷材料为基础，例如多铝红柱石、氧化铝、氧化铪、氧化锆、氧化钇等。目前普遍使用的是7-8％氧化钇稳定的氧化锆。由于氧化锆陶瓷层是优良的氧透过体，因此在热障涂层体系中除起到隔热作用的陶瓷涂层以外，在陶瓷层和金属材料基体之间，还需要制备一层粘结层。该粘结层在高温环境下其表面会生成一层致密、连续、附着的氧化铝层，阻止了氧化或热腐蚀的进一步进行，从而起到高温防护的作用。

在现有技术中，热障涂层体系的制备方法包括热喷涂和电子束物理气相沉积(EBPVD)等工艺。与热喷涂工艺制备的陶瓷层相比，EBPVD镀覆的陶瓷层具有柱状晶粒结构，此种结构在提高了应变容限的同时降低了涂层的隔热性能。同时，EBPVD制备的叶片或其他零件的往往较小，对尺寸的敏感性较高。根据美国专利US5073433和US5705231，针对大型部件，可以通过热喷涂获得相似的涂层。而且，在目前较大的涡轮热端部件，例如发电机组或大型舰船推进系统所用的燃气轮机的涡轮一级静、动叶片，国内外往往采用热喷涂工艺来制备其热障涂层体系。

由于现在实际应用中的热障涂层在长时间服役后容易出现剥落，而导致涂层和整个组件失效，所以一般间隔一定的时间，需要对燃气轮机热端部件进行大修。例如重型燃气轮机一般经过8000EOH(等效工作时间)后要进行小修，在服役24000EOH后，要对热端零部件进行大修，主要包括检修，拆解，去掉已经失效的涂层，再重新制备一层新的热障涂层等过程。这个过程的成本往往是热端部件替换成本的四分之一。因此，提高热障涂层的寿命，可以降低检修频次和维修成本，经济意义巨大。

在现有技术中，一般热障涂层由陶瓷隔热面层(Ceramic Top Coat,TC)、热生长氧化物层(Thermal Grown Oxide,TGO)和金属粘结底层(Metalic Bond Coat,BC)构成。

陶瓷隔热面层的作用是提供物理保护防止外来物冲击，隔热降低基体温度，以及提供一定的抗高温氧化、抗热腐蚀性能。陶瓷隔热面层顾名思义，其材料是由陶瓷材料组成，例如多铝红柱石、氧化铝、氧化铪、氧化锆、氧化钇等。目前普遍使用的是7-8wt％氧化钇部分稳定的氧化锆(7-8YSZ)粉末。金属粘结底层的作用是对陶瓷外层提供粘附力。同时通过原位生成或外部工艺制备的一层具有保护基体作用的热生长氧化物层，即TGO层，提供抗高温氧化能力和抗热腐蚀能力。

但是，在现有技术中，陶瓷隔热面层、TGO层、金属粘结底层的线膨胀系数不同，陶瓷隔热面层在长时间服役的情况下，因为高温工作和低温停机的交替变化，会发生陶瓷隔热面层部分或者整体剥落的现象。这两种涂层剥落都会使涂层保护的热端部件最终失效，导致停机或事故发生。