[发明专利]一种具有长寿命的热障涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有长寿命的热障涂层及其制备方法，包括设置于基体表面的粘结层和陶瓷面层，所述粘结层与基体之间还设置有扩散阻挡层，所述扩散阻挡层为Zr层/ZrN层交替叠合的扩散阻挡层，所述扩散阻挡层与基体和粘结层接触的表面均为Zr层；所述陶瓷面层与所述粘结层时间还设置有预氧化层，所述预氧化层为连续致密的α‑Al₂O₃层。本发明在双层结构热障涂层基体/粘结层和粘结层/陶瓷面层两个界面处分别制备多层扩散阻挡层和α‑Al₂O₃预氧化层，可以有效的减缓高温服役过程中基体/粘结层界面金属元素互扩散和粘结层/陶瓷面层界面TGO的生长速度，从而提高双层结构热障涂层抗长期高温性能并延长其使用寿命。

技术领域

本发明属于热障涂层技术领域，具体涉及一种具有长寿命的热障涂层及其制备方法。

背景技术

为了降低未来航天航空发动机的燃料消耗，提高推力/质量比和使用寿命，许多密度低、室温韧性好、高温强度高的先进材料将被大量使用，同时各种功能涂层将得到广泛应用，其中热障涂层(Thermal Barrier Coatings，TBCs)对提高发动机工作温度起着非常重要的作用。由于制备工艺简单，双层结构热障涂层成为热障涂层主要采用的结构形式，其中双层结构热障涂层的面层为陶瓷隔热层，中间层为金属粘结层。

双层结构热障涂层的基体/粘结层和粘结层/陶瓷面层两个界面是整个热障涂层的薄弱环节，也是影响热障涂层使用寿命的关键所在。热障涂层在高于1000℃的温度下服役时，粘结层的氧化和基体/粘结层界面金属元素的互扩散速率明显增加，会导致热障涂层过早失效。另外随着涂层在高温下服役时间的延长，粘结层/陶瓷面层界面处的热生长氧化物(TGO，Thermally Grown Oxide)不断生长，TGO发生变形甚至裂纹，最终导致涂层整体发生破坏性剥落，失去保护作用。因此，开发和设计一种通过控制粘结层/陶瓷面层界面TGO的生长、阻碍粘结层氧化及基体/粘结层界面金属元素互扩散进而延长热障涂层在高温环境下的服役寿命的热障涂层具有重要的经济、社会和现实意义。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单，设计合理的一种具有长寿命的热障涂层及其制备方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种具有长寿命的热障涂层，包括设置于基体表面的粘结层和陶瓷面层，所述粘结层与基体之间还设置有扩散阻挡层，所述扩散阻挡层为Zr层/ZrN层交替叠合的扩散阻挡层，所述扩散阻挡层与基体和粘结层接触的表面均为Zr层；

所述陶瓷面层与所述粘结层时间还设置有预氧化层，所述预氧化层为连续致密的α-Al₂O₃层。

作为本发明的进一步优化方案，所述粘结层为MCrAlY或PtNiAl材料制备的粘结层，所述MCrAlY中的M为Ni或Co元素，其厚度为50-200μm。

作为本发明的进一步优化方案，所述Zr层厚度为0.25-1μm，ZrN层厚度为1-4μm。

作为本发明的进一步优化方案，所述陶瓷面层为ZrO₂和Y₂O₃混合粉末陶瓷面层，其中Y₂O₃所占的质量百分比为7％，所述陶瓷面层的厚度为50-1000μm。

作为本发明的进一步优化方案，所述α-Al₂O₃层的厚度为5-10μm。

一种如上述任一所述的具有长寿命的热障涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1：在预处理后的基体表面制备Zr层/ZrN层交替叠合的扩散阻挡层