[发明专利]止裂抗剥落仿生堤坝结构梯度涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及一种止裂抗剥落仿生堤坝结构梯度涂层及其制备方法，属于热障涂层及其表面改性领域。包括表面陶瓷层、金属粘结层和环形堤坝结构体。采用激光技术在陶瓷层表面制备环形堤坝结构体。环形堤坝结构体中自愈合颗粒二硅化钼所占比例由内侧向外侧逐渐增大，从而形成了具有梯度特性堤坝结构体的热障涂层，能够有效阻滞裂纹的萌生和扩展。本发明由于采用了激光技术在热障涂层中设置不同材料体系堤坝结构体的方法，使质地坚硬的堤坝结构体与质地相对柔软的喷涂态陶瓷涂层形成具有双相混合交替变化特征的强化结构，这样延迟了裂纹的萌生，阻滞了裂纹的扩展，提高了热障涂层的抗热震性能。

技术领域

本发明涉及热障涂层及其表面改性领域，特别涉及一种止裂抗剥落仿生堤坝结构梯度涂层及其制备方法。

背景技术

热障涂层技术是发展高性能航空发动机的关键技术，目前已广泛用于航空发动机的燃烧室和发动机叶片上，使用热障涂层能够降低基体高温合金的表面温度，保护基体免受高温氧化，减小发动机中冷却气体用量，提高燃气温度，从而提高航空发动机的推重比。因此，随着科学技术的发展，在航天、航空、燃气发电、化工、冶金等众多领域，热障涂层将会得到更广泛的研究与应用。

目前广泛使用的热障涂层是双层结构，也就是由金属粘结层和表面陶瓷涂层组成。陶瓷层一般为 6%～8%氧化钇部分稳定的氧化锆，陶瓷层起着隔热的作用，一般采用大气等离子喷涂、电子束物理气相沉积或等离子喷涂-物理气相沉积方法制备。粘结层材料普遍采用 MCrAlY合金，其中M代表Ni、Co或Ni与Co混合物，金属粘结层起到抗氧化腐蚀和使陶瓷层与基体紧密结合的作用。这一中间过渡层减少了界面应力，避免了陶瓷层的过早剥落。一般采用低温超音速火焰喷涂或低压等离子喷涂方法制备。

航空发动机涡轮叶片热障涂层的服役环境十分复杂，在工作过程中既要受到热冲击载荷，又会受到机械载荷，其工作以及非工作状态会使涂层多次经受冷热循环，微裂纹开始萌生、扩展，直到最后裂纹融汇贯通导致热障涂层剥落失效且使用寿命降低。因此，热障涂层的过早剥落是热障涂层失效的主要形式之一。采用激光技术与热喷涂复合技术以提高热障涂层的抗热震性能受到国内外专家学者的关注，一般采用以下几种方法进行研究。一是采用激光重熔技术较大的激光能量密度对热障涂层的表面陶瓷层进行整体式的搭接重熔；二是采用激光上釉技术较小的激光能量密度对热障涂层的表面陶瓷层的极薄层进行搭接重熔。但这些方法使得涂层内残余应力较大，涂层开裂严重，不能有效地提高热障涂层的性能。因此，对提高热障涂层抗热震性能的研究亟待探索。

采用裂纹愈合机制改善陶瓷性能是近年来的研究热点。陶瓷属于脆性材料，对裂纹十分敏感。热障涂层热震失效的过程实际上是一系列的裂纹萌生、扩展与合并，最终导致涂层剥落的过程。在热障涂层中添加自愈合颗粒，当涂层中的裂纹表面遇到大气中的氧气，在高温条件下，存在于裂纹周围的自愈合颗粒发生氧化反应填补裂纹，触发裂纹愈合机制，从而恢复材料强度。

自然界中有许多生物诸如贝壳、植物叶片等具有优良的止裂、抗疲劳性能。这些生物体表普遍存在着几何非光滑形态特征，即具有一定几何形状（桩钉形、堤坝形、栅栏形等）的结构单元体以随机或者规律性分布在其体表。这些几何非光滑单元体不但具有良好的刚性和韧性，而且这些独特的结构通过多种方式与基体发生稳固连接，从而赋予了这些生物优异的功能特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种止裂抗剥落仿生堤坝结构梯度涂层及其制备方法，解决了现有技术存在的大气等离子喷涂热障涂层在高温服役环境下过早剥落的问题，即抗热震性能。本发明不仅优化了涂层表面改性的形貌和结构，而且通过添加不同比例的自愈合颗粒由内向外呈梯度分布在环形堤坝结构中，极大地提高了涂层的抗高温氧化性能和抗热震性能。本发明采用仿生学理念，利用激光技术与热喷涂复合技术，通过添加裂纹自愈合颗粒，制备出一种具有梯度特性堤坝结构体的热障涂层。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：