[发明专利]基于反向变形的层状热障涂层的纵向成孔方法和热障涂层

说明书

本发明公开了一种基于反向变形的层状热障涂层的纵向成孔方法和热障涂层，采用常规的等离子喷涂工艺制备出具有低热导率的层状热障涂层，接着采用反向变形的方法在涂层内形成横向拉伸应力，在层状热障涂层内沿热流方向形成大尺度纵向孔隙，孔隙深度为涂层厚度的20％～100％，孔隙间隔是涂层厚度的0.5～10倍。在高温服役环境下，低热导率的层状结构可有效阻隔热流，起到高隔热的作用；而大尺度纵向孔隙可显著降低涂层在高温服役中的整体刚化程度，从而通过低致裂的设计起到大幅延长涂层服役寿命的效果。本发明实现了低温下在高隔热层状热障涂层内形成大尺度纵向孔隙的目的，有望达到高隔热、长寿命的协同优化效果。

技术领域

本发明涉及涂层技术领域，特别涉及一种热障涂层的制备方法和热障涂层。

背景技术

热障涂层广泛应用于航空发动机和地面燃机，主要功能是降低金属基热端部件的承载温度，避免其在高于自身承温极限的环境下失效。例如，目前H级重型燃机的透平入口温度已达到1600℃，要求热端部件的承温能力达到1400℃以上。然而，目前最先进的单晶高温合金的承温极限仅为约1100℃。因此，必须采取相应的降温防护措施来确保热端部件稳定运行。热障涂层是目前航空发动机和地面燃机必备的隔热防护措施之一，在金属基热端部件表面涂覆300～1000μm的热障涂层，可实现100～300℃的温度降。因此，热障涂层是航空发动机和地面燃机等高端装备的核心技术之一。

等离子喷涂是热障涂层的主要制备方法之一。等离子喷涂热障涂层呈现出片层堆叠的层状结构，片层间存在大量垂直于热流方向的孔隙，可有效阻隔热流，使得其热导率降至相应块材的50％以下。这意味着，相同厚度下，等离子喷涂热障涂层的隔热能力将提高一倍以上。然而，等离子喷涂热障涂层的主要缺点是高温服役后易开裂剥落，其较短的服役寿命带来巨大的维修成本。因此，提高等离子喷涂热障涂层的服役寿命是当前亟需解决的难点问题。

等离子喷涂服役后易开裂剥落，主要原因是高温烧结使得涂层内的微孔隙大量愈合，涂层整体显著刚化。由于涂层的开裂驱动力与刚化程度正相关，因此显著刚化的涂层无疑增加了其开裂驱动力。而降低开裂驱动力有效的方法就是减小涂层的刚化程度。通过在涂层内引入若干平行于热流方向的纵向孔隙，可使涂层整体在高温服役中保持较低的表观弹性模量，即，显著弱化涂层的刚化程度，达到延寿命的目的。

目前，在等离子喷涂热障涂层内引入大尺度纵向孔隙的瓶颈问题是如何在高隔热的层状结构内引入纵向孔隙。高隔热层状结构内的大量层间微孔隙不仅可以起到阻隔热流的作用，而且可以和片层内固有的微裂纹相连接形成微孔隙网，使得涂层具有较高的应变容限，即较低的表观弹性模量。现有方法主要集中在两方面：(1)获取较为致密的结构，将结构致密化，通过增大表观弹性模量来得到较大的成孔应力，然后纵向成孔；然而较为致密的结构不免牺牲了涂层纵向的隔热能力；(2)提高涂层的预处理温度(多为800℃～1400℃)来获取较大的收缩变形，以此增加成孔应力，然而较高的温度往往不可避免引起涂层的烧结致密化，亦对涂层的隔热有一定的削弱作用。

因此，有必要在低温条件下发展高隔热层状热障涂层纵向成孔的方法，避免烧结的同时强化涂层的应变容限，降低涂层在高温服役中的表观刚化程度，从而在保持等离子喷涂热障涂层高隔热的功能优势的基础上显著延长其服役寿命，以服务于未来先进热障涂层的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供基于反向变形的层状热障涂层的纵向成孔方法和热障涂层，使热障涂层在保持优异的隔热功能的同时，通过纵向孔隙显著弱化涂层在高温服役中的宏观刚化程度，降低开裂驱动力实现长寿命服役的目的，以满足先进热障涂层的服役需求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于反向变形的层状热障涂层的纵向成孔方法，包含以下步骤：

步骤1，在基体上沉积金属粘结层；