[发明专利]一种耐CMAS和热腐蚀的热障涂层及其制备方法

说明书

本发明提供了一种耐CMAS和热腐蚀的热障涂层，包括由下向上设置在金属基材上的粘结层、PYSZ陶瓷层、第一镧镁铝氧化物陶瓷层和第二镧镁铝氧化物陶瓷层，第一镧镁铝氧化物陶瓷层的孔隙率为10％‑25％，第二镧镁铝氧化物陶瓷层的孔隙率为3％‑8％。本发明还提供了一种前述的耐CMAS和热腐蚀的热障涂层的制备方法。第二镧镁铝氧化物陶瓷层具有较低的孔隙率，能够有效阻挡CMAS和热腐蚀物的渗入，同时能够与CMAS、热腐蚀物发生化学反应，在表面生成反应阻挡层；第一镧镁铝氧化物陶瓷层则具有相对较高的孔隙率，与位于更内层的PYSZ之间具有更好的热膨胀匹配性，从而避免整个热障涂层体系的热循环寿命降低。

技术领域

本发明涉及热障涂层技术领域，尤其涉及一种耐CMAS和热腐蚀的热障涂层及其制备方法。

背景技术

在地面燃气轮机的运行过程中，自然环境中的灰尘(钙、镁、铝、硅等元素的氧化物，合称CMAS)等杂质会经过进气通道进入燃机内部，最终沉积在透平叶片上，在高温环境下(1200℃左右)这些杂质会以熔融态渗入或扩散至叶片表面的热障涂层中，造成热障涂层腐蚀，产生裂纹，最终导致热障涂层的剥落。虽然现阶段CMAS腐蚀并不是地面燃机的主要问题，但是随着新一代燃气轮机的发展，热障涂层的表面温度会继续提升，CMAS腐蚀的问题就会愈发需要关注。

同时，燃气轮机上的热障涂层还会面临热腐蚀的问题，因为在900℃以上的高温环境下，燃料中的如钠、硫、钒、铅和磷等杂质会在燃烧过程中被氧化，形成强酸性或碱性氧化物，并对热障涂层造成腐蚀。一般情况下，热障涂层对部件表面的熔融盐(如Na₂SO₄)没有很好的耐腐蚀性，尤其是含有氧化钒的盐。目前地面燃机使用的材料PYSZ尤其不耐钒腐蚀，因为Y元素会被置换出来，造成Y的贫化，更容易发生相变(四方相转化成单斜相)导致裂纹产生。其他材料的涂层同样会面临钒腐蚀的问题。

现阶段地面燃机使用的PYSZ材料长期处在高于1200℃的环境下会发生相变，伴随有体积变化，降低涂层的使用寿命，同时，在使用过程中PYSZ还存在严重的烧结现象，使热导率增大，隔热效率降低。为了下一代燃机的发展，需要进一步提高燃气的温度从而提高效率，因此也需要降低涂层材料的热导率。烧绿石结构的稀土锆酸盐(Re₂Zr₂O₇)的熔点在2000℃以上，热导率也比PYSZ低，但是断裂韧性比较差，需要与PYSZ组成复合涂层，提升断裂韧性并延长热循环寿命。但是研究发现，六铝酸盐镧镁铝氧化物(LaMA)与PYSZ组成的复合涂层在1100℃下的热循环寿命(大于500次)远高于镧系稀土锆酸盐与PYSZ组成的复合涂层的寿命(小于10次)，这是由于镧镁铝氧材料与PYSZ的热膨胀系数具有更好的匹配性。同时研究发现，相对较高孔隙率的镧镁铝氧材料与PYSZ组合的热障涂层体系寿命较高，但高孔隙率会导致涂层更易受到热腐蚀和CMAS腐蚀。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种具有梯度孔隙率的热障涂层，从而有效阻挡CMAS和热腐蚀物的渗入。

本发明提供了一种耐CMAS和热腐蚀的热障涂层，包括由下向上设置在金属基材上的粘结层、PYSZ陶瓷层、第一镧镁铝氧化物陶瓷层和第二镧镁铝氧化物陶瓷层，所述粘结层的材料为MCrAlY，其中M为Ni或Co；所述第一镧镁铝氧化物陶瓷层和第二镧镁铝氧化物陶瓷层的材料为LaMA，所述第一镧镁铝氧化物陶瓷层的孔隙率为10％-25％，所述第二镧镁铝氧化物陶瓷层的孔隙率为3％-8％。

优选地，所述PYSZ陶瓷层和第一镧镁铝氧化物陶瓷层的总厚度为300-600μm，所述第二镧镁铝氧化物陶瓷层的厚度小于所述PYSZ陶瓷层和第一镧镁铝氧化物陶瓷层的总厚度的20％。

优选地，所述PYSZ陶瓷层的厚度为100-400μm，孔隙率为5-20％。

优选地，所述金属基材为钴基或镍基高温合金。

本发明还提供了一种前述的耐CMAS和热腐蚀的热障涂层的制备方法，包括以下步骤：