[发明专利]热障涂层的制备方法、热障涂层和涡轮转子叶片

说明书

本发明提供了一种热障涂层的制备方法、热障涂层和涡轮转子叶片，制备方法包括如下步骤：在基体上制备金属粘结层；采用等离子物理气相沉积法在金属粘结层背离基体的表面制备陶瓷粘结层，陶瓷粘结层为致密等轴晶结构或致密柱状晶结构；采用大气等离子喷涂法在陶瓷粘结层背离金属粘结层的表面制备第一陶瓷主体层；采用等离子物理气相沉积法在第一陶瓷主体层背离陶瓷粘结层的表面制备陶瓷表层，陶瓷表层的致密度大于第一陶瓷主体层的致密度。该热障涂层的制备方法生产成本低，并且能够得到结合强度高、抗剥落能力好、热循环寿命长、抗CMAS腐蚀和空气动力性能良好的热障涂层。

技术领域

本发明涉及热障涂层制备技术领域，特别是涉及一种热障涂层的制备方法、热障涂层和涡轮转子叶片。

背景技术

高压涡轮转子叶片是发动机中承温和承载最为苛刻的核心部件，也是制约发动机发展的关键短板。高温合金是目前高压涡轮叶片唯一可行的结构材料，其中最先进单晶合金的承温能力为1150 ℃左右，已接近高温合金的承温极限。即使采用先进的气膜冷却技术，到达叶片合金表面的燃气温度仍高于叶片合金的承温极限。因此，国际上公认热障涂层（Thermal barrier coatings，TBCs）是大幅提高发动机服役温度最切实可行的办法。

热障涂层主要是将耐高温、高隔热的陶瓷材料涂覆在基体合金表面，以降低合金表面工作温度从而提高发动机的热效率。经历了几十年的高速发展，先进的热障涂层材料已可以有效提高涡轮叶片使用温度200 ℃~300 ℃左右。

热障涂层在实际服役过程中不仅要长期处于高温、高燃气冲蚀、腐蚀、高次热疲劳的恶劣服役环境，还需要承受很大的离心力，因此热障涂层需要具备较高的结合强度、高抗腐蚀、长热循环寿命及良好的空气动力性等优良性能。

目前获得批量应用的热障涂层制备技术主要有大气等离子喷涂技术（Air plasmaspray，APS）及电子束物理气相沉积技术（Electron beam-physical vapor deposition，EB-PVD），这两种方法各有利弊。APS的设备成本低、系统操作简单、涂层沉积效率高，但涂层与金属基体界面的结合力较差，且需在较粗糙基体表面沉积才能保证良好的结合，涂层热循环过程中易剥落。此外，涂层表面粗糙导致叶片空气动力性差。目前转子叶片表面常用的PtAl粘结层表面粗糙度很低，APS无法在其表面沉积陶瓷涂层。

EB-PVD涂层的热循环寿命远高于APS涂层，且涂层表面具有更高的光洁度，可有效减小燃气阻力，有利于保持叶片的空气动力学性能。但EB-PVD设备相对APS设备系统更复杂、成本更高，且EB-PVD涂层沉积速率相对较低，导致EB-PVD涂层成本也远高于APS，且不利于制备厚度大于200μm以上厚热障涂层，故不适合工业化生产。

因此，针对高性能燃气涡轮转子叶片表面热障涂层的制备成本过高、涂层结合强度较低、热循环寿命及空气动力学性能较差等缺陷，开发一种低成本高性能的热障涂层的制备方法是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种低成本、高性能的热障涂层的制备方法、热障涂层和涡轮转子叶片。

本发明提出的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供了一种热障涂层的制备方法，包括如下步骤：

在基体上制备金属粘结层；

采用等离子物理气相沉积法在所述金属粘结层背离所述基体的表面制备陶瓷粘结层，所述陶瓷粘结层为致密等轴晶结构或致密柱状晶结构；

采用大气等离子喷涂法在所述陶瓷粘结层背离所述金属粘结层的表面制备第一陶瓷主体层；及

采用等离子物理气相沉积法在所述第一陶瓷主体层背离所述陶瓷粘结层的表面制备陶瓷表层，所述陶瓷表层的致密度大于所述第一陶瓷主体层的致密度。