[发明专利]超高温长寿命热障涂层材料及超高温长寿命热障涂层的制备方法

说明书

本发明公开了一种超高温长寿命热障涂层材料及超高温长寿命热障涂层的制备方法，该热障涂层材料的化学组成为Zrsubgt;0.84‑x/subgt;Ysubgt;x/subgt;Cesubgt;0.16/subgt;Osubgt;2‑0.5x/subgt;，其中x＝0～0.02。该热障涂层材料在室温至1600℃温度区间无相变。该热障涂层材料的断裂韧性为55～690J/msupgt;2/supgt;。该热障涂层材料的制备方法包括：以纯度为99.99％的Zr(NOsubgt;3/subgt;)subgt;4/subgt;·3Hsubgt;2/subgt;O、Y(NOsubgt;3/subgt;)subgt;3/subgt;·6Hsubgt;2/subgt;O、Ce(NOsubgt;3/subgt;)subgt;3/subgt;·6Hsubgt;2/subgt;O为原料，然后采用溶胶‑喷雾热解法制备热障涂层材料；所述的超高温长寿命热障涂层是由超高温长寿命热障涂层材料通过球磨得到纳米团聚体，将该纳米团聚体经大气等离子喷涂工艺喷涂在粘结层上形成陶瓷层制备而成。本发明的材料具有更高的高温相稳定性、具有超高的断裂韧性；采用该材料制备的涂层具有更长的寿命，并且该材料制备方法简单，纯度高，便于应用。

技术领域

本发明属于热障涂层领域，具体涉及一种超高温长寿命热障涂层材料及超高温长寿命热障涂层的制备方法。

背景技术

航空燃气涡轮发动机进口温度提升100K，发动机推力提高15％；进口温度每提升200K，发动机提高一代。目前，世界上最先进的五代机典型代表F135发动机进口温度接近2000K，并呈逐步上升态势，未来六代机将达到2400K。由于当前单晶高温合金承温极限仅能达到1373K和温度提升缓慢(～4K/年)，仅依靠单晶高温合金无法满足当前温度和发展需求，国际公认提高合金服役温度最有效措施是气膜冷却技术和热障涂层(TBCs)技术，这两种技术降低基体合金温度的同时也能提高其寿命，如温度降低14K，叶片寿命能提高1倍。因此，开发使用温度≥1500℃的超高温热障涂层显得尤为重要。

涂层承受温能力和抗热冲击寿命主要取决于材料的断裂韧性和高温稳定性。以经典涂层YSZ为例，其材料断裂表面能(～40J/m²)，根据YSZ层与金属粘结层热膨胀系数失配计算“J Euro Ceram Soc 28(2008)1405–1419”，当YSZ层厚度150μm时，能承受1100℃热冲击而不剥落，这与目前该涂层使用情况相一致。与此相比，尽管Ln₂Zr₂O₇(Ln＝La-Yb)等涂层耐1500℃高温烧结、高温相稳定，较YSZ有明显优势，但由于其断裂韧性不足(＜10J/m²)“Ceram Intern 40(2014)13979–13985”，涂层热循环寿命不足YSZ的10％“J Appl CeramTechnol 1(2004)351-61；J Am Ceram Soc 97(2014)4045–4051”。实现涂层在1500℃以上长期使用，材料的断裂表面能至少提高至80J/m²以上，即至少YSZ的2倍。目前能够达到如此高韧性的材料只有相变增韧的TZP，其断裂表面能高达300J/m²“J Euro Ceram Soc 28(2008)1405–1419”，但因RT～1000℃区间相变而不能被使用。

如能研制出如上所述的超高韧与高温无相变兼得涂层材料并制备出相应涂层，一方面可以取代现用YSZ，增大涂层厚度提高隔热效果、进一步提高进口温度增大发动机推力，也能极大延长涂层服役寿命，延长发动机寿命，减小维修成本；另一方面，对推动我国下一代发动机研制进程，缩短我国与世界航空强国差距起到积极作用。

发明内容

本发明目的在于提供一种超高温长寿命热障涂层及其制备方法，增大涂层厚度提高隔热效果、进一步提高进口温度增大发动机推力，也能极大延长涂层服役寿命。

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。