一種低導(dǎo)熱抗燒結(jié)熱障涂層及其制備工藝的制作方法
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及涂層技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種熱障涂層及其制備工藝。
【【背景技術(shù)】】
[0002]燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的主要發(fā)展方向是提高發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前燃燒溫度、增加推重比和提升渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件在包括腐蝕和氧化等嚴(yán)酷服役環(huán)境下的熱效率。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度、推重比和熱效率的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件，特別是燃燒室中的燃?xì)鉁囟群腿細(xì)鈮毫Σ粩嗵岣?，燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃?xì)夤ぷ鳒囟阮A(yù)計(jì)很快將達(dá)到1930°C。這樣高的溫度已經(jīng)超過(guò)現(xiàn)有合金的熔點(diǎn)，因此必須采用冷卻以及隔熱措施，才能保證透平葉片在高溫環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間地工作，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，厚度為250 μ m或更厚的熱障涂層可使葉片基體表面溫度降低50甚至超過(guò)100°C，這相當(dāng)于經(jīng)過(guò)30年的努力才能在提高高溫合金使用溫度的方面取得的進(jìn)展。
[0003]典型的熱障涂層陶瓷涂層制備方法包括由電子束物理氣相沉積(EB-PVD)和等離子噴涂，其中，等離子噴涂陶瓷涂層因其獨(dú)特的層狀組織結(jié)構(gòu)而具有較低的熱導(dǎo)率和優(yōu)異的隔熱性能，在燃?xì)廨啓C(jī)熱端葉片和航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端靜葉等方面具有廣泛的應(yīng)用背景。在熱障涂層正常工作條件下，大部分溫度梯度是落在陶瓷表層上的，此外，陶瓷表層是直接與高溫燃?xì)庀嘟佑|的，它還要承受燃?xì)庵型鈦?lái)粒子的高速?zèng)_擊、磨損以及高溫化學(xué)環(huán)境的熱腐蝕、熱沖擊。同時(shí)陶瓷表層又與粘結(jié)層、TGO層相接觸，使其還應(yīng)當(dāng)具備與粘結(jié)層/TGO層之間良好的熱匹配和化學(xué)相容性。因此，陶瓷層材料及其制備方法的研究，特別是具有更低熱導(dǎo)率的材料和涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探索研究，對(duì)熱障涂層的發(fā)展具有十分重要的意義。
[0004]熱障涂層的制備過(guò)程中，高速噴涂的片與片之間的交疊處存在大量晶間孔隙:分別是球形孔、平行于熱流方向縱向孔隙、垂直于熱流方向的橫向孔隙。研究表明垂直于熱流方向的孔隙能使涂層隔熱性能大幅提升。這些孔隙和微孔內(nèi)的主要物質(zhì)是空氣，空氣的熱導(dǎo)率無(wú)論是高溫還是低溫均大大低于固體基材，當(dāng)熱量流經(jīng)這些密閉空氣的時(shí)候，其傳輸速率將大大降低，因此，在保持熱障涂層結(jié)構(gòu)完整性的前提下，可通過(guò)提高垂直于熱流方向的孔隙率來(lái)降低涂層的熱導(dǎo)率、改善隔熱效果。
[0005]在高溫服役過(guò)程中，熱障涂層的結(jié)構(gòu)將由于相變和燒結(jié)作用而發(fā)生顯著改變，比如裂紋燒結(jié)愈合、層狀結(jié)構(gòu)逐漸消失、熱導(dǎo)率上升導(dǎo)致涂層隔熱性能下降、彈性模量提高和熱應(yīng)變協(xié)調(diào)能力下降導(dǎo)致涂層壽命下降等?，F(xiàn)有工藝制備的陶瓷層裂紋尺寸在幾十納米到幾百納米之間，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間服役后，尺寸小于200nm的裂紋會(huì)快速愈合，嚴(yán)重影響涂層服役壽命，因此通過(guò)合適的工藝控制制作含有垂直于熱流方向大裂紋的涂層結(jié)構(gòu)變得非常有意義。
[0006]總之，若能通過(guò)涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備方法的控制，在不影響涂層力學(xué)性能的前提下盡可能通過(guò)簡(jiǎn)單易行的方法制備這種垂直于熱流方向的大尺寸孔隙，將是提高熱障涂層隔熱性能和壽命的重要方法。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0007]本發(fā)明的目在于提供一種低導(dǎo)熱抗燒結(jié)熱障涂層及其制備工藝，使該涂層的熱導(dǎo)率顯著降低且不明顯影響涂層的力學(xué)性能，具有長(zhǎng)壽命和高隔熱效果的特征，從而能夠大幅度提高涂層服役性能。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0009]一種低導(dǎo)熱抗燒結(jié)熱障涂層制備工藝，包括以下步驟:通過(guò)熱噴涂方法，將熱障涂層材料A粉末和可相變收縮的陶瓷材料B粉末噴涂沉積，制備出B粉末體積含量為5%?50%的復(fù)合陶瓷涂層，其中，B粉末形成B扁平粒子，A粉末中熔化的部分形成A扁平粒子，各扁平粒子間形成部分結(jié)合部分孔隙的結(jié)構(gòu)；在熱處理或?qū)嶋H應(yīng)用過(guò)程的高溫條件下復(fù)合在A扁平粒子構(gòu)成的骨架內(nèi)的B扁平粒子產(chǎn)生相變收縮產(chǎn)生新的裂紋或增大原有孔隙，形成大孔隙。
[0010]進(jìn)一步的，A扁平粒子與B扁平粒子間形成的大孔隙的橫向尺寸為50?200 μ m、縱向尺寸為0.1?0.5 μ m。
[0011]進(jìn)一步的，熱噴涂時(shí)，B粉末形成橫向尺寸為10?200 μπκ縱向尺寸為I?ΙΟμπι
的B扁平粒子。
[0012]進(jìn)一步的，所述熱噴涂為等離子噴涂或等離子噴涂復(fù)相沉積(plasmaspray-physical vapor deposit1n)ο
[0013]進(jìn)一步的，所述的可相變收縮的陶瓷材料B粉末為能高溫相變并且新相能穩(wěn)定存在、兩相密度差異不小于5%的材料。
[0014]進(jìn)一步的，所述的可相變收縮的陶瓷材料B粉末為Al2O3，噴涂形成γ相而隨后高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏鹊摩料?，其體積釋放率約為9% (γ相與α相密度分別為3.65、3.99g/cm3) ο其他備選材料，如，T12噴涂形成銳鈦礦相而隨后高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏鹊慕鸺t石相，體積釋放率約10% (銳鈦礦相與金紅石相密度分別為3.85,4.25g/cm3)。
[0015]進(jìn)一步的，可相變收縮的陶瓷材料B粉末的粒度為10 μπι?100 μm。
[0016]進(jìn)一步的，所述的可相變收縮的陶瓷材料B粉末的相變溫度在200?1300°C。
[0017]進(jìn)一步的，所述的大孔隙在熱障涂層內(nèi)部縱向間隔N層A扁平粒子，N為自然數(shù)，N的取值范圍為1-50。
[0018]—種低導(dǎo)熱抗燒結(jié)熱障涂層，所述低導(dǎo)熱抗燒結(jié)熱障涂層中含有若干橫向尺寸為50?200 μ m、縱向尺寸為0.1?0.5 μ m的大孔隙，大孔隙的體積含量為所述低導(dǎo)熱抗燒結(jié)熱障涂層的5%?50%。
[0019]本發(fā)明一種低導(dǎo)熱抗燒結(jié)熱障涂層制備工藝，制備方法包含以下步驟:
[0020]步驟一，通過(guò)熱噴涂方法，將熱障涂層材料A粉末和可相變收縮的陶瓷材料B粉末噴涂沉積，制備出B體積含量為5%?50%的復(fù)合陶瓷涂層，其中，B材料形成橫向尺寸為10?200 μ m、縱向尺寸為I?10 μ m的扁平粒子，A粉末中熔化的部分也形成A扁平粒子，各扁平粒子間形成部分結(jié)合部分孔隙的結(jié)構(gòu)；
[0021]步驟二，在熱處理或?qū)嶋H應(yīng)用過(guò)程的高溫條件下，復(fù)合在A扁平粒子構(gòu)成的骨架內(nèi)的B扁平粒子產(chǎn)生相變收縮，面內(nèi)方向的收縮引發(fā)扁平粒子層間開(kāi)裂形成新的裂紋，與原層