專利名稱：一種熱障涂層系統的制作方法
一種熱障涂層系統
技術領域：
本發明涉及能源、動力、航空、航天、材料制備等技術領域，具體涉及一種熱障涂層系統及其制備方法。
背景技術：
熱障涂層(TBC)廣泛應用于能源、動力、航空、航天、機械等領域，例如航天器和航空器的高溫部件的熱防護、抗腐蝕、抗沖蝕等。現代航天器的熱端部件、航空發動機葉片、 燃氣輪機等高溫部件的服役溫度高達1500°C，遠遠超過高溫合金的服役極限，因此必須采用如熱障涂層等熱防護手段對合金基體進行高溫防護。熱障涂層通常是指沉積在高溫合金表面、具有良好隔熱效果的陶瓷涂層，其主要作用是熱障，避免基體的高溫氧化、腐蝕、磨損等，它能將傳至金屬基體的溫度降低50-150°C左右，從而提升熱端部件的耐高溫能力。熱障涂層系統一般包括基體、粘結層(BC)、陶瓷層以及由于粘接層氧化形成的熱生長氧化層(TGO)四種材料基元。制備工藝主要有電子束物理氣相沉積(EB-PVD)、大氣等離子噴涂(APS)等技術。EB-PVD工藝成本較高，但是所制備的熱障涂層結構均勻，微結構具有柱狀晶特征，與基體的結合強度高，服役壽命長，主要應用于航空發動機熱障涂層制備。APS成本較低廉，微結構具有幣狀多層重疊式特點，熱障效果較好，主要應用于民用重型燃氣輪機熱障涂層制備。EB-PVD熱障涂層長壽命的原因主要是陶瓷層柱狀晶結構均勻，柱狀晶之間晶界結合弱，相當于存在大量垂直裂紋，極大地緩和熱失配應變，降低了熱應力強度，因而具有長壽命的優點。本專利主要涉及APS涂層，其微結構主要為平行于基體的片狀結構，在熱障涂層面內結合強度較高，緩和熱應力的能力較弱，在溫度劇烈變化時，常常由于熱應力而失效。因而降低APS熱障涂層中的熱應力是提高APS壽命的關鍵因素之一。造成熱障涂層失效的主要原因如下(1)高溫服役過程中，氧原子擴散到粘結層，導致粘結層氧化生長，在陶瓷層和粘接層之間形成熱生長氧化物。TGO的高溫快速生長造成陶瓷層與粘結層界面損傷失效。因此，增加氧原子的擴散阻力，降低氧原子進入粘結層的速度是提高熱障涂層壽命的關鍵技術之一。(2)陶瓷層與粘結層結合情況決定了二者界面結合強度，因此，提高粘結層與陶瓷層的結合強度是提高熱障涂層壽命的另一個關鍵技術。(3)溫度劇烈變化時，陶瓷層中的熱應力是造成其脫落的主要原因之一。因此， 增加陶瓷層緩和熱失配的能力，降低陶瓷層中的熱應力是提高熱障涂層壽命的又一關鍵技術。基于以上三點考慮，我們提出了一種新型熱障涂層系統，以改進傳統熱障涂層結構，達到高效熱障和長壽命的協同。

發明內容本發明的目的在克服現有技術不足，提供一種具有高效熱障與長壽命的熱障涂層系統。為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案一種熱障涂層系統，包括基體、粘結層和制備在粘結層上的多層陶瓷涂層；所述多層陶瓷涂層包括依次制備在粘結層上的強化層、過渡層和增韌隔熱層，所述增韌隔熱層上設有垂直裂紋。所述增韌隔熱層、過渡層和強化層的材料均為氧化釔部分穩定氧化鋯。強化層的結合率> 96% ；增韌隔熱層的結合率為20% 40% ；過渡層的結合率具有漸變特征，從強化層的結合率遞減至增韌隔熱層的結合率。強化層的厚度為30_110μπι，過渡層的厚度為10_30μπι，增韌隔熱層的厚度為 100-400 μm0增韌隔熱層上的垂直裂紋的間距小于20倍的增韌隔熱層厚度。增韌隔熱層上的垂直裂紋的間距為30-800 μ m。強化層為高溫熔融粉末粒子沉積形成的柱狀晶結構。過渡層和增韌隔熱層為不同熔融狀態的粉末粒子沉積而成。與現有技術相比，本發明的有益效果在于本發明熱障涂層系統中，陶瓷涂層制備含有足夠垂直裂紋的增韌隔熱層，垂直裂紋的存在使得陶瓷涂層具有高應變韌性特點，增加了陶瓷層緩和熱失配的能力，降低了陶瓷層中的熱應力，使之具有高效熱障與長壽命特征；在容易發生脫粘的界面附近制備有強化層，可增加氧原子擴散阻力并將層離失效位置由界面轉移至遠離TGO的陶瓷層內部；同時，在增韌隔熱層和強化層之間制備有過渡層，可有效降低熱失配應力。本發明的新型組合式多層熱障涂層系統能夠有效提高TGO和陶瓷涂層間的界面結合強度，又能顯著增加陶瓷涂層應變韌性，具有抗斷裂、抗氧化和高應變韌性等多重功能，因而具有高效熱障與長壽命之特點。本發明熱障涂層系統具有熱障效果好、壽命長、成本低、工藝靈活和可控性好等優點。

圖1為本發明一種熱障涂層的示意圖。具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述請參閱圖1所示，本專利發明一種熱障涂層系統，包括依次制備在基體1上的粘結層2和陶瓷涂層。陶瓷涂層主要包括增韌隔熱層6、強化層4，以及兩層之間的過渡層5 ；強化層4、過渡層5和增韌隔熱層6依次制備在粘結層2上。陶瓷涂層的材料為YW。通過將YW 粉末粒子以完全熔融的方式沉積在粘結層上獲得致密、斷裂韌性高的柱狀晶結構的強化層 4，結合率> 96% ；強化層4的沉積厚度為30-110 μ m，為垂直于表面的類柱狀晶結構，晶粒尺寸在納米級，涂層致密，達到增加氧原子擴散阻力及增強界面結合強度之目的；通過將完全熔融和半熔融的私1粉末粒子沉積到強化層上獲得材料性能漸變的過渡層5，過渡層5厚度為10-30 μ m,可在制備過程中通過逐漸降低噴涂的粒子溫度，或者增加噴涂距離，或者改變噴涂速度來實現由致密到疏松的結構，實現材料性能漸變，降低熱失配應力；通過將YSZ 粉末粒子沉積到過渡層5上獲得增韌隔熱層6，增韌隔熱層6厚度為100-400 μ m，含有大量的垂直裂紋，可以采用APS工藝直接噴涂制備，表面垂直裂紋可以通過陶瓷層表面劇烈冷卻方式或者激光表面刻蝕或者調整噴槍速度、進粉率、噴涂距離等工藝制備。增韌隔熱層6 表面制備有間距小于增韌隔熱層厚度20倍的垂直裂紋，優選制備間隔小于30-800 μ m的垂直裂紋，使在給定熱震強度下不造成界面脫粘，垂直裂紋數量、間距、幾何尺寸及形貌可通過工藝參數以及后處理進行控制；增韌隔熱層6的結合率相同，其結合率為20% 40% ； 過渡層5接觸強化層4處的結合率與強化層4的結合率相同，接觸增韌隔熱層6的結合率與增韌隔熱層6的結合率相同，過渡層5中從強化層4到增熱隔熱層6的結合率依次降低。 增韌隔熱層6、強化層4及過渡層5構成了一新型組合式多層陶瓷涂層結構，使之具有高效熱障與長壽命之特點。本發明熱障涂層系統實際使用時，在粘結層2與強化層4之間生成熱生長氧化層3。由于本發明的新型組合式多層熱障涂層系統的增韌隔熱層包含足夠垂直裂紋，通過垂直裂紋可以顯著增加陶瓷層的應變韌性，起到降低熱應力和提高熱障之作用，可有效提高陶瓷涂層的耐久性及壽命；然后通過強化層增加氧原子的擴散阻力，降低氧原子進入粘結層的速度，盡可能減少TGO的高溫快速生長所造成的陶瓷層與粘結層間的界面失效； 同時，制備有過渡層可有效緩解增韌隔熱層與強化層間的熱失配應力。從而，所發明的新型組合式多層熱障涂層系統在實現強隔熱的同時，可有效提高陶瓷涂層的抗氧化、抗斷裂及應變韌性能力。強化層主要指微觀結構致密，孔隙率低的陶瓷層，可通過控制工藝參數和沉積條件進行控制，如可通過在制備過程中通過較高的噴涂溫度與基體溫度獲得。盡管上面結合附圖對本發明的優選實例進行了詳細描述，但本發明并不局限于上述的具體實施方式

，上述的實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的。本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍內，還可以做出很多形式的陶瓷層內部結構，也可改變表面垂直裂紋的密度或幾何尺寸。強化層厚度、材料組分、制備方法等也可任意改變。這些均在本發明的保護之內。目前已經有大量的研究表明，在厚度較薄時，陶瓷層越致密，粘接強度越好；陶瓷層表面裂紋越多抗熱震性能越好，但是卻沒有將這兩種因素結合起來的先例。本專利中，將這兩種因素結合在一起制備成的新型熱障涂層，基于實驗與理論論證，壽命將大幅提高。
權利要求
1.一種熱障涂層系統，其特征在于，包括基體、粘結層和制備在粘結層上的多層陶瓷涂層；所述多層陶瓷涂層包括依次制備在粘結層上的強化層、過渡層和增韌隔熱層，所述增韌隔熱層上設有垂直裂紋。
2.根據權利要求1所述的一種熱障涂層系統，其特征在于，所述增韌隔熱層、過渡層和強化層的材料均為氧化釔部分穩定氧化鋯。
3.根據權利要求1所述的一種熱障涂層系統，其特征在于，強化層的結合率>96%;增韌隔熱層的結合率為20% 40% ；過渡層結合率具有漸變特征，即從強化層的結合率遞減至增韌隔熱層的結合率。
4.根據權利要求1所述的一種熱障涂層系統，其特征在于，強化層的厚度為 30-110 μ m，過渡層的厚度為10-30 μ m，增韌隔熱層的厚度為100-400 μ m。
5.根據權利要求1所述的一種熱障涂層系統，其特征在于，增韌隔熱層內垂直裂紋間距小于20倍的增韌隔熱層厚度。
6.根據權利要求1所述的一種熱障涂層系統，其特征在于，增韌隔熱層內垂直裂紋間距為 30-800 μ m。
7.根據權利要求1所述的一種熱障涂層系統，其特征在于，強化層為高溫熔融粉末粒子沉積形成的類柱狀晶結構。
全文摘要
本發明公開了一種熱障涂層系統，包括基體、粘接層和制備在粘接層上的多層陶瓷涂層；所述多層陶瓷涂層包括依次制備在粘結層上的強化層、過渡層和增韌隔熱層，所述增韌隔熱層上設有垂直裂紋。本發明熱障涂層系統中，陶瓷涂層制備含有足夠垂直裂紋的增韌隔熱層，垂直裂紋的存在使得陶瓷涂層具有高應變韌性特點，增加了陶瓷層緩和熱失配的能力，降低了陶瓷層中的熱應力，使之具有高效熱障與長壽命特征；在容易發生脫粘的界面附近制備有強化層，可增加氧原子擴散阻力并將層離失效位置由界面轉移至遠離熱生長氧化層(TGO)的陶瓷層內部；同時，在增韌隔熱層和強化層之間制備有過渡層，可有效降低熱失配應力，具有長壽命之特點。
文檔編號B32B18/00GK102423935SQ201110308
公開日2012年4月25日 申請日期2011年10月12日 優先權日2011年10月12日
發明者張偉旭, 王鐵軍, 范學領 申請人:西安交通大學