一種抗火山灰侵蝕的多層熱障涂層的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種抗火山灰侵蝕的多層熱障涂層，包括：依次形成于高溫合金基材上的高溫抗氧化粘結(jié)層、陶瓷底層、陶瓷過渡層和抗火山灰侵蝕陶瓷面層，所述陶瓷底層由氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯組成，所述陶瓷過渡層由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯組成，所述陶瓷過渡層中氧化釔的百分含量高于所述陶瓷底層中的氧化釔的百分含量，所述抗火山灰侵蝕陶瓷面層由氧化釔組成。多層熱障涂層與火山灰高溫反應(yīng)后，火山灰與抗火山灰侵蝕陶瓷面層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，消耗火山灰中的活性成分或者在抗火山灰侵蝕陶瓷面層中形成滲透擴散阻礙層，阻止火山灰侵蝕陶瓷底層，可以有效地控制陶瓷底層不被火山灰高溫侵蝕，大幅度提高熱障涂層的抗侵蝕性能，提高熱障涂層的服役壽命。
【專利說明】一種抗火山灰侵蝕的多層熱障涂層
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種抗火山灰侵蝕多層熱障涂層，屬無機材料熱防護【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]20世紀(jì)40年代以來，航空發(fā)動機渦輪葉片材料從鍛造合金到鑄造合金，再從定向凝固合金發(fā)展到單晶合金，其使用溫度已接近金屬的耐熱極限。熱障涂層是由高溫抗氧化合金粘結(jié)層和陶瓷表面層組成的涂層系統(tǒng)，陶瓷層借助于合金粘結(jié)層與金屬基底聯(lián)接，粘結(jié)層還可對基底起到抗高溫氧化的作用。陶瓷層是具備耐高溫、低導(dǎo)熱等特性的熱障涂層，不僅阻止外部環(huán)境熱量向金屬基底傳遞以提高發(fā)動機的推力和熱效率，減少燃油消耗，而且可以延長熱端部件的使用壽命。
[0003]目前采用的熱障涂層結(jié)構(gòu)基本上為陶瓷層與粘結(jié)層所構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。ZrO2基陶瓷是目前應(yīng)用最為廣泛的熱障涂層材料，其中，Ca0、Mg0、Ce02、Sc203或Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2是較適合的熱障涂層材料。ZrO2具有高熔點、良好的高溫化學(xué)穩(wěn)定性、較低的熱導(dǎo)率、較高的熱膨脹系數(shù)及優(yōu)良的抗熱震性能。目前所有的熱障涂層材料中，綜合性能最優(yōu)、應(yīng)用最為廣泛的是7-8wt.%的氧化釔(Y2O3)部分穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2),縮寫為YSZ。
[0004]在熱障涂層高溫服役環(huán)境中，大氣中飄泊的火山灰等沙粒、粉塵沉積到高溫?zé)嵴贤繉拥谋砻?，形成玻璃相火山灰沉積物，火山灰滲入熱障涂層的陶瓷層內(nèi)部，降低涂層應(yīng)變?nèi)菹?，加速YSZ涂層相變失穩(wěn)和燒結(jié)，同時冷卻凝固后在涂層中會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，從而導(dǎo)致陶瓷涂層過早的剝離失效。隨著熱障涂層的服役溫度越來越高，環(huán)境中的火山灰熔融沉積在熱障陶瓷層表面并導(dǎo)致涂層過早的剝離失效已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。
[0005]因此設(shè)計新型的 熱障涂層組成結(jié)構(gòu)，有效地控制氧化釔(Y2O3)部分穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)中的氧化釔(Y2O3)不被火山灰高溫侵蝕，提高熱障涂層的抗火山灰侵蝕性能，對提高熱障涂層的服役壽命是至關(guān)重要的。研究表明氧化釔(Y2O3)涂層對火山灰具有較強的抗侵蝕能力，且相對其它材料具有較好的抗熱震性能，因此，可以在熱障涂層最外表面制備氧化釔(Y2O3)涂層來改善航空發(fā)動機熱障涂層抵御火山灰侵蝕的能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]面對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種抗火山灰侵蝕的多層熱障涂層，以有效地控制氧化釔(Y2O3)部分穩(wěn)定氧化鋯(ZrO2)中的氧化釔(Y2O3)不被火山灰高溫侵蝕，提高熱障涂層的抗火山灰侵蝕性能。
[0007]在此，本發(fā)明提供一種抗火山灰侵蝕的多層熱障涂層，所述多層熱障涂層包括:依次形成于高溫合金基材上的高溫抗氧化粘結(jié)層、陶瓷底層、陶瓷過渡層和抗火山灰侵蝕陶瓷面層，所述陶瓷底層由氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯組成，所述陶瓷過渡層由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯組成，所述陶瓷過渡層中的氧化釔的百分含量高于所述陶瓷底層中的氧化釔的百分含量，所述抗火山灰侵蝕陶瓷面層由氧化釔組成。
[0008]本發(fā)明利用氧化釔(Y2O3)涂層良好的抗火山灰侵蝕性能和常規(guī)氧化釔(Y2O3)部分穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)涂層具有的良好的熱障性能，在常規(guī)氧化釔(Y2O3)部分穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)表面形成具有一定厚度的抗火山灰侵蝕陶瓷面層，兩者之間通過高Y含量的氧化釔(Y2O3)穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)過渡，本發(fā)明的抗火山灰侵蝕的多層熱障涂層與火山灰高溫反應(yīng)后，火山灰與抗火山灰侵蝕陶瓷面層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，消耗火山灰中的活性成分或者是在抗火山灰侵蝕陶瓷面層中形成滲透擴散阻礙層，阻止火山灰侵蝕常規(guī)氧化釔(Y2O3)部分穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)陶瓷層，從而可以有效地控制作為陶瓷底層的常規(guī)氧化釔(Y2O3)穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)中的氧化釔(Y2O3)不被火山灰高溫侵蝕，大幅度地提高熱障涂層的抗侵蝕性能，提高熱障涂層的服役壽命。
[0009]較佳地，所述陶瓷底層中的氧化釔的含量為7~8wt.%。
[0010]較佳地，所述陶瓷底層的厚度為200~600 μ m。
[0011]較佳地，所述陶瓷過渡層中的氧化釔的含量為15~30wt.%。
[0012]較佳地，所述陶瓷過渡層的厚度為50~200 μ m，優(yōu)選為50~100 μ m。
[0013]較佳地，所述抗火山灰侵蝕陶瓷面層的厚度為50~200 μ m，優(yōu)選為50~100 μ m。
[0014]較佳地，所述高溫抗氧化粘結(jié)層、陶瓷底層、陶瓷過渡層和/或抗火山灰侵蝕陶瓷面層由等離子體噴涂工藝制備。
[0015]較佳地，所述高溫合金基材為鎳基和/或鈷基合金。
[0016]較佳地，所述高溫抗氧化粘結(jié)層為鎳鈷鉻鋁釔合金。
[0017]本發(fā)明的抗火山灰侵蝕的多層熱障涂層可以有效地控制傳統(tǒng)氧化釔(Y2O3)部分穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)不被火山灰高溫侵蝕，從而大幅度地提高熱障涂層的抗侵蝕性能，提高熱障涂層的服役壽命與可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的抗火山灰侵蝕的多層熱障涂層的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是常規(guī)熱障涂層經(jīng)1200°C受火山灰侵蝕48h后的涂層截面掃描電鏡照片；
圖3是本發(fā)明的抗火山灰侵蝕的多層熱障涂層經(jīng)1200°C火山灰侵蝕48h后的涂層截面掃描電鏡照片；
附圖標(biāo)記:
3抗火山灰侵蝕陶瓷面層；
4陶瓷過渡層；
5陶瓷底層；
6高溫抗氧化粘結(jié)層；
7高溫合金基材。
【具體實施方式】
[0019]以 下結(jié)合附圖和下述實施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明，闡明本發(fā)明的抗火山灰侵蝕的多層熱障涂層的其他細(xì)節(jié)及其所附有的其他目的和優(yōu)點。應(yīng)理解，附圖及下述實施方式僅用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0020]通常，航空發(fā)動機中的熱障涂層服役于高溫環(huán)境，因火山噴發(fā)而漂浮于大氣中的火山灰會吸入發(fā)動機并沉積到熱障涂層的表面，形成玻璃相火山灰沉積物(CaO-MgO-Al2O3-SiO2)，高溫條件下火山灰熔融滲入熱障涂層的陶瓷層內(nèi)部，降低涂層應(yīng)變?nèi)菹?，加速YSZ涂層相變失穩(wěn)和燒結(jié)，同時冷卻凝固后在涂層中會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，從而導(dǎo)致陶瓷涂層過早地剝離失效。
[0021]本發(fā)明的目的是公開一種抗火山灰侵蝕的多層熱障涂層，具體地說，是指一種采用等離子體噴涂工藝在常規(guī)氧化釔(Y2O3)部分穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)陶瓷底層外表面制備一層高Y含量的氧化釔(Y2O3)穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)作為陶瓷過渡層，在陶瓷過渡層外表面制備一層抗火山灰侵蝕的氧化釔(Y2O3)涂層。抗火山灰侵蝕多層熱障涂層包括依次形成于高溫合金基材上的高溫抗氧化粘結(jié)層、傳統(tǒng)氧化釔(Y2O3)部分穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)陶瓷底層、高Y含量的氧化釔(Y2O3)穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)陶瓷過渡層和抗火山灰侵蝕陶瓷面層，是一種可以提高熱障涂層的抗火山灰侵蝕性能的新型熱障涂層。抗火山灰侵蝕的多層熱障涂層可以有效地控制傳統(tǒng)氧化釔(Y2O3)部分穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)的陶瓷層不被火山灰高溫侵蝕，從而大幅度地提高熱障涂層的抗侵蝕性能，提高熱障涂層的服役壽命與可靠性。
[0022]本發(fā)明的設(shè)計思想為:利用氧化釔(Y2O3)涂層良好的抗火山灰侵蝕性能和常規(guī)氧化釔(Y2O3)部分穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)涂層具有的良好的熱障性能，在常規(guī)氧化釔(Y2O3)部分穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)表面采用等離子體噴涂的工藝制備具有一定厚度的抗火山灰侵蝕陶瓷面層，兩者之間通過高Y含量的氧化釔(Y2O3)穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)過渡，從而提高熱障涂層的抗侵蝕能力。其目的是有效地控制作為陶瓷底層的常規(guī)氧化釔(Y2O3)穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)中的氧化釔(Y2O3)不被火山灰高溫侵蝕，從而提高熱障涂層的服役壽命。
[0023]參照圖1，本發(fā)明的抗火山灰侵蝕的多層熱障涂層包括依次形成于高溫合金基材7上的高溫抗氧化粘結(jié)層6、陶瓷底層5、陶瓷過渡層4和抗火山灰侵蝕陶瓷面層3。
[0024]其中，高溫合金基材7例如可以是鎳基合金和/或鈷基合金。但應(yīng)理解，不限于此，只要是在其表面可以形成熱障涂層的高溫合金基材均包含于本發(fā)明中。
[0025]高溫抗氧化粘結(jié)層6可以是鎳鈷鉻鋁釔合金，其主要成分和百分配比可以為:20-25wt%的鈷、8-22wt%的鉻、7_10wt%的鋁、0.2-0.8wt%的釔及余量的鎳。此外，高溫抗氧化粘結(jié)層6的厚度可以為100-200μπι。為了形成涂層系統(tǒng)，可以利用等離子體噴涂的工藝將高溫抗氧化粘結(jié)層6沉積在高溫合金基材7上。
[0026]陶瓷底層5由氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯組成。其中氧化釔的含量可為7~8wt.%，氧化釔的純度可為99.99%以上。陶瓷底層5的厚度可為200~600 μ m。可以利用等離子體噴涂的工藝將陶瓷底層5沉積在高溫抗氧化粘結(jié)層6上。
[0027]陶瓷過渡層4由高Y含量的氧化釔(Y2O3)穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)組成。其中氧化釔的含量高于陶瓷底層5中的氧化釔的含量，例如可以為15~30wt.%，氧化釔的純度可為99.99%以上。此外，陶瓷過渡層4的厚度可為50~200 μ m，優(yōu)選為50~100 μ m。可以利用等離子體噴涂的工藝將陶瓷過渡層4沉積在陶瓷底層5上。
[0028]抗火山灰侵蝕陶瓷面層3由氧化釔組成，氧化釔的純度可為99.99%以上。其厚度可為50~200 μ m,優(yōu)選為50~100 μ m?？梢岳玫入x子體噴涂的工藝將陶瓷過渡層4沉積在陶瓷底層5上。
[0029]在本實施形態(tài)中，等離子體噴涂的工藝可以參見現(xiàn)有技術(shù)，例如中國專利CN102503419B、中國專利CN102719782A。又，以上例示利用等離子體噴涂的工藝形成高溫抗氧化粘結(jié)層6、陶瓷底層5、陶瓷過渡層4和抗火山灰侵蝕陶瓷面層3，但應(yīng)理解，不限于此，還可以利用其他工藝?yán)珉娮邮锢須庀喑练e等工藝形成各層。
[0030]本發(fā)明的抗火山灰侵蝕的多層熱障涂層與火山灰高溫反應(yīng)后，火山灰與抗火山灰侵蝕陶瓷面層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，消耗火山灰中的活性成分或者是在抗火山灰侵蝕陶瓷面層表面形成滲透擴散障礙層，阻止火山灰侵蝕常規(guī)氧化釔(Y2O3)部分穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)陶瓷層。從而大幅度地提高熱障涂層的抗侵蝕性能，提高熱障涂層的服役壽命與可靠性。
[0031]在本實施形態(tài)中，為了測試抗火山灰侵蝕的多層熱障涂層的耐侵蝕性，將常規(guī)熱障涂層與本發(fā)明的抗火山灰侵蝕的多層熱障涂層進(jìn)行對照實驗。常規(guī)熱障涂層為僅包括依次形成于高溫合金基材上的高溫抗氧化粘結(jié)層和常規(guī)氧化釔(Y2O3)部分穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)陶瓷層的涂層，為了增加對比的可靠性，可以采用與本實施形態(tài)相同的方法制備常規(guī)熱障涂層，即利用等離子體噴涂的工藝在高溫合金基材上依次沉積高溫抗氧化粘結(jié)層和常規(guī)氧化釔(Y2O3)部分穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)陶瓷層。
[0032]將一定粘稠度的火山灰涂覆在上述多層熱障涂層和常規(guī)熱障涂層表面上，陰涼干燥后置于1200°C大氣中恒溫?zé)崽幚?8h。涂層試樣的截面掃描電鏡照片顯示，在同樣的實驗條件下，火山灰在本發(fā)明抗火山灰侵蝕的多層熱障涂層中的滲透深度遠(yuǎn)小于在普通熱障涂層中的滲透深度，涂層內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)相對普通熱障涂層更完好。在一個示例中，首先，通過化學(xué)或機械方法，將兩種涂層基材剝掉。然后，在常規(guī)熱障涂層與本發(fā)明的抗火山灰侵蝕的多層熱障涂層表面涂覆等量的火山灰粉，將無基材涂層置于箱式爐中，以6° /min的升溫速率加熱，在1200°C大氣中保溫48h后隨爐冷卻。對試樣進(jìn)行鑲嵌切割磨拋光，利用掃描電鏡對試樣截面進(jìn)行觀察，結(jié)果見圖2和圖3。其中圖2示出常規(guī)熱障涂層經(jīng)1200°C受火山灰侵蝕48h后的涂層截面掃描電鏡照片，圖3示出本發(fā)明的抗火山灰侵蝕的多層熱障涂層經(jīng)1200°C火山灰侵蝕48h后的涂層截面掃描電鏡照片，由圖2和圖3對比顯示，相同的實驗條件下，火山灰在本發(fā)明制備的抗火山灰侵蝕多層熱障涂層中滲透深度較小，涂層表面下方的涂層結(jié)構(gòu)較常規(guī)熱障涂層好，火山灰在普通多層熱障涂層中滲透較深，可看到明顯的火山灰滲入痕跡和裂紋，說明本發(fā)明制備的多層抗火山灰侵蝕的熱障涂層具有較好的抗火山灰侵蝕性能。
[0033]產(chǎn)業(yè)應(yīng)用性:本發(fā)明的抗火山灰侵蝕的多層熱障涂層是一種可以提高熱障涂層抗火山灰侵蝕性能從而提高其服役 壽命的新型熱障涂層，可應(yīng)用作航空發(fā)動機熱端部件的熱
障涂層。
【權(quán)利要求】
1.一種抗火山灰侵蝕的多層熱障涂層，其特征在于，包括:依次形成于高溫合金基材上的高溫抗氧化粘結(jié)層、陶瓷底層、陶瓷過渡層和抗火山灰侵蝕陶瓷面層，所述陶瓷底層由氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯組成，所述陶瓷過渡層由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯組成，所述陶瓷過渡層中氧化釔的百分含量高于所述陶瓷底層中的氧化釔的百分含量，所述抗火山灰侵蝕陶瓷面層由氧化釔組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層熱障涂層，其特征在于，所述陶瓷底層中的氧化釔的含量為7~8wt.%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多層熱障涂層，其特征在于，所述陶瓷底層的厚度為200 ~600 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的多層熱障涂層，其特征在于，所述陶瓷過渡層中的氧化釔的含量為15~30wt.%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的多層熱障涂層，其特征在于，所述陶瓷過渡層的厚度為50~200 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的多層熱障涂層，其特征在于，所述抗火山灰侵蝕陶瓷面層的厚度為50~2 00 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的多層熱障涂層，其特征在于，所述高溫抗氧化粘結(jié)層、陶瓷底層、陶瓷過渡層和/或抗火山灰侵蝕陶瓷面層由等離子體噴涂工藝制備。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的多層熱障涂層，其特征在于，所述高溫合金基材為鎮(zhèn)基和/或鉆基合金。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的多層熱障涂層，其特征在于，所述高溫抗氧化粘結(jié)層為鎳鈷鉻招釔合金。
【文檔編號】F01D5/28GK103556098SQ201310535659
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月1日
【發(fā)明者】陶順衍, 李文帥, 鐘興華, 趙華玉, 王亮, 周霞明, 劉晨光, 丁傳賢 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所