[发明专利]一种具有封闭表层的热障涂层材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于热障涂层表面处理及改性技术领域，尤其涉及一种具有封闭表层的热障涂层材料及其制备方法。

背景技术

在当今航空航天技术领域，随着航空燃气涡轮机向高流量比、高推重比、高涡轮进口温度方向的发展，燃烧室的燃气温度和燃气压力不断提高，相对于开发新型高温耐热合金材料来讲，在高温热端部件施加热障涂层是最有效的方法。

在实际应用中，典型航空用热障涂层（TBCs）大都采用双层结构：起隔热作用的陶瓷面层（TC）和改善基体与陶瓷层物理相容性的金属粘结层（BC）。许多研究表明，6~8%Y₂O₃-ZrO₂是目前综合性能最好的热障涂层陶瓷材料，该种材料熔点高，耐高温氧化，具有低而稳定的热导率和优良的抗热冲击性能。目前，这类涂层的制备方法主要是电子束物理气相沉积(EB-PVD)和大气等离子喷涂（APS）。其中，电子束物理气相沉积制备的涂层表面光洁，涂层内形成垂直表面的柱状晶结构，柱状晶之间界面结合弱，存在大量的垂直裂纹，极大地缓解了热失配应力，降低了热应力强度，因而有效提高了涂层的循环寿命。但其设备投资大，涂层的隔热性能相对较差且生产效率较低，因而极大地限制的其在实际生产中的应用。等离子喷涂由于具有较高的喷涂沉积效率及结合强度、低的材料要求、良好的经济效益、简易的工艺过程，且制备的涂层具有层状结构，热障效果较好，因而，被广泛应用于制备热障涂层。

然而，由等离子喷涂制备的热障涂层具有以下缺点：涂层内部含有较多的连通孔隙，组织较为疏松且内部存在大量的微裂纹结构。因此，在高温服役过程中这些缺陷结构难以阻挡外界氧气、熔融盐和腐蚀气体向陶瓷层和粘结层界面快速扩散，形成所谓的热生长氧化物（TGO），从而加速TGO的非受控生长，形成较大的生长应力，进而在涂层界面和TGO层内部萌生裂纹，最终导致涂层过早失效。因而，降低大气等离子喷涂热障涂层中的热匹配应力和热生长应力是提高大气等离子喷涂热障涂层寿命的关键因素之一。

为解决这一问题，采用激光束与热喷涂复合技术改善热障涂层性能和寿命已经成为研究热点。中国专利201210520934.9公开了一种大气等离子喷涂热障涂层表面的新型激光处理方法。这种激光处理方法可以诱导陶瓷层内部产生垂直于基体的一定数量的表面裂纹，从而大幅度提高涂层的使用寿命。此外，中国专利201310193147.2公开了一种热障涂层激光表面改性方法，采用这种方法能够获得一种具有桩钉结构特征的热障涂层材料，从而提高了涂层的结合强度和使用寿命。两种公开的激光表面改性方法虽然都能有效地延长热障涂层的使用寿命，但是，由于激光束束斑直径小，能量集中在小范围区域，容易导致涂层在处理过程中脱落；此外，激光束在加热时，其入射电子束的能量大约仅有5%~10%可被金属表面吸收而直接转换为热能，其余部分基本上被完全反射掉，因而能量利用率很低。因此，热障涂层材料迫切需要在结构设计思想和制备方法上取得创新与突破。

强流脉冲电子束（HCPEB）是近年来发展起来的一种高能束表面改性技术，利用这种改性技术可以使得材料表层瞬间重熔甚至蒸发，从而改性材料表层结构和性能；中国专利201410046125.8公开了一种高寿命耐氧化热障涂层材料及其制备方法，即利用HCPEB技术轰击等离子喷涂制备的热障涂层粘结层材料，在粘结层与陶瓷面层之间引入一层晶体重熔层，该层的引入能够有效地消除金属粘结层表面疏松多孔等微观缺陷，产生表层富Al的超细晶结构，因此在氧化初期能够快速形成一层较为致密的TGO层，从而有效地抑制TGO的非受控生长，提高涂层的高温抗氧化性能；但是该种方法在样品制备上存在一定困难，一是等离子喷涂粘结层后为避免涂层表面氧化，需要在最短的时间内进行陶瓷面层喷涂，然而再加上一道电子束工艺必然会延长两层之间的喷涂时间；二是电子束轰击粘结层后，表面粗糙度增加，但局部光滑，因此陶瓷面层沉积的成功率不高。此外，由于陶瓷面层表面疏松多孔等缺陷而渗入外界有害气体仍然不可避免，进而会损害界面处TGO的生长，最终导致TC层的脱落。

发明内容

为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种具有封闭表层的热障涂层材料及其制备方法。利用“大气等离子喷涂（APS）+强流脉冲电子束（HCPEB）”复合技术制备具有封闭表层的热障涂层材料，通过结构设计和制备方法设计，解决了离子喷涂方法制备陶瓷涂层时表面疏松多孔等结构缺陷，形成垂直裂纹和柱状晶重熔层，提高了涂层的应变容限与热震性能，从而有效地延长了热障涂层的使用寿命。