[发明专利]一种低导热抗烧结热障涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及一种低导热抗烧结热障涂层及其制备方法。 

背景技术

航空航天、能源动力等行业的发展对航空发动机和工业燃气轮机提出了更高的要求，要求热端部件在高温、腐蚀、磨损的条件下进行长期服役，这直接对燃气轮机热端部件的表面性能提出了更高的要求，必须采用冷却以及隔热措施，才能保证透平叶片在高温环境中长时间地工作。目前常用的冷却技术主要有三种：透平叶片内部的冷却气流冷却技术、气膜冷却技术和热障涂层技术。热障涂层技术的发展使透平叶片表面的温度降低了100～300℃。 

热喷涂热障涂层因独特的层状结构而具有纵向热导率低、隔热性能高、热应变缓和能力强等特性，从而广泛用作航空发动机和燃气轮机等热端部件表面的热障涂层，通过高温隔热、抗冲蚀等方式来保护高温合金部件，实现提高整机燃料利用率和延长整机寿命等目标。 

等离子喷涂热障涂层具有5％～25％孔隙：球形孔、扁平粒子内纵向孔隙、扁平粒子间横向孔隙等。研究表明，垂直于热流方向的孔隙能使涂层隔热性能大幅提升，而平行于热流方向孔隙的影响则非常有限，随机分布的孔隙的影响介于二者之间。这些孔隙内的主要物质是空气，空气的热导率无论是高温还是低温均显著低于固体材料，当热量流经这些孔隙空气时，其传输速率将大大降低，因此，在保持热障涂层结构完整性的前提下，可通过增加垂直于热流方向的孔隙来降低涂层的热导率、改善隔热效果。 

在高温服役过程中，热障涂层的结构将由于相变和烧结作用而发生显著改变，比如裂纹烧结愈合、层状结构因层间孔隙烧结愈合而逐渐消失，由此引起热导率上升，导致涂层隔热性能下降、弹性模量提高和热应变缓和能力下降，导致涂层寿命下降等。现有工艺制备的陶瓷层粒子间的孔隙厚度在几十纳米到几百纳米之间，而其中的大部分孔隙厚度小于150纳米，经过一段时间服役后，孔隙会逐渐愈合，严重影响涂层服役寿命，因此通过合适的工艺控制制备含有垂直于热流方向的服役条件下不烧结愈合的扁平状大孔隙结构的涂层，对提高热障涂层隔热性能和寿命具有重要意义。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种低导热抗烧结热障涂层及其制备方法，能够使热障涂层的热导率显著降低，抗烧结能力显著增强，具有长寿命和高隔热效果，从而能够大幅度提高热障涂层的服役性能。 

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为： 

一种低导热抗烧结热障涂层，由热障涂层材料粉末形成的若干扁平状颗粒层叠构成，在扁平状颗粒间分布有若干厚度为0.3～6μm、横向尺寸为50～200μm的扁平状的孔隙，孔隙率为5％～50％。 

所述的扁平状的孔隙分布在该热障涂层服役状态下的热流垂直方向上。 

热障涂层材料粉末通过热喷涂沉积形成若干扁平状颗粒，扁平状颗粒以厚度方向上层叠的方式形成热障涂层。 

低导热抗烧结热障涂层的制备方法，包括以下步骤： 

步骤一，通过热喷涂法，将热障涂层材料粉末和造孔材料粉末喷涂沉积在基体上，制备出造孔材料粉末体积分数为5％～50％的复合陶瓷涂层；其中造孔材料粉末形成若干厚度为0.3～6μm、横向尺寸为50～200μm的扁平粒子； 热障涂层材料粉末形成若干扁平状颗粒，扁平状颗粒在厚度方向上层叠，造孔材料粉末形成的扁平粒子分布在热障涂层材料粉末形成的扁平状颗粒间； 

步骤二，通过水浴法，去除复合陶瓷涂层中由造孔材料粉末形成的扁平粒子，在复合陶瓷涂层中形成与扁平粒子尺寸、形状、位置相同的孔隙，得到低导热抗烧结热障涂层。 

所述的热喷涂法为等离子喷涂或等离子喷涂复相沉积。 

所述的水浴法是将复合陶瓷涂层放入溶液中以去除造孔材料粉末，其中溶液为不溶解热障涂层材料粉末和基体、仅溶解造孔材料粉末的纯水、酸溶液、碱溶液或有机溶液。 

所述的造孔材料粉末为通过水浴法能够去除的氧化物或氯化物粉末。 

所述的造孔材料粉末为SrO粉末、NaCl粉末或KCl粉末。 

所述的溶液为水、稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸、稀NaOH溶液或稀KOH溶液。 

所述的热障涂层材料粉末为锆酸镧LZO粉末、氧化钇稳定氧化锆YSZ粉末、铈酸镧LCO粉末、六铝酸镧粉末或氧化铝粉末。 

相对于现有技术，本发明的有益效果为：