[发明专利]一种抗环境沉积物腐蚀热障涂层及其制备方法

说明书

本发明属于热障涂层技术，特别是涉及一种抗环境沉积物腐蚀热障涂层及其制备方法。高温合金基体上依次为真空电弧镀、等离子喷涂或超音速喷涂MCrAlY金属粘结底层，等离子喷涂或电子束物理气相沉积YSZ陶瓷面层，磁控溅射或多弧离子镀贵金属纯Pt面层，NiCrAlY金属粘结底层厚度为0.05～0.15mm，YSZ陶瓷面层厚度为30μm～100μm，贵金属纯Pt面层厚度为10μm～60μm。采用MCrAlY粘结底层、YSZ陶瓷面层和贵金属Pt面层组成的热障涂层体系，可以有效防止CMAS的腐蚀，提高热障涂层的可靠性和服役寿命。

技术领域

本发明属于热障涂层技术，特别是涉及一种抗环境沉积物腐蚀热障涂层及其制备方法。

背景技术

热障涂层(Thermal Barrier Coatings，TBCs)是先进航空发动机高温热端部件的关键技术之一，它一般由抗氧化腐蚀性能良好的金属粘结底层(PtAl或MCrAlY，M＝Ni，Co或Ni+Co)和导热系数低的陶瓷面层(Y₂O₃部分稳定的ZrO₂,YSZ)组成。它与高温合金材料技术、冷却技术并重，成为发展高性能航空发动机的关键技术之一。热障涂层在航空发动机上的使用，将使高温合金能够承受更高的服役温度，提高涡轮前燃气进口温度，同时也可使发动机寿命和可靠性大幅度提高，耗油量降低，动力性能显著改善。根据美国航空航天局(NASA)研究工作报道，采用热障涂层，发动机工作温度每提高14～15℃，发动机总推力可增加1～2％；同时，在极限条件下工作的高温合金表面温度每降低14℃，相当于提高工件使用寿命一倍。因此，从可靠性增长、发动机延寿以及其发展型的研制需求来看，热障涂层是先进航空发动机设计不可或缺的选择。

近年来研究发现，航空发动机热障涂层除了要经受高温、热疲劳和机械载荷等作用外，还遭受化学腐蚀、侵蚀和冲刷，其中，一种以CaO、MgO、Al₂O₃和SiO₂等混合氧化物(CMAS)组成的沉积物对热障涂层的性能和服役寿命产生了巨大的影响。CMAS是由于大气中的灰尘、砂石、火山灰及飞机跑道磨屑等颗粒被吸入航空发动机高温燃气流道内(如：燃烧室、涡轮叶片等零部件)，在发动机循环的峰值温度(如：起飞或降落)时，这些物质形成玻璃态熔融沉积物。CMAS熔体与涂层材料润湿性能良好，它会沿陶瓷层的微裂纹、孔洞等逐渐渗入涂层内部，填充陶瓷层中的空隙，降低了陶瓷层的断裂韧性，并且诱发循环氧化过程中的裂纹萌生。尤其是对于电子束物理气相沉积制备的热障涂层，由于CMAS的渗入，破坏了热障涂层原有的柱状晶结构，降低了涂层的应变容限，从而导致涂层过早发生剥落，影响热障涂层的服役寿命和可靠性。

发明内容

为了解决在役热障涂层易遭受CMAS腐蚀失效问题，本发明的目的在于提供一种抗环境沉积物(CMAS)腐蚀热障涂层及其制备方法。采用MCrAlY粘结底层、YSZ陶瓷面层和贵金属Pt面层组成的热障涂层体系，可以有效防止CMAS的腐蚀，提高热障涂层的可靠性和服役寿命。

本发明的技术方案是：

一种抗环境沉积物腐蚀热障涂层，高温合金基体上依次为真空电弧镀、等离子喷涂或超音速喷涂MCrAlY金属粘结底层，等离子喷涂或电子束物理气相沉积YSZ陶瓷面层，磁控溅射或多弧离子镀贵金属纯Pt面层，NiCrAlY金属粘结底层厚度为0.05～0.15mm，YSZ陶瓷面层厚度为30μm～100μm，贵金属纯Pt面层厚度为10μm～60μm。

所述的抗环境沉积物腐蚀热障涂层的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：对高温合金基体进行表面预处理；

步骤2：采用真空电弧镀、等离子喷涂APS或超音速喷涂HVOF在高温合金表面制备抗氧化腐蚀性能良好的MCrAlY金属粘结底层，其成分为Al含量为8～12wt％，Cr含量为18～22wt％，Y含量为0.5～1wt％，其余为Ni、Co或Ni+Co；