[发明专利]一种曲折柱状结构的热障涂层陶瓷层及其制备方法

说明书

本发明属于热障涂层技术领域，涉及一种曲折柱状结构的热障涂层陶瓷层及其制备方法。本发明提供一种曲折柱状结构的热障涂层陶瓷层及其制备方法，其热障涂层陶瓷层3具有与基体1表面法线方向呈一定角度的曲折柱状结构，制备步骤如下：采用等离子喷涂气相沉积技术，送入热障涂层陶瓷层粉末后，粉末蒸发形成气相。通过喷涂过程中基体1沉积表面和等离子射流5之间角度的多次变换，调节陶瓷层3柱状结构的沉积生长方向，获得具有与基体1表面法线方向呈一定角度的曲折柱状结构热障涂层陶瓷层。本发明制备的曲折柱状结构热障涂层陶瓷层能大幅度提高隔热性能和抗高温腐蚀能力。

技术领域

本发明属于热障涂层技术领域，涉及一种曲折柱状结构的热障涂层陶瓷层及其制备方法。

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。发动机热端部件长期在高温、腐蚀、磨损的复杂条件下服役，而且工作环境越来越苛刻，对热端部件的表面性能要求越来越高。目前在发动机叶片、燃烧室、尾喷管等重要高温部件上必须采用更高效的冷却技术和更高隔热性能的热障涂层。相应的热障涂层制备技术也需要创新和发展。

热障涂层（TBCs）是利用陶瓷材料优越的耐高温、抗腐蚀和低导热性能，以涂层的方式将陶瓷与金属基体相复合，提高热端部件的使用温度和抗高温氧化能力，延长热端部件的使用寿命，提高发动机效率的一种表面防护技术。目前热障涂层的制备方法主要有电子束物理气相沉积（EB-PVD）和等离子喷涂（PS）技术。两种方法获得的涂层结构不同，性能各有优劣。PS效率高，成本低。涂层是层片状结构，隔热性能好。但是涂层与基体之间为机械结合，结合强度一般，同时层片状结构应变容限低，在热冲击下容易过早剥落。因此APS涂层一般用在温度较低的导向叶片上。而使用温度更高，工况更复杂的各种重要热端部件均是采用EB-PVD热障涂层。

等离子喷涂气相沉积技术（PS-PVD）是在低压等离子喷涂基础上发展起来的一种新型气相沉积涂层方法。该技术配置100 kW 以上大功率等离子喷枪，工作气压一般小于150 Pa。喷涂时，高热焓气体被电弧加热离解成等离子体，等离子体通过喷嘴出口急剧膨胀，形成超音速高能量的等离子射流，长度超过2 m，直径方向膨胀到200-400 mm。由于等离子射流能量足够高，喷涂粉末可以被蒸发形成气相原子，气相材料或气相为主的复相材料随等离子流喷射到基体表面，沉积形成柱状晶结构。研究发现，等离子物理气相沉积技术制备的柱状晶结构热障涂层具有较好的综合性能，其隔热性能明显高于EB-PVD，接近PS；热循环寿命明显高于PS，接近EB-PVD涂层。

现有的热障涂层陶瓷层，无论是通过EB-PVD和等离子喷涂气相沉积技术制备出来的均是垂直柱状晶结构。垂直柱状晶之间不可避免的存在大量的垂直间隙，从涂层表面垂直向下一直贯穿到基体，因为这种直线通道路程短，通道呈笔直就阻碍少，热（以高温燃气为载体）和腐蚀介质（如发动机吸入的砂砾粉尘形成的熔融氧化物）的进入和扩散变得非常快速，涂层隔热及抗高温腐蚀能力降低。

发明内容

针对现有的垂直柱状晶结构的热障涂层陶瓷层，存在大量的垂直间隙而对高温燃气和熔融腐蚀介质的进入和扩散无法形成阻碍作用的问题。

为了解决所述的问题，本发明所采用的技术方案是提供一种曲折柱状结构的热障涂层陶瓷层，其热障涂层陶瓷层特征是具有非垂直生长的柱状结构，所述的柱状结构与基体1表面法线方向呈一定角度的曲折，该曲折柱状结构与基体1表面法线方向之间的角度为曲折角度α，60°≥α＞0°，曲折柱状结构生长方向发生变化的次数为曲折次数A，10次≥A≥1次。

优选地，所述的曲折柱状结构与基体1表面法线方向之间的角度为曲折角度α，最优为45°≥α≥10°，曲折柱状结构生长方向发生变化的次数为曲折次数A，最优为5次≥A≥1次。