[发明专利]一种双陶瓷层热障涂层体系及其复合制备工艺

说明书

一种双陶瓷层热障涂层体系及其复合制备工艺，属于涂覆技术领域。该双陶瓷层热障涂层体系包括在高温合金基体上的粘结层、YSZ涂层和铈酸镧涂层；其复合制备工艺为：高温合金基体预处理后，采用超音速火焰喷涂设备或爆炸喷涂在高温合金基体上喷涂组织致密的MCrAlY粘结层，得到HV0.3为300‑380、粘结层表面粗糙度Ra为5.0‑9.0μm的MCrAlY粘结层；在MCrAlY粘结层表面，采用大气等离子喷涂设备喷涂YSZ涂层得到双陶瓷层热障涂层体系。采用该工艺制备的热障涂层体系既有超高温环境抗力，又有令人满意的涂层热循环性能，能够延长热障涂层热循环寿命。

技术领域

本发明涉及涂覆技术领域，具体涉及一种双陶瓷层热障涂层体系及其复合制备工艺。

背景技术

航空发动机热端部件的高温防护是航空发动机制造中的关键技术之一，热障涂层是采用耐高温、低导热的陶瓷材料以涂层的方式与金属相复合、以降低高温环境下金属表面温度的一种热防护技术。在先进航空发动机中，热障涂层可以显著降低叶片合金的表面温度，大幅度延长叶片的工作寿命，提高发动机的推力和效率。尤其是新型先进航空发动机的高压涡轮导向叶片热障涂层需要承受1100℃以上的使用温度，但以氧化锆为涂层材料的第一代热障涂层只能在1100℃以下使用，因此需要研究探索在适合于更高温度使用的新型热障涂层材料及其制备工艺。从国外研究部门的科研报告可以看出，能够耐受更高温度的热障涂层材料应该是具有钙钛矿或者尖晶石结构的铝酸镧、锆酸镧和铈酸镧等材料。

已有研究结果表明，尽管锆酸镧(La₂Zr₂O₇)涂层热导率低，热膨胀系数大，但该涂层在表面温度1518K的热循环寿命(35次)远低于CeO₂萤石结构铈酸镧(La₂Ce₂O₇，LCO)涂层(大于1000次)，所以LCO是目前认为最有可能替代氧化钇稳定氧化锆的热障涂层材料。本发明采用LCO陶瓷材料制备热障涂层面层，通过涂层体系设计以获得优异的超高温热障涂层热循环性能。

目前，国际上有三种主流热障涂层材料结构体系，即继美国的双层结构、欧洲的梯度结构和中国的梯度粘结层结构。双层结构由陶瓷隔热层和金属粘结层组成，由于陶瓷层与金属层性能差异以及金属层氧化等原因，导致热障涂层易沿陶瓷/金属界面开裂和失效。陶瓷/金属界面结构设计一直是长寿命热障涂层研究的热点和难点。梯度粘结层结构针对双层结构存在明显界面的问题，在金属层和陶瓷层中间加入氧化粘结层，实现由金属层和陶瓷层之间成分连续变化、结构的梯度过渡，从而提升抗热震、氧化以及隔热等性能，延长热循环寿命。相应的技术研发团队研发的铈酸镧(LCO)热障涂层是1300℃级别热障涂层材料技术发展中的重要突破，但在低温段LCO热膨胀系数较低，陶瓷层与粘结层热膨胀不匹配产生残余热应力而开裂和剥落。因此，本发明为进一步提高基体合金的抗氧化性能，采用可以获得超音速粉末颗粒速率的热喷涂技术喷涂组织致密的MCrAlY粘结层。

从开始研究到实际应用的几十年间，热障涂层的制备工艺不断得到改进，出现了很多热障涂层制备技术，如磁控溅射、高速火焰喷涂、化学气相沉积、等离子喷涂、电子束物理气相沉积等。其中，后两种工艺是热障涂层实际工程应用中最广泛采用的制备技术。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种双陶瓷层热障涂层体系及其复合制备工艺。该涂层体系采用双层陶瓷层结构体系(Double Ceramic Layer,DCL)，即在高温合金基体上喷涂MCrAlY粘结层，在粘结层表面喷涂YSZ中间热膨胀匹配涂层，以提高热障涂层体系的耐热循环性能，最后等离子喷涂超高温环境下组织和性能的热稳定好、抗烧结、热导率低的LCO涂层，以保证该热障涂层体系既有超高温环境抗力，又有令人满意的涂层热循环性能。该工艺方法是一种航空发动机涡轮和尾喷口等位置零部件用高温防护涂层技术，特别适用于超高温隔热用热障涂层工艺的制备。