[发明专利]一种抗烧结双模复合结构热障涂层及其制备工艺

说明书

本发明公开一种抗烧结双模复合结构热障涂层及其制备工艺，包含：步骤一，在基体上沉积金属，形成金属粘结层；步骤二，通过热喷涂方法，在金属粘结层上将热障涂层材料粉末和可相变收缩的陶瓷材料粉末交替分层沉积形成复合层状结构热障涂层；步骤三，通过强流冲击冷却的预处理工艺，在复合层状结构热障涂层内形成若干纵向孔隙，得到双模复合结构热障涂层；步骤四，双模复合结构热障涂层和基体热处理或实际应用过程中，第二片层单元产生相变收缩形成大孔隙，获得抗烧结双模复合结构热障涂层。本发明结构在服役高温环境中自发形成若干垂直于热流方向的孔隙，并保持高应变容限，从而具有抗烧结、长寿命的特征。

技术领域

本发明属于涂层技术领域，特别涉及一种热障涂层及其制备工艺。

背景技术

热障涂层(Thermal barrier coatings,TBC)广泛应用于航空发动机和燃气轮机的高温热端构件。在现有技术条件下，厚度为250μm或更厚的TBC可使叶片基体表面温度降低50℃甚至超过100℃，这相当于经过30年的努力才能在提高高温合金使用温度的方面取得的进展。因此，作为一种隔热陶瓷涂层，TBC的应用对于提高燃气进口温度，进而提升发动机推重比、效率等具有十分重要的意义。

采用热喷涂方法制备的热障涂层因其成本低、综合性能优异而得到了广泛的应用。热喷涂热障涂层通常呈现出层状结构，在层状结构内还包含微米和亚微米级的微孔隙网。这种特殊的结构使得热障涂层的纵向热导率和横向弹性模量均小于相应块材的50％。因此，热喷涂热障涂层呈现出了优异的隔热功能和一定的应变容限。

然而，在实际的高温服役过程中，热喷涂热障涂层内的微孔隙网在烧结的作用下易发生愈合，这显著影响了热障涂层的功能性和长期服役稳定性。例如，在1300℃热暴露50h，热喷涂YSZ涂层的热导率提高50％以上，而宏观弹性模量则提高近200％。弹性模量的提高直接导致了应变容限的急剧降低，使得涂层在服役过程中发生剥离失效。因此，如何提高热障涂层结构的抗烧结性，使得涂层在服役过程中保持高的应变容限，将是发展抗性能衰减、长寿命热障涂层的难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗烧结双模复合结构热障涂层及其制备工艺，使涂层在高温服役中由于复合片层的相变收缩而自发形成若干垂直于热流方向的孔隙，降低由于微孔隙愈合而造成的隔热能力下降的影响，达到整体抗烧结的目的；同时该涂层的柱状结构可以使涂层在长时间服役中保持高的应变容限，达到长寿命的目的，实现新一代高性能热障涂层的制备。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种抗烧结双模复合结构热障涂层的制备工艺，包含以下步骤：

步骤一，在基体上沉积金属，形成金属粘结层；

步骤二，通过热喷涂方法，在金属粘结层将热障涂层材料粉末和可相变收缩的陶瓷材料粉末交替分层沉积形成复合层状结构热障涂层；热障涂层材料粉末沉积形成第一片层单元，可相变收缩的陶瓷材料粉末沉积形成第二片层单元；

步骤三，通过强流冲击冷却的预处理工艺，在复合层状结构热障涂层内形成若干纵向孔隙，得到双模复合结构热障涂层；其中，纵向孔隙沿双模复合结构热障涂层表面内的宽度为双模复合结构热障涂层总厚度的0.05％～5％，纵向孔隙沿纵向的深度为双模复合结构热障涂层总厚度的10％～100％，相邻纵向孔隙间隔为双模复合结构热障涂层总厚度的1～15倍；

步骤四，双模复合结构热障涂层和基体在200～1300℃热处理或实际应用过程中，第二片层单元产生相变收缩形成大孔隙，获得抗烧结双模复合结构热障涂层；大孔隙的横向尺寸为50～200μm，纵向尺寸为0.1～0.5μm。

进一步的，制备复合层状结构热障涂层时，可相变收缩的陶瓷材料粉末体积含量为热障涂层材料粉末和可相变收缩的陶瓷材料粉末总体积的10％～50％。