[发明专利]抗烧结长寿命双层梯度柱状结构热障涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了抗烧结长寿命双层梯度柱状结构热障涂层及其制备方法，包括增韧层和隔热层；隔热层被纵向缝隙分割，且由N个亚层堆叠构成，每个亚层的厚度与其热导率之比相等，且亚层的热导率由靠近粘结层的第一亚层向等N亚层等差递减；每个亚层均由第二热障涂层材料粉末和第三热障涂层材料粉末交替分层沉积形成；增韧层占双层结构热障涂层总厚度的10％～50％。本发明所提出的双层梯度柱状结构热障涂层，可实现陶瓷涂层在高温环境下抗烧结的目的，且通过增韧层的设计强化了涂层的断裂韧性，通过柱状结构设计降低了涂层的开裂驱动力，实现了热障涂层的长寿命服役。

技术领域

本发明属于涂层技术领域，特别涉及抗烧结长寿命双层梯度柱状结构热障涂层及其制备方法。

背景技术

热障涂层(Thermal barrier coatings,TBC)的主要功能是为航空发动机和燃气轮机的高温热端金属构件提供隔热防护，以使合金基体在远超其承温极限的温度可以长时间稳定服役。因此，TBC最重要的评价指标就是其隔热温度和服役寿命。通常，厚度300～500μm的初始制备态TBC可隔热50～300℃。然而，在长时间高温热暴露下，TBC的隔热温度会显著降低。同时，涂层也易发生开裂剥落等。因此，如何使TBC在高温下保持隔热功能并实现长寿命服役是未来TBC发展亟待解决的难题之一。

TBC的隔热功能一方面归功于其自身较低的材料热导率；另一方面，采用喷涂方法制备的TBC内部含有大量的微米和亚微米级孔隙，同样起到了良好的隔热作用。然而，高温服役后的TBC的隔热功能会显著下降，这主要是由于烧结引发涂层内部隔热孔隙的愈合消失。另一方面，烧结亦引发涂层显著刚化，使得涂层的应变容限大幅度降低，从而极易发生开裂剥离，影响涂层的服役寿命。

从抗烧结的角度而言，在高温服役下实现孔隙的自发再生是确保涂层隔热性能不显著衰退的可行途径。从延长服役寿命的角度而言，热障涂层的开裂失效与其自身的断裂韧性和外部环境引发的开裂驱动力相关。提高自身的断裂韧性，并同时降低开裂驱动力是实现TBC长寿命服役的关键。TBC的开裂驱动力与其自身的厚度和弹性模量正相关。值得一提的是，涂层的隔热温度也和涂层的厚度正相关。因此，如何在保证隔热功能性的前提下，合理降低涂层厚度和整体弹性模量，将是降低TBC开裂驱动力的有效途径。

综上，实现TBC抗烧结的关键就是在热暴露中实现隔热孔隙的自发再生，延长TBC服役寿命的关键就是提高涂层的断裂韧性，同时在保证隔热功能的前期下，优化设计低厚度和高应变容限的涂层，以最终实现抗烧结长寿命的协同设计。

发明内容

本发明的目的在于提供抗烧结长寿命双层梯度柱状结构热障涂层及其制备方法，旨在实现抗烧结、长寿命的协同设计。复合层叠结构可使涂层在高温服役中通过孔隙的自发再生保持高的隔热功能；梯度结构可在保证涂层隔热功能性的前提下，基于等隔热设计实现涂层整体厚度的合理降低；柱状结构可显著降低涂层整体的弹性模量，实现高应变容限，从而减小涂层的开裂驱动力；引入增韧层可以提高热障涂层的断裂韧性；最终可达到抗烧结、长寿命的协同设计，实现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：

一种抗烧结长寿命双层梯度柱状结构热障涂层，包括自下至上依次设置在金属粘结层上的增韧层和隔热层；增韧层包括若干层第一片层单元；隔热层包括自下至上依次设置的N个亚层，N为2～20内的自然数，隔热层被纵向缝隙分割为柱状；不同亚层的厚度与其热导率的比值相等，且自第一亚层至第N亚层的热导率等差递减；每个亚层包括交替设置第一涂层和第三片层单元，亚层的底层为第一涂层，非底层的第一涂层覆盖其下方的第一涂层和第三片层单元；第一涂层包括若干层第二片层单元；第二片层单元和第三片层单元分别由第二热障涂层材料粉末和第三热障涂层材料粉末形成，第一片层单元和第二片层单元的片层致密度均大于90％；第三片层单元的片层致密度小于60％；增韧层厚度占增韧层和隔热层总厚度的10％～50％。