[发明专利]复合涂层及其制备方法、发动机

说明书

本申请涉及发动机热端部件热防护涂层领域，公开一种复合涂层及其制备方法，以及发动机。该复合涂层，包括热障涂层和设置于热障涂层表面的保护涂层，保护涂层的比表面积大于100m²/g，保护涂层的内聚强度低于热障涂层的内聚强度。利用该复合涂层，可提高燃气涡轮发动机热端工件表面的热障涂层的使用寿命。

技术领域

本发明涉及发动机领域，具体的涉及发动机热端部件热防护涂层，具体地，涉及一种复合涂层及其制备方法，以及发动机。

背景技术

热障涂层(Thermal Barrier Coating，TBC)是一种陶瓷涂层，将其覆盖在金属基体表面，可利用陶瓷材料优异的耐高温、隔热、抗腐蚀性能，对金属基体起到表面防护的作用。热障涂层的使用会显著提高燃气涡轮发动机(包含燃气轮机、航空发动机等)高温热端部件的工作温度，提高热端部件使用寿命，从而提高燃气涡轮发动机热效率。

自上世纪80年代热障涂层获得规模化工业应用以来，燃气涡轮发动机推重比、热效率发生了跨越式发展，涡轮前燃气温度可达到1600K以上，先进航空发动机涡轮前温度可达到2000K以上。随着工作温度的提升，在发动机工作过程中吸入的灰尘、盐类物质、细小颗粒等对发动机热端部件的影响由原来的冲蚀、冲刷等作用转变为熔融沉积作用，会熔融沉积在热障涂层的表面，同时会沿着热障涂层的表面缺陷(孔隙、微裂纹、柱状晶间隙等)以及晶界位置渗入到涂层内部。沉积在热障涂层表面的熔融沉积物会增加热障涂层内部的热应力，渗入到热障涂层内部的熔融沉积物会导致热障涂层加快烧结和孔隙闭合，由此，热障涂层的隔热效果和机械性能会明显衰减。熔融沉积物以CMAS(CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂)为例，热障涂层以氧化钇部分稳定氧化锆8YSZ为例，其中的SiO₂会溶解8YSZ中的Y₂O₃，导致其高温稳定性降低，过早发生相变失稳；同时由于CMAS中Ca²⁺扩散到YSZ晶粒当中，会导致8YSZ加速烧结，同时CaO会取代Y₂O₃作为ZrO₂的稳定剂，这会导致具有优异高温稳定性的8YSZ材料过早相变失稳，以上CMAS对8YSZ热障涂层的影响会导致热障涂层过早失效，热障涂层服役寿命显著降低。而舰船燃气轮机沉积的熔融熔盐，会加速热障涂层的腐蚀，导致热障涂层过早失效。

由此，燃气涡轮发动机中环境沉积物对热障涂层服役寿命的影响问题，已成为亟待解决的关键问题。目前的研究重点在于提高热障涂层的表面性能，例如改善热障涂层的致密度、表面光滑度、减少热障涂层的表面缺陷等，但是针对上述研究方向采用的方法大多工艺复杂、成本高，且效果不明显。

发明内容

本申请的目的在于提供一种复合涂层及其制备方法，以及发动机，以提高燃气涡轮发动机热端工件表面的热障涂层的使用寿命。

为达到上述目的，本申请提供以下技术方案：

第一方面，本申请提供一种复合涂层，包括热障涂层和设置于热障涂层表面的保护涂层，保护涂层的比表面积大于100m²/g，保护涂层的内聚强度低于热障涂层内聚强度的1/3。

进一步地，保护涂层的内聚强度比热障涂层的内聚强度低10MPa。

进一步地，保护涂层的原料选自以下材料中的至少一种：氧化钇部分稳定氧化锆(ZrO₂-8％Y₂O₃)、改性钇铝石榴石(YAG)、锆酸稀土盐(RE₂Zr₂O₇)、磷酸稀土盐(REPO₄)。

进一步地，保护涂层的厚度为5-30μm。

第二方面，本申请提供一种复合涂层的制备方法，在热障涂层的表面形成保护涂层，得到复合涂层。