[发明专利]一种喷气式发动机叶片用热障涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及材料加工与制备技术领域，尤其涉及一种喷气式发动机叶片用热障涂层及其制备方法，其特征在于，该热障涂层为复合结构，在金属基体表面从下至上依次为金属粘结层、缓冲层和陶瓷层，所述金属基体为镍基定向凝固高温合金，所述金属粘接层为镍基合金，所述缓冲层为8YSZ材质，所述陶瓷层为YGYZ材质。与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：1）粘结层结合强度更高，组织更致密，耐磨损性能也更加优越。2）缓冲层的孔隙率控制在7.7%~7.9%范围，实现与陶瓷层和粘结层的匹配，拥有更好的热循环寿命。3）在保留Gd₂Zr₂O₇低热导率的优点的同时，也可以减少在热冲击过程中引发的氧化锆相变，提高了陶瓷层的热稳定性，改善了涂层的热物理性能。

技术领域

本发明涉及材料加工与制备技术领域，尤其涉及一种喷气式发动机叶片用热障涂层及其制备方法。

背景技术

热障涂层已经成为全世界新材料的研究热点之一，涂层的材料与结构是制约隔热性能提高的关键。目前，广泛使用的热障涂层的材料为8 %的氧化钇稳定氧化锆（8YSZ），广泛应用的热障涂层结构为金属基体-粘结层-陶瓷层结构，但是单一隔热陶瓷层的性能已经无法满足先进喷气式发动机对隔热部件的需求，并且8YSZ的使用温度较低，热导率也较高，随着喷气式发动机的推重比的不断提高，热端部件的表面温度不断上升，迫切的需要寻找新型热障涂层的材料与结构。

热障涂层的制备方法目前主要有：1）大气等离子喷涂法：采用直流电驱动的等离子电弧作为热源，将原料粉末熔融并以高速喷向经过预处理的工件表面。优点：制得的粘结层致密度高，粉末沉积率高。缺点：喷涂效果与工艺参数相关，粉末在喷涂火焰的中心作用下易发生氧化，同时粉末到达基体时的温度瞬间下降，易造成粉末承受很大的温差进而导致热应力的存在。2）电子束-物理气相沉积法：采用物理方法将粉末材料气化成气态原子，通过低压原子在基体表面沉积涂层。优点：柱状晶结构拥有良好的力学性能，与陶瓷层粘结力高，表面更加光洁。缺点：涂层热导率低，制备复杂，成本高。3）超音速火焰喷涂：通过气体或液体燃料的燃烧提供能量，将喷涂材料加热至熔融或半熔融状态后以高速撞击到基体的表面形成涂层。优点：涂层致密，孔隙率低，未熔融颗粒数量少，力学性能好。

YGYZ是氧化镱与氧化钆稳定的氧化锆，YGYZ热稳定性好，耐腐蚀性能优异，抗热冲击性能好并且原料来源广泛。YGYZ作为一种优异的热障涂层材料，拥有良好的隔热性能。

专利号CN111394702A公开了一种热障涂层及其制备方法，该热障涂层的结构组成为金属基体、金属粘结层、陶瓷层，采用电子束-物理气相沉积方法制备，该热障涂层在1100℃的热循环寿命大于2000次，说明在1100℃所得的热障涂层与基体的结合力强、抗热震性能优异，但是在1300℃以上的涂层使用性能并未说明。

专利号CN110256075A公开了一种掺杂改性的Gd₂Zr₂O₇陶瓷材料及其制备方法，该陶瓷层的结构组成为金属基体、金属粘结层、掺杂改性的Gd₂Zr₂O₇陶瓷层，该热障涂层由于引进了Yb3+增强了材料的声子散射效果，导致材料的热导率大大降低，但是陶瓷层的力学性能，陶瓷层与粘结层之间的粘结性能以及高温热环境中的氧化锆相变也并未提及。

以上发明都有其很好的优点，但并未将制备态的热障涂层应用于喷气式发动机的高温环境方面，而且针对喷气式发动机热障涂层的陶瓷层力学性能以及陶瓷层与粘结层的热冲击行为研究并不多，也并未提及涂层的在高温环境下的抗断裂韧性。喷气式发动机是高温使用环境，与其它发动机相比热端部件的表面温度更高，陶瓷层与粘结层的热膨胀系数差异对热障涂层的使用寿命的影响更为严重。

发明内容