[发明专利]一种具有复合双陶瓷层结构的热障涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有复合双陶瓷层结构的热障涂层及其制备方法，属于热障涂层制备技术领域。所述热障涂层由基体往上依次为：热障涂层粘结层、YSZ陶瓷层和复合陶瓷层；所述复合陶瓷层由高韧性陶瓷材料和高稀土含量掺杂氧化锆材料按照体积比为1～4:4～1的比例组成；所述高韧性陶瓷材料为断裂韧性大于5MPa·m^1/2的陶瓷材料；所述高稀土含量掺杂氧化锆材料中，掺杂的稀土元素的摩尔分数之和为16％～30％。所述热障涂层通过喷涂的方法由基体往上依次制得热障涂层粘结层、YSZ陶瓷层以及复合陶瓷层。所述热障涂层能够避免在热循环过程中发生开裂，使用寿命长；且裂纹分布均匀，抗剥落能力强，隔热性能高。

技术领域

本发明涉及一种具有复合双陶瓷层结构的热障涂层及其制备方法，属于热障涂层制备技术领域。

背景技术

热障涂层可以提高涡轮发动机和燃气轮机热端部件使用温度，是先进航空发动机和燃气轮机不可或缺的关键技术之一。目前应用最为广泛的热障涂层材料为氧化钇部分稳定氧化锆，(其中，Y₂O₃的摩尔分数为3％～4％，简称：YSZ)。YSZ的优势是具有高热膨胀系数、低热导率和低弹性模量。但随着发动机向高推重比发展，进口温度不断提高，YSZ涂层就不能够满足使用要求。例如，推重比为12～15的一级发动机要求涂层工作温度达到1400℃以上，而当温度超过1200℃时，YSZ涂层由于相变和烧结导致涂层会剥落，进而导致无法起到隔热的作用。

为满足发动机发展的应用需求，开发出新一代耐高温、高隔热的热障涂层材料，即新型稀土掺杂改性氧化锆涂层材料，该材料具有良好的相稳定性和优异的热物理性能，使其在1200℃以上应用具有较大的优势。然而，由于新型稀土掺杂改性氧化锆材料的晶格结构畸变严重，相变阻力增加，使得材料相变增韧效果降低，抵抗裂纹扩展性能较差，导致新型稀土掺杂改性氧化锆涂层在热循环条件下寿命较低。特别是当新型稀土掺杂改性氧化锆中的总掺杂含量继续提高时，新型稀土掺杂改性YSZ材料的相结构将转变为立方相，还将丧失典型的铁弹性增韧机制，导致材料断裂韧性进一步降低，也就意味新型稀土掺杂改性YSZ涂层在热循环条件下抗剥落能力较差。

为了解决这个问题，目前部分研究人员采用双陶瓷层结构的热障涂层，该双陶瓷层结构热障涂层由粘结层、YSZ陶瓷层和新型稀土掺杂改性氧化锆陶瓷层组成，中间层承担应力较低陶瓷层和粘结层界面处应力位置，同时其较高的热膨胀系数能有效降低陶瓷层和粘结层界面处应力，相对于新型掺杂改性氧化锆涂层，具有双陶瓷层结构的热障涂层在应用过程中不易剥落，并且热循环性能良好。但由于顶层陶瓷层，即新型掺杂改性氧化锆陶瓷层的断裂韧性依旧较低，抵抗裂纹扩展性能较差，使得具有双陶瓷层结构的热障涂层在热循环过程中容易出现顶层涂层开裂和剥落的现象。顶层涂层的开裂和剥落将导致涂层整体隔热性能下降，加速涂层失效，进而对热端部件的安全性和使用寿命产生危害。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种具有复合双陶瓷层结构的热障涂层，所述热障涂层由于具有复合双陶瓷层结构，使得所述热障涂层能够避免在热循环过程中发生开裂，使用寿命长；所述热障涂层的裂纹分布均匀性好，抗剥落能力强，隔热性能高。

本发明的目的之二在于提供所述具有复合双陶瓷层结构的热障涂层的制备方法。

为实现本发明的目的，提供以下技术方案。

一种具有复合双陶瓷层的热障涂层，所述热障涂层由基体往上依次为：热障涂层粘结层、YSZ陶瓷层和复合陶瓷层。

优选，所述热障涂层粘结层材料为NiCoCrAlY或NiCrAlY。

优选，所述热障涂层粘结层的厚度为50μm～200μm。

优选，所述YSZ陶瓷层的厚度为50μm～350μm。

所述复合陶瓷层由高韧性陶瓷材料和高稀土含量掺杂氧化锆材料按照体积比为(1～4):(4～1)的比例组成。