一种抗冲蚀热障涂层及其制备方法和应用

1.本发明涉及热障涂层技术领域，更具体涉及一种抗冲蚀热障涂层及其制备方法和应用。


背景技术：

2.目前，物理气相沉积(含电子束物理气相沉积eb-pvd和等离子喷涂物理气相沉积ps-pvd)技术由于具有涂层化学成分易于精确控制、可得到柱状晶组织、应变容限高和涂层与基体结合强度高等优点，已经广泛应用于航空发动机和燃气轮机热端部件高温防护涂层的制备，其制备的热障涂层显著提高了热端部件的抗高温氧化、抗腐蚀和耐高温性能，延长了发动机的工作寿命。
3.然而，热端部件的工作环境极其恶劣，尤其是涡轮叶片，其自身高速旋转，同时还承受高温高压气流的高速冲刷，而且气流中难免存在沙尘颗粒、炭黑粒子和金属碎屑，对沉积在涡轮叶片表面的热障涂层造成严重的冲蚀破坏。如果涂层抗冲蚀性能不佳，服役后就会出现涂层被冲蚀减薄，甚至完全剥落，从而导致涂层和涡轮叶片的失效。
4.图1揭示了在固体颗粒20冲击下，沉积在基底10和粘结层12上，拥有柱状晶结构16的热障涂层14的失效机理。图中的热障涂层拥有传统的竖直柱状晶结构，所以柱状晶之间有间隙18，界面26位于热障涂层14和粘结层12之间，一般热障涂层14和粘结层12之间还存在一层极薄的氧化铝层(图1中未画出)。固体颗粒20撞击涂层表面产生的应力波22会在柱状晶中向下传播，应力波到达界面26后反射产生回波24。应力波的传播在撞击区域附近的柱状晶内会导致压应力，而在离撞击区域相对较远的柱状晶内会导致拉应力。巨大的拉应力传播到界面26时，会导致热障涂层14直接从界面处剥落，涂层失效。
5.如果调整热障涂层的沉积工艺，制备出具有弯曲柱状晶结构的热障涂层，颗粒撞击产生的应力波将更难传播到界面处或传播到界面处时衰减更严重，使得应力波传播到界面处的产生的拉应力更小，最终热障涂层直接从界面处剥离的概率更小，从而提高热障涂层的抗冲蚀性能。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种抗冲蚀热障涂层及其制备方法和应用，该热障涂层通过特定的物理气相沉积方法制备，具有弯曲柱状晶结构，在不改变其它性能的同时能显著提高涂层抵抗固体颗粒冲蚀的性能；该制备方法工艺简单，适用性强，可重复性好，易于操作；所得热障涂层能够作为隔热防护涂层应用于航空发动机中。
7.本发明的技术方案如下:
8.一种抗冲蚀热障涂层，包括金属粘接层和陶瓷隔热层，所述金属粘接层沉积于基体的表面，所述陶瓷隔热层沉积于所述金属粘接层远离所述基体的一侧的表面；所述陶瓷隔热层沿厚度方向分为三个区域，即靠近粘结层的根部区域、靠近表面的顶部区域以及剩下的中间区域，所述根部区域柱状晶垂直于界面生长，所述中间区域或/和顶部区域的柱状
晶不垂直于界面生长,即形成弯曲柱状晶结构。这样既保证了整条柱状晶的连续又可以减少应力波传播到界面附近时产生的拉应力。如此，这种特殊微观结构的热障涂层在经历颗粒冲击，根部区域产生裂纹的概率更低，从而提高热障涂层的抗冲蚀性能。
9.上述抗冲蚀热障涂层的制备方法，在基体的表面沉积金属粘接层，再在金属粘接层远离基体一侧的表面沉积陶瓷隔热层，所述沉积采用物理气相沉积方法制备，通过在沉积时连续地旋转或正反旋转叶片同时摆动叶片的旋转轴来实现。
10.优选地，在沉积柱状晶根部区域时，叶片的旋转轴线垂直于从中心源出发的蒸汽流流线；沉积柱状晶中间和顶部区域时，使叶片的旋转轴线相对于蒸汽流线发生来回摆动。
11.在可选的实施方式中，所述陶瓷隔热层的成分包括含有6-8wt％的y2o3稳定的zro2，简称ysz。
12.优选地，所述陶瓷隔热层的厚度为100-400μm，优选为150-300μm。
13.在可选的实施方式中，所述金属粘接层的成分包括ptal或者mcralyx；其中，mcralyx中的m为ni和/或co；mcralyx中的x为微量添加元素，y即为钇元素。
14.优选地，所述微量添加元素包括ta、si和hf中的至少一种。
15.优选地，所述金属粘接层的厚度为40-150μm，优选为60-120μm。
16.在可选的实施方式中，所述金属粘接层采用大气等离子喷涂、电弧离子镀沉积或包埋渗方法制备。
17.优选地，所述陶瓷隔热层采用等离子喷涂-物理气相沉积或电子束物理气相沉积制备。
18.在可选的实施方式中，在沉积所述金属粘接层之前，先将所述基体进行打磨，随后超声清洗。
19.优选地，在沉积所述陶瓷隔热层之前，先将所述金属粘接层进行打磨，随后超声清洗。
20.优选地，所述基体和所述金属粘接层的打磨目数均为80-1000目。
21.上述抗冲蚀热障涂层能够作为隔热防护涂层应用于航空发动机中。
22.本发明具有以下有益效果：
23.本发明的热障涂层具有较高的抗固体颗粒冲蚀性能，其制备方法工艺简单，适用性强，可重复性好，易于操作。该热障涂层可用作航空发动机的热障涂层，能够明显延长航空发动机的使用寿命。
附图说明
24.图1为竖直柱状晶热障涂层的冲蚀机理图。
25.图2和图3为本发明具有改进微观结构的典型抗冲蚀热障涂层图。
26.图4传统竖直柱状晶热障涂层被颗粒冲击后截面扫描电镜图。
27.图5和图6分别为本发明实施例1、实施例5制备的热障涂层被颗粒冲击后截面扫描电镜图。
28.图7本发明中热障涂层物理气相沉积过程示意图。
具体实施方式
29.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明并不限于此。
30.本发明具有改进微观结构的典型抗冲蚀热障涂层图如图2和图3所示。本发明的抗冲蚀热障涂层，包括金属粘接层和陶瓷隔热层；所述金属粘接层用于沉积于基体的表面，所述陶瓷隔热层沉积于所述金属粘接层远离所述基体的一侧的表面；所述陶瓷隔热层沿厚度方向分为靠近粘结层的根部区域、靠近表面的顶部区域以及剩下的中间区域三个区域；所述根部区域柱状晶垂直于界面生长，所述中间区域或/和顶部区域的柱状晶不垂直于界面生长，即发生了弯曲，这样既保证了整条柱状晶的连续又可以减少应力波传播到界面附近时产生的拉应力。如此，本发明这种特殊微观结构的热障涂层在遭受颗粒冲击时，根部区域产生裂纹的概率更低，从而提高热障涂层的抗冲蚀性能。
31.上述微观结构的热障涂层可以通过视线气相沉积技术而制备，即在沉积时连续地旋转或正反旋转叶片同时摆动叶片的旋转轴来实现。优选地，在沉积柱状晶根部区域时，叶片的旋转轴线垂直于从中心源出发的蒸汽流流线；沉积柱状晶中间和顶部区域时，使叶片的旋转轴线相对于蒸汽流线发生来回摆动。
32.在可选的实施方式中，所述陶瓷隔热层的成分包括ysz(含有6-8wt％的y2o3稳定的zro2)。
33.优选地，所述陶瓷隔热层的厚度为100-400μm，优选为150-300μm；
34.在可选的实施方式中，所述金属粘接层的成分包括ptal或者mcralyx；其中，mcralyx中的m为ni和/或co；mcralyx中的x为微量添加元素；
35.优选地，所述微量添加元素包括ta、si和hf中的至少一种。
36.优选地，所述金属粘接层的厚度为40-150μm，优选为60-120μm。
37.第二方面，本发明提供一种所述的热障涂层的制备方法，在基体的表面沉积金属粘接层、在所述金属粘接层远离所述基体的一侧表面沉积陶瓷隔热层，所述陶瓷隔热层拥有柱状晶结构，所述柱状晶结构沿厚度方向可以分为根部、中间和顶部三个区域，所述根部区域柱状晶垂直于所述金属粘接层表面生长，中间和顶部至少有一个区域的柱状晶不垂直于所述金属粘接层表面生长。
38.上述抗冲蚀热障涂层通过物理气相沉积方法制备，从而获得上述微观结构，如图7所示，即在沉积时使叶片60绕旋转轴64连续地旋转或正反旋转同时摆动来实现。所述摆动是指叶片的旋转轴60与从中心源62出发的蒸汽流线66之间的角度不断变化。一般地，叶片连续旋转、正反旋转和摆动之间有多种组合方式能实现制备所述微观结构的热障涂层。
39.实施例1定速旋转加来回摆动制备热障涂层
40.在基体的表面沉积金属粘接层，再在金属粘接层远离基体一侧的表面沉积陶瓷隔热层，物理气相沉积时，叶片定速旋转加来回摆动，具体如下：
41.(1)叶片旋转轴置于水平，转速14r/min，沉积120s；
42.(2)使叶片旋转轴在水平与叶尖向下倾斜40度之间来回摆动，同时叶片维持转速14r/min，沉积400s；
43.(3)停止摆动，保持旋转轴水平，转速14r/min，沉积150s；
44.(4)重复步骤(2)；
45.(5)重复步骤(3)；
46.(6)重复步骤(2)。
47.实施例2正反旋转加来回摆动制备热障涂层
48.在基体的表面沉积金属粘接层，再在金属粘接层远离基体一侧的表面沉积陶瓷隔热层，物理气相沉积时，叶片正反旋转加来回摆动，具体如下：
49.(1)叶片旋转轴置于水平，转速14r/min，沉积120s；
50.(2)使叶片旋转轴在水平与叶尖向下倾斜40度之间来回摆动，同时叶片维持转速14r/min，沉积400s；
51.(3)停止摆动，保持旋转轴水平，叶片绕旋转轴从+90到-90度之间正反旋转，转速14r/min，沉积150s；
52.(4)重复步骤(2)；
53.(5)重复步骤(3)；
54.(6)重复步骤(2)；
55.实施例3 90度自转无摆动制备热障涂层
56.在基体的表面沉积金属粘接层，再在金属粘接层远离基体一侧的表面沉积陶瓷隔热层，物理气相沉积时，叶片90度自转无摆动，具体如下：
57.(1)保持叶片轴心水平，无转动，沉积50s；
58.(2)叶片绕轴心转90度然后保持静止，沉积50s；
59.(3)持续重复步骤(2)。
60.实施例4定速旋转加上下偏转制备热障涂层
61.在基体的表面沉积金属粘接层，再在金属粘接层远离基体一侧的表面沉积陶瓷隔热层，物理气相沉积时，叶片定速旋转加上下偏转，具体如下：
62.(1)叶片旋转轴置于水平，转速14r/min，沉积100s；
63.(2)使叶片旋转轴叶尖向下偏转40度，保持转速14r/min，沉积50s；
64.(3)使叶片旋转轴叶尖向上偏转40度，保持转速14r/min，沉积50s；
65.(4)重复步骤(2)；
66.(5)重复步骤(3)；
67.实施例5定时旋转加间歇上下偏转制备热障涂层
68.在基体的表面沉积金属粘接层，再在金属粘接层远离基体一侧的表面沉积陶瓷隔热层，物理气相沉积时，叶片定时旋转加间歇上下偏转，具体如下：
69.(1)叶片旋转轴置于水平，转速14r/min，沉积100s；
70.(2)使叶片旋转轴叶尖向下偏转40度，保持转速14r/min，沉积50s；
71.(3)叶片旋转轴回到水平，转速14r/min，沉积50s；
72.(4)使叶片旋转轴叶尖向上偏转40度，保持转速14r/min，沉积50s；
73.(5)重复步骤(2)；
74.(6)重复步骤(3)；
75.(7)重复步骤(4)；
76.实施例6定速转动加缓慢摆动制备热障涂层
77.在基体的表面沉积金属粘接层，再在金属粘接层远离基体一侧的表面沉积陶瓷隔热层，物理气相沉积时，叶片定速转动加缓慢摆动，具体如下：
78.(1)叶片旋转轴置于水平，转速14r/min，沉积100s；
79.(2)30s内使叶片旋转轴从水平缓慢向下偏转至40度，同时叶片保持14r/min的旋转，此期间涂层沉积继续进行；
80.(3)保持叶片旋转轴叶尖向下偏转40度，转速14r/min，沉积100s；
81.(4)30s内使叶片旋转轴缓慢回转至水平，同时叶片保持14r/min的旋转，此期间涂层沉积继续进行；
82.(5)保持叶片旋转轴水平方向，转速14r/min，沉积100s；
83.(6)30s内使叶片旋转轴从水平缓慢向上偏转至40度，同时叶片保持14r/min的旋转，此期间涂层沉积继续进行；
84.(7)保持叶片旋转轴叶尖向上偏转40度，转速14r/min，沉积100s；
85.(8)30s内使叶片旋转轴缓慢回转至水平，同时叶片保持14r/min的旋转，此期间涂层沉积继续进行；
86.(9)保持叶片旋转轴水平方向，转速14r/min，沉积100s；
87.(10)重复步骤(2)-(9)。
88.上述实施例制备的热障涂层均具有良好的抗冲蚀性能。由上可知，在传统的热障涂层物理气相沉积设备的基础上进行部分改进或仅对设备的夹持装置进行改进，就可制备出拥有良好抗冲蚀性能的热障涂层。图4是传统物理气相沉积方法制备的7ysz热障涂层，可以看出，在冲蚀条件下，它发生了从界面处直接开裂的冲蚀破坏。图5和图6是适用本发明介绍的改进的物理气相沉积方法制备的7ysz热障涂层，其中图5中的热障涂层是由实施例1的工艺制备，图6中的热障涂层由实施例5的工艺制备。在高温冲蚀试验中(温度1220℃，颗粒直径560μm，颗粒速度10m/s)，传统热障涂层的抗冲蚀率是4.2g/μm,即涂层冲蚀减薄1μm平均需要消耗4.2g冲蚀颗粒，图5中的涂层相同条件下的抗冲蚀率是4.8g/μm，相比传统热障涂层提升了14％；图6中的涂层相同条件下的抗冲蚀率是5.8g/μm，相比传统热障涂层提升了38％。由此可见，本发明能够明显提升热障涂层的抗冲蚀性能。同时，实验还表明，本发明的热障涂层应用于航空发动机，能够明显提升航空发动机的使用寿命。
89.本发明仅列出上述6种典型的组合方案，方案中使用的使视线电子束物理气相沉积方法，可以预想到地，其它的物理气相沉积方法也能适用。此外，实施例中的一些参数，如叶片转速、轴线摆动角度和时长等都是适用区间中的一个值，比如转速2-20r/min都可，沉积总时长600-3000s都可。

技术特征：
1.一种抗冲蚀热障涂层，其特征在于，包括金属粘接层和陶瓷隔热层，所述金属粘接层沉积于基体的表面，所述陶瓷隔热层沉积于所述金属粘接层远离所述基体的一侧的表面；所述陶瓷隔热层沿厚度方向分为三个区域，即靠近粘结层的根部区域、靠近表面的顶部区域以及剩下的中间区域，所述根部区域柱状晶垂直于界面生长，所述中间区域或/和顶部区域的柱状晶不垂直于界面生长,即形成弯曲柱状晶结构。2.权利要求1所述的抗冲蚀热障涂层的制备方法，其特征在于，在基体的表面沉积金属粘接层，再在金属粘接层远离基体一侧的表面沉积陶瓷隔热层，所述沉积采用物理气相沉积方法制备，通过在沉积时连续地旋转或正反旋转叶片同时摆动叶片的旋转轴来实现。3.根据权利要求2所述的抗冲蚀热障涂层的制备方法，其特征在于，在沉积柱状晶根部区域时，叶片的旋转轴线垂直于从中心源出发的蒸汽流流线；沉积柱状晶中间和顶部区域时，使叶片的旋转轴线相对于蒸汽流线发生来回摆动。4.根据权利要求2所述的抗冲蚀热障涂层的制备方法，其特征在于，所述陶瓷隔热层的成分包括含有6-8wt％的y2o3稳定的zro2，简称ysz。5.根据权利要求2所述的抗冲蚀热障涂层的制备方法，其特征在于，所述陶瓷隔热层的厚度为100-400μm；所述金属粘接层的厚度为40-150μm。6.根据权利要求2所述的抗冲蚀热障涂层的制备方法，其特征在于，所述金属粘接层的成分包括ptal或者mcralyx；其中，mcralyx中的m为ni和/或co；mcralyx中的x为微量添加元素。7.根据权利要求6所述的抗冲蚀热障涂层的制备方法，其特征在于，所述微量添加元素包括ta、si和hf中的至少一种。8.根据权利要求2所述的抗冲蚀热障涂层的制备方法，其特征在于，所述金属粘接层采用大气等离子喷涂、电弧离子镀沉积或包埋渗方法制备；所述陶瓷隔热层采用等离子喷涂-物理气相沉积或电子束物理气相沉积制备。9.根据权利要求2所述的抗冲蚀热障涂层的制备方法，其特征在于，在沉积所述金属粘接层之前，先将所述基体进行打磨，随后超声清洗；在沉积所述陶瓷隔热层之前，先将所述金属粘接层进行打磨，随后超声清洗。10.权利要求1所述的抗冲蚀热障涂层在航空发动机隔热防护涂层中的应用。

技术总结
本发明公开了一种抗冲蚀热障涂层及其制备方法和应用。本发明的热障涂层包括金属粘接层和陶瓷隔热层，所述金属粘接层沉积于基体的表面，所述陶瓷隔热层沉积于所述金属粘接层远离所述基体的一侧的表面；所述陶瓷隔热层沿厚度方向分为三个根部区域、顶部区域和中间区域三个区域，根部区域柱状晶垂直于界面生长，所述中间区域或/和顶部区域的柱状晶不垂直于界面生长,即形成弯曲柱状晶结构。这种特定的微观结构，使其抗冲蚀性能得到提升，应用于航空发动机的热障涂层，能够明显延长航空发动机的使用寿命。使用寿命。使用寿命。


技术研发人员：肖逸奇 彭小敏 魏克湘 黄中华 朱旺 关汗青 刘志伟
受保护的技术使用者：湖南工程学院
技术研发日：2021.12.14
技术公布日：2022/3/8