本发明专利技术公开了一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层的制备方法。本发明专利技术所述的热障涂层包括在合金基体上制备得到的粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层；所述的第一陶瓷层为氧化钇部分稳定氧化锆涂层，可以采用大气等离子喷涂、电子束物理气相沉积方法或等离子蒸发沉积的方法制备，厚度为50～200μm；所述第二陶瓷层为等离子蒸发沉积系统制备的抗CMAS涂层，厚度为1～100μm。高温下，熔融的CMAS在本发明专利技术制备的第二陶瓷层表面不润湿。本发明专利技术制备的含有粘结层+第一陶瓷层+抗CMAS的第二陶瓷的多层热障涂层体系可以有效阻止熔融CMAS的渗入，具有优异的抗熔融CMAS腐蚀性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及热障涂层腐蚀与防护
，具体是指一种具有微纳米复合结构的抗CMAS腐蚀的热障涂层及其制备方法。
技术介绍
热障涂层(Thermal Barrier Coatings)，简称TBCs，是先进航空发动机热端部件的关键科学技术之一。随着发动机推重比的提高，涡轮前燃气进口温度也大幅提高，到第四代战斗机时，燃气进口温度已经达到了1650℃，单纯依靠高温合金单晶技术已经很难满足航空发动机的发展要求。后来，美国NASA提出了热障涂层的概念，即在高温合金基底表面制备一层耐高温、高隔热的防护涂层，一般由金属粘结层和陶瓷层组成。当前应用最广泛的热障涂层中陶瓷层材料是氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ，ZrO2+6～8wt.％Y2O3)。等离子蒸发沉积系统(plasma evaporated deposition system)是一种制备热障涂层的新型技术。等离子蒸发沉积兼具等离子喷涂(PS)和电子束物理气相沉积(EB-PVD)的优点，可以通过改变工艺参数，实现气相、液相、固相多相复合沉积，制备出层状、柱状或混合状结构涂层，其制备效率高、成本低。较之大气等离子喷涂(APS)，等离子蒸发沉积系统的输出功率可达180kw,工作气压能降到1mbar，而且等离子射流能拉长到2m，射流直径可以增加至200～400mm。在飞机飞行过程中，发动机会吸入大气中的各种固体颗粒物，例如火山喷发后漂浮在大气中的火山灰，其主要化学成分CaO，MgO，Al2O3和SiO2，以及少量Fe(Ni，Ti)等的氧化物，简称为CMAS。当发动机服役温度高于1200℃时，CMAS在TBCs表面有很好的润湿性，在毛细作用下通过YSZ陶瓷层表面的空隙和裂纹渗透到涂层内部，冲击压实YSZ陶瓷层，产生较大的内应力，导致陶瓷层分层、剥落；而且YSZ陶瓷层中的稳定剂氧化钇(Y2O3)会与CMAS发生反应，诱发氧化锆(ZrO2)发生相变，降低了涂层的应变损伤容限；同时CMAS中的Si、Ca内扩散加剧了YSZ陶瓷层的烧结、大幅降低了孔隙率，TBCs的隔热能力急剧下降。因此CMAS腐蚀已经被广泛认为是热障涂层剥落失效的主要原因。制备抗CMAS防护涂层的主要方法有：1.表面封孔技术；2.在表面制备不可渗透涂层或牺牲性涂层来阻挡CMAS的渗入；3.新型陶瓷层材料，如：稀土锆酸盐陶瓷层。上述三个方面在国内外都有大量的专利申请，其本质都是在陶瓷层表面形成一层致密的保护层，使熔融的CMAS无法渗透通过来抵抗CMAS的腐蚀。但不论如何设计，该致密层的热膨胀系数必然和底层的陶瓷层不一致，在高温热循环条件下，致密层更容易产生裂纹和失效。因此，上述的CMAS防护技术并没有在实际生产中得到大规模应用。
技术实现思路
本专利技术提出一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层及其制备方法，更具体指应用等离子蒸发沉积系统(plasma evaporated deposition system)制备抗CMAS腐蚀涂层。所述的该涂层具有微纳米复合结构，高温下熔融CMAS在涂层表面不润湿，并且滚动角小，CMAS很难在涂层表面附着，从而避免了CMAS腐蚀的发生。本专利技术提供的抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层的制备方法，包括下列步骤：第一步，基体表面喷砂预处理；第二步，在基体上制备NiAlX(X：Dy,Hf,Zr等)、NiCoCrAlY或NiAlPt粘结层。制备方法是低压等离子喷涂方法、等离子蒸发沉积法、电子束物理气相沉积或者电镀Pt后渗铝法；第三步，在粘结层上制备第一陶瓷层。所述的第一陶瓷层为氧化钇部分稳定氧化锆层(YSZ)。采用的制备方法是大气等离子喷涂方法(APS)、等离子蒸发沉积法或电子束物理气相沉积法；第四步，在第一陶瓷层上采用等离子蒸发沉积法制备具有微纳米复合结构的第二陶瓷层，其原材料为氧化铝或氧化钇部分稳定氧化锆等。所用粉末为纳米团聚粉，粉末的一次粉末粒径为50～500nm，团聚后粒径为1～30μm。所述的等离子蒸发沉积法具体步骤如下：(1)将喷好第一陶瓷层YSZ的基体装入夹具中，然后把夹具装到真空室内的自动转动工件台上，关闭真空室，抽真空到真空室的压力低于1mbar；(2)设定喷涂电功率为55～100kw，电流为1800～2500A，打开工作气体阀门，引弧，待电弧稳定后，逐步调整等离子气体流量到Ar 35slpm，He 30～60slpm；(3)调整工件台至等离子焰流中，利用等离子焰流对基体进行预加热，同时通过红外探头探测基体温度，当基体温度升到600～1000℃后，停止加热；(4)打开装有第二陶瓷层粉末的送粉器，调整送粉率为5～30g/min，喷涂距离为900～1100mm，开始沉积第二陶瓷层；(5)涂层沉积结束后，停止送粉。一般沉积时间越长，涂层越厚，本专利技术中选择沉积时间为1min～10min，得到厚度为1～100μm的第二陶瓷层。(6)逐步减小气体流量，灭弧，待真空室冷却至室温后，泄真空；(7)放气结束后，打开真空室，取出基体。本专利技术还提供一种抗CMAS腐蚀的微纳米复合结构的热障涂层。所述的热障涂层，包括三层：粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层。所述的粘结层材料分为三种：第一种为NiAlX(X：Dy,Hf,Zr等)，其组分包括40～60mol％的Ni，38～60mol％的Al，0.05～1.5mol％的X(X：Dy,Hf,Zr等)；第二种为NiAlPt，其组分包括40～60mol％的Ni，34～46mol％的Al，4～20mol％的Pt；第三种为NiCoCrAlY，其组分包括40～60wt％的Ni，15～25wt％的Co，16～27wt％的Cr，5～10wt％的Al，0.05～2wt％的Y。所述的第一陶瓷层为YSZ层，即陶瓷底层，制备在粘结层表面，其材料为氧化钇部分稳定氧化锆(ZrO2+(6～8wt％)Y2O3)。第二陶瓷层为陶瓷顶层，制备在第一陶瓷层表面，具有微纳米复合结构，可以抗CMAS腐蚀，其材料为氧化铝或氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)等材料。优选地，第一陶瓷层的厚度为50～200μm，第二陶瓷层的厚度为1～100μm。本专利技术的优点在于：1.等离子蒸发沉积技术可实现气相、液相、固相多相复合沉积，最终沉积出来的第二陶瓷层是柱状晶结构，并且在柱状晶表面分布着很多微纳米颗粒。由于这些微纳米颗粒的存在，涂层具有超疏水和自清洁性。常温下测得水与第二陶瓷层之间的接触角约160°，滚动角小于5°；1250℃下熔融的CMAS在涂层表面不铺展不润湿，起到了很好的防CMAS作用。2.等离子蒸发沉积技术，可以直接在现有热障涂层(第一陶瓷层)表面制备第二陶瓷层(抗CMAS微纳米复合结构热障涂层)，且与第一陶瓷层的结合力良好。3.第二陶瓷层具有柱状晶结构，柱状晶结构的枝晶间隙可以释放热应力，使涂层具有更高的应变容限，热循环寿命高；如果第一陶瓷层也选用等离子蒸发沉积技术制备且第二陶瓷层选用YSZ时，可以一次性制备出第一和第二陶瓷层，简化制备工艺，提高生产效率。4.第二陶瓷层选用YSZ时，与第一陶瓷层完全相容，稳定性良好；第二陶瓷层选用氧化铝时，价格低廉，降低了涂层的喷涂成本。5.等离子蒸发沉积技术效率高，而且具有非常好的绕镀性，在非视线区域也可以沉积出涂层，能完成复杂工件的喷涂。附图说明图1是本发本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层的制备方法，包括有下列步骤：第一步，基体表面喷砂预处理；第二步，在基体上制备粘结层；第三步，在粘结层上制备第一陶瓷层；第四步，在第一陶瓷层上制备具有微纳米复合结构的第二陶瓷层。
【技术特征摘要】
1.一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层的制备方法，包括有下列步骤：第一步，基体表面喷砂预处理；第二步，在基体上制备粘结层；第三步，在粘结层上制备第一陶瓷层；第四步，在第一陶瓷层上制备具有微纳米复合结构的第二陶瓷层。2.根据权利要求1所述的一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层的制备方法，其特征在于：第二步所述的粘结层采用的制备方法是低压等离子喷涂方法、等离子蒸发沉积法、电子束物理气相沉积或者电镀Pt后渗铝法。3.根据权利要求1所述的一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层的制备方法，其特征在于：第三步所述的第一陶瓷层采用的制备方法是大气等离子喷涂方法、等离子蒸发沉积法或电子束物理气相沉积法。4.根据权利要求1所述的一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层的制备方法，其特征在于：第四步所述的第一陶瓷层的制备所用粉末为粒径1～20μm的微米粉；第二陶瓷层的制备所用粉末为纳米团聚粉，粉末的一次粉末粒径为50～500nm，团聚后粒径为1～30μm。5.根据权利要求1所述的一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层的制备方法，其特征在于：第四步所述的第二陶瓷层采用的制备方法是等离子蒸发沉积法。6.根据权利要求1所述的一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层的制备方法，其特征在于：第四步具体步骤如下：(1)将喷好第一陶瓷层YSZ的基体装入夹具中，然后把夹具装到真空室内的自动转动工件台上，关闭真空室，抽真空到真空室的压力低于1mbar；(2)设定喷涂电功率为55～100kw，电流为1800～2500A，打开工作气体阀门，引弧，待电弧稳定后，逐步调整等离子气体流量到Ar 35slpm，He 30...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭洪波，邓阳丕，魏亮亮，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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