一种抗CMAS熔融沉积物侵蚀的热障涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种抗CMAS熔融沉积物侵蚀的热障涂层及其制备方法，该涂层包括：由MCrAlY构成的粘结层，由8YSZ构成的陶瓷底层，以及由18YSZ或48YSZ构成的陶瓷顶层，热障涂层的总厚度为小于500μm，陶瓷顶层和陶瓷底层厚度比为1：1～0.05：1。制备方法为(1)将制备粘结层用的MCrAlY粉末，制备陶瓷层用的8YSZ粉末和18YSZ或48YSZ粉末，在烘箱中烘干；(2)喷涂试样前处理(3)粘结层的制备(4)喷涂8YSZ陶瓷底层(5)在8YSZ陶瓷底层表面喷涂18YSZ或48YSZ陶瓷顶层。本发明专利技术高Y含量陶瓷顶层隔热性能和高温稳定性相对8YSZ明显提高，更为关键的是，该热障涂层具有优异的抗熔融CMAS沉积物防护能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种热障涂层及其制备方法，尤其涉及一种抗熔融沉积物侵蚀的热障涂层及其制备方法。
技术介绍
热障涂层TBCs(Thermal barrier coatings)技术是高性能燃气涡轮发动机中不可或缺的关键技术，是提高燃气轮机热端部件使用温度，延长其服役寿命的有效手段。传统的YSZ热障涂层通常指8YSZ(即6～8wt％Y2O3部分稳定ZrO2)热障涂层，在国内外已经获得了大量的实际应用，然而，随着燃气轮机热端部件使用温度的不断提高和使用过程中工况越发的恶劣，传统的热障涂层已经不能满足对高隔热、高温稳定性、抗高温冲蚀性及抗高温烧结性能的要求。在燃气发动机工作时，由于空气中微尘(冰晶、火山灰或大气中微粒等)吸入发动机，以及发动机前端磨屑等进入燃烧室中，导致富含CaO-MgO-Al2O3-SiO2物质在焰流中熔融，并沉积在燃气涡轮发动机涡轮叶片高温表面，形成多相复杂玻璃相物质CMAS(CaO-MgO-Al2O3-SiO2)。根据燃气涡轮发动机使用环境的不同，Ni、FeTi和Cr的微量氧化物也可能混杂在CMAS中，CMAS具有相对较低的熔点(1190～1260℃)，有杂质硫存在时熔点会更低。当CMAS沉积在热障涂层表面时，可润湿外层8YSZ并渗透到热障涂层内部的孔隙中，使孔隙和柱状晶界减少甚至丧失，从而降低了涂层的应变容限，导致热障涂层的过早剥落；更为严重的是CMAS中Ca2+离子会扩散进入涂层晶界位置，从而取代传统8YSZ涂层中氧化钇作为高温稳定剂，从而大幅度降低8YSZ热障涂层的高温稳定性；另外CMAS形成的多相复合物种，部分相熔融状态会溶解8YSZ涂层，形成更为复杂物相，导致8YSZ涂层粉状化和加速剥离失效。由于吸入发动机形成CMAS的微粒尺寸细小(几微米～上百微米)，采用挡沙板等防护方式不可能解决，且随燃气涡轮发动机温度升高，CMAS渗入作用和加速热障涂层失效的作用会成倍增加。目前CMAS防护技术，已经成为国内外热障涂层学术界和工程界共同关注的核心问题。目前热障涂层抗CMAS防护技术主要有三种类型：1)抗熔融CMAS渗透型：以金属、氧化物和非氧化物为主，主要具有较高的致密度，同时与熔融CMAS润湿角较大，延缓CMAS附着和渗入，如Pd-Ag、Pt、SiC、Ta2O3、MgAlO4等，另外表层致密结构也可以起到阻碍CMAS渗入的目的；2)牺牲反应型：牺牲型涂层是指高温下与CMAS接触时与之反应使其熔点升高或黏性增大的涂层，如Al2O3，MgO，CaO，Sc2O3，SiO2，MgAlO4等，其中氧化铝溶解在CMAS中，可以使接触界面处Al含量升高，从而获得高熔点的钙长石相，延缓CMAS渗入；3)不润湿型涂层：至熔融CMAS与涂层表面润湿角较大，如贵金属、AlN、BN、SiC、MoSi2、SiO2等等，同时还有部分仿生结构，可以起到不润湿作用。上述技术多停留在实验室阶段，技术上多存在不足：1)与热障涂层陶瓷涂层的界面相容性问题难以解决，包括韧性、弹性模量或者或化学相容性，如MgO和CaO虽然可以牺牲反应，但也会对氧化锆基陶瓷层产生离子扩散作用，改变氧化锆基材料的高温稳定性；2)贵金属成本及部分材料不适宜应用于高温度梯度和冷热交替服役环境，贵金属材料成本较高，在大型复杂型面零件表面制备难度较大，目前尚未很好克服和实现良好的制备；部分陶瓷如AlN、BN、SiC等，自身较脆，同时高温下还存在氧化烧蚀等问题，从原理上可以起到CMAS防护作用，但基本不可能实现在真实工况应用。因而需要克服上述困难，立足于氧化锆基材料的改性优化或表面结构优化，在不改善材料基本特性(耐高温、热物性、抗热震等)的前提下，实现优异的抗CMAS沉积物防护能力是各国科学家研究的重点方向。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种抗CMAS熔融沉积物侵蚀的热障涂层及其制备方法，以克服现有技术中热障涂层在CMAS熔融沉积物存在的环境中过早失效的问题。本专利技术公开了一种抗CMAS熔融沉积物侵蚀的热障涂层，该热障涂层包括：由MCrAlY构成的粘结层，由8YSZ构成的陶瓷底层，以及由18YSZ(18wt％Y2O3-ZrO2)或48YSZ(48wt％Y2O3-ZrO2，化学式：2ZrO2·Y2O3)构成的陶瓷顶层，该热障涂层的总厚度为小于500μm，陶瓷顶层和陶瓷底层厚度比为1：1～0.05：1；其中M为Ni或NiCo。本专利技术所述的抗CMAS熔融沉积物侵蚀的热障涂层，其中，所述粘结层厚度为90～110μm。本专利技术还公开了一种抗CMAS熔融沉积物侵蚀的热障涂层的制备方法，其中，包括如下步骤：步骤一：将制备粘结层用的MCrAlY粉末，制备陶瓷层用的8YSZ粉末和18YSZ或48YSZ粉末，在烘箱中烘干；步骤二：喷涂试样前处理；步骤三：粘结层的制备，使用超音速火焰喷涂方式喷涂MCrAlY粘结层；步骤四：使用等离子喷涂方式喷涂8YSZ陶瓷底层，喷涂工艺参数为：等离子喷涂功率40～60kW，送粉率20～40g/min，喷涂距离70～110mm；以及步骤五：使用等离子喷涂方式在8YSZ陶瓷底层表面喷涂18YSZ或48YSZ陶瓷顶层，喷涂工艺参数为：等离子喷涂功率45～60kW，送粉率20～40g/min，喷涂距离70～110mm；其中，热障涂层的总厚度为小于500μm，陶瓷顶层和陶瓷底层厚度比为1：1～0.05：1，M为Ni或NiCo。本专利技术所述的熔融沉积物侵蚀的热障涂层的制备方法，其中，所述MCrAlY粘结层的喷涂工艺为氧气流量38～40L/h，煤油流量18～22L/h，送粉量45～55g/min，喷涂距离200～300mm，喷涂厚度90～110μm。本专利技术所述的抗CMAS熔融沉积物侵蚀的热障涂层的制备方法，其中，所述粉末在烘箱中90～110℃条件下烘干60～120min。本专利技术所述的抗CMAS熔融沉积物侵蚀的热障涂层的制备方法，其中，所述步骤二为将待喷涂试样用丙酮进行清洗，以除去试样表面油污，然后进行喷砂处理，最后用气枪进行吹气处理，以除去试样表面残留砂粒。本专利技术所述的抗CMAS熔融沉积物侵蚀的热障涂层的制备方法，其中，所述喷砂处理工艺条件为压力0.1～0.3MPa，喷砂距离60～80mm，喷砂角度70～80°，所用砂为20～60目刚玉砂。本专利技术所述的抗CMAS熔融沉积物侵蚀的热障涂层的制备方法，其中，所述吹气处理为使用气枪，在0.3～0.5MPa压力下进行。本专利技术所述的抗CMAS熔融沉积物侵蚀的热障涂层的制备方法，其中，所述超音速火焰喷涂设备的枪管长度为100mm。本专利技术所述的抗CMAS熔融沉积物侵蚀的热障涂层的制备方法，其中，所述等离子喷涂为普通大气等离子喷涂(所用普通大气等离子喷涂设备为使用传统9MB型喷枪及对应控制系统)或高能等离子喷涂(所用高能等离子喷涂设备具有高能、高焓、高速和高沉积效率，通常设备净功率可达60kW以上，可以实现更高的沉积速率和沉积质量)。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术采用立方相为主的陶瓷顶层(18YSZ或48YSZ)，该顶层具有较低孔隙率(≤10％)，并且由于Y2O3含量较高，在高温下，高浓度Y元素进入CMAS中，形成薄的致密的Ca4Y6(SiO4)6O和立方相的氧化锆混合层，这种致密薄层的熔点高于CMAS熔融本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抗CMAS熔融沉积物侵蚀的热障涂层，其特征在于，该热障涂层包括：由MCrAlY构成的粘结层，由8YSZ构成的陶瓷底层，以及由18YSZ或48YSZ构成的陶瓷顶层，该热障涂层的总厚度为小于500μm，该陶瓷顶层和该陶瓷底层厚度比为1：1～0.05：1；其中M为Ni或NiCo。

【技术特征摘要】
1.一种抗CMAS熔融沉积物侵蚀的热障涂层，其特征在于，该热障涂层包括：由MCrAlY构成的粘结层，由8YSZ构成的陶瓷底层，以及由18YSZ或48YSZ构成的陶瓷顶层，该热障涂层的总厚度为小于500μm，该陶瓷顶层和该陶瓷底层厚度比为1：1～0.05：1；其中M为Ni或NiCo。2.根据权利要求1所述的抗CMAS熔融沉积物侵蚀的热障涂层，其特征在于，所述粘结层厚度为90～110μm。3.权利要求1或2所述的抗CMAS熔融沉积物侵蚀的热障涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：将制备粘结层用的MCrAlY粉末，制备陶瓷层用的8YSZ粉末和18YSZ或48YSZ粉末，在烘箱中烘干；步骤二：喷涂试样前处理；步骤三：粘结层的制备，使用超音速火焰喷涂方式喷涂MCrAlY粘结层；步骤四：使用等离子喷涂方式喷涂8YSZ陶瓷底层，喷涂工艺参数为：等离子喷涂功率40～60kW，送粉率20～40g/min，喷涂距离70～110mm；以及步骤五：使用等离子喷涂方式在8YSZ陶瓷底层表面喷涂18YSZ或48YSZ陶瓷顶层，喷涂工艺参数为：等离子喷涂功率45～60kW，送粉率20～40g/min，喷涂距离70～110mm；其中，热障涂层的总厚度为小于500μm，陶瓷顶层和陶瓷底层厚度比为1：1～0.05：1，...

【专利技术属性】
技术研发人员：何箐，邹晗，王伟平，
申请(专利权)人：中国农业机械化科学研究院，北京金轮坤天特种机械有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11