一种具有预制微观纵向裂纹结构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具有预制微观纵向裂纹结构的热障涂层及其制备方法。该热障涂层的陶瓷隔热层含有植入的高密度微观纵向裂纹，制备方法是利用大气等离子喷涂技术耦合干冰微粒喷射工艺制备陶瓷隔热层，通过干冰微粒喷射工艺对陶瓷熔融颗粒的在线淬火在陶瓷隔热层中植入微观纵向裂纹。与传统大气等离子喷涂和EB‑PVD(Electron beam‑physical vapor deposition)方法制备的热障涂层相比，本发明专利技术设计制备的具有预制微观纵向裂纹结构的热障涂层，既具备传统等离子喷涂制备的热障涂层的低热导率，又具有EB‑PVD技术制备的热障涂层的高应变容限，且能够在不降低涂层热冲击、隔热和CMAS(CaO‑MgO‑Al2O3‑SiO2)腐蚀抗力前提下有效释放因热应力不匹配而产生的应力，从而提高热障涂层在苛刻工况条件下的热循环服役寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种具有预制微观纵向裂纹结构的热障涂层及其制备方法
本专利技术属于材料
，具体涉及到一种具有预制微观纵向裂纹结构的热障涂层及其制备方法。
技术介绍
随着航空、航天、船舰、电力及汽车技术的发展，航空发动机及燃气涡轮发动机技术的研发水平成为制约现代工业持续进步的瓶颈。当前，不断提高金属热端部件的工作温度是发展高效率、长服役寿命发动机的关键。因此，在金属热端部件表面使用具有抗高温氧化和隔热功能的热障涂层(TBCs)是提高航空和燃气涡轮发动机工作温度最有效可行的技术途径。热障涂层(TBCs)是一种具有隔热和抗高温氧化与腐蚀防护功能的涂层系统。通过在金属基体表面沉积一定厚度且具有较低热导率的陶瓷涂层，可以提高发动机的工作温度。另一方面，TBCs可以提高金属热端部件的服役寿命和可靠性。目前，应用最广泛的TBC系统均采用双层结构：起隔热作用的表面陶瓷层(TC)和改善基体与陶瓷层物理相容性的金属粘结层(BC)。目前，制备热障涂层最常用的方法是大气等离子喷涂(APS)与电子束物理气相沉积(EB-PVD)；其中，APS制备的涂层具有典型的层状结构，具有更好的隔热性能，但TBCs在非常严苛的热力学载荷环境中服役，通常会遭遇热疲劳失效，导致涂层过早开裂、剥落等；EB-PVD制备的热障涂层具有柱状晶显微结构，该结构涂层与APS制备的涂层相比具有更好的应变容限和更长的服役寿命。然而，这种具有宏观柱状间隙或宏观纵向裂纹结构的TBCs往往具有高热导率且容易发生CMAS腐蚀失效；且EB-PVD设备昂贵、沉积效率低、涂层厚度不可控、表面清洗复杂，不适合制备结构复杂工件以及大器件上的涂层。APS由于其加工成本低、沉积效率较高、重复性好、工艺相对简单，已被广泛应用于制备航空发动机叶片、尾喷管、燃气轮机燃烧室壁、推力增强器、燃油喷管、过渡进气管段以及透平静止部件等上的热障涂层。鉴于APS和EB-PVD制备热障涂层各自结构的优缺点，本专利技术公开了一种具有微观纵向裂纹结构设计的热障涂层及其制备方法；这种结构设计的热障涂层和传统热障涂层一样，具有双层结构：金属粘结层和表面陶瓷层；这种热障涂层的陶面层中含有人为植入的微观纵向裂纹，在不显著降低涂层抗热冲击性能和隔热性能前提下提高涂层的应变容限，从而延长热障涂层的服役寿命。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的技术问题，本专利技术提出了一种具有微观纵向裂纹结构设计的热障涂层及其制备方法；通过涂层结构和制备方法设计，在表面陶瓷层中植入微观纵向裂纹，提高涂层的应变容限，解决APS方法制备热障涂层服役过程中过开裂、剥落等问题，延长热障涂层的服役寿命。为了实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案来实现：一种具有预制微观纵向裂纹结构的热障涂层，具有陶瓷隔热层，所述陶瓷隔热层含有高密度微观纵向裂纹，所述微观裂纹中微观纵向裂纹的比率为33％以上。优选地，所述的陶瓷隔热层材料包括具有低导热系数的氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)、锆酸镧(LZ)、铈酸澜(LC)、镁铝酸澜(LMA)。优选地，所述的陶瓷隔热层中任一微观纵向裂纹的纵向尺寸均不超过所述陶瓷隔热层总厚度，是非贯穿性裂纹。一种具有预制微观纵向裂纹结构热障涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)预处理，采用大气等离子焰流耦合干冰微粒喷射工艺，对需要沉积热障涂层的基体或者带有金属粘结层的基体进行预热处理，其中，预热温度为60℃～100℃；(2)喷涂处理，通过大气等离子喷涂法耦合干冰微粒喷射工艺，将热障涂层陶瓷材料粉末沉积在步骤(1)预处理的基体或者金属粘结层上，得到含有高比例微观纵向裂纹的热障涂层。优选地，步骤(1)中所述的耦合方式包括：a，大气等离子焰流预热后再采用干冰微粒喷射处理；b，干冰微粒喷射处理后再采用大气等离子焰流预热；干冰微粒喷射预处理对基体有一定的清洁作用，耦合大气等离子预热处理可以避免过冷引起‘冷凝’。优选地，步骤(2)中所述的耦合方式包括：a，大气等离子喷涂沉积后再采用干冰微粒喷射处理；b，干冰微粒喷射处理后再采用大气等离子喷涂沉积。优选地，步骤(1)和(2)中所述的干冰微粒喷射枪与等离子喷涂枪之间的夹角为15o～45o，且干冰微粒喷射枪与涂层间的距离为20～40mm，干冰喷射流量为20～60kg/h。与现有制备技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术提供的具有预制微观纵向裂纹结构热障涂层的制备方法，通过在大气等离子喷涂过程中耦合干冰微粒喷射工艺制备陶瓷隔热层形成热障涂层；通过干冰微粒对熔融陶瓷颗粒的淬火效应，在陶瓷层中植入微观纵向裂纹。该方法操作简单方便，在现有大气等离子喷涂过程中，在线同步完成，且干冰微粒喷射后即升华，无二次污染，经济环保。本专利技术提供的微观纵向裂纹结构设计的热障涂层，不同于宏观纵向裂纹结构的热障涂层，含有高比例的微观纵向裂纹，该热障涂层微观纵向裂纹密度的大幅增加可以有效提高涂层应变容限的同时不显著降低涂层的热冲击、隔热和CMAS腐蚀抗力等性能，有效地延长了热障涂层苛刻服役环境下的寿命，扩大了热障涂层的应用范围，使得本专利技术提供的热障涂层能够在航空航天、船舰电力及汽车制造等领域安全可靠应用。附图说明图1为本专利技术中预制微观纵向裂纹的热障涂层结构设计示意图，图中1代表陶瓷层；2代表粘结层；3代表基体，其中左侧图为宏观纵向裂纹或柱状结构热障涂层示意图，右侧图为预制微观纵向裂纹结构的热障涂层示意图；图2为本专利技术实施例1中制得的具有微观纵向裂纹结构的8YSZ型热障涂层截面形貌，其中(a)为8YSZ热障涂层低倍形貌，(b)为8YSZ陶瓷面层高倍形貌；图3为本专利技术实施例2中制得的具有微观纵向裂纹结构的LMA型热障涂层截面形貌，其中(a)为LMA热障涂层低倍形貌，(b)为LMA陶瓷面层高倍形貌。具体实施方式下面结合具体的实施例对本专利技术作进一步详细说明，实施例是对本专利技术的解释，并不限定本专利技术的保护范围。实施例1(1)通过大气等离子喷涂焰流耦合干冰微粒喷射工艺，对带有CoNiCrAlY金属粘结层的试样进行预热处理，具体地耦合方式是采用干冰微粒喷射工艺对试样进行预处理后再大气等离子喷涂焰流预热；根据大气等离子喷涂设备要求，选择等离子喷涂电压为65.0V，电流为630A，等离子喷涂距离为115mm；根据干冰微粒喷射设备要求，选择直径为3mm，长度为3～10mm的圆柱状干冰微粒，干冰流量为42kg/h，干冰微粒喷射枪与涂层间的距离为25mm；干冰喷枪与等离子喷枪之间的夹角为30°；预热温度为100℃；(2)通过大气等离子喷涂耦合干冰微粒喷射工艺，将粒径为15～58μm质量分数为8％Y2O3部分稳定的ZrO2(8YSZ)粉末沉积在上述预热试样上，得到含微观纵向裂纹比例为50.51％的8YSZ热障涂层；根据大气等离子喷涂设备要求，选择喷涂电压为65.0V，电流为630A，送粉气为Ar，流量3.0SLPM，等离子喷涂距离为115mm，陶瓷层总厚度为600μm；根据干冰微粒喷射设备要求，选择直径为3mm，长度为3～10mm的圆柱状干冰微粒，干冰流量为42kg/h，喷射距离为25mm；耦合方式是采用干冰微粒喷射工艺对试样预处理后再大气等离子喷涂沉积涂层，干冰喷枪与等离子喷枪之间的夹角为30°。为了与实施例1中制得的具有微观纵向裂纹结构的8YSZ型热障涂层的热循环寿命进行比较，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有预制微观纵向裂纹结构的热障涂层，其特征在于，具有陶瓷隔热层，所述陶瓷隔热层含有微观纵向裂纹，所述微观裂纹中微观纵向裂纹的比率为33％以上。

【技术特征摘要】
1.一种具有预制微观纵向裂纹结构的热障涂层，其特征在于，具有陶瓷隔热层，所述陶瓷隔热层含有微观纵向裂纹，所述微观裂纹中微观纵向裂纹的比率为33％以上。2.如权利要求1所述的一种具有预制微观纵向裂纹结构的热障涂层，其特征在于，所述的陶瓷隔热层材料包括具有低导热系数的氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)、锆酸镧(LZ)、铈酸澜(LC)、镁铝酸澜(LMA)。3.如权利要求1所述的一种具有预制微观纵向裂纹结构的热障涂层，其特征在于，所述的陶瓷隔热层中任一微观纵向裂纹的纵向尺寸均不超过所述陶瓷隔热层总厚度，是非贯穿性裂纹。4.一种具有预制微观纵向裂纹结构热障涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)预处理，采用大气等离子焰流耦合干冰微粒喷射工艺，对需要沉积热障涂层的基体或者带有金属粘结层的基体进行预热处理，其中，预热温度为60℃～100℃；(2)喷涂处理，通过大气等离子喷涂法耦合干冰...

【专利技术属性】
技术研发人员：董淑娟，曹学强，周鑫，蒋佳宁，邓龙辉，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42