一种抗CMAS双层结构防护涂层、热障涂层多层结构及其制备方法技术

本申请公开了一种抗CMAS双层结构防护涂层，包括微纳结构层和与所述微纳结构层连接的致密层，所述微纳结构层的表面具有微纳米结构，所述微纳米结构包括微米级尺寸的凸起结构和所述微米级尺寸的凸起上带有的纳米级尺寸的凸起结构，所述抗CMAS双层结构防护涂层的涂层材料为钇铝石榴石和稀土改性的钇铝石榴石中的一种或两种。本申请还公开了一种采用PS‑PVD技术制备抗CMAS双层结构防护涂层的制备方法。本申请还公开了一种具有该抗CMAS双层结构防护涂层的热障涂层多层结构。

【技术实现步骤摘要】
一种抗CMAS双层结构防护涂层、热障涂层多层结构及其制备方法
本专利技术涉及热障涂层腐蚀与防护
，特别是涉及一种抗CMAS双层结构防护涂层、热障涂层多层结构及其制备方法。
技术介绍
热障涂层(ThermalBarrierCoatings，TBCs)，与高温结构材料、高效气冷并重为先进航空发动机核心热端部件涡轮叶片的三大关键技术。热障涂层在航空发动机中的应用，极大地提高了发动机的工作温度以及抗高温燃气腐蚀性能，大大延长了航空发动机的使用寿命，具有重要的军事意义。随着航空发动机服役温度和寿命的不断提升，一种主要化学成分为CaO-MgO-Al2O3-SiO2(简称CMAS)的环境沉积物对发动机叶片热障涂层的危害越来越严重，一方面导致叶片表面气膜冷却孔堵塞，降低冷效；另一方面，引起叶片TBCs服役寿命的大幅度下降。目前，CMAS的腐蚀防护措施主要有三种方式：(1)物理隔绝，即利用与CMAS不反应的惰性、致密的涂层，将CMAS与热障涂层隔离开来，从而阻挡CMAS向内渗透，现在主要采用氧化铝作为物理阻挡层。存在的技术问题是，致密层热膨胀系数低，脆性大，在服役过程中由于热应力大，容易导致开裂和剥落，防护效果不佳；(2)化学防护，即在热障涂层表面再涂覆一层化学保护层(如La2Ce2O7，Gd2Zr2O7，LaPO4等)，防护层材料与CMAS反应后生成致密的新相，阻碍CMAS继续向涂层内部渗入。存在的技术问题是，化学保护层本身并不致密，存在裂纹和孔洞，与CMAS反应形成致密阻挡层需要一定时间，在反应期间，部分熔融CMAS仍然可以通过裂纹和孔洞向涂层内部渗透；另一方面，CMAS黏附在涂层表面，厚度不断增加，热应力大，将会导致涂层服役寿命降低；(3)改善YSZ涂层的成分，掺杂能够促进CMAS结晶化的物质，阻碍CMAS熔体渗入，如在YSZ中加入铝、钛、稀土等。存在的技术问题是，由于涂层中存在孔洞、裂纹以及晶间间隙，熔融CMAS依然可以渗透进入涂层内部，而且没有解决CMAS黏附在涂层表面的问题。申请人前期研发了一种微纳复合结构涂层，可以有效降低熔融CMAS在涂层表面的附着，提高涂层的抗CMAS腐蚀性能(一种抗CMAS腐蚀微纳米复合结构热障涂层的制备方法，专利号：ZL201610590053.2，专利技术人：郭洪波，等)。在上述技术方案中，采用了氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ)和氧化铝作为微纳结构层材料，但是YSZ本身容易与CMAS发生化学反应而导致涂层相变失稳和失效，而氧化铝存在热膨胀系数低和脆性大等问题，虽然微纳结构能显著降低熔融CMAS渗入涂层内部的可能性，但依然存在微小的熔融CMAS液滴渗入涂层内部的可能性。总体来讲，尽管惰性阻挡层等技术已初步应用于热障涂层表面防护CMAS腐蚀，但是，由于热障涂层在服役条件下需要兼具高隔热/抗热震/防CMAS腐蚀/防熔盐腐蚀/与基材匹配的热膨胀系数等等，而现有技术中的单一材料和单一结构不具备上述综合性能要求，所以构建性能综合的热障涂层结构是热障涂层领域的重大难题。
技术实现思路
基于此，本申请一方面致力于研发一种性能更加优异的抗CMAS双层结构防护涂层及其制备方法，另一方面通过对材料和制备工艺的使用，致力于得到一种综合性能完备的热障涂层多层结构。一种抗CMAS双层结构防护涂层，包括微纳结构层和与所述微纳结构层连接的致密层，所述微纳结构层的表面具有微纳米结构，所述微纳米结构包括微米级尺寸的凸起结构和所述微米级尺寸的凸起上带有的纳米级尺寸的凸起结构，所述抗CMAS双层结构防护涂层的涂层材料为钇铝石榴石和稀土改性的钇铝石榴石中的一种或两种。在其中一个实施例中，所述稀土改性的钇铝石榴石选自Gd改性的钇铝石榴石、Er改性的钇铝石榴石和Yb改性的钇铝石榴石等中的一种或多种，优选为Gd改性的钇铝石榴石。在其中一个实施例中，所述微纳米结构层的厚度为5μm-10μm；和/或，所述致密层的厚度为10μm-20μm。在其中一个实施例中，所述致密层的致密度为92％以上，优选的，所述致密层的致密度为95％-99.6％。一种所述的抗CMAS双层结构防护涂层的制备方法，包括采用PS-PVD技术沉积所述抗CMAS双层结构防护涂层，先沉积所述致密层，所述致密层沉积完成时，在不停止沉积操作的情况下，通过改变工艺参数继续沉积，得到所述微纳结构层；改变的工艺参数包括功率和喷涂距离。在其中一个实施例中，沉积所述致密层时，送粉速率为4g/min-6g/min，喷涂距离为500mm-900mm，等离子束流净功率为20kW～65kW，送粉载气Ar流量为1.5L/min-5L/min；沉积所述微纳结构层时，所述送粉载气速率为8L/min-15L/min，所述喷涂距离为1000mm～1200mm，所述等离子束流净功率为60kW～105kW，增大送粉载气Ar流量至8L/min-15L/min。在其中一个实施例中，沉积所述致密层时，等离子束流净功率为30kW～50kW，喷涂距离为600mm～800mm，沉积所述微纳结构层时，所述等离子束流净功率为65kW～95kW。一种热障涂层多层结构，包括依次层叠设置的粘结层、陶瓷层以及所述的抗CMAS双层结构涂层。在其中一个实施例中，所述陶瓷层包括第一陶瓷层，或者包括第一陶瓷层和第二陶瓷层；所述第一陶瓷层的材料为氧化钇稳定的氧化锆，所述第二陶瓷层的材料为Yb改性的锆酸钆。在其中一个实施例中，所述第一陶瓷层的厚度为50μm～200μm；和/或，所述第二陶瓷层的厚度为1μm～150μm；和/或，所述抗CMAS双层结构涂层的厚度为10μm～30μm。本专利技术提供一种抗CMAS双层结构防护涂层，为热障涂层用防护涂层，具有疏CMAS附着和阻CMAS渗透的双重作用。所述防护涂层具有双层结构，上层为微纳结构层，其具有微纳仿生结构，表面含有大量微纳米结构，包括微米级尺寸的凸起，并且微米级尺寸凸起上还带有纳米级尺寸的凸起，具有疏CMAS附着和自清洁性功效，下层为致密层，具有阻CMAS渗透和腐蚀的作用。该双层结构可设置于热障涂层的最外层，用于阻止CMAS对热障涂层结构的附着、渗透和腐蚀。相比于现有技术，本专利技术的优点在于：1.本申请的抗CMAS双层结构防护涂层兼具结构防CMAS和材料防CMAS的双重功效，两者有机结合，弥补现有技术的不足。一方面，表面微纳结构层能够在1200摄氏度以上的高温环境下对熔融CMAS不浸润，使熔融CMAS不易在表面沾粘，非常有利于防止CMAS渗透入热障涂层内部破坏热障涂层体系。另一方面，双层结构防护涂层的内层采用不与CMAS反应的稀土改性的钇铝石榴石材料形成的致密层，能够物理上阻止熔融CMAS向热障涂层体系内部渗透。在此基础上本申请采用的PS-PVD工艺还具有特别的优势，可采用同一种喷涂粉末通过工艺的调节一次性连续制备两种涂层，两层是通过连续沉积得到，使得两层能够直接完美适配，最大限度减少层与层之间的界面不匹配问题，避免了这两层之间的剥离。同时，表面微纳结构层也采用了与CMA本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抗CMAS双层结构防护涂层，其特征在于，包括微纳结构层和与所述微纳结构层连接的致密层，所述微纳结构层的表面具有微纳米结构，所述微纳米结构包括微米级尺寸的凸起结构和所述微米级尺寸的凸起上带有的纳米级尺寸的凸起结构，所述抗CMAS双层结构防护涂层的涂层材料为钇铝石榴石和稀土改性的钇铝石榴石中的一种或两种。/n

【技术特征摘要】
1.一种抗CMAS双层结构防护涂层，其特征在于，包括微纳结构层和与所述微纳结构层连接的致密层，所述微纳结构层的表面具有微纳米结构，所述微纳米结构包括微米级尺寸的凸起结构和所述微米级尺寸的凸起上带有的纳米级尺寸的凸起结构，所述抗CMAS双层结构防护涂层的涂层材料为钇铝石榴石和稀土改性的钇铝石榴石中的一种或两种。


2.根据权利要求1所述的抗CMAS双层结构防护涂层，其特征在于，所述稀土改性的钇铝石榴石选自Gd改性的钇铝石榴石、Er改性的钇铝石榴石和Yb改性的钇铝石榴石等中的一种或多种，优选为Gd改性的钇铝石榴石。


3.根据权利要求1所述的抗CMAS双层结构防护涂层，其特征在于，所述微纳米结构层的厚度为5μm-10μm；和/或，所述致密层的厚度为10μm-20μm。


4.根据权利要求1所述的抗CMAS双层结构防护涂层，其特征在于，所述致密层的致密度为92％以上，优选的，所述致密层的致密度为95％-99.6％。


5.一种如权利要求1-4任一项所述的抗CMAS双层结构防护涂层的制备方法，其特征在于，包括采用PS-PVD技术沉积所述抗CMAS双层结构防护涂层，先沉积所述致密层，所述致密层沉积完成时，在不停止沉积操作的情况下，通过改变工艺参数继续沉积，得到所述微纳结构层；改变的工艺参数包括功率和喷涂距离。


6.根据权利要求5所述的抗CMAS双层结构防护涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭洪波，郭奕谦，何雯婷，魏亮亮，宫声凯，徐惠彬，
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