一种用于TBCs或EBCs的抗CMAS防护层及其制备方法以及由此得到的防护结构技术

本发明专利技术涉及一种用于TBCs或EBCs的抗CMAS防护层，其为稀土铝酸盐化合物Re4Al2O9，Re为Gd，Tb，Dy和Yb中任意一种或两种，该抗CMAS防护层的厚度为10

【技术实现步骤摘要】
一种用于TBCs或EBCs的抗CMAS防护层及其制备方法以及由此得到的防护结构


[0001]本专利技术涉及耐高温涂层，更具体地涉及一种用于TBCs或EBCs的抗CMAS防护层及其制备方法以及由此得到的防护结构。

技术介绍

[0002]先进航空航天、船舰及能源动力装备对两机高温热端部件的工作温度、服役寿命及综合性能提出了更高要求。目前，全球最先进航空发动机的涡轮进口温度已经超过1800℃，重型燃气轮机的涡轮进口温度逼近1700℃。镍钴基高温合金是两机高温热端部件常用的结构材料，但是，最先进的镍基单晶高温合金的工作温度约为1120℃，已接近其使用温度极限。所以，发展高温合金表面先进热障涂层(TBCs，Thermal barrier coatings)技术、以及在两机高温热端结构部件逐渐采用陶瓷基复合材料(CMCs)取代高温合金已经成为研制高涡轮进口温度、高燃油效率、低污染排放、长寿命、高性能两机的必然途径。
[0003]CMCs最高可在1650℃长时间安全服役，但是水蒸气和氧气环境会加速CMCs结构部件的降解失效。因此研制CMCs表面先进环境障涂层(EBCs，Environmental barrier coatings)是解决其水氧环境高温长时间安全服役难题的必要举措。
[0004]当两机高温热端部件表面TBCs或EBCs的工作温度超过1230℃时(EBCs表面服役温度将高达1482
‑
1650℃)，从空气中吸入的火山灰、固体沙尘、灰烬等固态颗粒(主要化学成分为CaO
‑
>MgO
‑
Al2O3‑
SiO2,CMAS)会熔化形成液态CMAS附着在TBCs或EBCs表面。液态CMAS可以局部溶解TBCs或EBCs并发生化学发应，从化学上降解并逐步破坏TBCs和EBCs原本的显微结构和热机械性能导致剥落失效。另一方面，在两机热冲击循环冷却过程中，通过孔隙或裂纹渗入到TBCs或EBCs的反应后残留液态CMAS会形成玻璃相。CMAS玻璃与涂层的热机械性能失配导致较大的内部残余应力，加剧TBCs和EBCs高温及超高温服役热
‑
力
‑
化交互作用下的失效过程。因此，发展解决1230
‑
1650℃ TBCs和EBCs在CMAS作用下的腐蚀降解的新材料和方法、提高两机高温超高温长寿命服役性能，成为先进航空航天、船机及能源动力装备亟待解决的瓶颈问题。

技术实现思路

[0005]为了解决上述现有技术中的高温下的TBCs或EBCs在CMAS作用下的腐蚀降解等问题，本专利技术提供一种用于TBCs或EBCs的抗CMAS防护层及其制备方法以及由此得到的防护结构。
[0006]根据本专利技术的用于TBCs或EBCs的抗CMAS防护层为稀土铝酸盐化合物Re4Al2O9(ReMA)，Re为Gd，Tb，Dy和Yb中任意一种或两种，该抗CMAS防护层的厚度为10
‑
100μm，该抗CMAS防护层的孔隙率为0.5％
‑
20％。
[0007]优选地，抗CMAS防护层的厚度为50μm
‑
100μm。
[0008]根据本专利技术的抗CMAS防护层的制备方法，其包括采用大气等离子喷涂(APS)、等离
子喷涂
‑
物理气相沉积(PS
‑
PVD)或悬浮液等离子喷涂(SPS)在TBCs或EBCs的表面制备抗CMAS防护层。特别地，TBCs或EBCs的表面在制备完成后已经存在一定粗糙度，该抗CMAS防护层直接制备在TBCs或EBCs陶瓷顶层表面，避免了喷砂处理会破坏TBCs或EBCs的显微结构并减薄涂层的问题。
[0009]优选地，首先采用化学方法合成粒径为40nm
‑
2μm的陶瓷粉体，然后将陶瓷粉体通过喷雾造粒团聚成粒径10μm
‑
100μm的颗粒用于大气等离子喷涂；5μm
‑
60μm的团聚颗粒用于等离子喷涂
‑
物理气相沉积；粒径≤5μm的陶瓷粉体配置成悬浮液用于悬浮液等离子喷涂。
[0010]优选地，在大气等离子喷涂、等离子喷涂
‑
物理气相沉积或悬浮液等离子喷涂中，等离子喷枪的工作功率为40
‑
200kW，喷涂距离为50
‑
1000mm，真空度为100Pa
‑
1atm，喷枪移动速度为0
‑
1000mm/s，等离子气体以Ar为主气并以H2和He为辅助气体，总流量为45
‑
250slpm(标准升每分钟)。在优选的实施例中，喷涂用设备为Oerlikon MetcoMulticoat F4等离子喷枪，粉体团聚粒径范围为10
‑
100μm。在另一个优选的实施例中，喷涂用设备为Oerlikon Metco PS
‑
PVD系统的O3CP等离子喷枪。在又一个优选的实施例中，喷涂用设备为100HE等离子喷枪，陶瓷粉体的粒径为D50为40nm。在又一个优选的实施例中，喷涂用设备为Oerlikon Metco Triplexpro210等离子喷枪，陶瓷粉体的粒径为2μm。
[0011]优选地，在悬浮液等离子喷涂中，悬浮液的浓度为10
‑
30％，液体介质为乙醇或去离子水，悬浮液中还包含表面活性剂。更优选地，表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯亚胺、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇中的至少一种。更优选地，表面活性剂的添加量≤3.0wt.％。
[0012]根据本专利技术的防护结构，其包括基体层、TBCs或EBCs以及抗CMAS防护层，其中，TBCs或EBCs制备在基体层的表面，抗CMAS防护层制备在TBCs或EBCs的表面。
[0013]优选地，基体层为镍基高温合金，TBCs制备在镍基高温合金的表面，抗CMAS防护层的稀土铝酸盐化合物为(Tb
x
Re
(1
‑
x)
)4Al2O9，其中，0.5≤x≤1.0，Re为Gd，Dy，Yb中的一种。应该理解，镍基高温合金的热膨胀系数为～9
‑
12
×
10
‑6K
‑1，化学成分(Tb
x
Re
(1
‑
x)
)4Al2O9是根据抗CMAS腐蚀和热膨胀系数匹配的综合考虑进行调整后获得的。在优选的实施例中，该抗CMAS防护层的稀土铝酸盐化合物分别为Tb4Al2O9，(Gd
0.5
Tb
0.5
)4Al2O9，(Tb
0.7
Yb
0.3
)4Al2O9。
[0014]优选地，基体层为定向凝固镍基高温合金DZ125，第三代镍基单晶高温合金DD10。
[0015]优选地，TBCs包括粘接层和YSZ陶瓷热障层，其中，粘接层制备在基体层的表面，YSZ陶瓷热障层制备在粘接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于TBCs或EBCs的抗CMAS防护层，其特征在于，该抗CMAS防护层为稀土铝酸盐化合物Re4Al2O9，Re为Gd，Tb，Dy和Yb中任意一种或两种，该抗CMAS防护层的厚度为10
‑
100μm，该抗CMAS防护层的孔隙率为0.5％
‑
20％。2.一种根据权利要求1所述的抗CMAS防护层的制备方法，其特征在于，该制备方法包括采用大气等离子喷涂、等离子喷涂
‑
物理气相沉积或悬浮液等离子喷涂在TBCs或EBCs的表面制备抗CMAS防护层。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，首先采用化学方法合成粒径为40nm
‑
2μm的陶瓷粉体，然后将陶瓷粉体通过喷雾造粒团聚成粒径10μm
‑
100μm的颗粒用于大气等离子喷涂；5μm
‑
60μm的团聚颗粒用于等离子喷涂
‑
物理气相沉积；粒径≤5μm的陶瓷粉体配置成悬浮液用于悬浮液等离子喷涂。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在大气等离子喷涂、等离子喷涂
‑
物理气相沉积或悬浮液等离子喷涂中，等离子喷枪的工作功率为40
‑
200kW，喷涂距离为50
‑
1000mm，真空度为100Pa
‑
1atm，喷枪移动速度为0
‑
1000mm/s，等离子气体以Ar为主气并以H2和He为辅助气体，总...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈小龙，张显程，赵晓峰，石俊秒，王卫泽，刘利强，
申请(专利权)人：华东理工大学上海交通大学，
类型：发明
国别省市：