复合涂层及其制备方法、热障涂层技术

本发明专利技术涉及热障涂层技术领域，具体而言，涉及一种复合涂层及其制备方法、热障涂层。复合涂层表面具有微纳复合结构，复合涂层的组成包括掺杂Al2O3的GYbZ，GYbZ为Yb改性的锆酸钆，Al2O3的掺杂量为5mol％～20mol％。Al2O3能够有效抑制GYbZ晶粒及涂层微纳结构中纳米颗粒的长大，从而提高了复合涂层的高温抗烧结性能和高温稳定性，保障热障涂层体系高温长时疏高温熔融CMAS的能力。熔融CMAS的能力。熔融CMAS的能力。

【技术实现步骤摘要】
复合涂层及其制备方法、热障涂层


[0001]本专利技术涉及热障涂层
，具体而言，涉及一种复合涂层及其制备方法、热障涂层。

技术介绍

[0002]热障涂层(Thermal Barrier Coatings，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。
[0003]目前，对于热障涂层表面改性防止CMAS腐蚀主要分为两个方面：一方面是采用物理隔绝，在热障涂层表面制备一层惰性的、致密的涂层(如氧化铝等)，阻挡CMAS向内渗透；另一方面是采用成分改性或者在热障涂层表面引入牺牲层，与CMAS反应形成致密反应层，但往往存在反应速率较慢且高温稳定性差的问题。另外，尽管热障涂层表面常用具有较好的高温稳定性的锆酸钆材料，但仍然难以避免高温烧结条件下的晶粒粗化现象，导致热障涂层在高温下普遍会发生烧结现象，无法彻底除去热障涂层表面的CMAS。

技术实现思路

[0004]基于此，本专利技术提供了一种能够提高高温稳定性和抗烧结性能的复合涂层及其制备方法、热障涂层。
[0005]本专利技术一方面，提供一种复合涂层，表面具有微纳复合结构，所述复合涂层的组成包括掺杂Al2O3的GYbZ，所述GYbZ为Yb改性的锆酸钆，所述Al2O3的掺杂量为5mol％～20mol％。
[0006]可选的，如上述所述的复合涂层，所述Al2O3的掺杂量为10mol％～15mol％。
[0007]可选的，如上述所述的复合涂层，所述微纳复合结构中的微米结构为等距排列的微米级凸起结构，所述微米级凸起结构的宽度为5μm～50μm，深度为15μm～30μm；
[0008]所述微纳复合结构中的纳米结构为纳米级凸起结构，且位于所述微米级凸起结构的表面，所述纳米级凸起结构的致密度为92％以上。
[0009]可选的，如上述所述的复合涂层，所述复合涂层的厚度为30μm～50μm。
[0010]本专利技术一方面，还提供一种上述所述的复合涂层的制备方法，采用掺杂Al2O3的GYbZ粉末沉积形成涂层，并在所述涂层表面加工微纳复合结构。
[0011]可选的，如上述所述的复合涂层的制备方法，所述在所述涂层表面加工微纳复合结构所用的方法为飞秒脉冲激光加工技术，所述飞秒脉冲激光加工技术的工艺参数如下：脉冲加工功率2W～10W，脉冲频率100kHz～200kHz，脉冲宽度100fs～500fs，波长760nm～
1030nm，扫描速度50mm/s～1000mm/s。
[0012]可选的，如上述所述的复合涂层的制备方法，所述沉积的方法为等离子物理气相沉积，所述等离子物理气相沉积的工艺参数如下：送粉速率为4g/min～6g/min，采用双送粉，送粉载气流量为1.5L/min～5L/min，喷涂距离为500mm～900mm，等离子束流净功率为20kW～65kW。
[0013]本专利技术另一方面，进一步提供一种热障涂层，包括依次层叠设置的粘结层、第一陶瓷层、第二陶瓷层及上述所述的复合涂层。
[0014]可选的，如上述所述的热障涂层，所述粘结层的组成为NiCoCrAlY或PtNiAl，所述第一陶瓷层的组成为氧化钇稳定的氧化锆，所述第二陶瓷层的组成为Yb改性的锆酸钆。
[0015]可选的，如上述所述的热障涂层，所述第一陶瓷层的厚度为50μm～200μm，所述第二陶瓷层的厚度为50μm～150μm。
[0016]本专利技术将Al2O3掺杂到GYbZ中制备复合涂层，制得的复合涂层内部结构致密，表面具有微纳复合结构。在高温烧结条件下，该涂层中Al2O3能够有效抑制GYbZ晶粒及涂层微纳结构中纳米颗粒长大，从而提高了复合涂层的高温抗烧结性能和高温稳定性，保障热障涂层体系高温长时疏高温熔融CMAS的能力。烧结前期，GYbZ颗粒之间形成了烧结颈，随着温度升高，在GYbZ颗粒之间形成连通孔道和快速致密化过程中，分散的Al2O3颗粒不断富集于GYbZ晶粒的晶界处。随着烧结进入后期，开放的孔道开始形成独立且封闭的孔洞，而富集于晶界处的Al2O3颗粒不断地被挤入闭孔中。同时，Al2O3可以抑制晶界的移动，抑制晶粒的长大，从而保证了热障涂层结构在高温烧结下的稳定性。
[0017]热障涂层为多层体系，柱状结构的第二陶瓷层通过提高热障涂层的隔热性能和应变容限，可以提高其热循环寿命和热震性能。而且具有致密结构的复合涂层与第二陶瓷层的材料体系均为Yb改性的锆酸钆(GYbZ)，一方面能实现在高温下与CMAS反应形成致密阻挡层，阻止熔融CMAS向涂层内部渗透；另一方面可以避免热应力不匹配导致的层间开裂，提高两层的界面结合强度。
[0018]氧化钇稳定氧化锆(YSZ)陶瓷材料在1200℃以下具有高热膨胀系数、高应力应变容限、良好的高温相稳定性和较高断裂韧性等优异综合性能。锆酸钆材料熔点高、相稳定性好、热导率低，Yb的存在能够加速高温下GYbZ与熔融CMAS反应形成致密阻挡层，阻止熔融CMAS向热障涂层内部渗透。通过将GYbZ和YSZ这两种材料分别制成柱状晶结构第一陶瓷层和第二陶瓷层，并结合具有致密结构的复合涂层降低了涂层热导率并提高其热循环寿命和热冲击寿命。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1为本专利技术一个实施例中制得的热障涂层的结构示意图；
[0021]图2a为实施例1中复合涂层微纳复合结构中微米结构的SEM图；
[0022]图2b为实施例1中复合涂层微纳复合结构中纳米结构的SEM图；
[0023]图3为实施例1中制得的热障涂层在1300℃下烧结10h后的SEM图；
[0024]图4为对比例1中制得的热障涂层在1300℃下烧结10h后的SEM图。
具体实施方式
[0025]现将详细地提供本专利技术实施方式的参考，其一个或多个实例描述于下文。提供每一实例作为解释而非限制本专利技术。实际上，对本领域技术人员而言，显而易见的是，可以对本专利技术进行多种修改和变化而不背离本专利技术的范围或精神。例如，作为一个实施方式的部分而说明或描述的特征可以用于另一实施方式中，来产生更进一步的实施方式。
[0026]因此，旨在本专利技术覆盖落入所附权利要求的范围及其等同范围中的此类修本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合涂层，其特征在于，表面具有微纳复合结构，所述复合涂层的组成包括掺杂Al2O3的GYbZ，所述GYbZ为Yb改性的锆酸钆，所述Al2O3的掺杂量为5mol％～20mol％。2.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述Al2O3的掺杂量为10mol％～15mol％。3.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述微纳复合结构中的微米结构为等距排列的微米级凸起结构，所述微米级凸起结构的宽度为5μm～50μm，深度为15μm～30μm；所述微纳复合结构中的纳米结构为纳米级凸起结构，且位于所述微米级凸起结构的表面，所述纳米级凸起结构的致密度为92％以上。4.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述复合涂层的厚度为30μm～50μm。5.一种如权利要求1～4任一项所述的复合涂层的制备方法，其特征在于，采用掺杂Al2O3的GYbZ粉末沉积形成涂层，并在所述涂层表面加工微纳复合结构。6.根据权利要求5所述的复合涂层的制备方法，其特征在于，所述在所述涂层表面加工微纳复合结构所用的方法为飞秒脉冲激光加工技术，所述飞秒脉冲激光加工...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭洪波，郭奕谦，何雯婷，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：