一种重型燃气轮机用长寿命热障涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种重型燃气轮机用长寿命热障涂层及其制备方法，包括：在基体上制备金属粘结层；分别采用APS工艺制备陶瓷中间层和SPPS工艺制备阻碍氧扩散陶瓷顶层，直径为15～45μm嵌入微米团聚颗粒作为第二相粒子沉积到15～45μm的8YSZ涂层中，形成疏松多孔的嵌入微米团聚颗粒陶瓷中间层，直径为0.2～1.5μm的微纳米颗粒在陶瓷顶层的表面堆叠成直径为10～50μm的半球状或直径为1～10μm的团簇状凸起，其与表面的小颗粒共同构成致密的微纳双尺度结构。根据本发明专利技术制备的重型燃气轮机用长寿命热障涂层，不仅具有较大的应变容限和热循环寿命，而且能防止TGO的生长，制备工艺简单，易于工业化生产运用。易于工业化生产运用。易于工业化生产运用。

A long-life thermal barrier coating for heavy-duty gas turbine and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种重型燃气轮机用长寿命热障涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及热障涂层的结构设计使其寿命延长的领域，更具体地涉及一种重型燃气轮机用长寿命热障涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]重型燃气轮机和航空发动机从原理上来讲是一样的，但是航天飞机在每次起飞降落都会对于发动机进行检查并且进行维修，而燃气轮机单周期需要运行16000～24000h之后才会进行检修，所以失效寿命的需求略有不同。目前国际上先进的重型燃气轮机的服役温度已经到达到了1600℃，并且向着1700℃的高温发展，已经大大超过了其叶片高温合金的使用温度。而热障涂层(Thermal Barrier Coatings,TBCs)技术是通过在基底表面制备高温陶瓷材料来实现隔热，从而降低燃烧温度到达高温合金的温度，达到有效的保护高温合金优异性能的作用。
[0003]TBCs的制备方法对于特征涂层的结构和性能的关系很密切，不同的制备工艺之间进行相互的配合，能够获得优势互补的热障涂层，综合性能得到提高。常见的制备工艺包括大气等离子喷涂工艺(Atmospheric Plasma Spraying，APS)、电子束物理气相沉积工艺(Electron Beam Physical Vapor Deposition，EB
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PVD)、等离子喷涂
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物理气相沉积工艺(Plasma Spraying
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Physical Vapor Deposition，PS
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PVD)以及溶液前驱体等离子喷涂(Solution Precursor Plasma Spray，SPPS)等。
[0004]重型燃气轮机温度的不断升高，使得涂层的使用寿命减少，导致过早的失效。一方面是氧气通过陶瓷涂层中的孔隙和微裂纹进入由MCrAlY(M指Ni、Co、NiCo等)组成的粘结层，会生成一系列混合氧化物，从而被称为热生长氧化物(Thermally Grown Oxides；TGO)，TGO的生长会诱发陶瓷层间未结合面扩展，从而形成裂纹，导致涂层失效。另一方面，热循环过程中，陶瓷层和基体的热膨胀系数不匹配、热应力以及高温烧结作用，能够使涂层内部的孔隙率降低，应变容限下降，重型燃气轮机在长期的升温降温的过程中，产生涂层裂纹扩展驱动力，也会导致涂层的耐久度降低。
[0005]防止TGO生长的有效方式是通过减少氧气的扩散速率，而对于通过APS内部会生成典型的孔隙和微裂纹结构，所以在APS涂层表面制备一层较薄的致密层降低氧元素的扩散速率，从而有效的抑制TGO的生长。热循环的过程中，应变容限和热应力对涂层的剥落有较大的影响，而增大孔隙率可以实现应变容限的增加和热应力的降低，从而因而改善热障涂层的寿命。因此，开发和设计一种通过控制氧扩散率和孔隙率的热障涂层，进而延长其在高温的服役寿命，具有重要的经济和社会价值。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种重型燃气轮机用长寿命热障涂层及其制备方法，从而解决现有技术中的热障涂层由于温度不断升高涂层使用寿命缩短、导致过早失效的问题。
[0007]根据本专利技术的第一方面，提供一种重型燃气轮机用长寿命热障涂层的制备方法，
其包括如下步骤：S1，在基体上制备金属粘结层；S2，通过大气等离子喷涂(Atmospheric Plasma Spraying，APS)工艺使直径为15～45μm的8YSZ微米团聚颗粒作为第二相粒子嵌入到15～45μm的8YSZ涂层中，在所述金属粘结层上形成一种疏松多孔的嵌入微米团聚颗粒的陶瓷中间层；S3，通过溶液前驱体等离子喷涂(Solution Precursor Plasma Spray，SPPS)工艺在所述陶瓷中间层上制备一种阻碍氧扩散陶瓷顶层，其中，直径为0.2～1.5μm的微纳米颗粒在所述陶瓷中间层的表面堆叠成直径为10～50μm的半球状凸起或直径为1～10μm的团簇状凸起，所述半球状凸起或团簇状凸起与其表面的所述微纳米颗粒共同构成致密的微纳双尺度结构。
[0008]优选地，所述步骤S1在制备金属粘结层之前还包括对基体进行喷砂预处理并超声波清洗。
[0009]优选地，所述基体的材料为高温合金IN738、GH5188。
[0010]优选地，所述步骤S1采用大气等离子喷涂(APS)制备金属粘结层。
[0011]优选地，所述金属粘结层的材料为NiCrAlY。
[0012]优选地，所述步骤S2包括如下子步骤：S21，将1～5μm的8YSZ颗粒团聚后，略微经过烧结得到保持颗粒的原始孔隙结构的第二相粒子；S22，将8YSZ粉末和第二相粒子粉末同时喷涂到粘结层表面，形成陶瓷中间层。
[0013]优选地，所述制备的陶瓷中间层的孔隙率高达14.3％。孔隙率越大，应变容限越大，能够较大程度改善重型燃气轮机用长寿命热障涂层的使用寿命。
[0014]优选地，所述步骤S3包括如下子步骤：S31，将前驱体原料溶于去离子水和无水乙醇的混合溶液中制备溶液前驱体；S32，将溶液前驱体喷涂到陶瓷中间层表面，形成阻碍氧扩散的陶瓷顶层。
[0015]优选地，所述子步骤S31之前还包括对陶瓷中间层进行砂纸打磨并超声波清洗。在优选的实施例中，将陶瓷中间层依次在1000#、2000#砂纸上进行打磨。
[0016]优选地，对陶瓷中间层打磨至粗糙度为1.0～4.5μm。在优选的实施例中，控制表面粗糙度在1.8～2.5μm左右。
[0017]优选地，所述阻碍氧扩散陶瓷顶层的材料为氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)或氧化镱氧化钇部分稳定氧化锆(YbYSZ)。当阻碍氧扩散陶瓷顶层的材料为YSZ时，前驱体原料的钇源为硝酸钇，锆源为硝酸氧锆或醋酸锆。当阻碍氧扩散陶瓷顶层的材料为YbYSZ时，前驱体原料的钇源为硝酸钇，锆源为硝酸氧锆，镱源为硝酸镱。
[0018]优选地，混合溶液的去离子水和无水乙醇的体积比为3:7～7:3。在优选的实施例中，混合溶液的去离子水和无水乙醇的体积比为1:1。
[0019]优选地，溶液前驱体的Zr元素浓度为0.75mol/L～1.5mol/L。在优选的实施例中，溶液前驱体的Zr元素浓度为0.75mol/L。
[0020]优选地，阻碍氧扩散陶瓷顶层的微纳米颗粒通过阴影效应在陶瓷中间层的表面堆叠成半球形凸起。在优选的实施例中，该半球形凸起的直径为17～30μm。在优选的实施例中，该半球形的直径为19～35μm。
[0021]应该理解，阻碍氧扩散陶瓷顶层的微纳米颗粒通过阴影效应以团簇的形式堆积在陶瓷中间层的表面形成凸起。在优选的实施例中，该团簇状凸起的直径小于10μm。
[0022]优选地，所述子步骤S22包括：利用喷枪将粘结层预热到280～320℃，然后进行喷
涂，喷涂电压为59～61V，喷涂电流为590～610A，主气压力为0.3～0.5MPa，氢气压力为0.6～0.8MPa，喷枪移动速度为400～600mm/s，喷涂距离为80～110mm，YSZ主相送粉速率为5～15％本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种重型燃气轮机用长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：S1，在基体上制备金属粘结层；S2，通过APS工艺使直径为15～45μm的8YSZ微米团聚颗粒作为第二相粒子嵌入到15～45μm的8YSZ涂层中，从而在所述金属粘结层上形成一种疏松多孔的嵌入微米团聚颗粒的陶瓷中间层；S3，通过SPPS工艺在所述陶瓷中间层上制备一种阻碍氧扩散陶瓷顶层，其中，直径为0.2～1.5μm的微纳米颗粒在所述陶瓷中间层的表面堆叠成直径为10～50μm的半球状凸起或直径为1～10μm的团簇状凸起，所述半球状凸起或团簇状凸起与其表面的所述微纳米颗粒共同构成致密的微纳双尺度结构。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下子步骤：S21，将1～5μm的8YSZ颗粒团聚后，略微经过烧结，得到保持颗粒的原始孔隙结构的第二相粒子粉末；S22，将8YSZ粉末和步骤S21得到的所述第二相粒子粉末同时喷涂到步骤S1中的所述金属粘结层表面，形成陶瓷中间层；所述步骤S3包括如下子步骤：S31，将前驱体原料溶于去离子水和无水乙醇的混合溶液中制备溶液前驱体；S32，将溶液前驱体喷涂到步骤S22制备得到所述陶瓷中间层表面，形成一种阻碍氧扩散陶瓷顶层。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述子步骤S31之前还包括对所述陶瓷中间层进行砂纸打磨并超声波清洗。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，对所述陶瓷中间层打磨至粗糙度为1.0～4.5μm。5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，当阻碍氧扩散陶瓷顶层的材料为氧化钇部分稳定氧化锆时，所述前驱体原料的钇源为硝酸钇，锆源为硝酸氧锆或醋酸锆；当阻碍氧扩散陶瓷顶层的材料为氧化镱氧化钇部分稳定氧化锆时，所述前驱体原料的钇源为硝酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：王卫泽，刘阳光，王一皓，方焕杰，杨挺，张显程，轩福贞，涂善东，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：