一种热障涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种热障涂层及其制备方法，涉及涂层材料技术领域。本发明专利技术的一具体实施方式包括：热障涂层为三层结构，底层10包括MCrAlY层，中间层20包括AlYSi层，外层30包括YSZ层。制备方法包括步骤S01：使用电弧离子镀方法制备所述底层10的MCrAlY层；步骤S02：在所述底层10表面使用所述电弧离子镀方法制备所述中间层20的AlYSi层；步骤S03：在所述中间层20表面制备所述外层30的YSZ层。本发明专利技术的三层结构热障涂层在高温条件下能满足高温合金长寿命需求，而且工艺简单，容易实现工业化生产，是一种性能优异、有应用前景的涂层，适用于高温合金。温合金。温合金。

【技术实现步骤摘要】
一种热障涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于涂层材料
，尤其涉及一种热障涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着航空技术的不断进步，航空发动机朝着更高推重比、更高的气流量、更高的工作温度方向发展，在叶片合金表面沉积热障涂层可提高涡轮叶片使用温度和耐高温腐蚀性能。热障涂层具有良好的隔热和抗氧化效果,可以对基体金属进行充分的保护，延长航空发动机的使用寿命，热障涂层成为提高涡轮叶片可靠性和服役寿命的关键技术之一。

技术实现思路

[0003]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种热障涂层及其制备方法，内层MCrAlY涂层与基材形成良好的匹配性，中间层富铝层为形成氧化膜提供充足的Al元素，提高氧化膜的自愈能力。这种双层粘结层结构既能保证有充足的Al供应，提高界面匹配性，又能避免单一涂层中Al含量提升造成涂层脆性增加、熔点降低的现象，具有更加优异的抗氧化性和组织结构稳定性，大幅延长其使用寿命。外层的YSZ层进一步提高抗氧化效果，在高温条件下能满足高温合金长寿命需求；而且工艺简单，容易实现工业化生产，是一种性能优异、有应用前景的涂层，适用于高温合金。
[0004]有鉴于此，根据本专利技术实施例的一个方面，提供了一种热障涂层，所述热障涂层为三层结构，底层10包括MCrAlY层，中间层20包括AlYSi层，外层30包括YSZ层。
[0005]可选地，所述底层10还包括NiCrAlY和/或NiCoCrAlY。
[0006]可选地，所述底层10还包括B、Hf、Ru和/或Si。<br/>[0007]可选地，所述NiCrAlY层的组分按质量比重分别为Cr 10％～25％，Al 5％～20％，Y 0.1％～1.5％，其余为M。
[0008]可选地，所述AlYSi层的组分按质量比重分别为Y 0.5％～10.0％，Si 2.0％～15.0％，其余为Al。
[0009]可选地，所述涂层至少适用于单晶高温合金表面或定向凝固合金表面。
[0010]根据本专利技术实施例的另一方面，提供了一种热障涂层的制备方法，用于制备所述热障涂层，包括步骤S01：使用电弧离子镀方法制备所述底层10的MCrAlY层；步骤S02：在所述底层10表面使用所述电弧离子镀方法制备所述中间层20的AlYSi层；步骤S03：在所述中间层20表面制备所述外层30的YSZ层。
[0011]可选地，步骤S01还包括：步骤S011：对基材00表面进行活化处理；步骤S012：活化处理后进行清洁干燥；步骤S013：使用NiCrAlY靶材，将所述NiCrAlY靶材安装于真空电弧镀膜机的阴极座；步骤S014：在基材00表面沉积NiCrAlY层，形成所述底层10。
[0012]可选地，步骤S02还包括：步骤S021：使用AlYSi靶材，将所述AlYSi靶材安装于真空电弧镀膜机的阴极座；步骤S022：在所述底层10表面沉积AlYSi层，形成所述中间层20。
[0013]可选地，所述步骤S03还包括：步骤S031：使用YSZ靶材，将所述YSZ靶材装入电子束
物理气相沉积设备沉积室；步骤S032：蒸发所述YSZ靶材，在所述中间层20表面形成YSZ层，形成所述外层30。
附图说明
[0014]图1为根据本专利技术实施例的一种热障涂层的结构示意图；
[0015]图2为根据本专利技术实施例的一种热障涂层的制备方法的步骤示意图；
[0016]附图标记说明：
[0017]00
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基材，10
‑
底层，20
‑
中间层，30
‑
外层。
具体实施方式
[0018]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0019]图1为根据本专利技术实施例的一种热障涂层的结构示意图，如图1所示，热障涂层为三层结构，底层10包括MCrAlY层，中间层20包括AlYSi层，外层30包括YSZ层。其中，底层10和中间层20形成双层金属粘结层，采用双层金属粘结层制备技术，底层10的MCrAlY层可与基材00(即基体材料)形成良好的匹配性，中间层20富铝层为形成氧化膜提供充足的Al元素，提高氧化膜的自愈能力。这种双层粘结层结构既能保证有充足的Al供应，提高界面匹配性，又能避免单一涂层中Al含量提升造成涂层脆性增加、熔点降低的现象，具有更加优异的抗氧化性和组织结构稳定性，大幅延长其使用寿命。外层30的YSZ层又可称为陶瓷面层，进一步提高隔热抗氧化效果。
[0020]进一步地，底层10还包括NiCrAlY和/或NiCoCrAlY。即M为Ni基或NiCo基，Ni基和NiCo基靶材易于制备，与基材00匹配效果更好，尤其适用于航空发动机涡轮叶片。
[0021]进一步地，底层10还包括B、Hf、Ru和/或Si，添加以上微量元素可以增强底层10的抗氧化性和耐腐蚀能力。
[0022]进一步地，NiCrAlY层的组分按质量比重分别为Cr 10％～25％，Al 5％～20％，Y 0.1％～1.5％，其余为M，按此比例配置的靶材以及形成的涂层符合热障涂层性能要求。
[0023]进一步地，AlYSi层的组分按质量比重分别为Y 0.5％～10.0％，Si2.0％～15.0％，其余为Al，按此比例配置的靶材以及形成的涂层符合热障涂层性能要求。
[0024]进一步地，涂层至少适用于单晶高温合金表面或定向凝固合金表面，这两种基材表面与涂层的匹配性更好，更适用于涡轮叶片外表面的高温合金。
[0025]具体地，本专利技术采用双层金属粘结层制备技术，内层MCrAlY涂层与基体合金形成良好的匹配性，中间层富铝层为形成氧化膜提供充足的Al元素，提高氧化膜的自愈能力。这种双层粘结层结构既能保证有充足的Al供应，提高界面匹配性，又能避免单一涂层中Al含量提升造成涂层脆性增加、熔点降低的现象，具有更加优异的抗氧化性和组织结构稳定性，大幅延长其使用寿命。外层YSZ涂层可以起到隔热保护作用，最终满足了高温合金在1100℃下的长寿命需求。涂层通过了1100℃静态氧化、1100℃循环氧化、900℃燃气热腐蚀试验考核，具有良好的抗高温氧化、抗热腐蚀性能。
[0026]本专利技术设计的热障涂层包含三个界面，分别为合金基材/金属粘结层、双层金属粘结层NiCrAlY/AlYSi涂层、金属粘结层/陶瓷面层。NiCrAlY涂层既能阻止富铝层中的Al向基材扩散，又能阻止基体中的元素扩散到富铝层。其次，中间层富铝层与外层陶瓷面层的界面上形成的热生长氧化物TGO氧化铝具有平整致密的特性，这样使得陶瓷层/TGO/粘结层之间匹配良好，有助于延长涂层使用寿命。最终，制备的热障涂层可以在1100℃下长时使用，能够满足涡轮叶片外表面防护涂层长寿命的需求，为提升热障涂层体系的综合性能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热障涂层，其特征在于，所述热障涂层为三层结构，底层(10)包括MCrAlY层，中间层(20)包括AlYSi层，外层(30)包括YSZ层。2.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述底层(10)还包括NiCrAlY和/或NiCoCrAlY。3.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述底层(10)还包括B、Hf、Ru和/或Si。4.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述NiCrAlY层的组分按质量比重分别为Cr 10％～25％，Al5％～20％，Y 0.1％～1.5％，其余为M。5.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述AlYSi层的组分按质量比重分别为Y 0.5％～10.0％，Si2.0％～15.0％，其余为Al。6.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述涂层至少适用于单晶高温合金表面或定向凝固合金表面。7.一种热障涂层的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1
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6中任一所述的涂层，包括：步骤S01：使用电弧离子镀方法制备所述底层(10)的MCrAlY层；步骤S02：在...

【专利技术属性】
技术研发人员：张彬，蔡妍，牟仁德，刘玉琢，何利民，王立哲，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：