【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于高温防护涂层，具体涉及一种双相固溶体热障涂层及其制备方法。
技术介绍
1、随着飞行器飞行马赫数的不断提高，发动机热端部件工作在高速、高温和高强度燃烧的极端热物理条件下，服役温度已经超过了高温合金的使用极限，必须在基体表面涂覆热障涂层，否则会产生合金基体氧化、烧蚀、结构刚度下降等问题，导致飞行失败，造成严重的安全隐患。
2、氧化钇稳定氧化锆(y2o3 stabilized zro2,简称ysz)是目前商品化程度最高的热障涂层材料，制备态表现为亚稳态的四方相结构(t’-zro2)，具有一系列作为热障涂层必要的特性，包括与高温合金基体接近的热膨胀系数、相对较低的热导率和优异的机械性能。然而，当ysz在超过1200℃环境下长时间服役时，亚稳态四方相会分解为四方相和立方相，四方相会进一步转变为单斜相(m-zro2)，产生体积膨胀，进而产生裂纹导致涂层剥落失效。为了满足发动机不断提高的使用要求，开发新型热障涂层迫在眉睫。
3、传统观点认为，性能优异的热障涂层材料通常为单相结构，并且由室温至服役温度不发生相结构转变。实际上，归功于相竞争机制，双相固溶体材料逐渐展现出优异的热稳定性和长服役寿命。例如，在稀土锆酸盐体系中烧绿石相与萤石相竞争生长，使涂层获得优于单相材料的机械性能和热物理性能。然而，稀土锆酸盐与合金基体的热匹配性不佳，严重限制其广泛应用。
4、氧化锆基陶瓷是个良好的模型体系，多组分氧化物能够溶解其中形成固溶体，固溶过程为了保持电中性，产生氧离子空位及置换原子缺陷，对声子起到散射作用，
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种双相固溶体热障涂层及其制备方法，可以使涂层具有更低的热导率和良好的热循环寿命。
2、本专利技术的技术解决方案是：
3、一种双相固溶体热障涂层，该涂层由基体表面依次喷涂底层、过渡层和面层构成，底层为超音速火焰或等离子喷涂mcraly抗氧化层，m为co或ni；过渡层为等离子喷涂氧化钇稳定氧化锆陶瓷层，其组成如下：按摩尔百分数计，yo1.5为6.5～8.7％，余量为zro2；面层为等离子喷涂双相固溶体陶瓷层，其组成如下：按摩尔百分数计，yo1.5、ybo1.5、gdo1.5之一或两种以上混合物为10～20％，vo2.5、nbo2.5之一或二者混合物为8～12％，余量为zro2。
4、所述的双相固溶体热障涂层，底层的涂层厚度为0.05～0.20mm，过渡层的涂层厚度为0.10～0.20mm，面层的涂层厚度为0.15～0.25mm。
5、所述的双相固溶体热障涂层的制备方法，首先采用白刚玉砂对合金基体表面进行吹砂处理，其次在合金基体表面依次喷涂底层、过渡层及面层。
6、所述的双相固溶体热障涂层的制备方法，底层材料为mcraly合金粉末，采用超音速火焰喷涂底层时，喷涂参数：枪管长度6寸，氧气流量1900～1980scfh，煤油流量30～60gph；采用等离子喷涂底层时，喷涂参数：主气ar流量80～120scfh，辅气he流量30～50scfh，电流500～800a，功率20～30kw。
7、所述的双相固溶体热障涂层的制备方法，采用大气等离子喷涂过渡层时，过渡层材料为氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉末，按摩尔百分数计，yo1.5为6.5～8.7％，余量为zro2；喷涂参数：主气ar流量80～140scfh，辅气he流量30～60scfh，电流700～950a，功率25～35kw。
8、所述的双相固溶体热障涂层的制备方法，采用大气等离子喷涂面层时，面层材料为双相固溶体陶瓷粉末，按摩尔百分数计，yo1.5、ybo1.5、gdo1.5之一或两种以上混合物为10～20％和vo2.5、nbo2.5之一或二者混合物为8～12％，余量为zro2；喷涂参数：主气ar流量70～130scfh，辅气he流量20～60scfh，电流700～950a，功率15～35kw。
9、所述的双相固溶体热障涂层的制备方法，该方法得到的热障涂层面层由立方相(c-zro2)和四方相(t-zro2)构成，按体积百分比计，t-zro2为5～40％，余量为c-zro2。
10、所述的双相固溶体热障涂层的制备方法，涂层显微组织均匀、无横向裂纹、无涂层与基体界面分离现象，基体与底层、底层与陶瓷层、过渡层与面层之间的界面均不存在分离现象，基体与底层之间无氧化界面，基体与底层界面镶嵌砂粒面积不得大于5％，底层孔隙率小于5％，陶瓷层孔隙率(15±5)％。
11、所述的双相固溶体热障涂层的制备方法，该涂层总厚度为0.3±0.05mm时，涂层结合强度不小于30mpa；1000℃时面层的热导率≤1.0w/m·k，1200℃时面层热导率≤1.0w/m·k，1400℃时面层热导率≤1.4w/m·k；涂层在1100℃保温5min、空冷5min条件下，热循环寿命不小于2000次。
12、本专利技术设计思想及原理如下：
13、首先，本专利技术双相固溶体热障涂层中，面层选用三价氧化物(yo1.5、ybo1.5、gdo1.5等)和五价氧化物(vo2.5、nbo2.5等)共同作为稳定剂，为了保持电中性三价氧化物掺杂产生氧离子空位，五价氧化物掺杂产生间隙氧离子，两者相互中和能够降低结构中的氧离子空位，提高置换原子错配度，从而有效抑制氧元素扩散，提高涂层的抗氧化性能，同时增加相变阻力提高涂层耐温隔热能力，以氧化钇和氧化铌共同掺杂为例，掺杂过程的缺陷反应方程式为：
14、xnb2o5+yy2o3→2xnb·zr+2yy'zr+(5x+3y)oo+(y-x)v··o
15、其次，根据氧化锆体系三元相图，通过加入三价和五价氧化物，能够获得c-zro2和t-zro2双相结构。立方相和四方相竞争，能够促进结构中形成纳米晶团簇，这些纳米晶团簇具有更高的硬度和弹性模量，弥散分布在涂层组织中能够起到抑制裂纹扩展的作用，改善涂层的韧性。
16、本专利技术的优点及有益效果是：
17、本专利技术设计的双相固溶体热障涂层，包括采用超音速火焰或等离子喷涂制备的底层、过渡层及面层，具有良好的相稳定性、隔热性能及热循环寿命。氧化钇稳定氧化锆制备的过渡层具有缓解热应力，提高涂层热匹配性的作用；双相固溶体陶瓷制备的面层，具有优异的隔热性能和抗烧结性能。本专利技术的双相固溶体热障涂层厚度为0.3±0.05mm时，结合强度不小于30mpa；1000℃时面层的热导率≤1.0w/m·k，1200℃时面层热导率≤1.0w/m·k，1400℃时面层热导率≤1.4w/m·k；涂层在1100℃保温5min、空冷5min条件下，热循环寿命不小于2000次。
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1.一种双相固溶体热障涂层，其特征在于，该涂层由基体表面依次喷涂底层、过渡层和面层构成，底层为超音速火焰或等离子喷涂MCrAlY抗氧化层，M为Co或Ni；过渡层为等离子喷涂氧化钇稳定氧化锆陶瓷层，其组成如下：按摩尔百分数计，YO1.5为6.5～8.7％，余量为ZrO2；面层为等离子喷涂双相固溶体陶瓷层，其组成如下：按摩尔百分数计，YO1.5、YbO1.5、GdO1.5之一或两种以上混合物为10～20％，VO2.5、NbO2.5之一或二者混合物为8～12％，余量为ZrO2。
2.按照权利要求1所述的双相固溶体热障涂层，其特征在于，底层的涂层厚度为0.05～0.20mm，过渡层的涂层厚度为0.10～0.20mm，面层的涂层厚度为0.15～0.25mm。
3.一种权利要求1至2之一所述的双相固溶体热障涂层的制备方法，其特征在于，首先采用白刚玉砂对合金基体表面进行吹砂处理，其次在合金基体表面依次喷涂底层、过渡层及面层。
4.按照权利要求3所述的双相固溶体热障涂层的制备方法，其特征在于，底层材料为MCrAlY合金粉末，采用超音速火焰喷涂底层时，喷涂参数：
5.按照权利要求3所述的双相固溶体热障涂层的制备方法，其特征在于，采用大气等离子喷涂过渡层时，过渡层材料为氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉末，按摩尔百分数计，YO1.5为6.5～8.7％，余量为ZrO2；喷涂参数：主气Ar流量80～140SCFH，辅气He流量30～60SCFH，电流700～950A，功率25～35kW。
6.按照权利要求3所述的双相固溶体热障涂层的制备方法，其特征在于，采用大气等离子喷涂面层时，面层材料为双相固溶体陶瓷粉末，按摩尔百分数计，YO1.5、YbO1.5、GdO1.5之一或两种以上混合物为10～20％和VO2.5、NbO2.5之一或二者混合物为8～12％，余量为ZrO2；喷涂参数：主气Ar流量70～130SCFH，辅气He流量20～60SCFH，电流700～950A，功率15～35kW。
7.按照权利要求3所述的双相固溶体热障涂层的制备方法，其特征在于，该方法得到的热障涂层面层由立方相(c-ZrO2)和四方相(t-ZrO2)构成，按体积百分比计，t-ZrO2为5～40％，余量为c-ZrO2。
8.按照权利要求7所述的双相固溶体热障涂层的制备方法，其特征在于，涂层显微组织均匀、无横向裂纹、无涂层与基体界面分离现象，基体与底层、底层与陶瓷层、过渡层与面层之间的界面均不存在分离现象，基体与底层之间无氧化界面，基体与底层界面镶嵌砂粒面积不得大于5％，底层孔隙率小于5％，陶瓷层孔隙率(15±5)％。
9.按照权利要求7所述的双相固溶体热障涂层的制备方法，其特征在于，该涂层总厚度为0.3±0.05mm时，涂层结合强度不小于30MPa；1000℃时面层的热导率≤1.0W/m·K，1200℃时面层热导率≤1.0W/m·K，1400℃时面层热导率≤1.4W/m·K；涂层在1100℃保温5min、空冷5min条件下，热循环寿命不小于2000次。
...【技术特征摘要】
1.一种双相固溶体热障涂层，其特征在于，该涂层由基体表面依次喷涂底层、过渡层和面层构成，底层为超音速火焰或等离子喷涂mcraly抗氧化层，m为co或ni；过渡层为等离子喷涂氧化钇稳定氧化锆陶瓷层，其组成如下：按摩尔百分数计，yo1.5为6.5～8.7％，余量为zro2；面层为等离子喷涂双相固溶体陶瓷层，其组成如下：按摩尔百分数计，yo1.5、ybo1.5、gdo1.5之一或两种以上混合物为10～20％，vo2.5、nbo2.5之一或二者混合物为8～12％，余量为zro2。
2.按照权利要求1所述的双相固溶体热障涂层，其特征在于，底层的涂层厚度为0.05～0.20mm，过渡层的涂层厚度为0.10～0.20mm，面层的涂层厚度为0.15～0.25mm。
3.一种权利要求1至2之一所述的双相固溶体热障涂层的制备方法，其特征在于，首先采用白刚玉砂对合金基体表面进行吹砂处理，其次在合金基体表面依次喷涂底层、过渡层及面层。
4.按照权利要求3所述的双相固溶体热障涂层的制备方法，其特征在于，底层材料为mcraly合金粉末，采用超音速火焰喷涂底层时，喷涂参数：枪管长度6寸，氧气流量1900～1980scfh，煤油流量30～60gph；采用等离子喷涂底层时，喷涂参数：主气ar流量80～120scfh，辅气he流量30～50scfh，电流500～800a，功率20～30kw。
5.按照权利要求3所述的双相固溶体热障涂层的制备方法，其特征在于，采用大气等离子喷涂过渡层时，过渡层材料为氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉末，按摩尔百分数计，yo1.5为6.5～8.7％，余量为zro2；喷...
【专利技术属性】
技术研发人员：常新春，高明浩，徐娜，张甲，栾胜家，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：
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