[發明專利]一種熱障涂層及其制備工藝

有效

• 申請號: 200910218772.1
• 申請日: 2009-11-03
• 公開（公告）號: CN101698364A
• 公開（公告）日: 2010-04-28
• 發明（設計）人: 李長久;楊冠軍;李勇
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B32B18/00
• 分類號: B32B18/00;C23C4/12;C23C4/10;C23C30/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

技術領域

本發明涉及材料加工、航空航天、能源動力等領域，具體為一種具有長 壽命、高隔熱效果的熱障涂層及其制備工藝。

背景技術

航空航天、能源動力等行業的發展對航空發動機和工業燃氣輪機提出了 更高的要求，要求燃氣輪機熱端部件在高溫、腐蝕、磨損的條件下進行長期 服役，這直接對燃氣輪機熱端部件的表面性能提出了更高的要求。例如：現 代航空渦軸發動機的透平溫度高達1500℃。而工業燃氣輪機的透平初溫目前 最高達到了1260-1300℃，目前正在研制的第三代重型燃氣輪機的透平溫度 更高，期望的透平溫度目標為1400-1600℃之間。就目前所使用的透平葉片 材料來說，透平初溫接近其熔點。因此必須采用冷卻以及隔熱措施，才能 保證透平葉片在高溫環境中長時間地工作。目前常用的冷卻主要有三種： 透平葉片內部的冷卻氣流冷卻技術、氣膜冷卻技術、熱障涂層技術。熱障涂 層技術的發展使透平葉片表面的溫度降低了100-300℃。熱障涂層體系通常 由高溫合金基體(透平葉片)、高溫合金粘結層、陶瓷隔熱層，以及在高溫 服役中產生的熱生長氧化物(TGO)構成。高溫合金粘結層起到抗氧化的作 用，而陶瓷涂層起到隔熱的作用。陶瓷涂層在服役中的穩定性或抗熱沖擊剝 落的能力決定了透平葉片的使用壽命和燃氣輪機的維修頻率。目前對于航空 發動機，尤其對于用于軍用航機而言，其陶瓷涂層主要使用電子束物理氣相 沉積(EB-PVD)的方式進行制備，這種涂層具有較高的抗熱沖擊能力。然 而這種制備方法時間消耗巨大、成本高。對于工業使用的重型燃氣輪機而言， 由于其使用中開機、停機的頻率低，透平葉片表面的陶瓷涂層通常采用等離 子噴涂，其特點是涂層制備快速，操作靈活。但是對于常用的等離子噴涂熱 障涂層而言，由于等離子噴涂陶瓷粉末顆粒沉積的粒子之間的未結合區域的 存在，使裂紋更加容易在陶瓷涂層中進行擴展，涂層的壽命低。而目前國內 外所發明的各種熱障涂層技術，包括成分梯度的熱障涂層、具有貫穿涂層厚 度的縱向裂紋的熱障涂層等，在一定程度上都犧牲了熱障涂層的隔熱效果。 對熱障涂層而言，在滿足使用壽命的同時，隔熱性能也是熱障涂層的核心指 標。

通常熱障涂層的失效破壞方式主要表現為從TGO附近的氧化鋯陶瓷涂 層發生剝落、起層、鼓包等現象。究其根源，TGO與陶瓷層的界面處具有顯 著的不連續特征，首先是材料種類的不連續，以Al₂O₃為主要成分的TGO與 陶瓷層(比如通常為YSZ)之間的材料種類不連續，其次，由于陶瓷層與熱 障涂層體系中的粘結層的熱膨脹系數(接近基體)的不匹配，陶瓷層內部在 熱循環過程中所產生的應力從陶瓷層表面到TGO/陶瓷層界面處不斷增加， 最終將導致裂紋擴展而使陶瓷層脫落失效。因此，從緩解陶瓷層應力增加和 提高界面附近的抗裂紋擴展能力的角度著手可能延緩涂層失效從而提高涂 層壽命。

對于等離子噴涂的陶瓷層，其內部扁平粒子間的有限結合狀態決定了涂 層的抗斷裂能力較低，再加上TGO/陶瓷層界面處的不連續性，熱障涂層在 熱循環作用下容易從其界面處開裂，裂紋還經常貫穿進入陶瓷層內部進行擴 展。有報道在陶瓷涂層中制備出縱向貫穿于陶瓷層的裂紋，從而提高涂層抗 裂紋擴展的能力，然而這些縱向貫穿裂紋的間距遠遠高于陶瓷層扁平粒子內 的小塊的尺度，對于提高涂層壽命而言仍然有限。

對于氣相沉積的YSZ陶瓷層，其柱狀晶的結構顯著提高了裂紋在平行于 涂層表面方向在陶瓷層內部擴展開裂的能力，然而，由于氣相沉積的陶瓷層 與TGO之間的結合相對較弱，TGO/陶瓷層的界面處既是開裂的起源又是開 裂的路徑。

鑒于此，在陶瓷層的制備方面，有報道通過極低氣壓進行真空等離子噴 涂將氣相沉積的柱狀晶與等離子噴涂的層狀結構復合起來的新方法，然而， 從該陶瓷層與TGO的界面處來看，與其說是兩種方式的復合，不如說是兩種 方式的混合，即有的區域類似于等離子噴涂的層狀結構，而有的區域類似于 氣相沉積的柱狀晶結構。

總之，裂紋在TGO附近區域的開裂是現有熱障涂層失效的基本模式，若 通過涂層結構設計與制備方法的控制，使開裂的模式有所轉變，將是可提高 熱障涂層壽命的基礎性的重要方法。

發明內容

針對上述方法制備涂層存在的缺陷或不足，本發明的目的是：提供一種 熱障涂層及其制備工藝，使該涂層的失效開裂模式發生根本性的變化，具有 長壽命和高隔熱效果的特征，從而能夠大幅度提高涂層服役性能。