[發明專利]一種在高溫條件下抗CMAS侵蝕的熱障涂層及其制備工藝

無效

• 申請號: 201110252206.X
• 申請日: 2011-08-30
• 公開（公告）號: CN102371734A
• 公開（公告）日: 2012-03-14
• 發明（設計）人: 張東博
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: B32B18/00
• 分類號: B32B18/00;B32B15/04;C23C14/30;C23C14/08;C23C4/12;C23C4/04
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

技術領域

本發明屬于高溫涂層防護技術領域，特別涉及一種在高溫條件下抗CMAS侵蝕的熱障涂層及其制備工藝。

背景技術

隨著航空航天技術的發展，對航空發動機提出了越來越高的要求，從而對發動機的推重比也要求越來越大，因此提高渦輪機的進出口溫度就顯得尤為重要，然而在更高溫度的條件下工作，已經超出制造渦輪葉片和導向葉片的鎳基高溫合金材料所能承受的溫度，由于與開發新的高溫合金相比，熱障涂層技術(thermal?barrier?coatings，TBCs)的研究成本低得多，工藝現實可行，因此，應用熱障涂層技術是渦輪機發展的方向之一。

下一代航空發動機進出口溫度將會大幅度的提高，預計當發動機的推重比達到20，燃氣入口溫度將超過2000℃。在如此高的溫度下使用，環境因素將會對航空發動機的失效有很大的影響，因此，研究在高溫下環境因素對熱障涂層行為的影響具有重要的科學意義和社會價值。

我國幅員遼闊，環境氣候特點不同，尤其在北方地區多為多風沙的氣候，當飛機在此區域飛行的過程中，會有部分的沙子被吸入到發動機中，由于風沙中的物質在高溫下將會形成玻璃態物質(calcium-magnesium-alumina-silicate，CMAS)，在高溫下，尤其在超過1240℃以上的溫度，風沙中的部分物質將會形成玻璃態物質沉積到葉片的表面，由于目前在航空發動機中普遍使用的是具有穩定性好、隔熱效果佳的雙層結構熱障涂層，即采用在陶瓷層與金屬基體之間引入一層改善基體與陶瓷層物理相容性并具有抗高溫氧化和腐蝕作用的粘結層(MCrAlY)，和由(7-9wt.％)氧化釔穩定的、隔熱能力強的氧化鋯(Yttria?Stabilized?Zirconia，簡稱YSZ)陶瓷作為隔熱頂層，當YSZ陶瓷層遇到CMAS時，在高溫下相互作用，熔融的CMAS會穿透YSZ，進入到YSZ內部(當等離子噴涂的YSZ時，CMAS進入的是空隙的內部，當為電子束物理氣相沉積時，CMAS進入柱狀晶之間的間隙)，當發動機熄火時，葉片溫度驟降，CMAS會在間隙之間凝固，由于熱膨脹系數不同等原因，導致TBCs失去了應變容限，能量釋放率也會發生變化，會造成涂層產生橫向裂紋，從而使涂層剝落。導致涂層發生與目前的熱障涂層完全不同的失效形式，因此，發明新型的抗高溫CMAS侵蝕的熱障涂層，對于解決發動機所面臨的現實問題，以及對于下一代航空發動機的發展具有重要的意義。

發明內容

本發明針對上述熱障涂層的缺點，提供了一種在高溫條件下抗CMAS侵蝕的熱障涂層及其制備工藝。

本發明提供的熱障涂層為雙層結構，包括由Ni-CO-Cr-Al-Y構成的粘結層，厚度為60-90μm，以及由Li₂O-YSZ系構成的陶瓷頂層，厚度為80-100μm；其中，由Li₂O-YSZ系構成的陶瓷頂層的具體成分為2-8wt.％的Li₂O和92-98wt.％的YSZ。

本發明提供的在高溫條件下抗CMAS侵蝕的熱障涂層的制備工藝，包括以下步驟：

(11)將Li₂CO₃摻雜到YSZ中，攪拌均勻后，在1350℃和60MPa熱等靜壓條件下，保持4個小時，形成電子束物理氣相沉積所需的料棒，在加熱的條件下，Li₂CO₃分解成Li₂O，且使得Li₂O和YSZ的重量百分比分別為2-8wt.％和92-98wt.％

(12)采用電子束物理氣相沉積方法，在物件表面沉積由Ni-CO-Cr-Al-Y構成的粘結層，厚度為60-90μm；將步驟(11)中制得的料棒放入電子束物理氣相沉積真空室中，將真空室的真空度控制在3×10^-2Pa以內，以0.4-0.6μm/min.的速率，在沉積了Ni-CO-Cr-Al-Y粘結層的物件表面進行沉積；由于粘結層和陶瓷頂層之間的結合強度很低，為了增加結合強度，沉積時基板溫度控制在800-900℃，涂層厚度為80-100μm；冷卻后進行熱處理，其處理工藝為：升溫速率為3℃/min.，1050℃下保溫2小時，隨爐冷卻之后，即可制成所需要的新型高溫抗CMAS侵蝕的熱障涂層；

或者采用如下步驟：