[發明專利]一種構件表面的熱障涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201210081662.7
• 申請日: 2012-03-23
• 公開（公告）號: CN103317787A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 厲艷君;謝有桃;黃利平;鄭學斌
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: B32B9/04
• 分類號: B32B9/04;B32B18/00;C23C14/08;C23C14/22
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲

技術領域

本發明涉及一種熱障涂層的制備方法，屬熱防護無機材料技術領域。具體的說，本發明是在真空等離子噴涂的MCrAlY(M為Ni，Co或Ni+Co)黏結層表面用物理氣相沉積(PVD)的方法沉積一層保護性氧化鋁氣密層，來改善熱障涂層的抗熱震性。本發明具有工藝簡單、成本低、效率高、可重復性好、適合規?；a等優點。

背景技術

熱障涂層(Thermal?Barrier?Coatings，TBCs)是在高溫構件表面沉積的具有耐熱、隔熱、抗氧化與耐熱蝕等性能的材料，用以降低基底的工作溫度，使其免受高溫氧化、腐蝕和磨損，被廣泛應用于航空航天、燃氣發電、汽車船舶等領域。為了提高熱能發動機的推力和燃料的熱效率，必須提高燃料的燃燒溫度。這意味著在發動機燃燒系統中工作的許多零部件將接受更嚴酷的高溫、高應力、熱沖擊、燃氣腐蝕、粒子沖蝕作用等，因此要大力開發高性能、高可靠、長壽命的熱障涂層。

傳統的熱障涂層主要由黏結層(一般為MCrAlY)和陶瓷表層(一般為氧化鋯)組成。影響熱障涂層熱循環壽命的主要因素包括：表面陶瓷層與金屬基底之間的熱膨脹系數不匹配、陶瓷涂層發生相變、陶瓷涂層與黏結層之間發生反應、黏結層發生氧化腐蝕、金屬基底的粗糙度以及陶瓷涂層的燒結等。在熱循環過程中，黏結層被氧化會在其表面生成熱氧化物層(thermally?grown?oxide，TGO)。TGO層位于金屬黏結層和陶瓷層之間，主要由黏結層的氧化產物氧化鋁、氧化鎳、氧化鉻及尖晶石等組成。許多研究表明，TGO的組成、結構、形態及生長速率會顯著影響熱障涂層的使用壽命，熱障涂層的失效亦往往發生于TGO/陶瓷層和TGO/黏結層界面[1.Chen，W.R.，et?al.，TGO?growth?behaviour?in?TBCs?with?APS?and?HVOF?bond?coats.Surface?&?Coatings?Technology，2008.202(12)：p.2677-2683][2.Scrivani，A.，et?al.，Thermal?fatigue?behavior?of?thick?and?porous?thermal?barrier?coatings?systems.Journal?of?Thermal?Spray?Technology，2007.16(5-6)：p.816-821]。適當的TGO層可保護黏結層乃至基體免遭進一步氧化，但隨之溫度的升高和時間的延長，其厚度一般會隨之增大。因TGO層厚度的增加，面層和黏結層界面處的內應力相應增大，從而導致陶瓷層脫落、熱障涂層失效[3.Karaoglanli，A.C.，et?al.，Structure?and?durability?evaluation?of?YSZ+Al(2)O(3)composite?TBCs?with?APS?and?HVOF?bond?coats?under?thermal?cycling?conditions.Surface&Coatings?Technology，2011.205：p.S369-S373]。

TGO的主要成分為Al₂O₃，以及NiO、Cr₂O₃、尖晶石等氧化產物。其中，Al₂O₃具有較高的熔點，良好的化學和結構穩定性，且結構致密，能夠阻擋氧的擴散，從而減緩黏結層的氧化。而NiO、Cr₂O₃、尖晶石等混合氧化物的生長，會在面層/黏結層界面上產生較大的應力，且應力易在這些氧化物存在的區域集中。另一方面，這些混合氧化物結構較為疏松多孔，氧易在其中擴散，裂紋也比較容易在這些混合氧化物區域產生和擴散。因此，使TGO層為致密的Al₂O₃層，減少NiO、Cr₂O₃、尖晶石等混合氧化物的產生，可以有效的減緩黏結層的氧化，從而提高涂層的抗熱震性能。