[發明專利]通過控制熱生長氧化層成分延長發動機熱障涂層壽命的方法

無效

• 申請號: 201310057613.4
• 申請日: 2013-02-22
• 公開（公告）號: CN103160773A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 韓玉君;陸冠雄;劉徹;郝立軍;葉福興
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C23C4/18
• 分類號: C23C4/18
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 王秀奎

技術領域

本發明涉及一類提高壽命航空發動機或陸用燃氣輪機的熱障涂層技術的方法，更加具體地說，涉及在控制熱障涂層的預先熱處理環境的氧分壓以及利用鋁元素擴散的特定機制干預和控制其熱生長氧化層組成和結構，進而間接延長熱障涂層高溫服役壽命。

背景技術

在全球能源危機與建立綠色環境地球的國際背景下，航空渦輪發動機和陸用燃氣輪機正在向著高流量比、高推重比和高渦輪進口溫度方向發展。提高發動機的效率的途徑之一是提高發動機進口氣體的溫度。但是，隨著熱端部件服役溫度不斷提高（達到大于1350℃），已經大大超過先進高溫合金的使用和開發極限，必須降低渦輪發動機熱端部件溫度。因此，除了改進渦輪發動機葉片冷卻技術外，在高溫合金部件表面制備熱障涂層是渦輪發動機高溫熱防腐的最為關鍵的尖端技術，這可以將熱端部件的溫度降低100—300℃。

一般地，熱障涂層（Thermal?barrier?coatings,TBCs）是一類高耐熱性、抗腐蝕性和低導熱性的功能陶瓷材料。其基本結構包括四層：①高溫合金基底（提供發動機的幾何形狀與基本的力學性能）；②MCrAlY粘結層（其中M：Co,Ni或Co+Ni）；③熱生長氧化物層（TGO：Thermally?Grown?Oxides）；④大氣等離子（Air?Plasma?Spraying,APS）或電子束物理氣相沉積（Electron?Beam-physical?Vapour?Deposition,EB-PVD）制備的陶瓷隔熱層。其中，表面的陶瓷隔熱層的主要功能是隔阻熱量，需要其具有盡量低的導熱率、高的相穩定性以及良好的抗燒結能力。過渡粘結層的主要功能是在金屬與陶瓷之間形成過渡與形成氧化防護層產生抗氧化功能。

熱障涂層的失效主要有兩方面原因：第一，表面陶瓷層（包括熱生長氧化層）與金屬基底（包括粘結層）之間的熱膨脹系數的不匹配差生的宏觀熱應力；第二，粘結層的鋁元素貧化和熱生長氧化層失穩生長導致的局部應力生成。熱障涂層服役過程中，高溫氣體介質沖擊使得氧離子擴散進入孔狀的隔熱陶瓷層，粘結層合金中的鋁元素活性較大，在陶瓷層/在粘結層界面處與氧離子發生反應形成氧化鋁。

熱生長氧化物層的形成和生長，一方面形成了連續致密的Al₂O₃抗氧化保護膜，阻止了基底金屬的進一步高溫氧化腐蝕，對穩定整個熱障涂層系統意義重大；另一方面，經過較長期的高溫氧化，熱生長氧化層進一步增厚并在此處形成較大的生長應力，此時，陶瓷層與粘結層的界面區域可能變為整個熱障涂層系統中最脆弱的部位且易于沿此處產生裂紋。更為關鍵地，由于氧分壓過高或者形成貧Al區的原因導致Ni和Co等元素的選擇性氧化，形成的氧化物與TGO中Al₂O₃發生反應生成尖晶石相（Spinel），這會影響熱生長氧化層的連續性并加速涂層失效【E.A.G.Shillington,P.R.Clarke,Spalling?failure?of?a?thermal?barrier?coating?associated?with?aluminum?depletion?in?the?bond?coat,Acta?Mater.47(1999)1297-1305】。

在不改變基本制備工藝的條件下，提高熱障涂層的服役壽命應該：第一，抑制熱生長氧化物生長率；第二，降低或者消除尖晶石相。即要求TGO主要由連續、均勻、致密、單一且低生長率的α-Al₂O₃構成。同時，TGO中的CSN（即Co₃O₄,spinel,NiO混合物）也是裂紋形核與擴展的關鍵因素，穩定和連續的Al₂O₃氧化物具有較高的抗斷裂韌性。一般地，單一α-Al₂O₃相的形成需要兩個條件：①較低的氧離子與金屬陽離子的擴散結合；②形成的瞬間氧化物具有較高的化學和熱力學穩定性。因此，尋求鋁元素擴散機制的變化間接改變熱障涂層高溫服役期間粘結層供鋁不足，間接干預和控制TGO的形成和生長，形成最少量的CSN氧化物，且使得TGO的生長增厚和速率降低對提高熱障涂層壽命具有重要意義。

發明內容