[發明專利]一種低導熱抗燒結熱障涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201410669015.7
• 申請日: 2014-11-20
• 公開（公告）號: CN104451518A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 李長久;劉韜;楊冠軍;李成新
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C23C4/10
• 分類號: C23C4/10;C23C4/04;C23C4/18
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 蔡和平

技術領域

本發明屬于材料領域，具體涉及一種低導熱抗燒結熱障涂層及其制備方法。?

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，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。目前常用的冷卻技術主要有三種：透平葉片內部的冷卻氣流冷卻技術、氣膜冷卻技術和熱障涂層技術。熱障涂層技術的發展使透平葉片表面的溫度降低了100～300℃。?

熱噴涂熱障涂層因獨特的層狀結構而具有縱向熱導率低、隔熱性能高、熱應變緩和能力強等特性，從而廣泛用作航空發動機和燃氣輪機等熱端部件表面的熱障涂層，通過高溫隔熱、抗沖蝕等方式來保護高溫合金部件，實現提高整機燃料利用率和延長整機壽命等目標。?

等離子噴涂熱障涂層具有5％～25％孔隙：球形孔、扁平粒子內縱向孔隙、扁平粒子間橫向孔隙等。研究表明，垂直于熱流方向的孔隙能使涂層隔熱性能大幅提升，而平行于熱流方向孔隙的影響則非常有限，隨機分布的孔隙的影響介于二者之間。這些孔隙內的主要物質是空氣，空氣的熱導率無論是高溫還是低溫均顯著低于固體材料，當熱量流經這些孔隙空氣時，其傳輸速率將大大降低，因此，在保持熱障涂層結構完整性的前提下，可通過增加垂直于熱流方向的孔隙來降低涂層的熱導率、改善隔熱效果。?

在高溫服役過程中，熱障涂層的結構將由于相變和燒結作用而發生顯著改變，比如裂紋燒結愈合、層狀結構因層間孔隙燒結愈合而逐漸消失，由此引起熱導率上升，導致涂層隔熱性能下降、彈性模量提高和熱應變緩和能力下降，導致涂層壽命下降等。現有工藝制備的陶瓷層粒子間的孔隙厚度在幾十納米到幾百納米之間，而其中的大部分孔隙厚度小于150納米，經過一段時間服役后，孔隙會逐漸愈合，嚴重影響涂層服役壽命，因此通過合適的工藝控制制備含有垂直于熱流方向的服役條件下不燒結愈合的扁平狀大孔隙結構的涂層，對提高熱障涂層隔熱性能和壽命具有重要意義。?

發明內容

本發明的目的在于提供一種低導熱抗燒結熱障涂層及其制備方法，能夠使熱障涂層的熱導率顯著降低，抗燒結能力顯著增強，具有長壽命和高隔熱效果，從而能夠大幅度提高熱障涂層的服役性能。?

為達到上述目的，本發明采用的技術方案為：?

一種低導熱抗燒結熱障涂層，由熱障涂層材料粉末形成的若干扁平狀顆粒層疊構成，在扁平狀顆粒間分布有若干厚度為0.3～6μm、橫向尺寸為50～200μm的扁平狀的孔隙，孔隙率為5％～50％。?

所述的扁平狀的孔隙分布在該熱障涂層服役狀態下的熱流垂直方向上。?

熱障涂層材料粉末通過熱噴涂沉積形成若干扁平狀顆粒，扁平狀顆粒以厚度方向上層疊的方式形成熱障涂層。?

低導熱抗燒結熱障涂層的制備方法，包括以下步驟：?

步驟一，通過熱噴涂法，將熱障涂層材料粉末和造孔材料粉末噴涂沉積在基體上，制備出造孔材料粉末體積分數為5％～50％的復合陶瓷涂層；其中造孔材料粉末形成若干厚度為0.3～6μm、橫向尺寸為50～200μm的扁平粒子；?熱障涂層材料粉末形成若干扁平狀顆粒，扁平狀顆粒在厚度方向上層疊，造孔材料粉末形成的扁平粒子分布在熱障涂層材料粉末形成的扁平狀顆粒間；?

步驟二，通過水浴法，去除復合陶瓷涂層中由造孔材料粉末形成的扁平粒子，在復合陶瓷涂層中形成與扁平粒子尺寸、形狀、位置相同的孔隙，得到低導熱抗燒結熱障涂層。?

所述的熱噴涂法為等離子噴涂或等離子噴涂復相沉積。?

所述的水浴法是將復合陶瓷涂層放入溶液中以去除造孔材料粉末，其中溶液為不溶解熱障涂層材料粉末和基體、僅溶解造孔材料粉末的純水、酸溶液、堿溶液或有機溶液。?

所述的造孔材料粉末為通過水浴法能夠去除的氧化物或氯化物粉末。?

所述的造孔材料粉末為SrO粉末、NaCl粉末或KCl粉末。?

所述的溶液為水、稀鹽酸、稀硫酸、稀硝酸、稀NaOH溶液或稀KOH溶液。?

所述的熱障涂層材料粉末為鋯酸鑭LZO粉末、氧化釔穩定氧化鋯YSZ粉末、鈰酸鑭LCO粉末、六鋁酸鑭粉末或氧化鋁粉末。?

相對于現有技術，本發明的有益效果為：?