[發(fā)明專利]一種低導熱抗燒結雙模結構熱障涂層及其制備工藝

有效

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• 申請日: 2016-01-25
• 公開（公告）號: CN105777173B
• 公開（公告）日: 2019-02-05
• 發(fā)明（設計）人: 楊冠軍;李長久;李成新;張偉偉
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C04B38/00
• 分類號: C04B38/00;C04B35/48;C04B35/50;C04B35/505
• 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

本發(fā)明公開一種低導熱抗燒結雙模結構熱障涂層及其制備工藝，將熱障涂層材料粉末和造孔材料粉末噴涂沉積，制備出含有造孔材料體積含量為5％～40％的復合陶瓷涂層，孔隙呈現熔滴鋪展形成的片層與懸浮液滴鋪展成的顆粒堆積結構所構成的雙模結構特征，此涂層在高溫制備條件下或熱障涂層服役初期，依賴于造孔材料和熱障涂層材料具有不同的燒結性能特征，自發(fā)制備出含有扁平粒子形貌層間孔隙的熱障涂層，從而呈現同時含有小尺寸孔隙和大尺寸孔隙的雙模結構特征。熱障涂層中的大尺寸孔隙降低了縱向導熱率，同時在服役初期大尺寸孔隙會顯著抑制和延緩涂層熱導率的升高，且由于孔隙的縱向尺寸較大，從而在服役后期能夠避免燒結愈合而保留下來，呈現抗燒結特征。

技術領域

本發(fā)明涉及涂層技術領域，特別涉及一種熱障涂層及其制備工藝。

背景技術

隨著科學技術的不斷發(fā)展，熱端部件的工作條件越來越苛刻。例如，航空燃氣渦輪機技術向高進口溫度、高流量比、高推重比的發(fā)展趨勢，導致燃燒室中的燃氣溫度和壓力不斷提高。目前，燃氣溫度已接近2000K。為適應這一惡劣的渦輪工作環(huán)境，采用陶瓷熱障涂層是主要的選擇對策。陶瓷熱障涂層用于燃氣輪機的高溫合金部件表面，起隔熱作用，可降低金屬表面溫度，提高燃氣工作溫度，從而改善燃氣效率，并延長熱端部件的使用壽命。

熱障涂層的制備方法主要有電子束物理氣相沉積和大氣等離子噴涂兩種方法，這其中，尤以等離子噴涂，由于其焰流溫度高，特別適合噴涂陶瓷等高熔點材料，且涂層成分和厚度易于控制，對工件尺寸和形狀限制小，工效高，已經成為表面工程領域制備熱障涂層的一種重要技術方法。

等離子噴涂熱障涂層中存在3種典型的缺陷，分別是球形孔、平行于熱流方向縱向孔隙、垂直于熱流方向的橫向孔隙。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微乎其微，隨機分布的孔隙對的影響介于二者之間。這些缺陷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大大低于固體基材，當熱量流經這些密閉空氣的時候，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，可通過提高垂直于熱流方向的孔隙率來降低涂層的熱導率、改善隔熱效果。在高溫服役過程中，熱障涂層中較大的缺陷基于能量最低原理會趨向于球化分布，較小的缺陷會直接愈合消失，這將大大降低垂直于熱流方向的孔隙分布，從而顯著影響涂層的隔熱、熱應變協調能力等。現有工藝制備的陶瓷層裂紋尺寸在幾十納米到幾百納米之間，經過一段時間服役后，尺寸小于200納米的裂紋會愈合，嚴重影響涂層服役壽命，因此通過合適的工藝控制制作含有垂直于熱流方向大裂紋的涂層結構變得非常有意義。

總之，若能通過涂層結構設計與制備方法的控制，在不影響涂層力學性能的前提下盡可能通過簡單易行的方法制備這種垂直于熱流方向的大尺寸孔隙，將是提高熱障涂層隔熱性能和壽命的重要方法。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種低導熱抗燒結雙模結構熱障涂層及其制備工藝，使該涂層的熱導率顯著降低且不明顯影響涂層的力學性能，且在服役過程中熱障涂層的熱導率趨于穩(wěn)定，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。

為了實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種低導熱抗燒結雙模結構熱障涂層，所述的熱障涂層含有橫向尺寸為50～200μm、縱向尺寸為0.2～0.5μm且體積含量為5％～40％的大孔隙，涂層孔隙呈現雙模結構特征。

進一步的，所述的熱障涂層還含有亞微米與微米尺寸的層間裂紋和縱向裂紋外。

進一步的，該熱障涂層孔隙呈現雙模結構特征。

一種低導熱抗燒結雙模結構熱障涂層的制備工藝，包含以下步驟：