[發(fā)明專利]一種曲折柱狀結構的熱障涂層陶瓷層及其制備方法

在審

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• 申請日: 2017-12-08
• 公開（公告）號: CN108018522A
• 公開（公告）日: 2018-05-11
• 發(fā)明（設計）人: 毛杰;劉敏;鄧暢光;鄧春明;鄧子謙;楊焜;張小鋒;周克崧
• 申請（專利權）人: 廣東省新材料研究所
• 主分類號: C23C4/134
• 分類號: C23C4/134;C23C4/10;C23C4/11
• 代理公司: 廣東世紀專利事務所 44216
• 代理人: 劉潤愚

本發(fā)明屬于熱障涂層技術領域，涉及一種曲折柱狀結構的熱障涂層陶瓷層及其制備方法。本發(fā)明提供一種曲折柱狀結構的熱障涂層陶瓷層及其制備方法，其熱障涂層陶瓷層3具有與基體1表面法線方向呈一定角度的曲折柱狀結構，制備步驟如下：采用等離子噴涂氣相沉積技術，送入熱障涂層陶瓷層粉末后，粉末蒸發(fā)形成氣相。通過噴涂過程中基體1沉積表面和等離子射流5之間角度的多次變換，調節(jié)陶瓷層3柱狀結構的沉積生長方向，獲得具有與基體1表面法線方向呈一定角度的曲折柱狀結構熱障涂層陶瓷層。本發(fā)明制備的曲折柱狀結構熱障涂層陶瓷層能大幅度提高隔熱性能和抗高溫腐蝕能力。

技術領域

本發(fā)明屬于熱障涂層技術領域，涉及一種曲折柱狀結構的熱障涂層陶瓷層及其制備方法。

背景技術

航空航天、能源動力等行業(yè)的發(fā)展對航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機提出了更高的要求。發(fā)動機熱端部件長期在高溫、腐蝕、磨損的復雜條件下服役，而且工作環(huán)境越來越苛刻，對熱端部件的表面性能要求越來越高。目前在發(fā)動機葉片、燃燒室、尾噴管等重要高溫部件上必須采用更高效的冷卻技術和更高隔熱性能的熱障涂層。相應的熱障涂層制備技術也需要創(chuàng)新和發(fā)展。

熱障涂層（TBCs）是利用陶瓷材料優(yōu)越的耐高溫、抗腐蝕和低導熱性能，以涂層的方式將陶瓷與金屬基體相復合，提高熱端部件的使用溫度和抗高溫氧化能力，延長熱端部件的使用壽命，提高發(fā)動機效率的一種表面防護技術。目前熱障涂層的制備方法主要有電子束物理氣相沉積（EB-PVD）和等離子噴涂（PS）技術。兩種方法獲得的涂層結構不同，性能各有優(yōu)劣。PS效率高，成本低。涂層是層片狀結構，隔熱性能好。但是涂層與基體之間為機械結合，結合強度一般，同時層片狀結構應變容限低，在熱沖擊下容易過早剝落。因此APS涂層一般用在溫度較低的導向葉片上。而使用溫度更高，工況更復雜的各種重要熱端部件均是采用EB-PVD熱障涂層。

等離子噴涂氣相沉積技術（PS-PVD）是在低壓等離子噴涂基礎上發(fā)展起來的一種新型氣相沉積涂層方法。該技術配置100 kW 以上大功率等離子噴槍，工作氣壓一般小于150 Pa。噴涂時，高熱焓氣體被電弧加熱離解成等離子體，等離子體通過噴嘴出口急劇膨脹，形成超音速高能量的等離子射流，長度超過2 m，直徑方向膨脹到200-400 mm。由于等離子射流能量足夠高，噴涂粉末可以被蒸發(fā)形成氣相原子，氣相材料或氣相為主的復相材料隨等離子流噴射到基體表面，沉積形成柱狀晶結構。研究發(fā)現(xiàn)，等離子物理氣相沉積技術制備的柱狀晶結構熱障涂層具有較好的綜合性能，其隔熱性能明顯高于EB-PVD，接近PS；熱循環(huán)壽命明顯高于PS，接近EB-PVD涂層。

現(xiàn)有的熱障涂層陶瓷層，無論是通過EB-PVD和等離子噴涂氣相沉積技術制備出來的均是垂直柱狀晶結構。垂直柱狀晶之間不可避免的存在大量的垂直間隙，從涂層表面垂直向下一直貫穿到基體，因為這種直線通道路程短，通道呈筆直就阻礙少，熱（以高溫燃氣為載體）和腐蝕介質（如發(fā)動機吸入的砂礫粉塵形成的熔融氧化物）的進入和擴散變得非常快速，涂層隔熱及抗高溫腐蝕能力降低。

發(fā)明內容

針對現(xiàn)有的垂直柱狀晶結構的熱障涂層陶瓷層，存在大量的垂直間隙而對高溫燃氣和熔融腐蝕介質的進入和擴散無法形成阻礙作用的問題。

為了解決所述的問題，本發(fā)明所采用的技術方案是提供一種曲折柱狀結構的熱障涂層陶瓷層，其熱障涂層陶瓷層特征是具有非垂直生長的柱狀結構，所述的柱狀結構與基體1表面法線方向呈一定角度的曲折，該曲折柱狀結構與基體1表面法線方向之間的角度為曲折角度α，60°≥α＞0°，曲折柱狀結構生長方向發(fā)生變化的次數(shù)為曲折次數(shù)A，10次≥A≥1次。

優(yōu)選地，所述的曲折柱狀結構與基體1表面法線方向之間的角度為曲折角度α，最優(yōu)為45°≥α≥10°，曲折柱狀結構生長方向發(fā)生變化的次數(shù)為曲折次數(shù)A，最優(yōu)為5次≥A≥1次。