[發(fā)明專利]一種耐高溫低導(dǎo)熱長壽命雙層雙模結(jié)構(gòu)熱障涂層及其制備工藝

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810629107.0
• 申請日: 2018-06-19
• 公開（公告）號: CN108754387B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊冠軍;李廣榮;劉梅軍;唐春華;劉宏;李成新;李長久
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: C23C4/11
• 分類號: C23C4/11;C23C4/04;C23C4/129;C23C4/134;C23C4/18
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 田洲

本發(fā)明公開一種耐高溫低導(dǎo)熱長壽命雙層雙模結(jié)構(gòu)熱障涂層及其制備工藝，涂層包括位于內(nèi)部的第一層狀隔熱層和位于外部的第二層狀隔熱層；第一層狀隔熱層和位于外部的第二層狀隔熱層均由若干層組成；雙層雙模結(jié)構(gòu)熱障涂層為宏觀柱狀、微觀層狀的雙模結(jié)構(gòu)；第一層狀隔熱層占雙層雙模結(jié)構(gòu)熱障涂層總厚度的30％～50％；第二層狀隔熱層占涂層總厚度的50％～70％，所用材料在1200～1600℃無相變、且服役高溫下熱導(dǎo)率低于1.8W/m·K。本發(fā)明所提出的雙層雙模結(jié)構(gòu)，將彌補(bǔ)新材料斷裂韌性差的缺陷，從而使得可耐超高溫度、具有超低熱導(dǎo)率的新材料快速實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于涂層技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種熱障涂層及其制備工藝。

背景技術(shù)

近年來，隨著熱能發(fā)動機(jī)向高流量比、高推重比、高進(jìn)口溫度方向發(fā)展，燃燒室中的燃?xì)鉁囟群蛪毫Σ粩嗵岣摺ｎA(yù)計(jì)當(dāng)發(fā)動機(jī)推重比達(dá)到20時(shí)，燃?xì)鉁囟葘⒊^2000℃，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了熱端構(gòu)件金屬材料所能承受的極限溫度。因此，具有高隔熱功能的熱障涂層(Thermal barrier coatings,TBC)便應(yīng)運(yùn)而生。采用TBC可顯著提高燃?xì)廨啓C(jī)工作溫度的上限，而且提高的幅度超過了過去30年來鑄造技術(shù)進(jìn)步所帶來的高溫合金承溫能力的提升。因此，高性能TBC成為了航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)更新?lián)Q代的關(guān)鍵技術(shù)之一。

高隔熱、長壽命，是高性能TBC的基本要求。隨著燃燒室中溫度不斷提高，新一代TBC在高隔熱長壽命的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步要求TBC材料可耐超高溫度，即具有超高溫穩(wěn)定性。目前，應(yīng)用最廣泛的熱障涂層材料是氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)。然而，YSZ在較高溫度下(＞1200℃)服役時(shí)，會發(fā)生四方相向單斜相的轉(zhuǎn)變，從而由于體積膨脹而引發(fā)涂層失效。因此，YSZ僅能在1200℃以下使用，這顯然不能滿足發(fā)動機(jī)未來高推重比、高進(jìn)口溫度的發(fā)展要求。此外，YSZ在1000℃時(shí)的熱導(dǎo)率為2.3W/m·K，這樣的熱導(dǎo)率值仍然偏高。發(fā)展更先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)需要提高推重比及燃?xì)庑剩細(xì)鉁囟葘⑦_(dá)到2000℃，渦輪葉片表面溫度約1500℃左右，因此，熱障涂層材料的耐受溫度必須到達(dá)此溫度，目前服役的7YSZ材料由于相變問題難以在該溫度下勝任，所以尋找新的陶瓷熱障涂層體系來替換YSZ系列的材料勢在必行。

當(dāng)前廣泛研究的新型熱障涂層材料主要包括稀土鋯酸鹽(RE₂Zr₂O₇)、鈰酸鹽(La₂Zr₂O₇)、稀土磷酸鹽(REPO₄)和稀土鉭酸鹽等，與應(yīng)用廣泛的YSZ相比，這些材料均具有一定的優(yōu)勢，例如更低的熱導(dǎo)率(1000℃下＜1.8W/m·K)、優(yōu)良的高溫相穩(wěn)定性(最高可耐1600℃)。但目前為止YSZ仍是不可取代的，這是由于YSZ具有特殊的鐵彈性使其在高溫下具有優(yōu)良的韌性能夠適應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)苛刻的工作環(huán)境。因此，如何彌補(bǔ)新型材料在力學(xué)性能方面的劣勢，是實(shí)現(xiàn)其快速工程化應(yīng)用的難點(diǎn)之一。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種耐高溫低導(dǎo)熱長壽命雙層雙模結(jié)構(gòu)熱障涂層及其制備工藝，使該涂層在保留熱障涂層基本的高隔熱、長壽命的性能的同時(shí)，基于新材料/新結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計(jì)，在1200～1600℃的超高溫服役環(huán)境中保持長時(shí)間的穩(wěn)定服役，以達(dá)到耐高溫、低導(dǎo)熱、長壽命的協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)新一代高性能熱障涂層的制備。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種耐高溫低導(dǎo)熱長壽命雙層雙模結(jié)構(gòu)熱障涂層，包括位于內(nèi)部的第一層狀隔熱層和位于外部的第二層狀隔熱層；第一層狀隔熱層和位于外部的第二層狀隔熱層均由若干層組成；雙層雙模結(jié)構(gòu)熱障涂層為宏觀柱狀、微觀層狀的雙模結(jié)構(gòu)；第一層狀隔熱層占雙層雙模結(jié)構(gòu)熱障涂層總厚度的30％～50％，所用材料的斷裂韌性不低于2.5MPa·m^1/2；第二層狀隔熱層占涂層總厚度的50％～70％，所用材料在1200～1600℃無相變、且服役高溫下熱導(dǎo)率低于1.8W/m·K。