[發明專利]抗燒結長壽命雙層梯度柱狀結構熱障涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201910093351.4
• 申請日: 2019-01-30
• 公開（公告）號: CN109763090B
• 公開（公告）日: 2020-03-17
• 發明（設計）人: 李廣榮;王麗爽;楊冠軍;劉梅軍;劉宏;李成新;李長久
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C23C4/134
• 分類號: C23C4/134;C23C4/08;C23C4/11;C23C4/129;C23C24/04
• 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

本發明公開了抗燒結長壽命雙層梯度柱狀結構熱障涂層及其制備方法，包括增韌層和隔熱層；隔熱層被縱向縫隙分割，且由N個亞層堆疊構成，每個亞層的厚度與其熱導率之比相等，且亞層的熱導率由靠近粘結層的第一亞層向等N亞層等差遞減；每個亞層均由第二熱障涂層材料粉末和第三熱障涂層材料粉末交替分層沉積形成；增韌層占雙層結構熱障涂層總厚度的10％～50％。本發明所提出的雙層梯度柱狀結構熱障涂層，可實現陶瓷涂層在高溫環境下抗燒結的目的，且通過增韌層的設計強化了涂層的斷裂韌性，通過柱狀結構設計降低了涂層的開裂驅動力，實現了熱障涂層的長壽命服役。

技術領域

本發明屬于涂層技術領域，特別涉及抗燒結長壽命雙層梯度柱狀結構熱障涂層及其制備方法。

背景技術

熱障涂層(Thermal barrier coatings,TBC)的主要功能是為航空發動機和燃氣輪機的高溫熱端金屬構件提供隔熱防護，以使合金基體在遠超其承溫極限的溫度可以長時間穩定服役。因此，TBC最重要的評價指標就是其隔熱溫度和服役壽命。通常，厚度300～500μm的初始制備態TBC可隔熱50～300℃。然而，在長時間高溫熱暴露下，TBC的隔熱溫度會顯著降低。同時，涂層也易發生開裂剝落等。因此，如何使TBC在高溫下保持隔熱功能并實現長壽命服役是未來TBC發展亟待解決的難題之一。

TBC的隔熱功能一方面歸功于其自身較低的材料熱導率；另一方面，采用噴涂方法制備的TBC內部含有大量的微米和亞微米級孔隙，同樣起到了良好的隔熱作用。然而，高溫服役后的TBC的隔熱功能會顯著下降，這主要是由于燒結引發涂層內部隔熱孔隙的愈合消失。另一方面，燒結亦引發涂層顯著剛化，使得涂層的應變容限大幅度降低，從而極易發生開裂剝離，影響涂層的服役壽命。

從抗燒結的角度而言，在高溫服役下實現孔隙的自發再生是確保涂層隔熱性能不顯著衰退的可行途徑。從延長服役壽命的角度而言，熱障涂層的開裂失效與其自身的斷裂韌性和外部環境引發的開裂驅動力相關。提高自身的斷裂韌性，并同時降低開裂驅動力是實現TBC長壽命服役的關鍵。TBC的開裂驅動力與其自身的厚度和彈性模量正相關。值得一提的是，涂層的隔熱溫度也和涂層的厚度正相關。因此，如何在保證隔熱功能性的前提下，合理降低涂層厚度和整體彈性模量，將是降低TBC開裂驅動力的有效途徑。

綜上，實現TBC抗燒結的關鍵就是在熱暴露中實現隔熱孔隙的自發再生，延長TBC服役壽命的關鍵就是提高涂層的斷裂韌性，同時在保證隔熱功能的前期下，優化設計低厚度和高應變容限的涂層，以最終實現抗燒結長壽命的協同設計。

發明內容

本發明的目的在于提供抗燒結長壽命雙層梯度柱狀結構熱障涂層及其制備方法，旨在實現抗燒結、長壽命的協同設計。復合層疊結構可使涂層在高溫服役中通過孔隙的自發再生保持高的隔熱功能；梯度結構可在保證涂層隔熱功能性的前提下，基于等隔熱設計實現涂層整體厚度的合理降低；柱狀結構可顯著降低涂層整體的彈性模量，實現高應變容限，從而減小涂層的開裂驅動力；引入增韌層可以提高熱障涂層的斷裂韌性；最終可達到抗燒結、長壽命的協同設計，實現高性能熱障涂層的制備。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種抗燒結長壽命雙層梯度柱狀結構熱障涂層，包括自下至上依次設置在金屬粘結層上的增韌層和隔熱層；增韌層包括若干層第一片層單元；隔熱層包括自下至上依次設置的N個亞層，N為2～20內的自然數，隔熱層被縱向縫隙分割為柱狀；不同亞層的厚度與其熱導率的比值相等，且自第一亞層至第N亞層的熱導率等差遞減；每個亞層包括交替設置第一涂層和第三片層單元，亞層的底層為第一涂層，非底層的第一涂層覆蓋其下方的第一涂層和第三片層單元；第一涂層包括若干層第二片層單元；第二片層單元和第三片層單元分別由第二熱障涂層材料粉末和第三熱障涂層材料粉末形成，第一片層單元和第二片層單元的片層致密度均大于90％；第三片層單元的片層致密度小于60％；增韌層厚度占增韌層和隔熱層總厚度的10％～50％。