[發明專利]一種抗燒結長壽命雙層柱狀結構熱障涂層及其制備方法

在審

• 申請號: 201910093357.1
• 申請日: 2019-01-30
• 公開（公告）號: CN109763091A
• 公開（公告）日: 2019-05-17
• 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;C23C4/06;C23C4/11
• 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

本發明公開了一種抗燒結長壽命雙層柱狀結構熱障涂層及其制備方法，包括位于內部的增韌層和位于外部的隔熱層，且隔熱層內包含沿熱流方向的縱向縫隙；隔熱層由致密的片層單元和疏松的納米顆粒堆復合堆疊構成；增韌層占雙層結構熱障涂層總厚度的10％～50％，所用第一熱障涂層材料的斷裂韌性大于或等于2.5MPa·m^1/2；隔熱層占雙層總厚度的50％～90％，所用第二熱障涂層材料和第三熱障涂層材料在1000～1600℃下熱導率不超過2.5W/m·K。本發明所提出的雙層柱狀結構熱障涂層，可實現陶瓷涂層在高溫環境下抗燒結的目的，且通過增韌層和柱狀結構的設計強化了涂層的抗開裂能力，從而實現了新型結構熱障涂層的抗燒結與長壽命的協同設計。

技術領域

本發明屬于涂層技術領域，特別涉及一種抗燒結長壽命雙層柱狀結構熱障涂層及其制備方法。

背景技術

熱障涂層(TBCs)是航空發動機和燃氣輪機發展的核心技術之一。目前，航空發動機和燃氣輪機的熱端構件材料多采用高溫合金，其承溫極限不超過1100℃，這已遠遠無法滿足發動機內部熱端構件的服役溫度。因此，必須在高溫合金熱端構件表面涂覆具有隔熱作用的TBCs，以使高溫合金在遠超其承溫極限的環境中穩定服役。因此，TBCs的結構設計必須兼顧考慮其隔熱功能和服役壽命。

TBCs在長時間高溫熱暴露中，燒結會引發涂層隔熱功能的衰退，并直接威脅涂層的服役壽命。根本原因是，燒結導致TBCs內部大量起隔熱作用的微孔隙愈合消失。例如，在1300℃熱暴露50小時，以YSZ制備的TBCs的熱導率將從初始態的～1.0W/m·K升至～2.2W/m·K，隔熱能力直接下降50％以上。因此，TBCs抗燒結的關鍵是是保持其內部孔隙的穩定存在或自發再生。

另一方面，TBCs在服役中開裂剝落的主要原因是涂層的應變能量釋放率(G_i)超過了其自身的臨界應變能量釋放率(G_ic)。因此，延長涂層服役壽命的關鍵就是降低涂層的G_i，或提高涂層的G_ic，或者兩者兼顧實現。涂層的G_i與其自身的彈性模量正相關，而涂層的G_ic即為其斷裂韌性。因此，降低涂層的整體彈性模量、同時提升涂層整體的斷裂韌性，無疑會增強涂層抗開裂的能力，從而使高隔熱的熱障涂層可以較長時間穩定服役。

綜上，新一代高性能TBCs的結構設計一方面需在熱暴露中保證隔熱孔隙的穩定存在，另一方面需同時提升涂層的抗剝落能力，以實現TBCs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一種抗燒結長壽命雙層柱狀結構熱障涂層及其制備方法，隔熱層內的復合片層結構設計可在高溫服役中自發通過界面的張開形成隔熱孔隙，從而達到抗燒結的目的；增韌層則可提高熱障涂層的抗開裂剝落能力，柱狀結構可降低涂層在服役中的開裂驅動力，增韌層和柱狀結構可延長熱障涂層的服役壽命，以實現新一代熱障涂層抗燒結長壽命的協同設計。

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柱狀結構熱障涂層，包括自下至上依次設置的增韌層和隔熱層，增韌層包括由第一熱障涂層材料形成的若干層第一片層單元；隔熱層包括交替設置的第一涂層和第三片層單元，隔熱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，且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％；隔熱層和增韌層被縱向縫隙分割為柱狀；增韌層占增韌層和隔熱層總厚度的10％～50％。

進一步的，隔熱層內沿熱流方向相鄰的第三片層單元之間有M層第二片層單元，M為10-100內的自然數；所有第三片層單元的體積為所有第二片層單元和所有第三片層單元總體積的10％～50％。