[發明專利]一種抗熱震的熱障涂層材料及制備方法

有效

• 申請號: 202011294798.7
• 申請日: 2020-11-18
• 公開（公告）號: CN112481577B
• 公開（公告）日: 2021-12-21
• 發明（設計）人: 王林;林小娉;楊連威;鄭潤國;鄧晨;李卓達
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C23C4/06
• 分類號: C23C4/06;C23C4/10;C23C4/134;C22C49/02;C22C49/14;C04B35/488;C04B35/49;C04B35/80;C22C101/04
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 陳玲玉

本發明公開了一種抗熱震的熱障涂層材料及制備方法，屬于表面涂層技術領域。該熱障涂層材料中粘結層原料包括納米Cr、納米Ni、納米Co、納米鈦酸鑭和三氧化二鋁纖維；陶瓷層原料包括納米鈦酸鉺、部分穩定ZrO₂(8YSZ粉末)、氮化硅纖維、氮化鈦纖維。采用大氣等離子噴涂工藝將粘結層粉末噴涂到高溫合金基體上；然后將陶瓷層粉末噴涂到粘結層上。該熱障涂層材料各層間、涂層與基體間界面結合力強，在使用中不僅能夠提高涂層的致密性、隔熱性，在涂層的斷裂韌性方面尤為突出，可顯著解決熱障涂層服役過程中易開裂、剝落失效的問題。本發明制備的熱障涂層材料在航空航天發動機熱端部件的應用中能有效延長服役壽命，降低維修費用，具有實際的經濟和社會價值。

技術領域

本發明屬于熱障涂層技術領域，特別涉及一種抗熱震熱障涂層材料及制備方法。

背景技術

熱障涂層是將具有耐高溫、低熱導率、抗腐蝕的陶瓷材料以涂層的方式涂覆在工件表面，以降低高溫服役環境下工件表面溫度的一種熱防護技術。目前該技術主要應用于燃氣發動機渦輪葉片，以提高發動機的壽命。為滿足航空渦輪發動機工作溫度不斷提升以及發動機在惡劣環境下長時間穩定工作的需求，除發展新一代高溫合金材料外，熱障涂層的作用已經不可替代。隨著航空技術的迅速發展，發動機渦輪葉片前燃氣進口溫度已達到1700℃，對涂層的耐熱要求越來越高。目前熱障涂層系統中最為廣泛使用的是6-8wt.％Y₂O₃-ZrO₂(8YSZ)材料，雖然其隔熱效果明顯，但是經過多次服役后卻存在氧化失效、燒結嚴重、熱膨脹不匹配等一系列嚴重問題，尤其是抗熱震性能差(如過早開裂、剝落等)而直接導致涂層服役壽命結束。

與8YSZ相比，稀土鋯酸鹽(Ln₂Zr₂O₇)具有更優隔熱性能、相穩定性、抗熔鹽和CMAS腐蝕能力，被認為是一種具有前景的新一代熱障涂層材料。但Ln₂Zr₂O₇的斷裂韌性較差，僅為8YSZ的10-20％，這在很大程度上限制了Ln₂Zr₂O₇在熱障涂層領域的應用。對于改進熱障涂層的優異性能方面，國內外學者進行了大量研究工作。Ren等人通過在氧化釔穩定氧化鋯中加入磷酸鑭相來改善涂層材料斷裂韌性，并將其增韌機理歸因于裂紋偏轉模式的改變。Pan等人的研究表明在La₂Zr₂O₇中添加第二相LaPO₄可提高涂層隔熱性能并改善其斷裂韌性和彈性模量。以上研究雖然都獲得了較好的效果，但熱障涂層易開裂、剝落的問題還是存在。

因此，迫切需要尋求一種能夠長期穩定工作于1200℃以上條件下的新型的抗熱震熱障涂層陶瓷材料。大量研究表明，熱障涂層服役過程中，在陶瓷層/粘結層之間生成的熱生長氧化物(TGO，主要成分為α-Al₂O₃)對涂層的開裂與剝落起著決定性作用。針對其特點，本發明著重在8YSZ熱障涂層優異性能的基礎上，對TGO進行改性，致力于開發一種能夠改善涂層斷裂韌性和彈性模量，進而達到大幅提高其抗熱震性能，最終實現涂層抗熱震的目的。

發明內容

為了克服現有技術中存在的不足，本發明提出一種抗熱震熱障涂層原料及其制備方法。該熱障涂層具有粉料簡單易制備，對噴涂設備無特殊要求，大氣等離子噴涂設備即可實現，生產成本低，與基體結合良好且抗熱震性能優異的特點。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種抗熱震的熱障涂層材料，該熱障涂層材料包括粘結層原料和陶瓷層原料；其中，粘結層原料用于形成粘結層，陶瓷層原料用于形成陶瓷層；粘結層設于高溫合金基體上，陶瓷層設于粘接層上；