[發明專利]一種熱障涂層材料、其制備方法及應用

有效

• 申請號: 202111196349.3
• 申請日: 2021-10-14
• 公開（公告）號: CN113930710B
• 公開（公告）日: 2023-09-26
• 發明（設計）人: 黃繼波;黃仁忠;張小鋒;王衛澤;黃新春
• 申請（專利權）人: 廣東省科學院新材料研究所
• 主分類號: C23C4/134
• 分類號: C23C4/134;C23C4/11;C23C4/073
• 代理公司: 北京超凡宏宇知識產權代理有限公司 11463
• 代理人: 覃蛟

本發明公開了一種熱障涂層材料、其制備方法及應用，涉及熱障涂層技術領域。熱障涂層包括依次設置的合金基體、粘結層、陶瓷過渡層和陶瓷面層，陶瓷過渡層的孔隙率為1?8％，陶瓷面層包括具有多個微裂紋的涂層基體和嵌入涂層基體中的多孔陶瓷顆粒。在陶瓷面層中通過形成微裂紋能夠改善熱障涂層的橫向變形順應能力，改善涂層的應變容限；多孔陶瓷顆粒強化熱障涂層的隔熱能力，吸收形變能量的作用，降低熱障涂層在服役過程中承受到的應力。因此，本發明提供的熱障涂層能夠使涂層充分發揮高應變容限且抗界面開裂能力強的優點，涂層熱循環壽命獲得顯著提高。

技術領域

本發明涉及熱障涂層技術領域，具體而言，涉及一種熱障涂層材料、其制備方法及應用。

背景技術

熱障涂層廣泛應用于燃氣輪機和航空發動機熱端部件，利用陶瓷隔熱和抗腐蝕的特點來保護金屬材料，不僅可以提高發動機的燃油效率，還能極大地延長發動機的服役壽命。目前，熱障涂層已成功應用于燃燒室、葉片、尾噴管和其他熱端部件的熱防護，已成為先進燃氣輪機設計中的關鍵要素，廣泛應用于發電、船用和航空發動機等各種現代燃氣輪機中。多代發動機的實際應用證明熱障涂層技術是保護發動機部件不受高溫破壞的最有效方法。

盡管熱障涂層作為高溫部件表面的保護性涂層技術在燃氣輪機和航空發動機中已獲得了成功應用，但在嚴苛服役環境下，熱障涂層面臨高溫、高壓和熱沖擊的挑戰。一旦涂層發生過早退化或失效，被其保護的合金將直接暴露在過高溫度中，這對整個燃氣輪機的安全性和可靠性造成隱患和威脅。因此，如何進一步改善熱障涂層的壽命一直是人們密切關注和亟待解決的重要問題。

此外，未來燃氣輪機還將向著更高發動機效率和性能的方向發展，越來越高的服役溫度對當前熱障涂層體系帶來巨大挑戰。為滿足日益嚴苛的服役環境需求，開發更高性能新型熱障涂層技術，提高涂層的耐久性和隔熱性能，對于燃氣輪機技術的進一步發展具有重要意義。

鑒于此，特提出本發明。

發明內容

本發明的目的在于提供一種熱障涂層材料、其制備方法及應用，旨在顯著提升涂層的應變容限和抗開裂能力，改善熱障涂層的服役性能，延長涂層熱循環壽命。

本發明是這樣實現的：

第一方面，本發明提供一種熱障涂層材料，包括合金基體和在合金基體上依次沉積的粘結層、陶瓷過渡層和陶瓷面層，陶瓷過渡層的孔隙率為1-8％，陶瓷面層包括具有多個微裂紋的涂層基體和嵌入涂層基體中的多孔陶瓷顆粒。

第二方面，本發明提供前述實施方式中熱障涂層材料的制備方法，包括：在合金基體上沉積粘結層，在粘結層上沉積陶瓷過渡層，在陶瓷過渡層上形成陶瓷面層；其中，陶瓷面層的制備過程包括：在陶瓷過渡層上形成具有多個微裂紋的涂層基體，在涂層基體中形成嵌入的多孔陶瓷顆粒。

第三方面，本發明提供前述實施方式中熱障涂層材料或前述實施方式中任一項制備方法制備得到的熱障涂層材料在燃氣輪機中的應用。

本發明具有以下有益效果：發明人改進了熱障涂層材料的多層結構，包括合金基體、粘結層、陶瓷過渡層和陶瓷面層，在陶瓷面層中通過形成微裂紋能夠改善熱障涂層的橫向變形順應能力，從而緩解熱障涂層陶瓷層與底下金屬材料間的熱膨脹性不匹配問題，降低熱障涂層在熱震過程中產生的熱應力；通過設計彌散分布的多孔陶瓷顆粒強化熱障涂層的隔熱能力，同時多孔顆粒在涂層中還起到吸收形變能量的作用，從而降低熱障涂層在服役過程中承受到的應力。此外，利用致密的陶瓷過渡層有利于阻礙環境中的氧氣和腐蝕介質進入到粘結層，從而抑制熱障涂層粘結層和陶瓷層界面的氧化物生長，從而改善該體系熱障涂層的氧化失效。

因此，本發明實施例所提供的熱障涂層的結構設計，能夠使涂層充分發揮高應變容限且抗界面開裂能力強的優點，涂層熱循環壽命獲得顯著提高。

附圖說明