[發明專利]DVC熱障涂層及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202210068076.2
• 申請日: 2022-01-20
• 公開（公告）號: CN114592164A
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 張顯程;陳小龍;龍東輝;束國剛;石俊秒;孫健;王衛澤;劉偉;余志勇;趙曉峰;涂善東;王大力
• 申請（專利權）人: 華東理工大學;暨南大學;中國聯合重型燃氣輪機技術有限公司;上海交通大學
• 主分類號: C23C4/134
• 分類號: C23C4/134;C23C4/11
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 宋麗榮

本發明涉及一種DVC熱障涂層的制備方法，其包括：提供粉體，所述粉體的化學成分為YSZ或YSZ+xGd₂O₃+yYb₂O₃或Gd₂Zr₂O₇+zYb₂O₃或LaMgAl₁₁O₁₉或La₂(Zr_0.7Ce_0.3)₂O₇，其中，x+y≤12wt.％，z≤20wt.％；所述粉體通過高熱焓大氣等離子噴涂形成DVC熱障涂層。本發明還提供上述的制備方法得到的DVC熱障涂層。本發明又提供一種提供上述的DVC熱障涂層的應用，其用于航空發動機或燃氣輪機高溫熱端部件。根據本發明的DVC熱障涂層，其化學成分為YSZ或YSZ+xGd₂O₃+yYb₂O₃或Gd₂Zr₂O₇+zYb₂O₃或LaMgAl₁₁O₁₉或La₂(Zr_0.7Ce_0.3)₂O₇，適應材料范圍廣，能提高其應變容限、工作溫度、抗侵蝕沖刷性能及抗熱沖擊循環壽命。

技術領域

本發明涉及航空發動機和燃氣輪機(兩機)高溫熱端部件表面熱障涂層，更具體地涉及一種DVC熱障涂層及其制備方法和應用。

背景技術

高性能熱障涂層(TBC)是不斷提高渦輪進口溫度，研制新一代航空發動機及燃氣輪機的關鍵技術之一。TBC利用高熔點、低熱導率、高硬度、抗腐蝕的氧化物陶瓷保護金屬基底，延長金屬熱端部件的使用壽命、降低燃油消耗和污染氣體排放，從而提高“兩機”的推重比、熱效率和綜合性能。TBCs廣泛應用在渦輪葉片、燃燒室、隔熱屏、燃油噴嘴、火焰筒和尾噴管等部位，大氣等離子噴涂(APS)是最常用的制備技術之一。APS采用等離子射流將熔化或半熔化的陶瓷加速撞擊到金屬基底形成層狀結構TBC。傳統APS TBC孔隙率高(10-30％)，涂層抗固體顆粒物侵蝕性能差、陶瓷涂層與金屬底層結合強度低、涂層應變容限低，高溫熱循環壽命短，不能滿足新一代航空發動機和燃氣輪機的研制需求。

通過改進大氣等離子噴涂技術在TBC中植入致密垂直裂紋結構(densevertically cracked，DVC)，可以顯著提高熱障陶瓷層與金屬粘接層的結合強度、界面斷裂韌性、陶瓷涂層斷裂韌性，還可以大幅提高其抗侵蝕、應變容限及熱循環壽命。

過去三十多年里，國內外開展了大量常規APS DVC TBCs的研究工作，盡管該類涂層已經在GE、普惠、羅羅、西門子、三菱重工等研制的航空發動機和燃氣輪機高溫熱端部件上獲得應用，但是常規APS DVC TBCs的制備工藝方法、顯微結構調控及服役性能還依然面臨以下亟待解決的技術難題：

垂直裂紋生長擴展決定于陶瓷扁平粒子(splat)界面的彌合擴展及熱應力狀態。當前，為了保持較高的垂直裂紋密度(涂層橫截面內單位毫米寬度內垂直金屬基底方向上垂直裂紋的個數，單位為cracks/mm)和最大程度降低橫向裂紋的生長擴展，國內外APS DVCTBCs制備中均需保持較高的高溫合金基底預熱溫度以及沉積溫度，國內有報道金屬基底預熱溫度≥400℃，實則普遍采取≥600℃的基底預熱溫度。國外報道要實現高達(～)7.5cracks/mm的垂直裂紋密度，預熱溫度≥750℃。采用較高預熱溫度不但會造成合金基底氧化疲勞損傷，而且顯著提高了制備工藝門檻，極大地限制了DVC TBCs在航空發動機和燃氣輪機高溫熱端部件上的制備及廣泛應用。

扁平粒子間界面的擴散彌合造成常規APS DVC TBCs的孔隙率低(≤6％)，涂層熱導率高，隔熱效果降低。