專利名稱：具有富鋁擴散層粘結(jié)層的陶瓷熱障涂層及制備方法
具有富鋁擴散層粘結(jié)層的陶瓷熱障涂層及制備方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于涂層制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種具有富鋁擴散層粘結(jié)層的陶瓷熱障涂層及制備方法，通過改善粘結(jié)層后期供Al狀況，提高熱障涂層的抗熱沖擊性，延長其使用壽命。
背景技術(shù)：
隨著航空航天技術(shù)的進步，航空燃?xì)鉁u輪機正在向著高流量比、高推重比和高渦輪進口溫度方向發(fā)展，但隨著燃?xì)鉁囟群腿細(xì)鈮毫Φ牟粩嗵岣?，熱端部件服役溫度高達 1500°C，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過高溫合金的服役極限，由此促進了降低發(fā)動機熱端部件溫度技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。除改進冷卻技術(shù)外，在高溫合金熱端部件表面制備熱障涂層是重要手段之一。
陶瓷熱障涂層系統(tǒng)一般采用雙層結(jié)構(gòu)，其中表層是陶瓷層，多采用被釔穩(wěn)定的鋯， 該層在高溫下穩(wěn)定性較好，主要起隔熱作用；陶瓷層與基體之間為粘結(jié)層，目前該層通常采用MCrAH材料，其中M包括鎳、鈷、鐵或其中組合中的至少一種，Cr是鉻，Al是鋁，而Y是釔，其功能是改善基體與陶瓷層之間的熱匹配，并且在高溫服役過程中于粘結(jié)層與陶瓷層之間形成熱生長氧化物層(TGO :Thermally Grown Oxides)。TGO可以防止粘結(jié)層氧化腐蝕，直接影響熱障涂層的壽命。多年研究發(fā)現(xiàn)，熱障涂層的失效多集中于TGO處，隨著其不斷生長，附近將會形成貧鋁區(qū)，從而導(dǎo)致該區(qū)域Ni，Co等元素選擇性氧化，形成的氧化物與 TGO中Al2O3發(fā)生反應(yīng)生成尖晶石結(jié)構(gòu)物質(zhì)(Spinel),會影響氧化膜的連續(xù)性，消耗合金元素，加速涂層的退化，最終導(dǎo)致涂層失效。
為了解決上述問題，我們提出一種新型熱障涂層系統(tǒng)通過改善鋁元素擴散機制， 增加氧化后期粘結(jié)層的供Al，進而干預(yù)TGO的生長，可以有效提高熱障涂層的使用壽命。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，通過預(yù)先沉積富鋁擴散層3，改善氧化后期主粘結(jié)層的供Al，減少TGO層5附近尖晶石結(jié)構(gòu)物質(zhì)的形成，提高熱障涂層的抗熱沖擊性， 延長其使用壽命。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
—種具有富鋁擴散層粘結(jié)層的陶瓷熱障涂層，其在基體4與主粘結(jié)層2之間設(shè)置一層富Al擴散層3。
本發(fā)明的陶瓷熱障涂層，基體上的瓷熱障涂層為三層，依次為富鋁擴散層3、主粘結(jié)層2和陶瓷涂層I ;對應(yīng)的厚度依次為20 60 μ m、100 150 μ m和250 500 μ m。
本發(fā)明的具有富鋁擴散層粘結(jié)層的陶瓷熱障涂層的制備方法，步驟如下
I)對基體4表面進行清洗和噴砂處理；
2)采用超音速火焰噴涂方法在基體表面沉積富鋁擴散層3 ；
3)采用超音速火焰或者等離子噴涂方法在富鋁擴散層3表面上沉積主粘結(jié)層2 ；
4)采用等離子噴涂方法在主粘結(jié)層上沉積陶瓷層1，獲得具有富鋁擴散層粘結(jié)層的陶瓷熱障涂層。
所述步驟2)中用于沉積富鋁擴散層3的顆粒選擇Ni20Al材料，其中Ni是鎳，Al 是鋁，平均粒徑分布為45 125 μ m,采用的超音速噴涂方法，噴涂功率20 50kW，噴涂電流400 800A，送粉氣體為N2,氣體壓力O. 6MPa，噴涂距離80 180mm，涂層厚度為20 60 μ m0
所述的步驟3)中用于沉積主粘結(jié)層2的粉末可選擇MCrAlY材料，其中M包括鎳、 鈷、鐵至少一種或其中的組合，Cr是鉻，Al是鋁，而Y是釔，其平均粒徑分布范圍為10 100 μ m，，所采用的沉積方法為超音速火焰噴涂或等離子噴涂方法。
本發(fā)明的熱障涂層系統(tǒng)是在基體4上預(yù)先噴涂富鋁擴散層3，與主粘結(jié)層2及陶瓷層I構(gòu)成具有富鋁擴散層粘結(jié)層的陶瓷熱障涂層系統(tǒng)，可以在氧化后期為TGO的生長提供充分的Al，減少尖晶石的生成。本發(fā)明屬于涂層制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及制備一種具有富鋁擴散層粘結(jié)層的陶瓷熱障涂層及制備方法，改善粘結(jié)層后期供Al狀況，提高熱障涂層的抗熱沖擊性和延長其使用壽命。


圖I為本發(fā)明一種具有富鋁擴散層粘結(jié)層的陶瓷熱障涂層的示意圖2a為經(jīng)典陶瓷熱障涂層系統(tǒng)在服役初期的Al的擴散情況；
圖2b為本發(fā)明的陶瓷熱障涂層系統(tǒng)在服役初期的Al的擴散情況；
圖3a為經(jīng)典陶瓷熱障涂層系統(tǒng)在服役后期的Al的擴散情況；
圖3b為本發(fā)明的陶瓷熱障涂層系統(tǒng)在服役后期的Al的擴散情況。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述
實施例I :
參見圖1，采用鎳基高溫合金作為基體4，將待噴涂的基體4表面以剛玉砂礫進行噴砂粗化處理，去除表面的氧化層及雜物，活化及粗化表面。選用Ni20Al作為富鋁擴散層3 的材料，利用超音速火焰噴涂方法制備富鋁擴散層3，噴涂功率20 50kW，噴涂電流400 800A，送粉氣體為N2,氣體壓力O. 6MPa，噴涂距離100mm，涂層厚度為20 μ m。選用CoNiCrAH 作為主粘結(jié)層2的材料，其成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Ni為32%、Cr為21%、Al為8%、Y為O. 5%， 余量為Co，利用超音速火焰噴涂方法在富鋁擴散層3表面上制備主粘結(jié)層2，涂層厚度為 130 μ m。最后選擇8YSZ作為陶瓷層I的材料，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Y2O3為8%，余量為ZrO2，采用等離子噴涂方法在主粘結(jié)層2表面上制備陶瓷層I，厚度為300 μ m。
實施例2
本實施例采用與實施例I相同的方法，制備富鋁擴散層3的噴涂距離為180mm，富鋁擴散層3的厚度為60 μ m,主粘結(jié)層2的厚度為100 μ m,陶瓷層I的厚度為300 μ m,其余步驟同實例I。
實施例3
本實施例制備富鋁擴散層3的噴涂距離為80mm，富鋁擴散層3的厚度為40 μ m。選用NiCrAH作為主粘結(jié)層2的材料，其成分及質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為Cr為22%、A1為10%、Y為1%，余量為Ni，利用等離子噴涂方法在富鋁擴散層3表面上制備主粘結(jié)層2，涂層厚度為120 μ m。 陶瓷層I的厚度為400 μ m，其余步驟同實例I。
對比新的熱障涂層系統(tǒng)與經(jīng)典熱障涂層系統(tǒng)，如附圖2、3所示。圖2a，b表示的是氧化初期兩種陶瓷熱障涂層體系A(chǔ)l擴散的情況，在陶瓷熱障涂層服役初期，經(jīng)典陶瓷熱障涂層系統(tǒng)中，如圖2a所示，由于Al相比較Ni，Cr，Co的氧化勢能最低，在主粘結(jié)層2與陶瓷層I界面形成TGO層5，這樣Al便與粘結(jié)層內(nèi)部形成一定的濃度梯度，主粘結(jié)層2內(nèi)部Al 將向表層擴散，同時，由于主粘結(jié)層2與基體4也存在Al的濃度梯度，故主粘結(jié)層2中Al 同時向兩個方向擴散；而具有富鋁擴散層的陶瓷熱障涂層中，如圖2b所示，同樣的原因，主粘結(jié)層2中Al向上擴散供給TGO層10生長，但由于富鋁擴散層3的存在，減少了主粘結(jié)層 2與基體4之間Al的濃度梯度，有利于推遲主粘結(jié)層2中貧鋁區(qū)7出現(xiàn)的時間。圖3a，b 表示的是氧化后期兩種陶瓷熱障涂層體系A(chǔ)l擴散的情況，在熱障涂層服役后期，經(jīng)典陶瓷熱障涂層系統(tǒng)中，如圖3a所示，主粘結(jié)層2中Al已經(jīng)不能及時充分供給TGO層5的生長， 導(dǎo)致TGO層5下方出現(xiàn)貧鋁區(qū)7，Ni、Cr、Co便獲得優(yōu)先氧化勢，形成氧化物，進而與已經(jīng)生成的Al2O3反應(yīng)生成尖晶石結(jié)構(gòu)物質(zhì)Ni (Cr, AD2O4層6,影響氧化膜的連續(xù)性，消耗合金元素，加速涂層的退化，最終導(dǎo)致涂層失效；而具有富鋁擴散層粘結(jié)層的陶瓷熱障涂層中，如圖3b所示，由于富鋁擴散層3的存在，主粘結(jié)層2中Al的含量較充足，此時仍可以充分供給TGO層5的生長，保證TGO層5主要成分為Al2O3,不生成或者少生成尖晶石結(jié)構(gòu)物質(zhì)，將貧鋁區(qū)出現(xiàn)的時間推遲，從而延長涂層使用壽命。
由于本發(fā)明的具有富鋁擴散層粘結(jié)層的陶瓷熱障涂層系統(tǒng)在氧化后期，富鋁擴散層3可以提供更多的Al供給TGO的生長，推遲貧鋁區(qū)7形成的時間，盡可能減少TGO尖晶石的快速生長所造成的陶瓷層I與主粘結(jié)層間2的界面失效。
盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實例進行了詳細(xì)描述，但本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍內(nèi)，可以改變富鋁擴散層與主粘結(jié)層的厚度，材料組分也可以任意改變。這些均在本發(fā)明的保護之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.具有富鋁擴散層粘結(jié)層的陶瓷熱障涂層，其特征是在基體與主粘結(jié)層之間設(shè)置一層富鋁擴散層。
2.如權(quán)利要求I所述的陶瓷熱障涂層，其特征是基體上的瓷熱障涂層為三層，依次為富鋁擴散層、主粘結(jié)層和陶瓷層；對應(yīng)的厚度依次為20 60 μ m、100 150 μ m和250 500 μ m0
3.權(quán)利要求2的具有富鋁擴散層粘結(jié)層的陶瓷熱障涂層的制備方法，其特征是步驟如下 1)對基體表面進行清洗和噴砂處理； 2)采用超音速火焰噴涂方法在基體表面沉積富鋁擴散層； 3)采用超音速火焰或者等離子噴涂方法在富鋁擴散層表面上沉積主粘結(jié)層； 4)采用等離子噴涂方法在主粘結(jié)層上沉積常規(guī)的陶瓷層，獲得具有富鋁擴散層粘結(jié)層的陶瓷熱障涂層。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征是所述步驟2)中用于沉積富鋁擴散層的粉末選擇Ni20Al材料，其平均粒徑分布為45 125 μ m,采用的超音速噴涂方法，噴涂功率20 50kff,噴涂電流400 800A，送粉氣體為N2,氣體壓力O. 6MPa，噴涂距離80 180mm，涂層厚度為20 60μπι。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征是所述的步驟3)中用于沉積主粘結(jié)層的粉末可選擇MCrAH材料，其中M包括鎳、鈷、鐵的至少一種或其中的組合，平均粒徑分布范圍為10 .100 μ m，所采用的沉積方法為超音速火焰噴涂或等離子噴涂方法。
全文摘要
本發(fā)明是具有富鋁擴散層粘結(jié)層的陶瓷熱障涂層及其制備方法。在基體與主粘結(jié)層之間設(shè)置一層富鋁擴散層?；w上的陶瓷熱障涂層為三層，依次為富鋁擴散層、主粘結(jié)層和陶瓷層；對應(yīng)的厚度依次為20～60μm、100～150μm和250～500μm。采用超音速火焰噴涂方法在基體表面沉積富鋁擴散層；采用超音速火焰或者等離子噴涂方法在富鋁擴散層表面上沉積主粘結(jié)層；采用等離子噴涂方法在主粘結(jié)層上沉積常規(guī)的陶瓷層，獲得具有富鋁擴散層粘結(jié)層的陶瓷熱障涂層。本發(fā)明在熱障涂層生長后期的貧鋁期為熱生長氧化物的生長提供充分的鋁元素，減少尖晶石結(jié)構(gòu)物質(zhì)的生成，從而能夠改善熱障涂層的抗熱沖擊性和延長其使用壽命。
文檔編號C23C4/04GK102925841SQ20121044416
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月7日
發(fā)明者郝杰, 韓玉君, 陸冠雄, 葉福興 申請人:天津大學(xué)