本發(fā)明屬于合金涂層制備領(lǐng)域，具體涉及一種多層熱障涂層及其制備方法。

背景技術(shù)：

近些年，為提高航空發(fā)動機的推力和燃料的熱效率，航空發(fā)動機設(shè)計的入口溫度高達(dá)1700℃，葉片等高溫部件的工作溫度也達(dá)到1200℃左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于先進(jìn)鎳基高溫合金可承受的工作溫度（1000℃）。為解決此難題，在葉片表面制備一層熱障涂層，可以使高溫合金表面與高溫燃?xì)庵g降低100-300℃。熱障涂層不僅可以提高葉片抗高溫腐蝕能力，延長其使用壽命，還可以提高發(fā)動機的溫度，提高工作效率，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機等領(lǐng)域。目前應(yīng)用最廣泛的熱障涂層由金屬粘結(jié)層和隔熱陶瓷層雙層系統(tǒng)組成。高溫服役時，金屬粘結(jié)層與透過陶瓷層的氧反應(yīng)生成熱生長氧化物（thermallygrownoxidetgo），成為熱障涂層失效的一個重要原因。除此之外，外部腐蝕介質(zhì)（如cmas）與陶瓷層反應(yīng)和陶瓷層燒結(jié)也是導(dǎo)致熱障涂層過早剝落失效的重要原因。為解決以上原因引起的熱障涂層過早失效問題，采用多層復(fù)合涂層技術(shù)和特殊制備方法延長熱障涂層壽命已成為研究熱點。中國專利（申請?zhí)枺?01110021402.6）公布了一種具有al2o3封閉層的多層熱障涂層，其由表面al2o3封閉層、第一陶瓷層、第二陶瓷層和粘結(jié)層組成，提高了抗熱腐蝕性。但表層al2o3封閉層熱膨脹系數(shù)為8.0×10^-6m/k，而第二陶瓷層zro2熱膨脹系數(shù)為11～13×10^-6m/k，兩者熱膨脹系數(shù)相差較大，在服役時由于熱膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生較大熱失配應(yīng)力導(dǎo)致al2o3封閉層剝落，而且制備工藝復(fù)雜。中國專利（申請?zhí)枺?00910218772.1）公布了一種熱障涂層及其制備方法，其特點是采用多層系統(tǒng)，由隔熱陶瓷層、梯度結(jié)構(gòu)層、抗斷裂結(jié)構(gòu)層和粘結(jié)層構(gòu)成，具有良好的抗斷裂性和延長壽命的特點，但該涂層體系結(jié)構(gòu)和制備工藝復(fù)雜，原料獲取困難，制備涂層體系成本過高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種多層熱障涂層及其制備方法。該涂層結(jié)構(gòu)具有良好的抗高溫氧化、抗熱震綜合性能，原料成本較低，制備工藝簡單。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種多層熱障涂層，該多層熱障涂層由下至上包括：粘結(jié)層、8ysz陶瓷層和al2o3/8ysz（8mol%y2o3穩(wěn)定的zro2）復(fù)合涂層；其中al2o3/8ysz復(fù)合涂層中，al2o3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%~50%，8ysz為50%~90%。

優(yōu)選的，所述的al2o3/8ysz復(fù)合涂層中，al2o3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，8ysz為75%。

所述的多層熱障涂層中粘結(jié)層的厚度為50～150μm，8ysz陶瓷層的厚度為50～150μm，al2o3/8ysz復(fù)合涂層的厚度為100～150μm。

一種制備如上所述的多層熱障涂層的方法，包括以下步驟：

1）將8ysz粉末和氧化鋁粉末按一定質(zhì)量比混合，置于球磨機中混合12小時后得到復(fù)合粉末；

2）對高溫合金基體表面進(jìn)行凈化處理和噴砂處理，備用；

3）采用熱噴涂方法在步驟2）預(yù)處理后的基體表面噴涂一層粘結(jié)層，然后再采用熱噴涂方法在粘結(jié)層上噴涂8ysz陶瓷層，最后將步驟1）制得的復(fù)合粉末熱噴涂于8ysz陶瓷層上，形成al2o3/8ysz復(fù)合涂層；即得多層熱障涂層。

步驟2）所述的凈化處理具體為：對高溫合金基體機械磨削去除氧化皮，然后放入50～70g/lnaoh溶液中浸泡30分鐘，進(jìn)行除油處理。

步驟1）中氧化鋁粉末的粒徑為25～45μm，8ysz粉末的粒徑為45～75μm。

作為優(yōu)選，所述的熱噴涂技術(shù)包括但不限于等離子噴涂，超音速火焰噴涂等。

所述的各層涂層厚度根據(jù)實際運用場所可以變化。

本發(fā)明的熱障涂層具有優(yōu)良的抗高溫氧化性和耐腐蝕性，如圖1所示，表層為al2o3/8ysz復(fù)合涂層，al2o3與8ysz兩者混合可以得到優(yōu)良的耐高溫、耐磨和抗熱震的綜合性能。首先該層中al2o3具有較好的致密性，能夠有效阻擋氧和外部腐蝕介質(zhì)向涂層內(nèi)擴散以免涂層因發(fā)生氧化或腐蝕而過早失效，而且復(fù)合層中al2o3有較好的耐磨性。其次噴涂后該層具有較多的垂直裂紋，大大增加了涂層的應(yīng)變?nèi)菹蓿黠@提高了涂層的抗熱震性。為減小表層al2o3/8ysz復(fù)合層與金屬粘結(jié)層因熱膨脹系數(shù)差產(chǎn)生的熱失配應(yīng)力，在表層al2o3/8ysz復(fù)合涂層與金屬粘結(jié)層之間噴涂8ysz陶瓷層，緩解因兩者熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的熱失配應(yīng)力。該新型多層熱障涂層具有良好的抗高溫氧化、抗熱震綜合性能，原料成本較低，制備工藝簡單。

本發(fā)明的顯著優(yōu)點在于：

涂層原材料為商用微米級粉末，來源廣，成本低，而且制備工藝簡單。制備的涂層結(jié)合強度高，表面的al2o3/8ysz復(fù)合陶瓷層致密，能夠有效阻止氧和腐蝕介質(zhì)向涂層內(nèi)擴散，大大提高了涂層的抗高溫氧化性能，而且表層al2o3/8ysz復(fù)合涂層具有一定數(shù)量垂直裂紋，增強了涂層的應(yīng)變?nèi)菹?，提高了其抗熱震性，表面al2o3/8ysz復(fù)合陶瓷層與金屬粘結(jié)層之間設(shè)置8ysz陶瓷層具有緩解兩者熱失配應(yīng)力作用，有效地延長了熱障涂層的壽命,可廣泛用于各種高溫耐熱部件。

附圖說明

圖1是本發(fā)明多層熱障涂層結(jié)構(gòu)示意圖；1-基體材料，2-粘結(jié)層，3-8ysz陶瓷層，4-al2o3/8ysz復(fù)合陶瓷層；

圖2是本發(fā)明實施例1中al2o3/8ysz復(fù)合陶瓷層微觀組織電鏡圖；

圖3是本發(fā)明提出的多層熱障涂層三個實施例與傳統(tǒng)雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層的抗高溫氧化性能對比圖；

圖4是本發(fā)明提出的多層熱障涂層三個實施例與傳統(tǒng)雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層的熱震壽命對比圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，需要指出的是，以下所述實施例旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。

實施例1

一種多層熱障涂層及其制備方法，包括以下步驟：

步驟1）：將8ysz粉末（75wt%）和氧化鋁粉末（25wt%）混合，8ysz粉末粒徑范圍45～75μm，氧化鋁粉末粒徑范圍25～45μm，將混合粉末置于行星球磨機中混合12小時后得到復(fù)合粉末；

步驟2）：將inconel718高溫合金基體表面進(jìn)行凈化處理，具體凈化處理條件為：對基底機械磨削去除氧化皮，然后放入濃度為60g/l的naoh溶液中浸泡30分鐘，進(jìn)行除油處理；然后對高溫合金基體表面進(jìn)行噴砂處理，為熱噴涂做準(zhǔn)備；

步驟3）：采用等離子噴涂在步驟2）處理后的基底上制備一層平均厚度為100μm的nicocraly粘結(jié)層，nicocraly粉末粒徑范圍38～75μm，然后再采用等離子噴涂在上述所得的粘結(jié)層進(jìn)行噴涂平均厚度為100μm的8ysz陶瓷層；最后采用等離子噴涂將步驟1）處理的復(fù)合粉末噴涂在上述所得的8ysz陶瓷層上，平均厚度為150μm的al2o3/8ysz復(fù)合陶瓷層，即得多層結(jié)構(gòu)熱障涂層。

各層具體噴涂參數(shù)見表1。

表1等離子噴涂工藝參數(shù)

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上述工藝制備的多層熱障涂層結(jié)合良好，表面al2o3/8ysz復(fù)合陶瓷層孔隙率僅為2%。將上述制備的多層熱障涂層和傳統(tǒng)的雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層在1100℃電阻爐高溫氧化200小時后發(fā)現(xiàn)，多層熱障涂層中粘結(jié)層高溫氧化生成的熱生長氧化物（thermallygrownoxides簡稱tgo）平均厚度為7.1μm，而傳統(tǒng)雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層中tgo平均厚度為8.9μm，表明本發(fā)明設(shè)計的多層熱障涂層具有更優(yōu)異的抗高溫氧化性能。將上述制備的多層熱障涂層和傳統(tǒng)的雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層放入溫度為1000℃電阻爐內(nèi)保溫15分鐘，取出試樣放入水中快速冷卻至室溫，如此循環(huán)進(jìn)行熱震試驗。結(jié)果表明，本發(fā)明設(shè)計多層熱障涂層熱震壽命為103次，與傳統(tǒng)的雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層熱障壽命62次相比而言提高了41次，分析其原因為al2o3/8ysz復(fù)合陶瓷層中存在較多的垂直裂紋從而增加了涂層的應(yīng)變?nèi)菹?，在al2o3/8ysz復(fù)合陶瓷層與粘結(jié)層之間設(shè)置8ysz陶瓷層有效減少熱失配應(yīng)力，從而提高了多層熱障涂層抗熱震性能。上述試驗結(jié)果表明本發(fā)明設(shè)計的多層熱障涂層具有更優(yōu)異的抗高溫氧化性和抗熱震性綜合性能。

實施例2

一種多層熱障涂層及其制備方法，包括以下步驟：

步驟1）：將8ysz粉末（90wt%）和氧化鋁粉末（10wt%）混合，8ysz粉末粒徑范圍45～75μm，氧化鋁粉末粒徑范圍25～45μm，將混合粉末置于行星球磨機中混合12小時后得到復(fù)合粉末；

步驟2）：將inconel718高溫合金基體表面進(jìn)行凈化處理，具體凈化處理條件為：對基底機械磨削去除氧化皮，然后放入濃度為60g/l的naoh溶液中浸泡30分鐘，進(jìn)行除油處理；然后對高溫合金基體表面進(jìn)行噴砂處理，為熱噴涂做準(zhǔn)備；

步驟3）：采用等離子噴涂在步驟2）處理后的基底上制備一層平均厚度為100μm的nicocraly粘結(jié)層，nicocraly粉末粒徑范圍38～75μm，然后再采用等離子噴涂在上述所得的粘結(jié)層進(jìn)行噴涂平均厚度為100μm的8ysz陶瓷層；最后采用等離子噴涂將步驟1）處理的復(fù)合粉末噴涂在上述所得的8ysz陶瓷層上，平均厚度為150μm的al2o3/8ysz復(fù)合陶瓷層，即得多層結(jié)構(gòu)熱障涂層。

上述制備的多層熱障涂層結(jié)合良好，al2o3/8ysz復(fù)合陶瓷層中存在較多的垂直裂紋。對上述制備的多層熱障涂層進(jìn)行實施例1相同的抗高溫氧化試驗和熱震試驗，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過200小時高溫氧化后tgo平均厚度為7.5μm，小于傳統(tǒng)雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層tgo平均厚度。上述制備的多層熱障涂層熱震壽命為81次，較傳統(tǒng)雙層熱障涂層熱震壽命提高了19次。

實施例3

一種多層熱障涂層及其制備方法，包括以下步驟：

步驟1）：將8ysz粉末（50wt%）和氧化鋁粉末（50wt%）混合，8ysz粉末粒徑范圍45～75μm，氧化鋁粉末粒徑范圍25～45μm，將混合粉末置于行星球磨機中混合12小時后得到復(fù)合粉末；

步驟2）：將inconel718高溫合金基體表面進(jìn)行凈化處理，具體凈化處理條件為：對基底機械磨削去除氧化皮，然后放入濃度為60g/l的naoh溶液中浸泡30分鐘，進(jìn)行除油處理；然后對高溫合金基體表面進(jìn)行噴砂處理，為熱噴涂做準(zhǔn)備；

步驟3）：采用等離子噴涂在步驟2）處理后的基底上制備一層平均厚度為100μm的nicocraly粘結(jié)層，nicocraly粉末粒徑范圍38～75μm，然后再采用等離子噴涂在上述所得的粘結(jié)層進(jìn)行噴涂平均厚度為100μm的8ysz陶瓷層；最后采用等離子噴涂將步驟1）處理的復(fù)合粉末噴涂在上述所得的8ysz陶瓷層上，平均厚度為150μm的al2o3/8ysz復(fù)合陶瓷層，即得多層結(jié)構(gòu)熱障涂層。

上述制備的多層熱障涂層結(jié)合良好，al2o3/8ysz復(fù)合陶瓷層中存在較多的垂直裂紋。對上述制備的多層熱障涂層進(jìn)行實施例1相同的抗高溫氧化試驗和熱震試驗，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過200小時高溫氧化后tgo平均厚度為6.5μm，小于傳統(tǒng)雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層tgo平均厚度。上述制備的多層熱障涂層熱震壽命為67次，較傳統(tǒng)雙層熱障涂層熱震壽命提高了5次。由于復(fù)合涂層中氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)已經(jīng)達(dá)到50%，導(dǎo)致al2o3/8ysz復(fù)合陶瓷層與8ysz陶瓷層熱膨脹系數(shù)差值相比實施例1和2中兩者的熱膨脹系數(shù)差值都要大，相比實施例1和實施例2而言，熱震壽命有所降低。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。