一种多层热障涂层及其制备方法

专利名称：一种多层热障涂层及其制备方法
技术领域：
本发明涉及涂层技术领域，具体涉及一种多层热障涂层及其制备方法。
背景技术：
提高航空发动机涡轮前进口温度可以提高发动机的推力和燃料的热效率，推比10 航空发动机的设计进口温度达到1577°C以上，推比15以上的航空发动机的设计进口温度 超过1727°C，而目前最先进的镍基合金叶片的承温能力在1100°C以下，加上先进的气膜冷 却技术(最大可使工件表面温度降低400°C )，仅相对于推比10航空发动机，仍然有100 200°C的温差需要克服。然而，先进的气膜冷却技术在降低叶片表面温度的同时，不可避免 的损失很大部分能量，增加发动机的负担；此外，开在叶片前缘的冷却气流孔隙使叶片更加 难以制造，而且这些孔隙还会导致应力集中，对叶片的寿命产生负面影响。因此单独使用金 属材料已经不能满足高推重比航空发动机的设计及使用要求。在航空发动机涡轮叶片表面 涂覆一层热障涂层，不仅可以提高其抗高温腐蚀能力，延长使用寿命，还可提高发动机的工 作温度，满足高推重比航空发动机的使用要求。参考文献 IPadture N P, Gell M, Jordan E H. Thermal barrier coatings for gas-turbine engineapplications [J] · Science，2002，296 :280-284.中记载了&03 稳定的 ZrO2(YSZ)材料因为熔点高、硬度高、强度和韧性较高、导热系数低、热膨胀系数与耐热合金 十分接近，成为近20多年来研究和应用最多的热障涂层陶瓷层材料。但当其在1200°C以上 的温度环境下长期循环使用时，非相变四方相将转化为四方相和立方相的混合体，新产生 的四方相在冷却时转变为单斜相并伴有3. 5%左右的体积改变，导致涂层剥落失效。另外， 参考文献 2 Jones R. L. . Development of Hot-Corrosion-Resistant Zirconia Thermal Barrier Coatings. Mater High iTemp, 1991，9 :2沘_236 中记载了燃油中的 Νει20，S03，V2O5 等 易与YSZ中的稳定剂IO3反应，使YSZ发生热腐蚀从而导致涂层失效。然而下一代高性能航空发动机热障涂层的长期使用温度必须超过1200°C，服役环 境也更加苛刻，因此急需研究和开发耐超高温(> 1250°C )、低热导率、耐腐蚀的新一代热 障涂层陶瓷层材料。多元氧化物稳定氧化锆、稀土锆酸盐、萤石结构氧化物、烧绿石结构氧 化物、钙钛矿结构氧化物、磁铁铅矿六方镧铝酸盐等都被研究用来做热障涂层陶瓷层材料， 然而由于与基体热膨胀不匹配的问题，导致热循环寿命较低。比如La2O3-CeO2体系陶瓷层材 料具有比8YSZ更低的热导率，更高的热膨胀系数，但在200-400°C范围内热膨胀系数存在 异常下降现象，导致热冲击寿命较低。鉴于8YSZ较高的热膨胀系数，常在新陶瓷层与粘结 层间设置一层8YSZ陶瓷层，可显著提高热冲击性能。在参考文献3W. Ma,H. Dong,H. B. Guo, et al. Thermalcycling behavior of La2Ce207/8YSZ double-ceramic-layer thermal barrier coatings prepared byatmospheric plasma spraying[J], surf Coat Technol, 2010,204 :3366-3370.中的研究表明，在La2O3-C^2体系陶瓷层与粘结层间设置一层8YSZ 陶瓷层后涂层的热冲击寿命显著提高。双陶瓷层热障涂层失效形式表现为层层剥落，其抗热腐蚀性能依然未有较大提高。为了进一步提高热障涂层的抗热冲击寿命，有效控制热障涂层不被燃油中的Na20、&03、 V2O5等腐蚀性物质腐蚀，满足更高使用温度、更长寿命先进航空发动机的要求，研究和开发 具有更长热冲击寿命、更强抗热腐蚀能力的热障涂层及其制备技术已成为当前最紧迫的任 务。

发明内容
针对现有技术中存在的问题，在现有双陶瓷层热障涂层的基础上，本发明提出一 种多层热障涂层及其制备方法。解决了双陶瓷层热障涂层在热循环过程中层层剥落式的失 效和抗腐蚀性能不佳的问题，以及常规等离子喷涂技术制备的热障涂层抗热冲击性能低的 技术问题。本发明提出一种多层热障涂层，该多层热障涂层从下至上依次包括粘结层、第一 陶瓷层、第二陶瓷层和封闭层。所述的粘结层厚度为50 200 μ m,粘结层材料为MCrAlX合 金，重量百分比为19 对％的&，7 10%的Al，l 2%的X，其余为M。其中M为Ni、Co 或二者的组合物，X为Y、Hf、Si中的一种或两种的组合物；所述的第一陶瓷层厚度为40 150 μ m,第一陶瓷层材料为8YSZ ；所述的第二陶瓷层厚度为40 150 μ m,第二陶瓷层的 材料为多元氧化物稳定氧化锆、稀土锆酸盐、萤石结构氧化物、烧绿石结构氧化物、钙钛矿 结构氧化物或磁铁铅矿六方镧铝酸盐等；所述的封闭层厚度为10 30 μ m，封闭层材料为 Al2O3，孔隙率为2% 8%，所述的孔隙率是指封闭层中孔隙体积占封闭层总体积百分比。本发明提出的一种多层热障涂层可以通过电子束物理气相沉积技术或等离子喷 涂方法来制备，具体包括以下几个步骤当采用电子束物理气相沉积技术制备多层热障涂层时，具体包括以下几个步骤步骤一在基体表面沉积粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层(1)制备靶材A 制备粘结层材料靶材所述的粘结层材料为MCrAlX合金，M为Ni、Co或二者的组合物，X为Y、Hf、Si中 的一种或两种的组合物。按比例称取粘结层材料中的各合金组元，在1400 1600°C熔炼得 到粘结层材料靶材。B 制备第一陶瓷层和第二陶瓷层材料靶材分别将第一陶瓷层材料粉末和第二陶瓷层材料粉末冷压成型，获得圆柱状的棒 材，将冷压成型的棒材在1300 1400°C的高温炉中保温12 24h得到致密的陶瓷棒材，作 为采用电子束物理气相沉积方法制备第一陶瓷层和第二陶瓷层使用的靶材。第一陶瓷层材料优选为8YSZ，第二陶瓷层材料为氧化物稳定氧化锆、稀土锆酸盐、 萤石结构氧化物、烧绿石结构氧化物、钙钛矿结构氧化物，磁铁铅矿六方镧铝酸盐等。O):基体准备和前处理选用牌号为K3、DZ125、DD3或DD6的高温合金作为基体材料，依次用150#、300#、 500#和800#砂纸打磨基体，使表面粗糙度Ra < 0. 8，将打磨后的基体放入丙酮中用超声波 清洗10 30min后自然晾干，再对基体进行喷砂处理，使其表面粗糙度Ra > 15。(3)沉积粘结层在基体上沉积粘结层。将真空室抽至所需的真空度10_4 10_3Pa，在沉积的过程中基体温度为900士25°C，基体转速为10 20rpm，沉积速率为1. 25 2. 0 μm/min,沉积时间 40 lOOmin。沉积完成后取出，放入真空热处理炉中热处理2 4h，真空度为1X10—4 lX10_3Pa，热处理温度为1030 1080°C。对热处理后沉积有粘结层的样品进行喷丸处理， 再用丙酮进行超声清洗；(4)沉积第一陶瓷层和第二陶瓷层在粘结层上沉积第一陶瓷层。将真空室抽至所需的真空度为10_4 10_3Pa，在沉 积的过程中待沉积样品(即已沉积有粘结层的样品)温度为900士25°C，待沉积样品转速为 10 20rpm，沉积速率为2. 0 3. 0 μ m/min,沉积时间20 50min。在第一陶瓷层上沉积第二陶瓷层。将真空室抽至所需的真空度为10_4 10_3Pa， 在沉积的过程中待沉积样品(即已沉积有粘结层和第一陶瓷层的样品)温度为900士25°C， 待沉积样品转速为10 20rpm，沉积速率为2. 0 3. 0 μ m/min，沉积时间20 50min。步骤二 沉积封闭层(1)制备封闭层材料靶材将封闭层材料粉末冷压成型，再将冷压成型的棒材在1300 1400°C的高温炉中 保温12 Mh，得到致密的封闭层靶材。所述的封闭层的材料优选为A1203。(2)沉积封闭层在第二陶瓷层表面沉积封闭层。将真空室抽至所需的真空度10_4 10_3Pa，沉 积过程中待沉积样品(即已沉积有粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层的样品)温度为 900士25°C，待沉积样品转速为10 20rpm，沉积速率为0. 5 1. 0 μ m/min,沉积时间20 30min。沉积完成后，将样品取出放入马弗炉中1000 1050°C充氧处理2 4h。当采用等离子喷涂方法制备多层热障涂层时，具体包括以下几个步骤步骤一在基体上喷涂粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层(1)制备等离子喷涂用粉末A 准备粘结层材料粉末所述的粘结层材料为MCrAlX合金，重量百分比为19 的Cr，7 10%的Al， 1 2%的X，其余为M。其中M为Ni、Co或二者的组合物，X为Y、Hf、Si中的一种或两种的 组合物。B 制备第一陶瓷层材料和第二陶瓷层材料粉末将第一陶瓷层粉末放在高能球磨机中湿磨至粒度低于5 μ m,烘干，再按照第一陶 瓷层材料粉末去离子水粘结剂(质量比)=1 1 0. 2的比例配制浆料，用搅拌机 搅拌30min 60min后取出，喷雾干燥，经过雾化造粒后过筛得到等离子喷涂所需的第一陶 瓷层材料粉末。所述的第二陶瓷层材料粉末采用与第一陶瓷层材料粉末相同的方法制得。所述的粘结剂优选为桃胶，主要成分为有机糖类，熔点、沸点较低，200°C以上易挥 发，对等离子喷涂制备的第一陶瓷层和第二陶瓷层成分无影响。所述的第一陶瓷层材料优 选为SY^，第二陶瓷层材料为氧化物稳定氧化锆、稀土锆酸盐、萤石结构氧化物、烧绿石结 构氧化物、钙钛矿结构氧化物或磁铁铅矿六方镧铝酸盐等。(2)基体准备和前处理选用牌号为K3、DZ125、DD3或DD6的高温合金作为基体材料，依次用150#，300#， 500#，800#砂纸打磨基体，使表面粗糙度Ra < 0. 8，将打磨后的基体放入丙酮中用超声波清洗IOmin 30min后自然晾干，再对基体进行喷砂处理，使其表面粗糙度达到Ra > 15。(3)喷涂粘结层在基体表面喷涂粘结层。设定喷涂电压为30 50V，电流为500 600A，送粉气 体(Ar/H2)流量为(40 50)/(10 15) L/min，送粉率为20 30g/min，火焰喷口与基体 的距离为100 120mm，喷枪横向移动速率为200 300mm/s，基体预热温度400 600°C， 喷涂时间10 30min。所用的设备为GP-80型低压等离子喷涂设备。(4)喷涂第一陶瓷层和第二陶瓷层在粘结层上喷涂第一陶瓷层。设定喷涂电压为45 60V，电流为550 750A，送 粉气体(Ar/H2)流量为(40 65) / (10 15) L/min,送粉率为20 40g/min，火焰喷口与待 喷涂样品(即已喷涂有粘结层的样品)的距离为100 120mm，喷枪横向移动速率为200 400mm/s，待喷涂样品预热温度450 800°C，喷涂时间10 30min。在第一陶瓷层表面喷涂第二陶瓷层设定喷涂电压为45 60V，电流为550 750A，送粉气体(Ar/H2)流量为(40 65)/(10 15) L/min，送粉率为20 40g/min，火焰 喷口与待喷涂样品(即已喷涂有粘结层和第一陶瓷层的样品)的距离为100 120mm，喷枪 横向移动速率为200 400mm/s，待喷涂样品预热温度450 800°C，喷涂时间10 30min。喷涂第一陶瓷层和二陶瓷层所用的设备为配备有9MB喷枪和4MP送粉器的瑞士 SulzerMetco 7M型大气等离子喷涂设备。步骤二 喷涂封闭层(1)制备封闭层材料粉末将封闭层粉末放在高能球磨机中湿磨至粒度低于5 μ m，烘干，再按照封闭层材 料粉末去离子水粘结剂(质量比)=1:1: 0.2的比例配制浆料，用搅拌机搅拌 30min 60min后取出，喷雾干燥，经过雾化造粒后过筛得到等离子喷涂所需的封闭层材料 粉末。所述的粘结剂优选为桃胶，主要成分为有机糖类，熔点、沸点较低，200°C以上易挥 发，对等离子喷涂制备的封闭层成分无影响。所述的封闭层的材料优选为αι203。(2)喷涂封闭层在第二陶瓷层表面喷涂封闭层。设定喷涂电压为45 60V，电流为550 750A， 送粉气体(Ar/H2)流量为(35 55)/(10 15) L/min，送粉率为20 40g/min，火焰喷口 与待喷涂样品(即已喷涂有粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层的样品)的距离为100 120mm，喷枪横向移动速率为200 400mm/s，待喷涂样品预热温度500 800°C，喷涂时间 3 lOmin，所用的是与喷涂第一陶瓷层和第二陶瓷层相同的等离子喷涂设备。采用电子束物理气相沉积方法或等离子喷涂方法制备的多层热障涂层的粘结层 厚度为50 200 μ m,第一陶瓷层和第二陶瓷层的厚度均为40 150 μ m ；封闭层的厚度为 10 30μ 。在等离子喷涂过程中，通过改变步骤一 中喷涂第一陶瓷层和第二陶瓷层的工 艺参数，如设备输出功率、火焰喷口与样品的距离和送粉率等，可在陶瓷层中引入垂直裂 纹。改变后的喷涂第一陶瓷层和第二陶瓷层的工艺参数具体为喷涂的电压为60 80V， 电流为750 900Α，送粉气体(Ar/H2)流量为(40 65)/(15 20) L/min，送粉率为40 60g/min，火焰喷口与待喷涂样品的距离为60 90mm，喷枪横向移动速率为400 500mm/s，待喷涂样品预热温度400 700°C，喷涂时间8 20min，喷涂厚度为40 150 μ m。本发明的优点在于1本发明提出的一种多层热障涂层在热循环过程中不会发生陶瓷层的层层剥落现 象；2本发明提出的一种多层热障涂层的抗热腐蚀性能较双陶瓷层热障涂层有很大的 提尚；3本发明提出的一种多层热障涂层的制备方法是通过对常规等离子喷涂工艺进行 改进，在陶瓷层中引入了垂直裂纹，大大的提高了热障涂层的热冲击寿命。


图1 本发明提出的一种多层热障涂层的截面结构示意图；图2 本发明提出的一种带有垂直裂纹的多层热障涂层截面结构示意图；图3 本发明提出的一种多层热障涂层的截面扫描照片；图4 本发明提出的带有封闭层的多层热障涂层、兼具封闭层和垂直裂纹结构的 多层热障涂层与常规双陶瓷层热障涂层热冲击寿命对比图；图5 本发明提出的带封闭层的多层热障涂层与常规双陶瓷层热障涂层的抗热腐 蚀寿命对比图。
具体实施例方式下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明提出一种多层热障涂层，如图1所示，该多层热障涂层从下至上依次包括 粘结层、第一陶瓷层、第二陶瓷层和封闭层。所述的粘结层厚度为50 200 μ m,粘结层材料 为MCrAlX合金，重量百分比为19 对％的&，7 10%的Al，1 2%的X，其余为M。其 中M为Ni、Co或二者的组合物，X为Y、Hf、Si中的一种或两种的组合物；所述的第一陶瓷 层厚度为40 150 μ m,第一陶瓷层材料为8YSZ ；所述的第二陶瓷层厚度为40 150 μ m， 第二陶瓷层的材料为多元氧化物稳定氧化锆、稀土锆酸盐、萤石结构氧化物、烧绿石结构氧 化物、钙钛矿结构氧化物或磁铁铅矿六方镧铝酸盐等；所述的封闭层厚度为10 30 μ m，封 闭层材料为Al2O3，孔隙率为2% 8%，所述的孔隙率是指封闭层中孔隙体积占封闭层总体 积百分比。本发明提出的多层热障涂层可以通过电子束物理气相沉积技术或等离子喷涂方 法来制备，具体包括以下几个步骤当采用电子束物理气相沉积技术制备多层热障涂层时，具体包括以下几个步骤步骤一在基体表面沉积粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层(1)制备靶材A 制备粘结层材料靶材所述的粘结层材料为MCrAlX合金，M为Ni、Co或二者的组合物，X为Y、Hf、Si中 的一种或两种的组合物。按比例称取粘结层材料中的各合金组元，在1400 1600°C熔炼得 到粘结层材料靶材。B 制备第一陶瓷层和第二陶瓷层材料靶材
分别将第一陶瓷层材料粉末和第二陶瓷层材料粉末冷压成型，获得圆柱状的棒 材，将冷压成型的棒材在1300 1400°C的高温炉中保温12 24h得到致密的陶瓷棒材，作 为采用电子束物理气相沉积方法制备第一陶瓷层和第二陶瓷层使用的靶材。第一陶瓷层材料优选为8YSZ，第二陶瓷层材料为氧化物稳定氧化锆、稀土锆酸盐、 萤石结构氧化物、烧绿石结构氧化物、钙钛矿结构氧化物或磁铁铅矿六方镧铝酸盐等。(2)基体准备和前处理选用牌号为K3、DZ125、DD3或DD6的高温合金作为基体材料，依次用150#、300#、 500#和800#砂纸打磨基体，使表面粗糙度Ra < 0. 8，将打磨后的基体放入丙酮中用超声波 清洗10 30min后自然晾干，再对基体进行喷砂处理，使其表面粗糙度Ra > 15。(3)沉积粘结层在基体上沉积粘结层。将真空室抽至所需的真空度10_4 10_3Pa，在沉积的过程中 基体温度为900士25°C，基体转速为10 20rpm，沉积速率为1. 25 2. 0 μ m/min,沉积时间 40 lOOmin。沉积完成后取出，放入真空热处理炉中热处理2 4h，真空度为1X10—4 lX10_3Pa，热处理温度为1030 1080°C。对热处理后沉积有粘结层的样品进行喷丸处理， 再用丙酮进行超声清洗；(4)沉积第一陶瓷层和第二陶瓷层在粘结层上沉积第一陶瓷层。将真空室抽至所需的真空度10_4 10_3Pa，在沉积 的过程中待沉积样品(即已沉积有粘结层的样品)温度为900士25°C，待沉积样品转速为 10 20rpm，沉积速率为2. 0 3. 0 μ m/min,沉积时间20 50min。在第一陶瓷层上沉积第二陶瓷层。将真空室抽至所需的真空度10_4 10_3Pa，在 沉积的过程中待沉积样品(即已经沉积有粘结层和第一陶瓷层的样品)温度为900士25°C， 待沉积样品转速为10 20rpm，沉积速率为2. 0 3. 0 μ m/min，沉积时间20 50min。步骤二 沉积封闭层(1)制备封闭层材料靶材将封闭层材料粉末冷压成型，再将冷压成型的棒材在1300 1400°C的高温炉中 保温12 Mh，得到致密的封闭层靶材。所述的封闭层的材料优选为A1203。(2)沉积封闭层在第二陶瓷层表面沉积封闭层。将真空室抽至所需的真空度10_4 10_3Pa，沉 积过程中待沉积样品(即已经沉积有粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层的样品)温度为 900士25°C，待沉积样品转速为10 20rpm，沉积速率为0. 5 1. 0 μ m/min,沉积时间20 30min。沉积完成后，将沉积有封闭层的样品取出放入马弗炉中1000 1050°C充氧处理2 4h。当采用等离子喷涂方法制备多层热障涂层时，具体包括以下几个步骤步骤一在基体上喷涂粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层(2)制备等离子喷涂用粉末A 准备粘结层材料粉末所述的粘结层材料为MCrAlX合金，重量百分比为19 的Cr，7 10%的Al， 1 2%的X，其余为M。其中M为Ni、Co或二者的组合物，X为Y、Hf、Si中的一种或两种的 组合物。
B 制备第一陶瓷层材料和第二陶瓷层材料粉末将第一陶瓷层粉末放在高能球磨机中湿磨至粒度低于5 μ m,烘干，再按照第一陶 瓷层材料粉末去离子水粘结剂(质量比)=1 1 0. 2的比例配制浆料，用搅拌机 搅拌30min 60min后取出，喷雾干燥，经过雾化造粒后过筛得到等离子喷涂所需的第一陶 瓷层材料粉末。所述的第二陶瓷层材料粉末采用与第一陶瓷层材料粉末相同的方法制得。所述的粘结剂优选为桃胶，主要成分为有机糖类，熔点、沸点较低，200°C以上易挥 发，对等离子喷涂制备的第一陶瓷层和第二陶瓷层成分无影响。所述的第一陶瓷层材料为 SY^，第二陶瓷层材料为氧化物稳定氧化锆、稀土锆酸盐、萤石结构氧化物、烧绿石结构氧 化物、钙钛矿结构氧化物或磁铁铅矿六方镧铝酸盐等。(2)基体准备和前处理选用牌号为K3、DZ125、DD3或DD6的高温合金作为基体材料，依次用150#，300#， 500#，800#砂纸打磨基体，使表面粗糙度Ra < 0. 8，将打磨后的基体放入丙酮中用超声波清 洗IOmin 30min后自然晾干，再对基体进行喷砂处理，使其表面粗糙度达到Ra > 15。(3)喷涂粘结层在基体表面喷涂粘结层。设定喷涂电压为30 50V，电流为500 600A，送粉气 体(Ar/H2)流量为(40 50)/(10 15) L/min，送粉率为20 30g/min，火焰喷口与基体 的距离为100 120mm，喷枪横向移动速率为200 300mm/s，基体预热温度400 600°C， 喷涂时间10 30min。所用的设备为GP-80型低压等离子喷涂设备。(4)喷涂第一陶瓷层和第二陶瓷层在粘结层上喷涂第一陶瓷层。喷涂条件为设定喷涂电压为45 60V，电流为 550 750A,送粉气体(Ar/H2)流量为(40 65) / (10 15) L/min,送粉率为20 40g/min, 火焰喷口与待喷涂样品(即已喷涂有粘结层的样品)的距离为100 120mm，喷枪横向移动 速率为200 400mm/s，待喷涂样品预热温度450 800°C，喷涂时间10 30min。在第一陶瓷层表面喷涂第二陶瓷层。喷涂条件为设定喷涂电压为45 60V，电流 为550 750A，送粉气体(Ar/H2)流量为(40 65)/(10 15) L/min，送粉率为20 40g/ min，火焰喷口与待喷涂样品(即已喷涂有粘结层和第一陶瓷层的样品)的距离为100 120mm，喷枪横向移动速率为200 400mm/s，待喷涂样品预热温度450 800°C，喷涂时间 10 30mino喷涂第一陶瓷层和二陶瓷层所用的设备为配备有9MB喷枪和4MP送粉器的瑞士 SulzerMetco 7M型大气等离子喷涂设备。步骤二 喷涂封闭层(1)制备封闭层材料粉末将封闭层粉末放在高能球磨机中湿磨至粒度低于5 μ m，烘干，再按照封闭层材 料粉末去离子水粘结剂(质量比)=1:1: 0.2的比例配制浆料，用搅拌机搅拌 30min 60min后取出，喷雾干燥，经过雾化造粒后过筛得到等离子喷涂所需的封闭层材料 粉末。所述的粘结剂优选为桃胶，主要成分为有机糖类，熔点、沸点较低，200°C以上易挥 发，对等离子喷涂制备的封闭层成分无影响。所述的封闭层的材料优选为αι203。(2)喷涂封闭层
在第二陶瓷层表面喷涂封闭层。喷涂条件为设定喷涂电压为45 60V，电流为 550 750A,送粉气体(Ar/H2)流量为(35 55) / (10 15) L/min,送粉率为20 40g/min, 火焰喷口与待喷涂样品(即已喷涂有粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层的样品)的距离为 100 120mm，喷枪横向移动速率为200 400mm/s，待喷涂样品预热温度500 800°C，喷 涂时间3 lOmin，所用的是与喷涂第一陶瓷层和第二陶瓷层相同的等离子喷涂设备。采用电子束物理气相沉积方法或等离子喷涂方法制备的多层热障涂层的粘结层 厚度为50 200 μ m,第一陶瓷层和第二陶瓷层的厚度均为40 150 μ m ；封闭层的厚度为 10 30μ 。在等离子喷涂过程中，通过改变步骤一 中喷涂第一陶瓷层和第二陶瓷层的工 艺参数，如设备输出功率、火焰喷口与样品的距离和送粉率等，可在陶瓷层中引入垂直裂 纹。陶瓷层带有垂直裂纹的热障涂层的截面结构示意图如图2所示。改变后的喷涂第一陶 瓷层和第二陶瓷层的工艺参数均为喷涂的电压为60 80V，电流为750 900Α，送粉气体 流量(Ar/H2)为(40 65) / (15 20) L/min,送粉率为40 60g/min，火焰喷口与待喷涂样 品的距离为60 90mm，喷枪横向移动速率为400 500mm/s，待喷涂样品预热温度400 7000C，喷涂时间8 20min，喷涂厚度为40 150 μ m。减小火焰喷口与样品的距离可以提高样品表面温度和颗粒温度，提高送粉量可以 增加等离子喷涂层状结构每个片层的厚度。火焰喷口与样品的距离过大，粉粒的温度和速 度均将下降，结合力、气孔、喷涂效率都会明显下降；过小，会使样品温升过高，基体和涂层 氧化，影响涂层的结合。在基体温度允许的情况下，缩短火焰喷口与样品的距离并提高喷涂 功率可明显提高陶瓷层内部的垂直裂纹密度。在等离子喷涂制备的层状结构涂层中引入垂 直裂纹增加了涂层的应变容限，从而大大提高了涂层的抗热冲击性能。在陶瓷层上设置封闭层可大大提高热障涂层的抗热冲击性能。此外，当采用等离 子喷涂方法制备热障涂层时，通过改变陶瓷层的制备工艺在陶瓷层中引入垂直裂纹可显著 提高热障涂层的抗热冲击性能。具有封闭层的多层热障涂层的热冲击寿命超过3100次， 比不带封闭层的热障涂层提高了 1倍以上；对于采用等离子方法制备的多层热障涂层，当 兼具封闭层和垂直裂纹结构时，其热冲击寿命超过3900次，比不具垂直裂纹结构的带封闭 层的热障涂层提高近20%，如图4所示。封闭层的存在很好的解决了陶瓷层的层层剥落问 题，陶瓷层中的垂直裂纹能提高涂层的应变容限，减小涂层与基体间的热应力不匹配，因此 显著提高热障涂层的抗热冲击性能。封闭层也显著提高了热障涂层的抗热腐蚀性能，如图5所示，具有封闭层的多层 热障涂层在950°C大气中Na2SO4热腐蚀实验中的寿命超过160h涂层，而不带封闭层的热障 涂层热腐蚀寿命不超过65h。这是由于设置在陶瓷层上的封闭层具有较强的抗腐蚀性能和 抗高温氧化性能，避免了陶瓷层与腐蚀性环境的直接接触，阻止了腐蚀性杂质向涂层内部 进一步扩散，从而提高热障涂层的抗热腐蚀性能。实施例1 采用电子束物理气相沉积方法制备8YSZ/La2Ce207/Al203多层热障涂层。步骤一在基体表面沉积粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层(1)制备靶材:A 制备粘结层材料靶材粘结层材料选择NiCrAlY合金，组分重量百分比为73 %的Ni、19 %的Cr、7 %的Al、1 %的Y，在1400°C熔炼得到粘结层材料靶材。B 制备第一陶瓷层和第二陶瓷层材料靶材分别将第一陶瓷层材料粉末8YSZ和第二陶瓷层材料粉末La2Ce2O7冷压成型，获得 圆柱状的棒材，将冷压成型的棒材在1300°C的高温炉中保温24h得到致密的陶瓷棒材，作 为采用电子束物理气相沉积方法制备第一陶瓷层和第二陶瓷层用的靶材。( 基体准备和前处理选用牌号K3的高温合金为基体材料，依次用150#、300#、500#和800#砂纸打磨基
体，使表面粗糙度Ra < 0. 8，将打磨后的基体放入丙酮中用超声波清洗IOmin后自然晾干， 再对基体进行喷砂处理，使其表面粗糙度Ra > 15。(3)沉积粘结层在基体表面沉积粘结层。将真空室抽至所需的真空度IX 10_3Pa，在沉积的过程中 基体温度为875°C，基体转速为lOrpm，沉积速率为1. 25 μ m/min,沉积时间40min。沉积完 成后取出，放入真空热处理炉中热处理4h，真空度为lX10_3Pa，热处理温度为1030°C。对 热处理后沉积有粘结层的样品进行喷丸处理，再用丙酮进行超声清洗；(4)沉积第一陶瓷层和第二陶瓷层在粘结层表面沉积第一陶瓷层。将真空室抽至所需的真空度lX10_3Pa，在沉积的 过程中待沉积样品温度为875°C，待沉积样品转速为lOrpm，沉积速率为2. 0 μ m/min，沉积 时间20min。在第一陶瓷层表面沉积第二陶瓷层。将真空室抽至所需的真空度lX10_3Pa，在沉 积的过程中待沉积样品温度为875°C，待沉积样品转速为lOrpm，沉积速率为2. 0 μ m/min， 沉积时间20min。步骤二 沉积封闭层(1)制备封闭层材料靶材将封闭层材料Al2O3粉末冷压成型，再将冷压成型的棒材在1300°C的高温炉中保 温Mh，得到致密的封闭层靶材。(2)沉积封闭层在第二陶瓷层表面沉积封闭层。将真空室抽至所需的真空度IX 10_3Pa，沉积的过 程中待沉积样品温度为875°C，待沉积样品转速为lOrpm，沉积速率为0. 5 μ m/min,沉积时 间20min。沉积完成后，将样品取出放入马弗炉中1000°C充氧处理4h。制备得到的具有封闭层的8YSZ/La2Ce207/Al203多层热障涂层共有四层，其中粘结 层厚度为50 μ m,第一陶瓷层厚度为40 μ m,第二陶瓷层厚度为40 μ m,封闭层厚度为10 μ m， 封闭层的孔隙率约为2%。上述工艺制备的具有封闭层的多层热障涂层在热端温度为1250 1300°C，冷端 温度为1050 1100°C的条件下保温5min，然后使用压缩空气在90s内冷却到室温的条件 下进行热冲击实验，经过4265次热冲击后失效，而不带封闭层的双陶瓷层热障涂层的热冲 击寿命为1850次。对上述工艺制备的具有封闭层的多层热障涂层进行950°C大气中Na2SO4-腐蚀实 验，经过16 热腐蚀后失效，而没有封闭层的双陶瓷层热障涂层经过5 失效，封闭层的设 置使热障涂层的抗热腐蚀性能提高了近3倍。
实施例2 采用电子束物理气相沉积方法制备8YSZ/La2Ce207/Al203多层热障涂层。步骤一在基体表面沉积粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层(1)制备靶材A 制备粘结层材料靶材粘结层材料选择NiCrAHHf合金，组分重量百分比为64 %的Ni、M %的Cr、10 %的 AlU. 5%的Y，0. 5%的Hf，1600°C熔炼得到粘结层材料靶材。B 制备第一陶瓷层和第二陶瓷层材料靶材分别将第一陶瓷层材料粉末8YSZ和第二陶瓷层材料粉末La2Ce2O7冷压成型，获得 圆柱状的棒材，将冷压成型的棒材在i4oo°c的高温炉中保温1 得到致密的陶瓷棒材，作 为采用电子束物理气相沉积方法制备第一陶瓷层和第二陶瓷层用的靶材。( 基体准备和前处理选用牌号DD3的高温合金为基体材料，依次用150#、300#、500#和800#砂纸打磨
基体，使表面粗糙度Ra < 0. 8，将打磨后的基体放入丙酮中用超声波清洗30min后自然晾 干，再对基体进行喷砂处理，使其表面粗糙度Ra > 15。(3)沉积粘结层在基体上沉积粘结层。将真空室抽至所需的真空度IX 10_4Pa，在沉积的过程中基 体温度为925°C，基体转速为20rpm，沉积速率为2. 0 μ m/min,沉积时间lOOmin。沉积完成 后取出，放入真空热处理炉中热处理池，热处理温度为1080°C。对热处理后沉积有粘结层 的样品进行喷丸处理，再用丙酮进行超声清洗；(4)沉积第一陶瓷层和第二陶瓷层利用第一陶瓷层材料靶材在粘结层上沉积第一陶瓷层。将真空室抽至所需的真空 度IX 10_4Pa，在沉积的过程中待沉积样品温度为925°C，待沉积样品转速为20rpm，沉积速 率为3. 0 μ m/min,沉积时间50min。利用第二陶瓷层材料靶材在第一陶瓷层上沉积第二陶瓷层。将真空室抽至所需的 真空度1 X IO-4Pa,在沉积的过程中待沉积样品温度为925°C，待沉积样品转速为20rpm，沉 积速率为3 μ m/min,沉积时间50min。步骤二 沉积封闭层(1)制备封闭层材料靶材将封闭层材料Al2O3粉末冷压成型，再将冷压成型的棒材在1400°C的高温炉中保 温12h，得到致密的封闭层靶材。(2)沉积封闭层在第二陶瓷层表面沉积封闭层。将真空室抽至所需的真空度IX 10_4Pa，在沉积的 过程中待沉积样品温度为925°C，待沉积样品转速为20rpm，沉积速率为1. 0 μ m/min，沉积 时间30min。沉积完成后，将沉积有封闭层的样品取出放入马弗炉中1050°C充氧处理池。制备得到的具有封闭层的8YSZ/La2Ce207/Al203多层热障涂层共有四层，其中粘 结层厚度为200 μ m,第一陶瓷层厚度为150 μ m,第二陶瓷层厚度为150 μ m,封闭层厚度为 30 μ m，封闭层的孔隙率约为8%。上述工艺制备的具有封闭层的多层热障涂层在热端温度为1250 1300°C，冷端 温度为1050 1100°C的条件下保温5min，然后使用压缩空气在90s内冷却到室温的条件下进行热冲击实验，经过4530次热冲击后失效，而不带封闭层的双陶瓷层热障涂层的热冲 击寿命为2085次。对上述工艺制备的具有封闭层的多层热障涂层进行950°C大气中Na2SO4-腐蚀实 验，经过18 热腐蚀后失效，而没有封闭层的双陶瓷层热障涂层经过60h失效，封闭层的设 置使热障涂层的抗热腐蚀性能提高了 3倍多。实施例3 采用电子束物理气相沉积方法制备8YSZ/La2Ce207/Al203多层热障涂层。本实施例与实施例2的差别仅在于步骤一(3)、⑷和步骤二 O)步骤一 (3)沉积粘结层在基体表面沉积粘结层。将真空室抽至所需的真空度5X 10_4Pa，在沉积的过程中 基体温度为900°C，基体转速为15rpm，沉积速率为1. 5 μ m/min，沉积时间42min。沉积完成 后取出，放入真空热处理炉中热处理汕，真空度为5X10_4Pa，热处理温度为1050°C。对热 处理后沉积有粘结层的样品进行喷丸处理，再用丙酮进行超声清洗；(4)沉积第一陶瓷层和第二陶瓷层在粘结层表面沉积第一陶瓷层。将真空室抽至所需的真空度5X 10_4Pa，在沉积的 过程中待沉积样品温度为900°C，待沉积样品转速为15rpm，沉积速率为2. 5 μ m/min，沉积 时间35min。在第一陶瓷层表面沉积第二陶瓷层。将真空室抽至所需的真空度5X 10_4Pa，在沉 积的过程中待沉积样品温度为900°C，待沉积样品转速为15rpm，沉积速率为2. 1 μ m/min， 沉积时间23min。步骤二 O)沉积封闭层在第二陶瓷层表面沉积封闭层。将真空室抽至所需的真空度5X 10_4Pa，沉积的过 程中待沉积样品温度为900°C，待沉积样品转速为15rpm，沉积速率为0. 6 μ m/min,沉积时 间2%iin。沉积完成后，将样品取出放入马弗炉中1020°C充氧处理池。制备得到的具有封闭层的8YSZ/La2Ce207/Al203多层热障涂层的横截面扫描照片如 图3所示。基体表面的热障涂层共有四层，总厚度约为214 μ m，其中粘结层厚度为64 μ m， 第一陶瓷层厚度为88 μ m,第二陶瓷层厚度为48 μ m,封闭层厚度为14 μ m,封闭层的孔隙率 约为4%。上述工艺制备的具有封闭层的多层热障涂层在热端温度为1250 1300°C，冷端 温度为1050 1100°C的条件下保温5min，然后使用压缩空气在90s内冷却到室温的条件 下进行热冲击实验，经过4320次热冲击后失效，而不带封闭层的双陶瓷层热障涂层的热冲 击寿命为1930次。对上述工艺制备的具有封闭层的多层热障涂层进行950°C大气中Na2SO4-腐蚀实 验，经过170h热腐蚀后失效，而没有封闭层的双陶瓷层热障涂层经过5 失效，封闭层的设 置使热障涂层的抗热腐蚀性能提高了近3倍。实施例4 采用常规等离子喷涂方法制备8YSZ/La2Ce207/Al203多层热障涂层步骤一在基体上喷涂粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层(1)制备等离子喷涂用粉末A 准备粘结层材料粉末粘结层材料选择NiCoCrAlY合金，组分重量百分比为48%的Ni、21% Co、21%的Cr,8. 5%的 Α1、1· 5%的 Y。B 制备第一陶瓷层材料和第二陶瓷层材料粉末将第一陶瓷层8YSZ粉末放在高能球磨机中湿磨至粒度低于5 μ m,烘干，再按照第 一陶瓷层材料粉末去离子水粘结剂(质量比)=1 1 0. 2的比例配制浆料，用搅 拌机搅拌30min后取出，喷雾干燥，经过雾化造粒后过筛得到等离子喷涂所需的第一陶瓷 层材料粉末。所述的第二陶瓷层材料La2Ce2O7粉末与第一陶瓷层材料SY^粉末按照相同 的方法制得。所述的粘结剂为桃胶，主要成分为有机糖类，熔点、沸点较低，200°C以上易挥发， 对等离子喷涂制备的第一陶瓷层和第二陶瓷层成分无影响。( 基体准备和前处理选用牌号DZ125的高温合金作为基体材料，依次用150#，300#，500#，800#砂纸依
次打磨基体，使表面粗糙度Ra < 0. 8，将打磨后的基体放入丙酮中用超声波清洗IOmin后自 然晾干，再对基体进行喷砂处理，使其表面粗糙度达到Ra > 15。(3)喷涂粘结层在基体表面喷涂粘结层。设定喷涂的电压为30V，电流为500A，送粉气体(Ar/H2) 流量为40/10L/min，送粉率为20g/min，火焰喷口与基体的距离为100mm，喷枪横向移动速 率为200mm/s，基体预热温度400°C，喷涂时间IOmin。所用的设备是GP-80型低压等离子喷
涂设备。(4)喷涂第一陶瓷层和第二陶瓷层在粘结层上喷涂第一陶瓷层。设定喷涂电压为45V，电流为550A，送粉气体(Ar/ H2)流量为40/10L/min，送粉率为20g/min，火焰喷口与待喷涂样品的距离为100mm，喷枪横 向移动速率为200mm/s，待喷涂样品预热温度450°C，喷涂时间lOmin。在第一陶瓷层上喷涂第二陶瓷层。采用与喷涂第一陶瓷层相同的工艺条件喷涂第 二 陶瓷层 La2Ce2O7。喷涂第一陶瓷层第二陶瓷层所用的是配备有9MB喷枪和4MP送粉器的瑞士 Sulzer Metco7M型大气等离子喷涂设备。步骤二 喷涂封闭层(1)制备封闭层材料粉末将封闭层粉末Al2O3放在高能球磨机中湿磨直至粒度低于5 μ m,烘干，再按照封闭 层材料粉末去离子水粘结剂(质量比)=1 1 0. 2的比例配制浆料，用搅拌机搅 拌30min后取出，喷雾干燥，经过雾化造粒后过筛得到等离子喷涂所需的封闭层材料粉末。(2)喷涂封闭层在第二陶瓷层的表面喷涂Al2O3封闭层。设定喷涂电压为45V，电流为550A，送粉气 体(Ar/H2)流量为35/lOL/min，送粉率为20g/min，火焰喷口与待喷涂样品的距离为100mm， 喷枪横向移动速率为200mm/s，待喷涂样品预热温度500°C，喷涂时间:3min。所用的是与喷 涂第一陶瓷层和第二陶瓷层相同的等离子喷涂设备。制备得到具有封闭层的8YSZ/La2Ce207/Al203多层热障涂层共有四层，其中粘结层 厚度为50 μ m,第一陶瓷层厚度为40 μ m,第二陶瓷层厚度为40 μ m,封闭层厚度为10 μ m,封 闭层的孔隙率约为2%。
上述工艺制备的具有封闭层的多层热障涂层在热端温度为1250 1300°C，冷端 温度为1050 1100°C的条件下保温5min，然后使用压缩空气在90s内冷却到室温的条件 下进行热冲击实验，经过3152次热冲击后失效，而不带封闭层的双陶瓷层热障涂层的热冲 击寿命为1350次。对上述工艺制备的具有封闭层的多层热障涂层进行950°C大气中Na2SO4-腐蚀实 验，经过170h热腐蚀后失效，而没有封闭层的双陶瓷层热障涂层经过60h失效，封闭层的设 置使热障涂层的抗热腐蚀性能提高了近3倍。实施例5 采用常规等离子喷涂方法制备8YSZ/La2Ce207/Al203多层热障涂层步骤一在基体上喷涂粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层(1)制备等离子喷涂用粉末A 准备粘结层材料粉末粘结层材料选择CoCrAlY,组分重量百分比为66. 5% Co,22. 5%的Cr、9%的Al、 2%的 Y。B 制备第一陶瓷层材料和第二陶瓷层材料粉末将第一陶瓷层8YSZ粉末放在高能球磨机中湿磨至粒度低于5 μ m,烘干，再按照第 一陶瓷层材料粉末去离子水粘结剂(质量比)=1 1 0. 2的比例配制浆料，用搅 拌机搅拌60min后取出，喷雾干燥，经过雾化造粒后过筛得到等离子喷涂所需的第一陶瓷 层材料粉末。所述的第二陶瓷层材料La2Ce2O7粉末采用与第一陶瓷层材料SY^粉末相同 的方法制得。所述的粘结剂为桃胶，主要成分为有机糖类，熔点、沸点较低，200°C以上易挥发， 对等离子喷涂制备的第一陶瓷层和第二陶瓷层成分无影响。(2)基体准备和前处理选用牌号DD6的高温合金作为基体材料，依次用150#，300#，500#，800#砂纸依次
打磨基体，使表面粗糙度Ra <0.8，将打磨后的基体放入丙酮中用超声波清洗30min后自然 晾干，再对基体进行喷砂处理，使其表面粗糙度达到Ra > 15。(3)喷涂粘结层在基体表面喷涂粘结层。设定喷涂的电压为50V，电流为600A，送粉气体(Ar/H2) 流量为50/15L/min，送粉率为30g/min，火焰喷口与基体的距离为120mm，喷枪横向移动速 率为300mm/s，基体预热温度600°C，喷涂时间30min。所用的设备是GP-80型低压等离子喷 涂设备。(4)喷涂第一陶瓷层和第二陶瓷层在粘结层上喷涂第一陶瓷层。设定喷涂电压为60V，电流为750A，送粉气体(Ar/ H2)流量为65/15L/min，送粉率为40g/min，火焰喷口与待喷涂样品的距离为120mm，喷枪横 向移动速率为400mm/s，待喷涂样品预热温度800°C，喷涂时间30min。在第一陶瓷层上喷涂第二陶瓷层。采用与喷涂第一陶瓷层相同的工艺条件喷涂第 二 陶瓷层 La2Ce2O7。喷涂第一陶瓷层第二陶瓷层所用的是配备有9MB喷枪和4MP送粉器的瑞士 Sulzer Metco7M型大气等离子喷涂设备。步骤二 喷涂封闭层
(1)制备封闭层材料粉末将封闭层粉末Al2O3放在高能球磨机中湿磨直至粒度低于5 μ m,烘干，再按照封闭 层材料粉末去离子水粘结剂(质量比)=1 1 0. 2的比例配制浆料，用搅拌机搅 拌60min后取出，喷雾干燥，经过雾化造粒后过筛得到等离子喷涂所需的封闭层材料粉末。(2)喷涂封闭层在第二陶瓷层的表面喷涂Al2O3封闭层。设定喷涂电压为60V，电流为750A，送粉气 体(Ar/H2)流量为55/15L/min，送粉率为40g/min，火焰喷口与待喷涂样品的距离为120mm， 喷枪横向移动速率为400mm/s，待喷涂样品预热温度800°C，喷涂时间lOmin。所用的是与喷 涂第一陶瓷层和第二陶瓷层相同的等离子喷涂设备。制备得到具有封闭层的8YSZ/La2Ce207/Al203多层热障涂层共有四层，其中粘结 层厚度为200μπι，第一陶瓷层厚度为150μπι，第二陶瓷层厚度为150μπι，封闭层厚度为 30 μ m,封闭层的孔隙率约为8%。上述工艺制备的具有封闭层的多层热障涂层在热端温度为1250 1300°C，冷端 温度为1050 1100°C的条件下保温5min，然后使用压缩空气在90s内冷却到室温的条件 下进行热冲击实验，经过3570次热冲击后失效，而不带封闭层的双陶瓷层热障涂层的热冲 击寿命为1560次。对上述工艺制备的具有封闭层的多层热障涂层进行950°C大气中Na2SO4-腐蚀实 验，经过19 热腐蚀后失效，而没有封闭层的双陶瓷层热障涂层经过6 失效，封闭层的设 置使热障涂层的抗热腐蚀性能提高了近3倍。实施例6 制备兼具封闭层和垂直裂纹结构的8YSZ/La2Ce207/Al203多层热障涂层步骤一在基体上喷涂粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层1)制备等离子喷涂用粉末A 准备粘结层材料粉末粘结层材料选择NiCoCrAHHf，组分重量百分比为47 %的Ni，22. 5% Co、19 %的 Cr、10%的 Al、1. 0%的 Υ，0· 5%的 Hf。B 制备第一陶瓷层材料和第二陶瓷层材料粉末将第一陶瓷层8YSZ粉末放在高能球磨机中湿磨至粒度低于5 μ m,烘干，再按照第 一陶瓷层材料粉末去离子水粘结剂(质量比)=1 1 0. 2的比例配制浆料，用搅 拌机搅拌45min后取出，喷雾干燥，经过雾化造粒后过筛得到等离子喷涂所需的第一陶瓷 层材料粉末。所述的第二陶瓷层材料La2Ce2O7粉末与第一陶瓷层材料SY^粉末按照相同 的方法制得。所述的粘结剂为桃胶，主要成分为有机糖类，熔点、沸点较低，200°C以上易挥发， 对等离子喷涂制备的第一陶瓷层和第二陶瓷层成分无影响。(2)基体准备和前处理选用牌号DD6的高温合金作为基体材料，依次用150#，300#，500#，800#砂纸打磨
基体，使表面粗糙度Ra < 0. 8，将打磨后的基体放入丙酮中用超声波清洗20min后自然晾 干，再对基体进行喷砂处理，使其表面粗糙度达到Ra > 15。(3)喷涂粘结层在基体表面喷涂粘结层。设定喷涂的电压为40V，电流为550A，送粉气体(Ar/H2)流量为45/12L/min，送粉率为25g/min，火焰喷口与基体的距离为110mm，喷枪横向移动速 率为250mm/s，基体预热温度500°C，喷涂时间25min。所用的设备为GP-80型低压等离子喷
涂设备。(4)喷涂第一陶瓷层和第二陶瓷层在粘结层上喷涂第一陶瓷层8YSZ。设定喷涂电压为60V，电流为750A，送粉气体 (Ar/H2)流量为40/15L/min，送粉率为40g/min，火焰喷口与待喷涂样品的距离为90mm，喷 枪横向移动速率为400mm/s，待喷涂样品预热温度400°C，喷涂时间8min。在第一陶瓷层上喷涂第二陶瓷层。采用与喷涂第一陶瓷层相同的工艺条件喷涂第 二 陶瓷层 La2Ce2O7。喷涂第一陶瓷层第二陶瓷层所用的是配备有9MB喷枪和4MP送粉器的瑞士 Sulzer Metco7M型大气等离子喷涂设备。步骤二 喷涂封闭层(1)准备封闭层材料粉末将封闭层粉末Al2O3放在高能球磨机中湿磨直至粒度低于3 μ m,烘干，再按照封闭 层材料粉末去离子水粘结剂(质量比)=1 1 0. 2的比例配制浆料，用搅拌机搅 拌45min后取出，喷雾干燥，经过雾化造粒后过筛得到等离子喷涂所需的封闭层材料粉末。(2)喷涂封闭层在第二陶瓷层的表面喷涂Al2O3封闭层。设定喷涂电压为50V，电流为700A，送粉气 体(Ar/H2)流量为50/12L/min，送粉率为30g/min，火焰喷口与待喷涂样品的距离为110mm， 喷枪横向移动速率为300mm/s，待喷涂样品预热温度700°C，喷涂时间8min。采用与喷涂第 一陶瓷层和第二陶瓷层相同的等离子喷涂设备。制备得到的8YSZ/La2Ce207/Al203多层热障涂共有四层，其中8YSZ和La2Ce2O7陶瓷 层带有垂直裂纹。该多层热障涂层的粘结层厚度为150 μ m，第一陶瓷层厚度为40 μ m，第二 陶瓷层厚度为40 μ m，封闭层厚度为25 μ m，封闭层的孔隙率约为5%。上述工艺制备的具有封闭层的多层热障涂层在热端温度为1250 1300°C，冷端 温度为1050 1100°C的条件下保温5min，然后使用压缩空气在90s内冷却到室温的条件 下进行热冲击实验，经过3980次热冲击后失效，而常规的带封闭层的多层热障涂层的热冲 击寿命为3310次。采用改进的工艺条件在陶瓷层中引入垂直裂纹提高了热障涂层的抗热 冲击性能。对上述工艺制备的陶瓷层带有垂直裂纹的带有封闭层的多层热障涂层进行950°C 大气中Na2SO4热腐蚀实验，经过180h热腐蚀后失效，而常规的带封闭层的多层热障涂层经 过17 失效。垂直裂纹的引入没有降低热障涂层的抗热腐蚀性能，垂直裂纹并没有成为腐 蚀性杂质向涂层内部扩散的通道。实施例7 制备兼具封闭层和垂肓裂纹结构的8YSZ/La2Ce207/Al203多层热障涂层本实施例与实施例5的差别仅在于喷涂第一陶瓷层和第二陶瓷层的步骤一(4)， 具体为利用制备好的SY^粉末在粘结层上喷涂第一陶瓷层。设定喷涂电压为70V，电 流为800A，送粉气体(Ar/H2)流量为50/18L/min，送粉率为50g/min，火焰喷口与待喷涂 样品的距离为75mm，喷枪横向移动速率为450mm/s，待喷涂样品预热温度500°C，喷涂时间15min。利用制备好的La2Ce2O7粉末在第一陶瓷层上喷涂第二陶瓷层。采用与喷涂第一陶 瓷层相同的工艺条件喷涂第二陶瓷层。喷涂第一陶瓷层第二陶瓷层所用的是配备有9MB喷枪和4MP送粉器的瑞士 Sulzer Metco7M型大气等离子喷涂设备。制备得到的8YSZ/La2Ce207/Al203多层热障涂层共有四层，其中8YSZ和陶 瓷层带有垂直裂纹。该多层热障涂层的粘结层厚度为150 μ m，第一陶瓷层厚度为110 μ m， 第二陶瓷层厚度为ΙΙΟμπι，封闭层厚度为25μπι，封闭层的孔隙率约为5%。上述工艺制备的具有封闭层的多层热障涂层在热端温度为1250 1300°C，冷端 温度为1050 1100°C的条件下保温5min，然后使用压缩空气在90s内冷却到室温的条件 下进行热冲击实验，经过4215次热冲击后失效，而常规的带封闭层的多层热障涂层的热冲 击寿命为3485次。采用改进的工艺条件在陶瓷层中引入垂直裂纹提高了热障涂层的抗热 冲击性能。对上述工艺制备的陶瓷层带有垂直裂纹的带有封闭层的多层热障涂层进行950°C 大气中Na2SO4热腐蚀实验，经过18 热腐蚀后失效，而常规的带封闭层的多层热障涂层经 过18 失效。垂直裂纹的引入没有降低热障涂层的抗热腐蚀性能，垂直裂纹并没有成为腐 蚀性杂质向涂层内部扩散的通道。实施例8 采用改讲的等离子喷涂方法制备8YSZ/La2Ce207/Al203多层热障涂层本实施例与实施例5的差别仅在于喷涂第一陶瓷层和第二陶瓷层的步骤一(4)， 具体为利用制备好的SY^粉末在粘结层上喷涂第一陶瓷层。设定喷涂电压为80V，电流 为900A，送粉气体(Ar/H2)流量为65/20L/min，送粉率为60g/min，火焰喷口与样品的距离 为60mm，喷枪横向移动速率为500mm/s，样品预热温度700°C，喷涂时间20min。利用制备好的La2Ce2O7粉末在第一陶瓷层上喷涂第二陶瓷层。采用与喷涂第一陶 瓷层相同的工艺条件喷涂第二陶瓷层。喷涂第一陶瓷层第二陶瓷层所用的设备均为配备有9MB喷枪和4MP送粉器的瑞士 SulzerMetco 7M型大气等离子喷涂设备。制备得到的8YSZ/La2Ce207/Al203多层热障涂层共有四层，其中8YSZ和La2Ce2O7陶 瓷层带有垂直裂纹。该多层热障涂层的粘结层厚度为150 μ m，第一陶瓷层厚度为150 μ m， 第二陶瓷层厚度为150 μ m,封闭层厚度为25 μ m,封闭层的孔隙率约为5%。上述工艺制备的具有封闭层的多层热障涂层在热端温度为1250 1300°C，冷端 温度为1050 1100°C的条件下保温5min，然后使用压缩空气在90s内冷却到室温的条件 下进行热冲击实验，经过4390次热冲击后失效，而常规的带封闭层的多层热障涂层的热冲 击寿命为3680次。采用改进的工艺条件在陶瓷层中引入垂直裂纹提高了热障涂层的抗热 冲击性能。采用改进的工艺条件在陶瓷层中引入垂直裂纹提高了热障涂层的抗热冲击性 能。对上述工艺制备的陶瓷层带有垂直裂纹的带有封闭层的多层热障涂层进行950°C 大气中Na2SO4热腐蚀实验，经过190h热腐蚀后失效，而常规的带封闭层的多层热障涂层经 过18 失效。垂直裂纹的引入没有降低热障涂层的抗热腐蚀性能，垂直裂纹并没有成为腐蚀性杂质向涂层内部扩散的通道。
权利要求
1.一种多层热障涂层，其特征在于该多层热障涂层从基体开始，依次为粘结层、第一 陶瓷层、第二陶瓷层和封闭层，所述的封闭层材料为ai2O3。
2.根据权利要求1所述的一种多层热障涂层，其特征在于所述的封闭层的厚度为 10 30μ 。
3.根据权利要求1所述的一种多层热障涂层，其特征在于所述的第一陶瓷层和第二 陶瓷层具有垂直于基体表面的垂直裂纹。
4.根据权利要求1所述的一种多层热障涂层，其特征在于所述的粘结层材料为 MCrAlX合金，重量百分比为19 对％的&、7 10%的Al、1 2 %的X，其余为Μ，其中 M为Ni、Co或二者的组合物，X为Y、Hf、Si中的一种或两种的组合物，粘结层厚度为50 200 μ m ；所述的第一陶瓷层材料为8YSZ，第一陶瓷层厚度为40 150 μ m ；所述的第二陶瓷 层的材料为多元氧化物稳定氧化锆、稀土锆酸盐、萤石结构氧化物、烧绿石结构氧化物、钙 钛矿结构氧化物或磁铁铅矿六方镧铝酸盐中的一种，第二陶瓷层厚度为40 150μπι。
5.一种采用电子束物理气相沉积技术制备多层热障涂层的方法，其特征在于包括以 下几个步骤步骤一在基体表面依次沉积粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层；步骤二 在第二陶瓷层表面沉积封闭层(1)制备封闭层材料靶材将封闭层材料粉末冷压成型，再将冷压成型的棒材在1300 1400°C的高温炉中保温 12 Mh，得到致密的封闭层靶材；(2)沉积封闭层采用电子束物理气相沉积设备在第二陶瓷层表面沉积封闭层，设定真空室真空度为 10_4 10_3Pa，待沉积样品温度为900士25°C，待沉积样品转速为10 20rpm，沉积速率为 0. 5 1. 0 μ m/min，沉积时间20 30min，沉积完成后，将沉积有封闭层的样品取出放入马 弗炉中1000 1050°C充氧处理2 4h。
6.根据权利要求5所述的一种采用电子束物理气相沉积技术制备多层热障涂层的方 法，其特征在于所述的步骤一具体为(1)制备靶材A 制备粘结层材料靶材按比例称取粘结层材料中的各合金组元，在1400 1600°C熔炼得到粘结层材料靶材；B 制备第一陶瓷层和第二陶瓷层材料靶材分别将第一陶瓷层材料粉末和第二陶瓷层材料粉末冷压成型，获得圆柱状的棒材，将 冷压成型的棒材在1300 1400°C的高温炉中保温12 Mh，得到致密的陶瓷靶材；(2)基体准备和前处理将打磨后的基体放入丙酮中用超声波清洗后，对基体进行喷砂处理；(3)在基体表面沉积粘结层沉积时真空室的真空度为10_4 10_3Pa，基体温度为900士25°C，基体转速为10 20rpm，沉积速率为1. 25 2. 0 μ m/min，沉积40 IOOmin后取出，放入真空热处理炉中于 1030 1080°C热处理2 4h，真空度为1 X IO"4 1 X KT3Pa ；(4)沉积第一陶瓷层和第二陶瓷层在粘结层上沉积第一陶瓷层，真空室的真空度为10_4 10_3Pa，待沉积样品温度为 900士25°C，待沉积样品转速为10 20rpm，沉积速率为2. 0 3. 0 μ m/min,沉积时间20 50min ；在第一陶瓷层上沉积第二陶瓷层，真空室的真空度为10_4 10_3Pa，待沉积样品温度为 900士25°C，待沉积样品转速为10 20rpm，沉积速率为2. 0 3. 0 μ m/min,沉积时间20 50mino
7.一种采用等离子喷涂方法制备多层热障涂层的方法，其特征在于包括以下几个步骤步骤一在基体上喷涂粘结层、第一陶瓷层和第二陶瓷层；步骤二 在第二陶瓷层表面喷涂封闭层；(1)制备封闭层材料粉末将封闭层粉末放在高能球磨机中湿磨后烘干，再按照封闭层材料粉末去离子水粘 结剂的质量比满足1 1 0.2的比例配制浆料，用搅拌机搅拌后取出，喷雾干燥，经过雾 化造粒后过筛得到等离子喷涂所需的封闭层材料粉末；(2)喷涂封闭层采用离子喷涂设备在第二陶瓷层的表面喷涂封闭层，设定喷涂电压为45 60V，电流 为550 750A,送粉气体Ar/H2流量为(35 55) / (10 15) L/min,送粉率为20 40g/min, 火焰喷口与待喷涂样品表面的距离为100 120mm，喷枪横向移动速率为200 400mm/s， 待喷涂样品预热温度500 800°C，喷涂时间3 lOmin。
8.根据权利要求7所述的一种采用等离子喷涂方法制备多层热障涂层的方法，其特征 在于所述的步骤一具体为(1)制备等离子喷涂用粉末A 准备粘结层材料粉末B 制备第一陶瓷层材料和第二陶瓷层材料粉末将第一陶瓷层粉末和第二陶瓷层材料粉末分别放在高能球磨机中湿磨至粒度低于 5 μ m，烘干，再按照第一陶瓷层材料粉末去离子水粘结剂的质量比满足1 1 0.2的 比例和第二陶瓷层材料粉末去离子水粘结剂的质量比满足1 1 0.2的比例配制浆 料，粘结剂成分为桃胶，用搅拌机搅拌后取出，喷雾干燥，经过雾化造粒后过筛得到等离子 喷涂所需的第一陶瓷层材料粉末与第二陶瓷层材料粉末；(2)基体准备和前处理将砂纸打磨后基体材料放入丙酮中用超声波清洗后，对基体进行喷砂处理；(3)喷涂粘结层在基体表面喷涂粘结层，设定喷涂电压为30 50V，电流为500 600A，送粉气体Ar/ H2流量为(40 50)/(10 15) L/min，送粉率为20 30g/min，火焰喷口与基体表面的距 离为100 120mm，喷枪横向移动速率为200 300mm/s，基体预热温度400 600°C，喷涂 时间10 30min ；(4)顺次在粘结层上喷涂第一陶瓷层和第二陶瓷层。
9.根据权利要求8所述的一种采用等离子喷涂方法制备多层热障涂层的方法，其特征 在于所述的步骤(4)具体为A 在粘结层的表面喷涂第一陶瓷层喷涂时设定喷涂电压为45 60V，电流为550 750A，送粉气体Ar/H2流量为(40 65) / (10 15) L/min,送粉率为20 40g/min，火焰喷 口与待喷涂样品表面的距离为100 120mm，喷枪横向移动速率为200 400mm/s，待喷涂 样品预热温度为450 800°C，喷涂时间10 30min ；B 在第一陶瓷层的表面喷涂第二陶瓷层喷涂时设定喷涂电压为45 60V，电流为 550 750A,送粉气体Ar/H2流量为(40 65) / (10 15) L/min,送粉率为20 40g/min, 火焰喷口与待喷涂样品表面的距离为100 120mm，喷枪横向移动速率为200 400mm/s， 待喷涂样品预热温度为450 800°C，喷涂时间10 30min。
10.根据权利要求8所述的一种采用等离子喷涂方法制备多层热障涂层的方法，其特 征在于所述的步骤(4)具体为A 在粘结层的表面喷涂第一陶瓷层喷涂的电压为60 80V，电流为750 900A，送粉 气体Ar/H2流量为(40 65) / (15 20) L/min,送粉率为40 60g/min，火焰喷口与待喷 涂样品表面的距离为60 90mm，喷枪横向移动速率为400 500mm/s，待喷涂样品预热温 度400 700°C，喷涂时间8 20min，喷涂厚度为40 150 μ m ；B 在第一陶瓷层的表面喷涂第二陶瓷层喷涂的电压为60 80V，电流为750 900A， 送粉气体Ar/H2流量为(40 65) / (15 20) L/min,送粉率为40 60g/min,火焰喷口与 待喷涂样品表面的距离为60 90mm，喷枪横向移动速率为400 500mm/s，待喷涂样品预 热温度400 700°C，喷涂时间8 20min，喷涂厚度为40 150 μ m。
全文摘要
本发明提出一种多层热障涂层及其制备方法。该多层热障涂层从下至上依次包括粘结层、第一陶瓷层、第二陶瓷层和封闭层，所述的封闭层厚度为10～30μm，封闭层材料为Al2O3，孔隙率为2％～8％。该热障涂层可以采用电子束物理气相沉积技术或等离子喷涂方法制备。本发明提出的一种多层热障涂层在热循环过程中不会发生陶瓷层的层层剥落的现象且其抗热腐蚀性能较双陶瓷层热障涂层有很大的提高，并通过对常规等离子喷涂工艺进行改进，在陶瓷层中引入了垂直裂纹，大大的提高了热障涂层的热冲击寿命。
文档编号B32B18/00GK102127738SQ20111002140
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月19日 优先权日2010年11月25日
发明者宫声凯, 徐惠彬, 郭洪波, 郭磊 申请人:北京航空航天大学