一种抗熔融cmas腐蚀的稀土铝酸盐热障涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及高温涂层腐蚀与防护技术领域，具体是指一种用于高温合金构件表面 的抗烙融CMAS腐蚀的稀±侣酸盐热障涂层材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 热障涂层，简称TBCs，是指将耐高温、抗腐蚀、高隔热的陶瓷材料涂覆在基体合金 表面，W提高基体合金抗高温氧化腐蚀能力、降低合金表面工作温度，从而显著提高发动 机的工作温度和效率，延长基体合金部件在高温高应力状态下的寿命的一种热防护技术。 典型的热障涂层体系由陶瓷层、金属粘结层和高温合金基体组成。
[0003] 目前在燃气轮机祸轮叶片上应用最广泛的热障涂层材料是6~8wt%氧化锭部分 稳定的氧化错（简称8YSZ)，该是由于它具有优异的综合性能，其热导率是2. 1W?m-i?K-1， 线膨胀系数是9~11X 断裂初性是6~9MPa?mi/2。
[0004] YSZ热障涂层在1200°CW上服役时不仅会发生烧结、相变，还容易受到高温、高 压、冲刷和环境表面沉积物等极其恶劣的环境侵蚀，将使涂层的隔热性能和工作寿命大大 降低，最终导致YSZ热障涂层失效。CMAS是一种主要的有害环境表面沉积物，其主要成分 是氧化巧（CaO)、氧化儀（MgO)、S氧化二侣（Al2〇3)和二氧化娃（Si〇2)，还包含微量饥、硫、 钢、铁等元素。CMAS颗粒被吸入到祸轮叶片中，会对YSZ热障涂层表面造成冲刷和磨蚀； 在1250°C及W上的高温环境下，烙融CMAS对YSZ陶瓷层有很好的润湿作用，烙融CMAS通 过YSZ陶瓷层表面的空隙和裂纹渗透到涂层内部，冲击压实YSZ陶瓷层，引起YSZ陶瓷层孔 隙收缩、表层致密化，大大降低了YSZ热障涂层的热力学性能；YSZ在烙融CMAS中会发生溶 解，造成稳定剂氧化锭损失，氧化错发生晶型转变，降低了涂层应变损伤容限；烙融CMAS渗 透到YSZ热障涂层底部腐蚀热生长氧化物层及合金基体，化学反应和热力禪合作用导致涂 层的线膨胀系数和热导率发生改变，最终使涂层分层、开裂和剥落。
[0005] 随着祸轮机进气口温度显著提高，逐渐达到并超过了CMAS的低共烙点，大大加强 了烙融CMAS对热障涂层TBCs的破坏。
【发明内容】
[0006] 为了解决现有YSZ热障涂层容易遭受烙融CMAS腐蚀的问题，本发明提出一种新型 抗烙融CMAS腐蚀的稀±侣酸盐热障涂层及制备方法。
[0007] 本发明的第一个目的是提供一种热障涂层陶瓷层材料，所述陶瓷层材料为稀±侣 酸盐石恼石结构化合物或稀±侣酸盐巧铁矿化合物。
[000引本发明的第二个目的是提供一种热障涂层，包括在基体上制备得到的粘结层，在 粘结层上制备得到的第一陶瓷层及第二陶瓷层。所述第一陶瓷层为YSZ层；第二陶瓷层由 稀±侣酸盐石恼石结构化合物或稀±侣酸盐巧铁矿化合物构成。
[0009] 所述的粘结层材料分为S种：第一种为NiAlDy，其组分包括（摩尔百分比）40~ 60 %的Ni，38~60 %的Al，0. 05~1. 5 %的Dy;第二种为NiAlPt，其组分包括（摩尔百 分比）40~60 %的Ni，34~46 %的A1，4~20 %的Pt;第S种为NiCoCrAlY，其组分包括 (质量百分比）40~60 %的Ni，15~25 %的Co, 16~27 %的Cr，5~10 %的A1，0. 05~ 2%的Y。所述的第一陶瓷层为陶瓷底层，制备在粘结层表面，其材料为氧化锭稳定氧化错 狂r〇2+化~8wt% )Y2化）；第二陶瓷层为陶瓷顶层，制备在第一陶瓷层表面，其材料为新型 稀±侣酸盐石恼石结构化合物R3AI乱2或稀上侣酸盐巧铁矿化合物XA103,其中R为Y，Gd， Tb，化和孔中任意一种或两种，X为Y，La,Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，化和孔中任意一种或两 种。
[0010] 优选地，第一陶瓷层的厚度等于第二陶瓷层的厚度。
[0011] 本发明的第=个目的是提供一种抗烙融CMAS腐蚀的稀±侣酸盐热障涂层的制备 方法，包括下列步骤：
[0012] 第一步，基体表面喷砂预处理。
[0013] 第二步，在基体上制备NiAlDy、NiCoCrAlY或NiAlPt粘结层，制备方法可W是大气 等离子喷涂方法、电子束物理气相沉积方法或者电锻W及包埋渗的方法。
[0014] 第=步，在粘结层上制备第一陶瓷层和第二陶瓷层；
[0015] 所述的第一陶瓷层和第二陶瓷层采用大气等离子喷涂方法、等离子物理气相沉积 方法或电子束物理气相沉积方法制备得到；
[0016] (A)采用大气等离子喷涂方法制备第一陶瓷层和第二陶瓷层；
[0017] 采用大气等离子喷涂在粘结层表面制备第一陶瓷层，主要工艺参数：电流为 500~650A，电压为45~65V，送粉率为10~20g/min，喷涂距离为80~120mm，主气流量 Ar气为2000~2500L/h，&气流量为5~lOL/min。沉积时间越长，涂层厚度越厚，本发明 中选择沉积时间为10~30min，得到厚度为50~120ym的第一陶瓷层。第一陶瓷层制备 完毕后接着按上述工艺参数制备第二陶瓷层。
[0018] 炬）采用等离子物理气相沉积方法制备第一陶瓷层和第二陶瓷层；
[0019] 首先，制备第一陶瓷层，具体步骤如下：
[0020] 炬1)将带有粘结层的基体装入夹具中，然后固定到真空室内的自动转动工件台 上，关闭真空室，抽真空，直到真空室的压力低于Imbar;
[002U 炬2)设定喷涂电功率为55~lOOKW，电流为1800~2500A，打开工作气体阀口，弓I 弧，待电弧稳定后，逐步调整气体流量到指定气体流量（Ar35slpm，化30~eOslmp); [002引 敝）利用等离子焰流加热基体，红外探头探测基体温度600~1000°C后，停止加 执.
[0023] 炬4)打开装有YSZ粉料的送粉器A，调整送粉率为5~35g/min，喷涂距离为800~ 1400mm，开始沉积YSZ涂层；
[0024] 炬5)YSZ涂层沉积结束后，停止送粉；一般沉积时间越长，涂层厚度越厚，本发明 中选择沉积时间为3~15min，得到厚度为40~100ym的第一陶瓷层。
[0025]然后，沉积第二陶瓷层一一稀±侣酸盐石恼石结构化合物R3AIA2或稀上侣酸盐 巧铁矿化合物XA103,打开装有稀±侣酸盐石恼石结构化合物RsAlgOis或稀±侣酸盐巧铁矿 化合物XA103喷涂粉料的送粉器B，送粉率为5~40g/min，开始沉积稀±侣酸盐石恼石结 构化合物R3AI乱2陶瓷层或稀上侣酸盐巧铁矿化合物XA103陶瓷层；沉积时间越长，涂层厚 度越厚，本发明中选择沉积时间为3~15min，得到厚度为40~100ym的第二陶瓷层。
[0026] (C)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；
[0027] (C1)将YSZ粉体和稀±侣酸盐石恼石结构化合物R3AI乱2粉体或稀上侣酸盐巧铁 矿化合物XA103粉体干压成型，制成〇70mmX100mm的YSZ祀材和稀±侣酸盐石恼石结构 化合物R3AI5O12或稀上侣酸盐巧铁矿化合物XA103祀材；
[002引 （C2)将上述两个祀材在200MI^a下冷等静压成型1~化，然后将祀材在高温烧结 炉中1200~1400°C下烧结3~化；
[0029] (C3)将两个祀材放进电子束物理气相沉积设备的相蜗中，高能电子束将YSZ祀材 烙化，祀材发生蒸发、沉积，形成第一陶瓷层，本发明选择的沉积时间为3~15min，得到厚 度为40~100ym的第一陶瓷层；
[0030] (C4)调整高能电子束将稀±侣酸盐石恼石结构化合物R3AI乱2或稀上侣酸盐巧铁 矿化合物xai〇3祀材烙化，祀材发生蒸发、沉积，形成第二陶瓷层，本发明中选择沉积时间为 3~15min，得到厚度为40~100