本发明属于热障涂层
技术领域：
，涉及一种曲折柱状结构的热障涂层陶瓷层及其制备方法。
背景技术：
：航空航天、能源动力等行业的发展对航空发动机和工业燃气轮机提出了更高的要求。发动机热端部件长期在高温、腐蚀、磨损的复杂条件下服役，而且工作环境越来越苛刻，对热端部件的表面性能要求越来越高。目前在发动机叶片、燃烧室、尾喷管等重要高温部件上必须采用更高效的冷却技术和更高隔热性能的热障涂层。相应的热障涂层制备技术也需要创新和发展。热障涂层（tbcs）是利用陶瓷材料优越的耐高温、抗腐蚀和低导热性能，以涂层的方式将陶瓷与金属基体相复合，提高热端部件的使用温度和抗高温氧化能力，延长热端部件的使用寿命，提高发动机效率的一种表面防护技术。目前热障涂层的制备方法主要有电子束物理气相沉积（eb-pvd）和等离子喷涂（ps）技术。两种方法获得的涂层结构不同，性能各有优劣。ps效率高，成本低。涂层是层片状结构，隔热性能好。但是涂层与基体之间为机械结合，结合强度一般，同时层片状结构应变容限低，在热冲击下容易过早剥落。因此aps涂层一般用在温度较低的导向叶片上。而使用温度更高，工况更复杂的各种重要热端部件均是采用eb-pvd热障涂层。等离子喷涂气相沉积技术（ps-pvd）是在低压等离子喷涂基础上发展起来的一种新型气相沉积涂层方法。该技术配置100kw以上大功率等离子喷枪，工作气压一般小于150pa。喷涂时，高热焓气体被电弧加热离解成等离子体，等离子体通过喷嘴出口急剧膨胀，形成超音速高能量的等离子射流，长度超过2m，直径方向膨胀到200-400mm。由于等离子射流能量足够高，喷涂粉末可以被蒸发形成气相原子，气相材料或气相为主的复相材料随等离子流喷射到基体表面，沉积形成柱状晶结构。研究发现，等离子物理气相沉积技术制备的柱状晶结构热障涂层具有较好的综合性能，其隔热性能明显高于eb-pvd，接近ps；热循环寿命明显高于ps，接近eb-pvd涂层。现有的热障涂层陶瓷层，无论是通过eb-pvd和等离子喷涂气相沉积技术制备出来的均是垂直柱状晶结构。垂直柱状晶之间不可避免的存在大量的垂直间隙，从涂层表面垂直向下一直贯穿到基体，因为这种直线通道路程短，通道呈笔直就阻碍少，热（以高温燃气为载体）和腐蚀介质（如发动机吸入的砂砾粉尘形成的熔融氧化物）的进入和扩散变得非常快速，涂层隔热及抗高温腐蚀能力降低。技术实现要素：针对现有的垂直柱状晶结构的热障涂层陶瓷层，存在大量的垂直间隙而对高温燃气和熔融腐蚀介质的进入和扩散无法形成阻碍作用的问题。为了解决所述的问题，本发明所采用的技术方案是提供一种曲折柱状结构的热障涂层陶瓷层，其热障涂层陶瓷层特征是具有非垂直生长的柱状结构，所述的柱状结构与基体1表面法线方向呈一定角度的曲折，该曲折柱状结构与基体1表面法线方向之间的角度为曲折角度α，60°≥α＞0°，曲折柱状结构生长方向发生变化的次数为曲折次数a，10次≥a≥1次。优选地，所述的曲折柱状结构与基体1表面法线方向之间的角度为曲折角度α，最优为45°≥α≥10°，曲折柱状结构生长方向发生变化的次数为曲折次数a，最优为5次≥a≥1次。同时，本发明提供一种曲折柱状结构的热障涂层陶瓷层的制备方法，所述的制备方法为等离子喷涂气相沉积技术，是在真空室压力不高于150pa的环境下进行等离子喷涂，热障涂层陶瓷层粉末进入等离子射流5后实现蒸发，形成气相或气相为主的复相，进行涂层沉积，其中在基体1上制备陶瓷层3的步骤包含，沉积陶瓷层3，将基体1固定到真空室内的工件运动台上；关闭真空室，抽真空，直到真空室的压力≤150pa；预氧化处理：在真空室的压力≤150pa、氧气流量1-3l/min条件下，基体1温度控制在900-1100℃，等离子焰流吹扫5-20min；送入陶瓷层粉末；制得具有与基体1表面法线方向呈一定角度的曲折柱状结构的热障涂层陶瓷层；制备结束。优选地，所述的曲折柱状结构的热障涂层陶瓷层的制备方法的步骤包含有，准备基体1，对基体1上粘结层2的表面进行研磨、抛光和清洗，保持表面洁净，表面粗糙度ra＜2μm。优选地，在制备喷涂过程中基体1需要沉积涂层4的表面和等离子射流5之间保持一定的角度β，90°＞β≥0°，喷涂一段时间后基体1转动至另外一侧，基体1表面和等离子射流5之间保持相同角度β。再喷涂一段时间后基体1转动至原来一侧，保持相同角度β，如此循环。喷涂过程中的基体1转动次数b取决于涂层结构的曲折次数a，10次≥转动次数b=曲折次数a≥1次。通过基体1沉积表面和等离子射流5之间角度的多次变换，调节陶瓷层3柱状结构的沉积生长方向。优选地，所述的沉积涂层4的表面和等离子射流5之间保持一定的角度β，最优为60°＞β≥20°，喷涂一段时间后基体1转动至另外一侧，基体1表面和等离子射流5之间保持相同角度β。再喷涂一段时间后基体1转动至原来一侧，保持相同角度β，如此循环。喷涂过程中的基体1转动次数b取决于涂层结构的曲折次数a，最优为5次≥转动次数b=曲折次数a≥1次。优选地，所述的曲折柱状结构的热障涂层陶瓷层的制备条件为：喷涂电流为2000-2800a，功率为100-140kw，等离子工作气体为ar、he，流量分别为25~50l/min、50~75l/min。h2可以作为第三种等离子气体进行添加，流量为0~10l/min。基体1温度控制在900-1100℃之间，送粉率2-20g/min，喷涂距离为800-1400mm，沉积厚度不限，一般为100-500μm。超出参数范围将导致陶瓷层粉末进入等离子射流5后，加热能力有限而无法实现蒸发，无法形成气相沉积，因此涂层结构会是致密的片状堆积而无法形成曲折柱状。本发明与现有的热障涂层陶瓷层及制备技术相比，具有以下显著优点：(1)现有的热障涂层陶瓷层，包括通过eb-pvd和等离子喷涂气相沉积技术制备出来的均是垂直柱状晶结构，存在大量的垂直间隙（从涂层表面垂直向下贯穿到基体1），因为垂直间隙的通道短，笔直而阻碍少，成为热和腐蚀介质进入和扩散的快速通道，降低涂层隔热及抗高温腐蚀能力。本发明消除了垂直间隙，高温燃气无法快速的直接通过垂直间隙加热到基体1，曲折柱状结构热障涂层对高温燃气的进入形成阻挡，可以大幅度提高隔热效果。(2)发动机吸入的砂砾粉尘在高温下会形成熔融的腐蚀物质，它们会沿着晶间间隙进入和扩散。曲折柱状结构中的间隙通道更长，熔融的腐蚀物质在其中扩散需要拐弯和收到更长的通道壁面的粘滞阻碍作用。腐蚀物质难以进入和扩散，就使得涂层的抗高温腐蚀能力提高。(3)现有的垂直柱状晶结构的热障涂层陶瓷层，喷涂过程中基体1表面和等离子射流5之间一般固定保持在垂直90°或是进行绕轴旋转。本制备方法采用基体1和喷枪之间特定角度和转动次数的联动控制，继而实现曲折柱状晶的制备。而且曲折结构调节方便：即通过调节基体1表面和等离子射流5之间的角度β和基体1的转动次数b，可以得到不同曲折角度，曲折次数的涂层结构；通过调节喷涂功率、基体1温度、送粉率和喷涂距离等喷涂参数，可以得到不同曲折柱状晶特征（如粗细、疏密）的涂层结构。附图说明图1是本发明所述的曲折柱状结构热障涂层陶瓷层的结构示意图。图2是本发明提供的曲折柱状结构陶瓷层的制备方法示意图。图3是本发明实施例的隔热温度曲线图（曲线1为对比例；曲线2为本发明实施例一；曲线3为本发明实施例二）。图1以及图2中，1为基体，2为粘结层，3为陶瓷层，4为沉积涂层，5为等离子射流。具体实施方式实施例一本实施例选用高温合金k417g作为基材，其陶瓷层3内柱状结构曲折角度设计为15°，曲折次数设计为2次。热障涂层陶瓷层材料选用氧化钇稳定氧化锆（ysz）陶瓷粉末（团聚球形粉末，粒径-30+1μm，成分如下表）成分zro2y2o3hfo2粘结剂杂质重量百分比余量7.5<2.51<0.1具体制备过程如下：第一步，准备基体1，具体如下：(7)基体1上粘结层2的表面进行研磨抛光，酒精超声波清洗，保持表面洁净，通过便携式表面粗糙度计测量，ra=0.37±0.05μm；第二步，在基体1上制备陶瓷层3，具体步骤如下：(2)沉积陶瓷层3，将基体1固定到真空室内的工件运动台上；(3)关闭真空室，抽真空，保持真空室的动态压力＜150pa；(4)预氧化处理：喷涂前实现等离子焰流吹扫，真空室通氧2l/min，基体1加热到温度930±30℃，时间为8min。(5)送入ysz陶瓷粉末；(6)喷涂过程中，需要沉积涂层4的基体1表面和等离子射流5之间保持30°的角度，喷涂5min后基体1转动至等离子射流5轴线的另一侧，基体1表面和等离子射流5之间同样保持30°的角度。再喷涂5min后基体1转动，基体1表面和等离子射流5之间回到原方位，保持30°的角度。即喷涂全过程中，沉积涂层4表面和等离子射流5之间的角度变换2次。其它制备条件为：喷涂电流为2600a，功率为125kw，等离子工作气体为ar、he，流量分别为35l/min、60l/min。基体1温度在930±30℃，送粉率10g/min，喷涂距离为950mm。第三步，制备结束。实施例通过ysz陶瓷粉末在基体1表面的气相沉积制得了曲折柱状结构的热障涂层陶瓷层。曲折柱状结构与基体1法线方向之间的角度，即曲折角度为15±0.5°，曲折柱状结构生长方向发生变化的次数，即曲折次数为2次。曲折柱状结构陶瓷层3的总厚度为400μm。实施例二本实施例选用高温合金dz40m作为基材，其陶瓷层3内柱状结构曲折角度设计为5°，曲折次数设计为2次。热障涂层陶瓷层材料选用氧化钇稳定氧化锆（ysz）陶瓷粉末（团聚球形粉末，粒径-30+1μm，成分如下表）成分zro2y2o3hfo2粘结剂杂质重量百分比余量7.5<2.51<0.1具体制备过程如下：第一步，准备基体1，具体如下：(1)基体1上粘结层2的表面进行研磨抛光，酒精超声波清洗，保持表面洁净，通过便携式表面粗糙度计测量，ra=0.1±0.02μm；第二步，在基体1上制备陶瓷层3，具体步骤如下：(2)沉积陶瓷层3，将基体1固定到真空室内的工件运动台上；(3)关闭真空室，抽真空，保持真空室的动态压力小于或等于150pa；(4)预氧化处理：喷涂前实现等离子焰流吹扫，真空室通氧2l/min，基体1加热到温度950±30℃，时间为10min。(5)送入ysz陶瓷粉末；(6)喷涂过程中，需要沉积涂层4的基体1表面和等离子射流5之间保持45°的角度，喷涂4min后基体1转动至等离子射流5轴线的另一侧，基体1表面和等离子射流5之间同样保持45°的角度。再喷涂4min后基体1转动，基体1表面和等离子射流5之间回到原方位，保持45°的角度。即喷涂全过程中，沉积涂层4表面和等离子射流5之间的角度变换2次。其它制备条件为：喷涂电流为2200a，功率为127kw，等离子工作气体为ar、he，流量分别为30l/min、60l/min，h2作为第三种等离子气体进行添加，流量为5l/min。基体1温度在950±30℃℃，送粉率15g/min，喷涂距离为1000mm。第三步，制备结束。实施例通过ysz陶瓷粉末在基体1表面的气相沉积制得了曲折柱状结构的热障涂层陶瓷层。曲折柱状结构与基体1法线方向之间的角度，即曲折角度=4.5±0.5°，曲折柱状结构生长方向发生变化的次数，即曲折次数=2次。曲折柱状结构陶瓷层3的总厚度为350μm。对比例：喷涂过程中基体1不发生转动，其工艺参数与实施例1的完全相同。采用隔热温度测试炉来测试涂层隔热效果，具体方法是试样涂层表面加热到1200℃保持稳定，采用热电偶测量和记录试样背面温度。图3是本实施例的隔热温度曲线图，其中曲线1为对比例，结构为垂直柱状晶热障涂层；其中曲线2为实施例一，可以看到，当试样涂层表面保持在1200℃时，实施例一的试样背面温度要低于传统的垂直柱状晶热障涂层，约80℃左右，说明本实施例隔热效果明显优于传统的垂直柱状晶热障涂层，隔热效果有大幅度的提高。曲线3为实施例二。可以看到，实施例二的隔热效果同样优于传统的垂直柱状晶热障涂层，约20-30℃，隔热效果有明显提高。本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。当前第1页12