一种高隔热和抗CMAS腐蚀的热障涂层及其制备方法

本发明涉及热障涂层，更具体地涉及一种高隔热和抗cmas腐蚀的热障涂层及其制备方法。

背景技术：

1、热障涂层(tbc)已被广泛应用于先进的燃气轮机、航空发动机等热端部件表面以降低部件的表面温度，缓解高温服役环境对金属部件产生的损害，从而通过提高气体温度使发动机在更严苛的条件下安全运行。对于完备的tbc体系，通常由高温合金基体、中间粘结层和顶部陶瓷面层组成。顶部陶瓷层的性能对tbc体系的性能有着至关重要的影响。通常作为tbc陶瓷层材料需具备低热导率，高相稳定性，优异的高温热物理性能等特性。然而，在实际应用过程中想要充分发挥材料的性能优势需依赖涂层制备技术，设计不同的涂层结构得以实现。

2、热障涂层结构设计的原则是要保证制备出的涂层结构具有高温抗腐蚀性，高顺应性，抗烧结性以及低热导性。主流的tbc制备技术主要包括电子束物理气相沉积(eb-pvd)和大气等离子喷涂(aps)，针对不同需求，设计具有不同组织结构的热障涂层。其中，aps技术由于其较低的成本，工艺参数调控灵活度高而成为目前应用范围最广的tbc制备技术。利用aps技术制备的热障涂层包含大量二维层间未结合孔隙以及部分球形孔隙，这些孔隙结构的存在可以有效调节涂层在服役过程中的应变容限，并且降低热障涂层体系的热导率，改善热障涂层的服役表现。但这些孔隙结构在高温下往往容易受到熔融cmas填充，从而加速涂层烧结硬化、降低热障涂层体系的应变容限，使涂层开裂失效。

3、目前，国内外相关研究表明可以通过在tbc体系中进行孔隙结构设计来优化tbc体系的综合服役表现。基于aps技术，通过控制沉积参数，如等离子体功率、喷涂距离、喷涂角度，国内外研究人员已经进行了一些工作来调整aps tbc的孔隙结构。然而，这些方法的局限性在于，只能调节涂层的总孔隙度水平，很难控制孔隙的分布以及几何形态，孔隙在涂层中仍然呈弥散分布，且几何形态不可控。另一方面，孔隙的几何形状和分布与tbc的机械、隔热以及抗腐蚀性能直接相关。

4、综上所述，迫切需要基于aps技术开发一种涂层沉积技术，以便于控制tbc中的孔隙微观结构和分布。这将有利于实现tbc高性能服役表现，满足航空航天等领域对热障涂层日渐严苛的要求。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中的孔隙在涂层中仍然呈弥散分布且几何形态不可控等问题，本发明提供一种高隔热和抗cmas腐蚀的热障涂层(也被称为抗cmas腐蚀层-隔热层规则排布的aps热障涂层)及其制备方法。

2、根据本发明的高隔热和抗cmas腐蚀的热障涂层，其自上而下由陶瓷层、金属粘结层和高温合金基体组成，其中，陶瓷层是由致密的抗cmas腐蚀层和多孔粒子团簇规则排布形成的隔热层复合而成的层状结构。

3、优选地，所述陶瓷层由若干抗cmas腐蚀层和线性排布的多孔团聚陶瓷粉体隔热层交替设置而形成。也就是说，所述陶瓷层被线性排布的多孔粒子团簇分割为抗cmas腐蚀层和隔热层，整体呈现出致密抗cmas腐蚀层-疏松隔热层的规则往复结构。

4、优选地，所述陶瓷层的厚度为200μm～1000μm。

5、优选地，所述抗cmas腐蚀层的致密度>80％，厚度为30μm～50μm。

6、优选地，所述隔热层由抗cmas腐蚀层中嵌入的若干多孔团聚陶瓷粉体团簇水平线性排布形成，所述隔热层与热流方向垂直。由于隔热层与热流方向垂直，可以有效提高涂层的隔热性能。

7、优选地，所述隔热层的致密度<50％，厚度为5μm～20μm。

8、根据本发明的上述热障涂层的制备方法，其利用大气等离子喷涂沉积所述陶瓷层，其中，抗cmas腐蚀层由空心球形陶瓷粉体经等离子体射流充分熔化后堆垛而成，多孔团聚陶瓷粉体被同时注入等离子体中以使得多孔团聚陶瓷粉体形成隔热层，最终产生抗cmas腐蚀层和隔热层交替往复的涂层结构。也就是说，所述陶瓷层通过调控粉末注入方式以在涂层制备过程中同时形成抗cmas腐蚀层-隔热层规则排布的热障涂层。

9、优选地，该制备方法包括：s1，对高温合金基体的表面进行表面喷砂处理，表面粗化以后对高温合金基体进行超声清洗后干燥；s2，在粗化后的高温合金基体的表面，利用aps技术制备金属粘结层；s3，将易于充分熔化的空心球形陶瓷粉体注入到等离子焰流中心，经等离子体加热、加速之后撞击在金属粘结层的表面形成片层状堆叠层；经同轴传送，将多孔团聚陶瓷粉体注入到等离子焰流末端，经过等离子体携带分散到层状堆叠层中，形成疏松多孔涂层结构。

10、优选地，在所述陶瓷层的制备过程中，喷枪扫描线速度为600-800mm/s，光栅扫描步长为1-2mm，多孔团聚陶瓷粉体送粉速率为30-40g/min。

11、优选地，空心球形陶瓷粉体和多孔团聚陶瓷粉体选自氧化锆，氧化钇部分稳定氧化锆，氧化镱稳定氧化锆，双稀土掺杂改性氧化锆，锆酸钆，锆酸镧，锆酸锶，铈酸镧中的至少一种。

12、优选地，在所述陶瓷层的制备过程中，喷涂功率为38kw～42kw，喷枪电流为550a～650a，主气流量为40slpm～50slpm，辅气流量为8slpm～10slpm。

13、优选地，所述抗cmas腐蚀层由若干充分熔化的空心球形陶瓷粉体熔滴铺展和堆叠而形成。

14、优选地，所述抗cmas腐蚀层采用粒径为10μm～40μm的空心球形陶瓷粉体注入。

15、优选地，空心球形陶瓷粉体的送粉速率为10-20g/min。在优选的实施例中，空心球形陶瓷粉体的粉体流动性为90sec/50g。

16、优选地，所述空心球形陶瓷粉体的内部晶粒尺寸为50～300nm。

17、优选地，空心球形陶瓷粉体的注入位置距等离子焰流出口水平距离为5mm，利用等离子焰流出口处高温、高能等离子体将粉末充分熔化并铺展到基体上形成致密层。

18、优选地，所述隔热层采用粒径为30μm～60μm的多孔团聚陶瓷粉体。在优选的实施例中，多孔团聚陶瓷粉体的该粉体流动性为152sec/50g。

19、优选地，多孔团聚陶瓷粉体的内部团聚颗粒尺寸为1μm～8μm。

20、优选地，多孔团聚陶瓷粉体的注入位置距离子焰流出口水平距离为35mm，在远离等离子焰流高温和高能段将多孔陶瓷粉末嵌入到涂层中并保持其原有结构。

21、根据本发明的高隔热和抗cmas腐蚀的热障涂层，适用于燃气轮机，航空发动机等热端部件表面。

22、根据本发明的热障涂层，抗cmas腐蚀层-隔热层规则排布，突破了常规层状结构及无序多孔结构热障涂层抗cmas腐蚀能力和隔热能力相互制约的关系，具有优异的高温热寿命。根据本发明的热障涂层的制备方法，工艺成本低、设计灵活性高，在实际应用中能够经济、高效地调控热障涂层结构。另外，本发明利用简单、经济的工艺调控措施突破无序多孔结构tbc隔热能力和抗cmas腐蚀能力相互制约的关系，从而实现低热导、长寿命，抗cmas腐蚀三者协同的热障涂层结构设计，解决上述热障涂层亟需解决的技术壁垒。