本發(fā)明屬于熱障涂層，具體是一種同步提高ysz熱障涂層抗cmas腐蝕和抗熱震性能的方法。

背景技術(shù)：

1、熱障涂層(thermal?barrier?coatings,tbcs)被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件，將高溫合金基體與高溫燃?xì)飧綦x，能夠降低合金部件所受損傷程度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和耐久性。目前綜合性能最好、應(yīng)用最廣泛的熱障涂層材料是6～8wt％氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯(6～8ysz)。然而隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的不斷提高，ysz熱障涂層面臨的熔鹽(cao-mgo-al2o3-sio2，cmas)腐蝕問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度已經(jīng)超過(guò)了cmas的熔點(diǎn)，cmas在涂層表面熔化、潤(rùn)濕、鋪展，并粘附在涂層表面，進(jìn)而通過(guò)涂層表面的開(kāi)孔和裂紋滲入到涂層內(nèi)部，對(duì)涂層造成損傷。在高溫下cmas對(duì)熱障涂層的損傷主要是熱機(jī)械作用和熱化學(xué)作用的耦合。在熱機(jī)械效應(yīng)方面，熔融cmas會(huì)潤(rùn)濕、擴(kuò)散并滲透到涂層中，填充涂層中的孔隙和裂紋，并使涂層致密化，從而導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)增加，應(yīng)變?nèi)菹藿档?。由于玻璃態(tài)cmas和涂層之間的熱膨脹系數(shù)(cte)不匹配，涂層會(huì)在冷熱循環(huán)中剝落。在熱化學(xué)效應(yīng)方面，cmas可溶解涂層，引起涂層相變，加速涂層燒結(jié)。對(duì)于ysz熱障涂層，由于ysz中的y2o3溶于cmas中，使得t′相zro2失穩(wěn)、溶解，在降溫過(guò)程中沉淀析出球狀m相zro2晶粒，上述相變過(guò)程伴隨著3％～5％的體積膨脹，從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展。cmas和涂層的相互作用破壞了涂層的結(jié)構(gòu)和相穩(wěn)定性，導(dǎo)致涂層熱物理性能的退化，加速了涂層失效。

2、針對(duì)ysz熱障涂層的cmas腐蝕問(wèn)題，學(xué)者們進(jìn)行了廣泛的研究。采用新的耐cmas腐蝕的熱障涂層材料替代ysz，如稀土鋯酸鹽、稀土硅酸鹽、稀土磷酸鹽、六鋁酸鹽等?；蛘哂胊l2o3、tio2或稀土氧化物等對(duì)ysz進(jìn)行摻雜改性。這些新型熱障涂層可與cmas相互作用，促使熔融cmas快速結(jié)晶，在涂層表面附近生成磷灰石等連續(xù)致密層，從而阻止cmas進(jìn)一步滲透。這些新型熱障涂層材料盡管有較好的抗cmas腐蝕性能，但存在其它性能上的不足，如熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低、可制備性差等，涂層綜合性能遠(yuǎn)不如ysz。

3、在ysz涂層表面制備防護(hù)層或進(jìn)行表面改性是一種更為有效的方法。中國(guó)專利(公開(kāi)號(hào)為cn?108004543?a)提出在ysz涂層表面制備3～5μm的pt面層來(lái)防止cmas腐蝕。中國(guó)專利(公開(kāi)號(hào)為cn?111005024?a)采用料漿法在ysz陶瓷層上制備一層max相防護(hù)層，max相的成分為ti2alc、ti3alc2、cr2alc、ti3sic2、ti2aln、v2aln或zr2al4c5中的一種或幾種組合，來(lái)防止cmas腐蝕。mohan?p等(參考文獻(xiàn)：mohan?p,yao?b,patterson?t,sohn?y?h.surface?andcoatings?technology?2009,204:797-801)采用電泳沉積在ysz涂層表面制備al2o3，然后再進(jìn)行燒結(jié)，得到致密防護(hù)層來(lái)阻止cmas的滲入。中國(guó)專利(公開(kāi)號(hào)為cn?111099893a)通過(guò)激光表面處理提高熱障涂層抗熔融cmas腐蝕性能。這些方法雖然取得了一定的有益效果，但仍存在局限性，或工藝復(fù)雜，或材料昂貴，并且由于防護(hù)層與ysz涂層熱膨脹系數(shù)的不匹配或激光重熔導(dǎo)致的ysz涂層表面狀態(tài)的改變會(huì)導(dǎo)致涂層的抗熱震性能下降。這些方法仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的為針對(duì)當(dāng)前ysz熱障涂層容易受到cmas腐蝕的問(wèn)題，同時(shí)考慮現(xiàn)有方法提高涂層抗cmas腐蝕性能的同時(shí)會(huì)潛在地降低涂層隔熱性能或抗熱震性能的現(xiàn)狀，提出一種同步提高ysz熱障涂層抗cmas腐蝕性能和抗熱震性能的方法。該方法采用大氣等離子噴涂方法在ysz熱障涂層表面制備一層al2o3復(fù)合涂層，在滿足ysz涂層隔熱需求的前提下，通過(guò)對(duì)制備防護(hù)層的原料粉末控制、噴涂工藝參數(shù)控制以及防護(hù)層厚度控制，實(shí)現(xiàn)熱障涂層抗cmas腐蝕性能和抗熱震性能的同步提高。本發(fā)明工藝靈活、簡(jiǎn)單、成本低，適用性強(qiáng)，與未噴涂防護(hù)層的ysz涂層相比，噴涂防護(hù)層后熱障涂層在1200～1250℃下具有較好的抗cmas腐蝕性能，并且抗熱震性能可提升33％。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種同步提高ysz熱障涂層抗cmas腐蝕和抗熱震性能的方法，該方法包括如下步驟：

4、1)ysz熱障涂層制備；

5、對(duì)所需涂層的基體進(jìn)行除油和噴砂處理，然后在基體表面依次制備粘結(jié)層和ysz熱障涂層；

6、所述的粘結(jié)層，材料為nial或mcraly，m代表ni、co或nico，厚度為80～150μm；可采用大氣等離子噴涂方法、超音速火焰噴涂方法制備；

7、所述的ysz熱障涂層，材料為6～8wt.％氧化釔穩(wěn)定氧化鋯，厚度為250～350μm；可采用大氣等離子噴涂方法、電子束物理氣相沉積方法或等離子噴涂物理氣相沉積方法制備；

8、所述的基體的材質(zhì)為鎳基高溫合金、鈷基高溫合金、金屬間化合物或鈦合金；

9、2)表面防護(hù)層喂料粉末制備；

10、將粘結(jié)劑和去離子水混合，在70～80℃水浴中攪拌1.5～2h制成膠體；將原料粉、膠體、分散劑、去離子水混合，用攪拌器攪拌1.5～2h制成漿料；然后采用噴霧干燥技術(shù)制備用于等離子噴涂的球形粉末；

11、其中，用于制備膠體的粘結(jié)劑和去離子水質(zhì)量比為1～2：100；漿料中粉末、膠體、分散劑質(zhì)量比為100：48～52：0.5～1.5，粉末占漿料總質(zhì)量的30％～40％；

12、所述的原料粉為al2o3-tio2、al2o3-ysz或al2o3-ysz-tio2三種復(fù)合粉之一；其中al2o3-tio2復(fù)合粉中tio2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％～40％；al2o3-ysz復(fù)合粉中ysz的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60％～70％；al2o3-ysz-tio2中ysz復(fù)合粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55％-70％，tio2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5～10％；

13、所述的粘結(jié)劑為羧甲基纖維素鈉；分散劑為三聚磷酸鈉；

14、噴霧干燥設(shè)備進(jìn)風(fēng)口溫度為230～240℃，出風(fēng)口溫度為110～120℃；

15、所述原料粉粒徑范圍為0.04～1μm；

16、3)在ysz熱障涂層表面制備防護(hù)層：

17、采用大氣等離子噴涂的方法將2)得到的喂料粉末噴涂在1)得到的ysz熱障涂層表面；

18、等離子噴涂工藝參數(shù)如下：噴涂功率32～38kw，噴涂距離80～100mm，走槍速度0.3～0.5m/s，ar主氣流量145～155dm3/min，h2輔氣流量25～35dm3/min，送粉率0.10～0.18g/s；

19、涂層厚度為30～50μm；

20、所述方法得到的熱障涂層在1200～1250℃下cmas腐蝕8～10h仍能保持結(jié)構(gòu)和相穩(wěn)定性，在1100℃保溫3～5min水冷條件下熱震，熱循環(huán)次數(shù)達(dá)到121次。

21、本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)在于：

22、通過(guò)防護(hù)層原料粉末控制、噴涂工藝參數(shù)控制以及厚度控制，在不犧牲ysz熱障涂層優(yōu)異的隔熱、抗熱震等綜合性能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高涂層的抗cmas腐蝕性能、抗熱震性能以及表面力學(xué)性能。

23、本發(fā)明的有益效果為：

24、(1)本發(fā)明所用原材料al2o3、ysz、tio2粉末方便獲取，成本低。所用技術(shù)噴霧干燥技術(shù)、等離子噴涂技術(shù)工藝靈活、簡(jiǎn)單、成本低，適用性強(qiáng)。

25、(2)本發(fā)明在ysz陶瓷層表面制備厚度為30～50μm的al2o3-tio2、al2o3-ysz、al2o3-ysz-tio2防護(hù)層，防護(hù)層相比ysz涂層具有更加致密的結(jié)構(gòu)，一方面減少了熔融cmas的滲入路徑，另一方面可與熔融cmas發(fā)生反應(yīng)結(jié)晶，生成鈣長(zhǎng)石、尖晶石等高熔點(diǎn)、高穩(wěn)定性的連續(xù)致密層阻止熔融cmas的進(jìn)一步滲入，同時(shí)防護(hù)層中的tio2可作為形核劑促進(jìn)結(jié)晶反應(yīng)的發(fā)生。涂層具有優(yōu)異的抗cmas腐蝕性能。

26、(3)通過(guò)防護(hù)層成分、噴涂工藝參數(shù)和厚度協(xié)同控制可得到與ysz熱障涂層匹配性好、穩(wěn)定性高、防護(hù)效果較好的防護(hù)層。第一，可通過(guò)噴涂防護(hù)層喂料成分的設(shè)計(jì)與噴涂工藝參數(shù)的優(yōu)化，來(lái)減小防護(hù)層與ysz涂層的熱膨脹系數(shù)差異，增強(qiáng)防護(hù)層力學(xué)性能。第二，控制防護(hù)層厚度范圍，制備較薄的防護(hù)層。薄的防護(hù)層在使用過(guò)程中內(nèi)部容易產(chǎn)生高密度的表面網(wǎng)狀微裂紋，有效釋放內(nèi)應(yīng)力，防止防護(hù)層與ysz涂層的界面脫粘。第三，可綜合調(diào)控防護(hù)層成分和厚度提升涂層抗cmas腐蝕性能(在1250℃條件下cmas腐蝕1h底層ysz涂層并未受到侵蝕，如圖3所示)。第四，致密防護(hù)層具有較低的氧透過(guò)率，提高了涂層的抗氧化性能，阻止了熱生長(zhǎng)氧化物(thermally?grown?oxide，tgo)的快速生長(zhǎng)，延緩了因tgo過(guò)度生長(zhǎng)引起的陶瓷層/粘結(jié)層界面處的失效，涂層抗熱震性能顯著提高。對(duì)比圖4(a)和(b)可知，與未噴涂防護(hù)層的ysz涂層相比，噴涂防護(hù)層后涂層的抗熱震性能可提升33％。

27、(4)涂層具有可修復(fù)性。若ysz表面防護(hù)層受損或剝落，可通過(guò)機(jī)械法去除受損防護(hù)層后再次噴涂。