本發(fā)明涉及一種熱障涂層表面熔融沉積物防護(hù)涂層及其制備方法，特別是一種利用高能、高速超音速等離子噴涂工藝制備致密、薄的氧化鋁基防護(hù)涂層的熱障涂層表面熔融沉積物防護(hù)涂層及其制備方法。

背景技術(shù)：

熱障涂層(Thermal Barrier Coating，TBC)是利用陶瓷材料優(yōu)異的耐高溫、隔熱、抗腐蝕性能，以涂層的方式將陶瓷與金屬基體相復(fù)合的一種高溫結(jié)構(gòu)材料表面防護(hù)技術(shù)，通常由低熱導(dǎo)率的陶瓷面層和與金屬基體、陶瓷面層具有良好熱膨脹系數(shù)匹配性的金屬粘結(jié)層組成。熱障涂層的使用會(huì)顯著提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫?zé)岫瞬考ぷ鳒囟龋岣邿岫瞬考褂脡勖?，從而提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，氧化鋯基熱障涂層(Thermal Barrier Coatings,TBCs)已成功地應(yīng)用于保護(hù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片、燃燒室及其他高溫部件，6～8wt％Y₂O₃-ZrO₂(統(tǒng)稱為8YSZ——氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯)材料具有很多優(yōu)良的特性，如高韌性、高強(qiáng)度、良好的抗熱沖擊性能、熱膨脹系數(shù)大、抗腐蝕等，在很多航空、航天等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用價(jià)值。8YSZ是迄今為止最為經(jīng)典的熱障涂層材料，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)方面獲得大量應(yīng)用。

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比和燃?xì)廨啓C(jī)熱效率不斷提高，其渦輪前溫度也不斷提高，先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度高于1500℃，而目前先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪前溫度也高于1400℃。參考文獻(xiàn)1David R C,Matthias O,Nitin P P.Thermal-barrier coatings for more efficient gas-turbine engines[J].MRS Bulletin,2012,37(10):891-898和參考文獻(xiàn)2Carlos G L,John W H,Marie-Hélène Vidal-Sétif,Curtis A J.Environmental degradation of thermal barrier coatings by molten deposits[J].MRS Bulletin,2012,37(10):932-941中描述了熔融的CMAS沉積物是未來(lái)更高效率燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng) 機(jī)熱障涂層服役過(guò)程中必須考慮的核心問(wèn)題。CMAS基礎(chǔ)成分是大氣中灰塵、礦物和火山灰等的熔融復(fù)合物和燃油中的Na、Ca、S、P、K等雜質(zhì)，其具有較低熔點(diǎn)(1230-1250℃)，在熱障涂層服役過(guò)程中會(huì)熔融沉積到熱障涂層表面，同時(shí)會(huì)沿陶瓷涂層表層缺陷(孔隙及微裂紋、柱狀晶間隙等)，甚至更微觀的晶界位置滲入到涂層內(nèi)部，沉積在涂層表面CMAS沉積物會(huì)增加涂層內(nèi)部熱應(yīng)力，滲入到涂層內(nèi)部CMAS會(huì)導(dǎo)致陶瓷涂層加快燒結(jié)和孔隙閉合，涂層的隔熱效果和機(jī)械性能會(huì)明顯衰減；同時(shí)CMAS中SiO₂會(huì)溶解8YSZ中的Y₂O₃，導(dǎo)致其高溫穩(wěn)定性降低，過(guò)早發(fā)生相變失穩(wěn)；同時(shí)由于CMAS中Ca²⁺擴(kuò)散到Y(jié)SZ晶粒當(dāng)中，會(huì)導(dǎo)致8YSZ加速燒結(jié)，同時(shí)CaO會(huì)取代Y₂O₃作為ZrO₂的穩(wěn)定劑，這會(huì)導(dǎo)致具有優(yōu)異高溫穩(wěn)定性的8YSZ材料過(guò)早相變失穩(wěn)，以上CMAS對(duì)8YSZ熱障涂層的影響會(huì)導(dǎo)致涂層過(guò)早失效，涂層服役壽命顯著降低。

CMAS熔融沉積物近年來(lái)逐步受到國(guó)內(nèi)外科研人員重視，如何延緩或解決CMAS熔融沉積物對(duì)熱障涂層服役壽命的影響和過(guò)早的損傷失效是未來(lái)高效航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)所必須考核的核心問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外在貴金屬防護(hù)涂層、熱障涂層表層激光熔覆致密化處理、熱障涂層材料摻雜改性等方面開(kāi)展了探索性研究。

為了有效地提高在CMAS熔融沉積物和高溫燃?xì)猸h(huán)境下熱障涂層的熱循環(huán)壽命，利用防護(hù)涂層層微結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及制備工藝優(yōu)化，提出一種低成本、高效率和有效延緩CMAS對(duì)熱障涂層失效影響的防護(hù)結(jié)構(gòu)，是目前高性能燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件防護(hù)涂層亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)CMAS熔融沉積物對(duì)熱障涂層過(guò)早失效的影響，提供一種熱障涂層表面熔融沉積物防護(hù)涂層及其制備方法，制備出一種高致密度、均勻、薄的氧化鋁基薄層防護(hù)涂層，以延緩CMAS的滲入速率，降低CMAS對(duì)涂層過(guò)早失效的影響，提高高溫燃?xì)夂虲MAS耦合條件下熱障涂層熱循環(huán)壽命。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種熱障涂層表面熔融沉積物防護(hù)涂層，該熱障涂層附著在高溫合金基體表面，其中，所述熱障涂層包括至少一粘結(jié)層和至少一陶瓷層，所述粘結(jié)層涂覆在所述高溫合金基體表面，所述陶瓷層 涂覆在所述粘結(jié)層表面，與所述粘結(jié)層接觸的所述陶瓷層為基于氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯材料層，所述陶瓷層表面還涂覆有防護(hù)涂層，所述防護(hù)涂層使用氧化鋁基噴涂粉末，使用超音速等離子噴涂工藝制備。

上述的熱障涂層表面熔融沉積物防護(hù)涂層，其中，所述防護(hù)涂層平均厚度為5-15μm，所述防護(hù)涂層的孔隙率小于5％。

上述的熱障涂層表面熔融沉積物防護(hù)涂層，其中，所述氧化鋁基噴涂粉末中包含0-10mol.％的稀土氧化物Re₂O₃，以在所述防護(hù)涂層中形成ReAlO₃或Re₃Al₅O₁₂。

上述的熱障涂層表面熔融沉積物防護(hù)涂層，其中，所述稀土氧化物Re₂O₃為Gd₂O₃、Y₂O₃、Sm₂O₃、Nd₂O₃或La₂O₃中的一種或多種。

上述的熱障涂層表面熔融沉積物防護(hù)涂層，其中，所述氧化鋁基噴涂粉末的粒度范圍為45μm-75μm、15μm-45μm或5μm-25μm。

為了更好地實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明還提供了一種熱障涂層表面熔融沉積物防護(hù)涂層的制備方法，其中，該熱障涂層附著在高溫合金基體表面，所述熱障涂層包括至少一粘結(jié)層和至少一陶瓷層，所述粘結(jié)層涂覆在所述高溫合金基體表面，所述陶瓷層涂覆在所述粘結(jié)層表面，與所述粘結(jié)層接觸的所述陶瓷層為基于氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯材料層，所述陶瓷層表面還涂覆有防護(hù)涂層，所述防護(hù)涂層的制備包括如下步驟：

S100、氧化鋁基噴涂粉末烘干處理，將粒度范圍為45μm-75μm、15μm-45μm或5μm-25μm的氧化鋁基噴涂粉末在烘箱中進(jìn)行低溫烘干處理，所述氧化鋁基噴涂粉末應(yīng)具有良好的流動(dòng)性；

S200、裝夾工件并調(diào)整參數(shù)，將已制備所述熱障涂層的工件裝卡在工裝中，開(kāi)啟超音速等離子噴涂設(shè)備并調(diào)整工藝參數(shù)如下：

電壓：150-160V；

電流：400-450A；

主氣：80-90L/min；

次氣：9-10L/min；

載氣流量：6-8L/min；

送粉量：8-20g/min；

噴槍擺動(dòng)速率：300-1000mm/s；

S300、利用超音速等離子噴涂設(shè)備的噴槍產(chǎn)生等離子焰流均勻預(yù)熱所述熱障涂層表面，預(yù)熱溫度為200-500℃；

S400、開(kāi)啟送粉，在所述熱障涂層表面噴涂所述氧化鋁基噴涂粉末1-3遍以形成所述防護(hù)涂層。

上述的熱障涂層表面熔融沉積物防護(hù)涂層的制備方法，其中，所述防護(hù)涂層平均厚度為5-15μm，所述防護(hù)涂層的孔隙率小于5％。

上述的熱障涂層表面熔融沉積物防護(hù)涂層的制備方法，其中，所述氧化鋁基噴涂粉末中包含0-10mol.％的稀土氧化物Re₂O₃，以在所述防護(hù)涂層中形成ReAlO₃或Re₃Al₅O₁₂。

上述的熱障涂層表面熔融沉積物防護(hù)涂層的制備方法，其中，所述稀土氧化物Re₂O₃為Gd₂O₃、Y₂O₃、Sm₂O₃、Nd₂O₃或La₂O₃中的一種或多種。

上述的熱障涂層表面熔融沉積物防護(hù)涂層的制備方法，其中，所述步驟S400之后，還包括：

S500、后處理，對(duì)所述防護(hù)涂層進(jìn)行拋光處理以進(jìn)一步降低所述防護(hù)涂層的表面粗糙度。

本發(fā)明的技術(shù)效果在于：

本發(fā)明利用高能、高速的超音速等離子噴涂工藝在熱障涂層表面制備致密、薄的氧化鋁基防護(hù)涂層，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)節(jié)噴涂功率、送粉量、噴槍擺動(dòng)速率等，提高與涂層接觸熔融沉積物CMAS(CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂)的熔點(diǎn)、降低涂層表面粗糙度，減少CMAS粘附和防護(hù)涂層自身具有較高致密度阻止熔融沉積物滲入，進(jìn)而延緩高溫環(huán)境下CMAS熔融沉積物對(duì)涂層的滲入反應(yīng)作用，在CMAS熔融沉積物和高溫燃?xì)夤餐饔孟拢@著提高熱障涂層的熱循環(huán)壽命。在無(wú)CMAS熔融沉積物模擬條件下，對(duì)涂層熱循環(huán)壽命基本無(wú)影響。具有制備工藝簡(jiǎn)單、滿足不同尺寸零部件熱障涂層表面防護(hù)需求、加工效率高等特點(diǎn)。

特別是，采用本發(fā)明的熱障涂層表面熔融沉積物防護(hù)涂層具有如下突出優(yōu)點(diǎn)：

1)薄的、致密的氧化鋁基防護(hù)涂層自身具有良好的高溫穩(wěn)定性，不會(huì)對(duì)熱障涂層陶瓷層成分及特性產(chǎn)生明顯影響，同時(shí)平均厚度5-15μm的防護(hù)涂層對(duì)熱障涂層熱不匹配應(yīng)力影響較小，可充分發(fā)揮不同類型熱障涂層的已具備的良好熱循環(huán)壽命優(yōu)勢(shì)；

2)防護(hù)涂層具有較低的孔隙率(<5％)，可有效地延緩CMAS熔融沉積物的滲入；同時(shí)，低孔隙率的防護(hù)涂層，會(huì)降低涂層表面粗糙度，減少高溫熔融沉積物CMAS的附著；

3)制備防護(hù)涂層的熱障涂層，在CMAS耦合條件下，對(duì)特征熱障涂層及制備防護(hù)涂層后涂層進(jìn)行了熱循環(huán)壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明制備防護(hù)涂層涂層1200℃下熱循環(huán)壽命相對(duì)未制備防護(hù)涂層涂層提高1.5倍-4倍(利用文獻(xiàn)3中所提出的熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)方法：何箐,吳鵬,屈軼,汪瑞軍,王偉平.一種新型CMAS耦合條件下熱障涂層熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)方法[J].材料工程,2014,12:92-98)；

4)制備防護(hù)涂層的涂層在未耦合CMAS的高溫循環(huán)氧化和爐內(nèi)熱循環(huán)條件下，對(duì)熱障涂層的循環(huán)氧化壽命和爐內(nèi)熱循環(huán)壽命基本無(wú)影響，主要是熱障涂層表面氧化鋁基防護(hù)涂層為熱障涂層提供了阻礙氧粒子高溫穿透，降低了熱障涂層中粘結(jié)層表面氧化速率；同時(shí)薄層防護(hù)涂層對(duì)熱障涂層熱不匹配應(yīng)力影響較小；

5)所述防護(hù)涂層及其制備方法所具有的優(yōu)勢(shì)是并不限定熱障涂層自身的特性，具有較廣泛的應(yīng)用范圍，相對(duì)真空鍍膜制備貴金屬防護(hù)涂層和激光熔覆表面致密化處理等工藝，具有制備成本低、可制備大尺寸零件表面熱障涂層防護(hù)涂層、制備效率高等優(yōu)點(diǎn)。

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

附圖說(shuō)明

圖1A為本發(fā)明一實(shí)施例制備防護(hù)涂層后等離子噴涂熱障涂層截面形貌圖；

圖1B為本發(fā)明一實(shí)施例等離子噴涂熱障涂層陶瓷層及表面防護(hù)涂層局部形貌圖；

圖2A、2B分別為本發(fā)明一實(shí)施例等離子噴涂熱障涂層表面制備防護(hù)涂層前、后表面粗糙度測(cè)試結(jié)果；

圖3為未制備防護(hù)涂層等離子噴涂涂層在CMAS涂覆條件下1250℃，2h高溫?zé)崽幚砗笸繉咏孛嫘蚊玻?/p>

圖4為本發(fā)明一實(shí)施例制備防護(hù)涂層后在CMAS涂覆條件下1250℃，2h高溫?zé)崽幚砗笸繉咏孛嫘蚊玻?/p>

圖5為CMAS耦合條件下涂層相對(duì)熱循環(huán)壽命試驗(yàn)結(jié)果(左側(cè)為未制備防護(hù)涂層數(shù)據(jù)，右邊為制備防護(hù)涂層后數(shù)據(jù))；

圖6為圖4中制備防護(hù)涂層的熱障涂層熱循環(huán)失效后截面形貌；

圖7為無(wú)CMAS耦合的條件下制備防護(hù)涂層前后熱障涂層循環(huán)氧化壽命和爐內(nèi)熱循環(huán)壽命試驗(yàn)結(jié)果。

其中，附圖標(biāo)記

10 高溫合金基體

20 熱障涂層

21 粘結(jié)層

22 陶瓷層

30 防護(hù)涂層

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作具體的描述：

參見(jiàn)圖1A-2B，圖1A為本發(fā)明一實(shí)施例制備防護(hù)涂層后等離子噴涂熱障涂層截面形貌圖，其中熱障涂層由基體、金屬粘結(jié)層和陶瓷層所組成，其中粘結(jié)層和陶瓷層至少為一層，其陶瓷層可為一層或多層，其中與金屬粘結(jié)層接觸的一層應(yīng)為氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯，與氧化鋁基防護(hù)涂層接觸陶瓷層，應(yīng)在高溫下與防護(hù)涂層之間無(wú)相互化學(xué)反應(yīng)，圖1A為采用超音速等離子噴涂制備金屬粘結(jié)層和大氣等離子噴涂制備陶瓷面層，而后使用超音速等離子噴涂工藝制備氧化鋁基防護(hù)涂層的截面形貌。圖1B為本發(fā)明一實(shí)施例等離子噴涂熱障涂層陶瓷層及表面防護(hù)涂層局部形貌圖，為該防護(hù)涂層局部放大后的形貌，圖2A、2B分別為本發(fā)明一實(shí)施例等離子噴涂熱障涂層表面制備防護(hù)涂層前、后表面粗糙度測(cè)試結(jié)果。本發(fā)明的熱障涂層表面熔融沉積物防護(hù)涂層，該熱障涂層附著在高溫合金基體表面，所述熱障涂層包括至少一粘結(jié)層和至少一陶瓷層，所述粘結(jié)層涂覆在所述高溫合金基體表面，所述陶瓷層涂覆在所述粘結(jié)層表面，與所述粘結(jié)層接觸的所述陶瓷層為基于氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯材料層，所述陶瓷層表面還涂覆有防護(hù)涂層，所述防護(hù)涂層使用氧化鋁基噴涂粉末，使 用超音速等離子噴涂工藝制備。熱障涂層陶瓷層制備工藝通常為等離子噴涂和電子束物理氣相沉積，等離子噴涂涂層中微裂紋、孔隙等缺陷和電子束物理氣相沉積柱狀晶晶間間隙均會(huì)導(dǎo)致在高溫服役條件下CMAS熔融沉積物的滲入，本發(fā)明為了延緩低熔點(diǎn)CMAS熔融沉積物，制備了如圖1A和圖1B所示致密、薄的氧化鋁基防護(hù)涂層。

其中，所述防護(hù)涂層平均厚度優(yōu)選為5-15μm，所述防護(hù)涂層的孔隙率小于5％。所述氧化鋁基噴涂粉末中包含0-10mol.％的稀土氧化物Re₂O₃，以在所述防護(hù)涂層中形成ReAlO₃或Re₃Al₅O₁₂。所述稀土氧化物Re₂O₃為Gd₂O₃、Y₂O₃、Sm₂O₃、Nd₂O₃或La₂O₃中的一種或多種，可包含其中的一種或多種稀土氧化物。稀土氧化物(Re₂O₃)的添加，會(huì)在氧化鋁基涂層中形成ReAlO₃或Re₃Al₅O₁₂，這種化合物高溫?zé)崃W(xué)穩(wěn)定，同時(shí)稀土化合物溶解進(jìn)入CMAS熔融沉積物中，會(huì)進(jìn)一步提高CMAS熔點(diǎn)，對(duì)CMAS防護(hù)起到良性作用。所述氧化鋁基噴涂粉末的粒度范圍為45μm-75μm、15μm-45μm或5μm-25μm。

本發(fā)明的熱障涂層表面熔融沉積物防護(hù)涂層的制備方法，其中，該熱障涂層附著在高溫合金基體表面，所述熱障涂層包括至少一粘結(jié)層和至少一陶瓷層，所述粘結(jié)層涂覆在所述高溫合金基體表面，所述陶瓷層涂覆在所述粘結(jié)層表面，與所述粘結(jié)層接觸的所述陶瓷層為基于氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯材料層，所述陶瓷層表面還涂覆有防護(hù)涂層，所述防護(hù)涂層的制備包括如下步驟：

步驟S100、氧化鋁基噴涂粉末烘干處理，將粒度范圍為45μm-75μm、15μm-45μm或5μm-25μm的氧化鋁基噴涂粉末在烘箱中進(jìn)行低溫烘干處理，所述氧化鋁基噴涂粉末應(yīng)具有良好的流動(dòng)性；

步驟S200、裝夾工件并調(diào)整參數(shù)，將已制備所述熱障涂層的工件裝卡在工裝中，開(kāi)啟超音速等離子噴涂設(shè)備并調(diào)整工藝參數(shù)如下：

電壓：150-160V；

電流：400-450A；

主氣(氬氣)：80-90L/min；

次氣(氫氣)：9-10L/min；

載氣流量：6-8L/min；

送粉量：8-20g/min；

噴槍擺動(dòng)速率：300-1000mm/s；

步驟S300、利用超音速等離子噴涂設(shè)備的噴槍產(chǎn)生等離子焰流均勻預(yù)熱所述熱障涂層表面，預(yù)熱溫度為200-500℃，對(duì)熱障涂層表面預(yù)熱溫度要求為200-500℃，避免過(guò)低的預(yù)熱溫度不能形成致密涂層，同時(shí)也避免溫度過(guò)高時(shí)，防護(hù)涂層中產(chǎn)生較多橫、縱向裂紋，從而配合噴涂工藝參數(shù)，控制和提高防護(hù)涂層質(zhì)量；

步驟S400、開(kāi)啟送粉，在所述熱障涂層表面噴涂所述氧化鋁基噴涂粉末1-3遍以形成所述防護(hù)涂層。

本實(shí)施例中，所述步驟S400之后，還包括：

步驟S500、后處理，對(duì)所述防護(hù)涂層進(jìn)行拋光處理以進(jìn)一步降低所述防護(hù)涂層的表面粗糙度。

完成上述步驟后，利用金相法和灰度法分別測(cè)試防護(hù)涂層的平均厚度和孔隙率，防護(hù)涂層平均厚度為5-15μm，孔隙率小于5％。如圖1B所示防護(hù)涂層厚度控制在5-15μm的要求，主要考慮氧化鋁基防護(hù)涂層和熱障涂層陶瓷層之間熱物性、機(jī)械性能所存在差異，如熱膨脹系數(shù)、彈性模量，這一差異會(huì)在陶瓷層中產(chǎn)生熱不匹配應(yīng)力，為了減少對(duì)熱障涂層陶瓷層性能的影響，本發(fā)明中控制防護(hù)涂層厚度在5-15μm厚度范圍內(nèi)。

采用超音速等離子噴涂工藝制備致密涂層，所制備的防護(hù)涂層孔隙率低于5％時(shí)，可明顯減緩CMAS在高溫下的滲入，同時(shí)降低涂層的表面粗糙度。圖2A、2B為制備防護(hù)涂層前后涂層表面粗糙度測(cè)試結(jié)果，制備防護(hù)涂層前，等離子噴涂熱障涂層表面粗糙度Ra為8.2μm、Rz為51.92μm，制備防護(hù)涂層后，Ra降低至7.5μm，Rz降低至44.65μm；涂層表面粗糙度的降低可以降低在冷熱交替條件下CMAS的粘附力，有利于延緩CMAS熔融沉積物的影響。

制備防護(hù)涂層前后涂層在1250℃、2h熱處理?xiàng)l件下，熱處理前涂覆相同面密度CMAS(33％CaO+7.2％MgO+12.7％Al₂O₃+46.7％SiO₂+0.4％Bal(wt.％))，進(jìn)行高溫下CMAS對(duì)熱障涂層影響的模擬，熱處理后未制備防護(hù)涂層的熱障涂層截面形貌如圖3所示，未制備防護(hù)涂層熱障涂層表面CMAS在高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中嚴(yán)重滲入至涂層內(nèi)部，同時(shí)CMAS熔融沉積物進(jìn)入了陶瓷層內(nèi)部，填充了陶瓷層內(nèi)孔隙和微裂紋等缺陷；CMAS對(duì)部分熱障涂層陶瓷層產(chǎn)生了溶解現(xiàn)象，部分位置陶瓷層出現(xiàn)了粉狀化特征。圖4為制備氧化鋁基防護(hù)涂層熱處理后截面形貌，制備防護(hù)涂層后未見(jiàn)CMAS明顯滲入，同時(shí)CMAS沉積物層中明顯出現(xiàn) 了長(zhǎng)條狀鈣硅石相，說(shuō)明氧化鋁基涂層中氧化鋁或稀土氧化物溶解進(jìn)入CMAS中，提高了與防護(hù)涂層接觸CMAS層熔點(diǎn)。

利用上述文獻(xiàn)3《一種新型CMAS耦合條件下熱障涂層熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)方法》中的新型CMAS耦合條件下熱障涂層熱循環(huán)壽命試驗(yàn)方法，在相同試驗(yàn)條件下(涂層表面1200℃，基體背面900℃，保溫5min，保溫過(guò)程中1％CMAS輸送)對(duì)制備防護(hù)涂層和未制備防護(hù)涂層的現(xiàn)有等離子噴涂熱障涂層進(jìn)行壽命對(duì)比研究，涂層的相對(duì)熱循環(huán)壽命試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，如圖1A所示熱障涂層，相對(duì)未制備防護(hù)涂層涂層，涂層相對(duì)熱循環(huán)壽命由1提高至5.35，提高幅度在4倍以上。圖6為圖5中制備防護(hù)涂層涂層高溫燃?xì)夂虲MAS耦合條件下熱循環(huán)失效后涂層截面形貌分析，防護(hù)涂層上方CMAS熔融沉積物未滲入至陶瓷層內(nèi)部，同時(shí)CMAS凝固在防護(hù)涂層上方，由于防護(hù)涂層降低涂層表面粗糙度和具有良好致密性，導(dǎo)致CMAS與防護(hù)涂層之間出現(xiàn)了橫向裂紋，說(shuō)明防護(hù)涂層可有效的阻礙CMAS滲入和附著。

為了驗(yàn)證所述熱障涂層在制備防護(hù)涂層后對(duì)涂層高溫性能影響，特別是對(duì)涂層熱循環(huán)壽命影響，分別在1050℃、保溫55min、冷卻5min為一個(gè)循環(huán)條件下和1100℃、保溫5min、冷卻5min為一個(gè)循環(huán)條件下進(jìn)行了制備防護(hù)涂層前后現(xiàn)有熱障涂層循環(huán)氧化壽命和爐內(nèi)熱循環(huán)壽命的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，未制備防護(hù)涂層現(xiàn)有熱障涂層循環(huán)氧化1500h出現(xiàn)涂層剝落，制備防護(hù)涂層后1500h未出現(xiàn)涂層剝落；未制備防護(hù)涂層現(xiàn)有熱障涂層爐內(nèi)熱循環(huán)壽命達(dá)到8100次，制備上述防護(hù)涂層后涂層熱循環(huán)壽命為7700次，說(shuō)明所制備的防護(hù)涂層在平均厚度5-15μm、孔隙率小于5％條件下，致密薄的防護(hù)涂層對(duì)熱障涂層陶瓷層內(nèi)熱不匹配應(yīng)用影響較小，在無(wú)CMAS耦合的冷熱循環(huán)條件下，對(duì)熱障涂層的循環(huán)壽命基本無(wú)影響。

下面舉例說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施過(guò)程：

實(shí)施例1

在常規(guī)大氣等離子噴涂熱障涂層表面制備防護(hù)涂層。

步驟S100：將純度為99.5％、粒度范圍為5-25μm的熔煉破碎型氧化鋁基粉末在烘箱中進(jìn)行100℃、2h烘干處理，噴涂粉末中含5mol％Gd₂O₃(氧化釓)；

步驟S200：將某型燃?xì)廨啓C(jī)DZ40M合金葉片表面超音速火焰噴涂制備NiCrAlY金屬粘結(jié)層、常規(guī)大氣等離子噴涂制備納米8YSZ熱障涂層的工件裝 卡至旋轉(zhuǎn)工裝中，開(kāi)啟超音速等離子噴涂設(shè)備，并調(diào)整設(shè)備參數(shù)如下：

電壓：150V；

電流：420A；

主氣(氬氣)：90L/min；

次氣(氫氣)：9L/min；

載氣流量：6.5L/min；

送粉量：10g/min；

噴槍擺動(dòng)速率：500mm/s。

步驟S300：均勻預(yù)熱所述熱障涂層，預(yù)熱溫度為200-300℃；

步驟S400：在所述工件表面進(jìn)行防護(hù)涂層往返噴涂，噴涂遍數(shù)為2遍。

對(duì)上述工件表面熱障涂層進(jìn)行解剖分析，通過(guò)金相法測(cè)試防護(hù)涂層平均厚度和孔隙，平均厚度為9.8μm，孔隙率為2.2％。

對(duì)上述工件表面熱障涂層涂覆了密度為30mg/cm²的CMAS，在1250℃高于CMAS熔點(diǎn)條件下進(jìn)行熱處理2h和5h，冷卻速率為5℃/min，驗(yàn)證CMAS滲入情況，通過(guò)外觀觀察，未見(jiàn)CMAS明顯滲入，通過(guò)截面形貌分析，2h后無(wú)CMAS滲入，5h后CMAS微量滲入。2h熱處理后，CMAS與防護(hù)涂層接觸部位組織結(jié)構(gòu)與其他部位不同，有鈣硅石轉(zhuǎn)變?yōu)殁}長(zhǎng)石，熔點(diǎn)明顯提高。

實(shí)施例2

在常規(guī)大氣等離子噴涂熱障涂層表面制備防護(hù)涂層。

步驟S100：將純度為99.9％、粒度范圍為45-75μm的熔煉破碎型氧化鋁基粉末在烘箱中進(jìn)行100℃、2h烘干處理，噴涂粉末中含1.5mol％Y₂O₃(氧化釓)；

步驟S200：將尺寸為φ30×3mmK403合金試樣表面超音速火焰噴涂制備NiCoCrAlY金屬粘結(jié)層(厚度0.1mm)、常規(guī)大氣等離子噴涂制備納米8YSZ熱障涂層(厚度0.3mm)的樣品裝卡，并開(kāi)啟超音速等離子噴涂設(shè)備，并調(diào)整設(shè)備參數(shù)如下：

電壓：155V；

電流：400A；

主氣(氬氣)：80L/min；

次氣(氫氣)：9.5L/min；

載氣流量：7.5L/min；

送粉量：20g/min；

噴槍擺動(dòng)速率：1000mm/s。

步驟S300：均勻預(yù)熱上述熱障涂層，預(yù)熱溫度為300-400℃；

步驟S400：在上述工件表面進(jìn)行防護(hù)涂層往返噴涂，噴涂遍數(shù)為1遍。

對(duì)上述工件表面熱障涂層進(jìn)行解剖分析，通過(guò)金相法測(cè)試防護(hù)涂層平均厚度和孔隙，涂層平均厚度為9.9μm，孔隙率為4.9％。在該樣品表面測(cè)試制備防護(hù)涂層前后涂層表面粗糙度，制備前Ra為8.81μm，制備后涂層表面粗糙度為6.92μm。在上述相同熱循環(huán)條件下，測(cè)試未制備防護(hù)涂層和制備防護(hù)涂層涂層的熱循環(huán)壽命，在CMAS耦合條件下，未制備防護(hù)涂層涂層相對(duì)熱循環(huán)壽命為0.8，制備防護(hù)涂層后，其相對(duì)熱循環(huán)壽命為4.2，提高4倍以上。

實(shí)施例3

在超音速等離子噴涂熱障涂層表面制備防護(hù)涂層。

步驟S100：將純度為99.9％、粒度范圍為15-45μm的團(tuán)聚燒結(jié)型氧化鋁基粉末在烘箱中進(jìn)行100℃、2h烘干處理，噴涂粉末中含10mol％Sm₂O₃；

步驟S200：將在IC10單晶合金試樣表面超音速火焰噴涂制備NiCoCrAlYHfSi金屬粘結(jié)層、超音速等離子噴涂制備致密8YSZ熱障涂層(孔隙率為5％)的樣品裝卡，并開(kāi)啟超音速等離子噴涂設(shè)備，并調(diào)整設(shè)備參數(shù)如下：

電壓：160V；

電流：430A；

主氣(氬氣)：90L/min；

次氣(氫氣)：10L/min；

載氣流量：8L/min；

送粉量：8.5g/min；

噴槍擺動(dòng)速率：300mm/s。

步驟S300：均勻預(yù)熱上述熱障涂層，預(yù)熱溫度為400-500℃；

步驟S400：在上述工件表面進(jìn)行防護(hù)涂層往返噴涂，噴涂遍數(shù)為1遍。

對(duì)上述工件表面熱障涂層進(jìn)行解剖分析，通過(guò)金相法測(cè)試防護(hù)涂層平均厚度和孔隙，涂層平均厚度為8.9μm，孔隙率為2.8％。在該樣品表面測(cè)試制備 防護(hù)涂層前后涂層表面粗糙度，制備前Ra為6.8μm，制備后涂層表面粗糙度為5.71μm。在上文所描述相同熱循環(huán)條件下，測(cè)試未制備防護(hù)涂層和制備防護(hù)涂層涂層的熱循環(huán)壽命，在CMAS耦合條件下，未制備防護(hù)涂層涂層相對(duì)熱循環(huán)壽命為1.5，制備防護(hù)涂層后，其相對(duì)熱循環(huán)壽命為4.1，提高1.5倍以上。

實(shí)施例4

在電子束物理氣相沉積熱障涂層表面制備防護(hù)涂層。

步驟S100：將純度為99.9％、粒度范圍為45-75μm的熔煉破碎型氧化鋁基粉末在烘箱中進(jìn)行100℃、2h烘干處理，噴涂粉末中含3mol％Y₂O₃和5mol％Gd₂O₃；

步驟S200：將在鎳基高溫合金試樣表面多弧離子鍍工藝沉積NiCrAlYSi金屬粘結(jié)層、電子束物理氣相沉積制備8YSZ熱障涂層的樣品裝卡，并開(kāi)啟超音速等離子噴涂設(shè)備，并調(diào)整設(shè)備參數(shù)如下：

電壓：155V；

電流：450A；

主氣(氬氣)：80L/min；

次氣(氫氣)：9L/min；

載氣流量：7L/min；

送粉量：8.1g/min；

噴槍擺動(dòng)速率：400mm/s。

步驟S300：均勻預(yù)熱上述熱障涂層，預(yù)熱溫度為200-300℃；

步驟S400：在上述工件表面進(jìn)行防護(hù)涂層往返噴涂，噴涂遍數(shù)為1遍。

對(duì)上述工件表面熱障涂層進(jìn)行解剖分析，通過(guò)金相法測(cè)試防護(hù)涂層平均厚度和孔隙，涂層平均厚度為5.5μm，孔隙率為4.3％。在該樣品表面測(cè)試制備防護(hù)涂層前后涂層表面粗糙度，制備前Ra為3.1μm，制備后涂層表面粗糙度為2.92μm。對(duì)防護(hù)涂層表面使用細(xì)砂紙進(jìn)行后續(xù)拋光處理，拋光后防護(hù)涂層表面粗糙度為1.85μm。在上文所描述相同熱循環(huán)條件下，測(cè)試未制備防護(hù)涂層和制備防護(hù)涂層涂層的熱循環(huán)壽命，在CMAS耦合條件下，未制備防護(hù)涂層涂層相對(duì)熱循環(huán)壽命為7.5，制備防護(hù)涂層后，其相對(duì)熱循環(huán)壽命為25.2，提高2倍以上。

實(shí)施例5

在雙陶瓷層熱障涂層表面制備防護(hù)涂層。

步驟S100：將純度為99.5％、粒度范圍為45-75μm的熔煉破碎型氧化鋁粉末在烘箱中進(jìn)行100℃、2h烘干處理，噴涂粉末中不含稀土氧化物；

步驟S200：將在鎳基高溫合金試樣表面等離子噴涂NiCrAlY金屬粘結(jié)層、等離子噴涂制備8YSZ、La₂Zr₂O₇雙陶瓷層熱障涂層的樣品裝卡，并開(kāi)啟超音速等離子噴涂設(shè)備，并調(diào)整設(shè)備參數(shù)如下：

電壓：156V；

電流：420A；

主氣(氬氣)：85L/min；

次氣(氫氣)：8.5L/min；

載氣流量：6.5L/min；

送粉量：8.5g/min；

噴槍擺動(dòng)速率：800mm/s。

步驟S300：均勻預(yù)熱上述熱障涂層，預(yù)熱溫度為200-300℃；

步驟S400：在上述工件表面進(jìn)行防護(hù)涂層往返噴涂，噴涂遍數(shù)為3遍。

對(duì)上述工件表面熱障涂層進(jìn)行解剖分析，通過(guò)金相法測(cè)試防護(hù)涂層平均厚度和孔隙，涂層平均厚度為14.5μm，孔隙率為4.7％。在該樣品表面測(cè)試制備防護(hù)涂層前后涂層表面粗糙度，制備前Ra為7.52μm，制備后涂層表面粗糙度為6.97μm。在上述相同熱循環(huán)條件下，測(cè)試了未制備防護(hù)涂層和制備防護(hù)涂層涂層的熱循環(huán)壽命，在CMAS耦合條件下，未制備防護(hù)涂層涂層相對(duì)熱循環(huán)壽命為2.5，制備防護(hù)涂層后，其相對(duì)熱循環(huán)壽命為7.8，提高2倍以上。

實(shí)施例6

在雙陶瓷層熱障涂層表面制備防護(hù)涂層。

步驟S100：將純度為99.95％、粒度范圍為15-45μm的團(tuán)聚燒結(jié)型氧化鋁基粉末在烘箱中進(jìn)行100℃、2h烘干處理，噴涂粉末中含3mol％Nd₂O₃和3mol％La₂O₃；

步驟S200：將在鎳基高溫合金試樣表面超音速等離子噴涂NiCoCrAlY金屬粘結(jié)層、等離子噴涂制備8YSZ、18YSZ預(yù)制垂直裂紋結(jié)構(gòu)雙陶瓷層熱障涂層的樣品裝卡，并開(kāi)啟超音速等離子噴涂設(shè)備，并調(diào)整設(shè)備參數(shù)如下：

電壓：160V；

電流：420A；

主氣(氬氣)：90L/min；

次氣(氫氣)：9L/min；

載氣流量：7L/min；

送粉量：10g/min；

噴槍擺動(dòng)速率：600mm/s。

步驟S300：均勻預(yù)熱上述熱障涂層，預(yù)熱溫度為300-400℃；

步驟S400：在上述工件表面進(jìn)行防護(hù)涂層往返噴涂，噴涂遍數(shù)為2遍。

對(duì)上述工件表面熱障涂層進(jìn)行解剖分析，通過(guò)金相法測(cè)試防護(hù)涂層平均厚度和孔隙，涂層平均厚度為9.7μm，孔隙率為3.62％。在該樣品表面測(cè)試制備防護(hù)涂層前后涂層表面粗糙度，制備前Ra為6.97μm，制備后涂層表面粗糙度為6.36μm。在上述相同熱循環(huán)條件下，測(cè)試未制備防護(hù)涂層和制備防護(hù)涂層涂層的熱循環(huán)壽命，在CMAS耦合條件下，未制備防護(hù)涂層涂層相對(duì)熱循環(huán)壽命為4.5，制備防護(hù)涂層后，其相對(duì)熱循環(huán)壽命為13.5，提高1.5倍以上。

以上實(shí)施例均針對(duì)現(xiàn)有熱障涂層，未描述涂層厚度時(shí)，等離子噴涂熱障涂層粘結(jié)層厚度為0.08-0.10mm，陶瓷層厚度為0.23-0.27mm；電子束物理氣相沉積涂層厚度為粘結(jié)層0.04-0.06mm，陶瓷層厚度為0.10-0.12mm；等離子噴涂雙陶瓷層復(fù)合涂層粘結(jié)層厚度為0.08-0.10mm；陶瓷層厚度分別為0.12-0.15mm。本發(fā)明不限定熱障涂層自身厚度和涂層結(jié)構(gòu)，在不同結(jié)構(gòu)涂層表面均可實(shí)施。

本發(fā)明使用高能、高速的超音速等離子噴涂工藝在具有不同特征的熱障涂層表面制備致密、極薄的氧化鋁基防護(hù)涂層，系統(tǒng)調(diào)節(jié)噴涂功率、送粉量、噴槍擺動(dòng)速率來(lái)獲得厚度為孔隙率低于5％、平均厚度為5μm-15μm的致密氧化鋁基薄層防護(hù)涂層，同時(shí)防護(hù)涂層可以降低熱障涂層表面粗糙度。該防護(hù)涂層對(duì)熱障涂層熱不匹配應(yīng)力影響較小，可充分發(fā)揮不同類型熱障涂層的高溫?zé)嵫h(huán)壽命優(yōu)勢(shì)；防護(hù)涂層可有效的延緩CMAS沉積物的高溫滲入，可降低CMAS沉積物凝固后的粘附，在高溫度梯度、燃?xì)饧訜?、CMAS耦合條件下，制備該防護(hù)涂層后，熱障涂層的熱循環(huán)壽命可提高1.5倍-4倍。同時(shí)制備該防護(hù)涂層后，對(duì)熱障涂層熱匹配應(yīng)力影響較小，在無(wú)CMAS的冷熱循環(huán)條件下，對(duì)熱 障涂層循環(huán)壽命影響不大。本發(fā)明延緩了熔融沉積物CMAS對(duì)熱障涂層的損傷，顯著增加高溫燃?xì)夂虲MAS耦合作用下熱障涂層的熱循環(huán)壽命，使熱障涂層可以對(duì)高溫合金基體提供更長(zhǎng)時(shí)間的防護(hù)作用。

所述的防護(hù)涂層對(duì)CMAS熔融沉積物防護(hù)主要為氧化鋁基防護(hù)涂層高溫穩(wěn)定性、防護(hù)涂層的致密性和其特殊成分，使氧化鋁、鋁酸稀土鹽或稀土氧化物可部分溶解進(jìn)入與防護(hù)涂層接觸CMAS中，所緩慢消耗犧牲的氧化鋁基防護(hù)涂層會(huì)改變低熔點(diǎn)的鈣硅石(CaSiO₃)相為鈣長(zhǎng)石(CaAl₂Si₂O₈)，提高CMAS層與涂層接觸部位的熔點(diǎn)和高溫穩(wěn)定性；防護(hù)涂層的高致密度可降低CMAS熔融沉積物的滲入；防護(hù)涂層較低的表面粗糙度可減少CMAS層的粘附；所述防護(hù)涂層對(duì)熱障涂層基體、粘結(jié)層和陶瓷層微觀結(jié)構(gòu)、材料和制備工藝方法、涂層厚度不做進(jìn)一步限定，可在不同類型熱障涂層表面制備該防護(hù)涂層，但高溫使用環(huán)境下氧化鋁基防護(hù)涂層與所接觸熱障涂層存在固相反應(yīng)時(shí)，該體系熱障涂層不適宜制備所述防護(hù)涂層。

當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。