熱障涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬陶瓷涂層技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種熱障涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱障涂層(Thermal Barrier Coating)是一層陶瓷涂層，它沉積在耐高溫金屬或超合金的表面，熱障涂層對(duì)與基底材料起到隔熱作用，降低基底溫度，使得用其制成的器件(如發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片)能在高溫下運(yùn)行，并且可以提高器件(發(fā)動(dòng)機(jī)等)熱效率達(dá)到60%以上。
[0003]近年來(lái)隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)向高流量比、高推重比和高渦輪進(jìn)口溫度方向的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的燃?xì)鉁囟群腿細(xì)鈮毫Σ粩嗵岣?。?dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比達(dá)到20時(shí)，燃?xì)馊肟跍囟葘⒊^(guò)2000°C，這個(gè)溫度已經(jīng)超出制造渦輪葉片和導(dǎo)向葉片的鎳基高溫合金所承受的溫度，即采用金屬間化合物材料及利用定向凝固技術(shù)也難以承受。采用壓縮空氣對(duì)葉片的冷卻效果有限，而且冷卻技術(shù)在降低葉片溫度的同時(shí)，不可避免地?fù)p失很大一部分熱量，降低發(fā)動(dòng)機(jī)效率。在這種情況下，抗擊發(fā)動(dòng)機(jī)葉片高溫的另一種有效途徑一一熱障涂層也就應(yīng)運(yùn)而生，成為近年來(lái)國(guó)際高溫涂層領(lǐng)域最活躍的研究課題之一。
[0004]熱障涂層技術(shù)從八十年代末到九十年代初獲得迅速發(fā)展，并已廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船等領(lǐng)域，并且在陸基燃?xì)廨啓C(jī)工業(yè)方面起著越來(lái)越重要的作用。傳統(tǒng)的熱障涂層通常是由陶瓷表層和結(jié)合底層所組成。熱障涂層結(jié)構(gòu)主要可以分為雙層結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)和梯度結(jié)構(gòu)。由于熱障涂層使用條件的復(fù)雜性和多樣性，常導(dǎo)致熱障涂層失效?，F(xiàn)有熱障涂層失效總結(jié)如下:陶瓷防護(hù)層中出現(xiàn)垂直于表面的縱向貫穿性裂紋，導(dǎo)致防護(hù)層斷裂，熱障涂層失效；陶瓷防護(hù)層中出現(xiàn)平行于表面的橫向裂紋，部分防護(hù)層起皮、剝落，熱障涂層破壞；陶瓷防護(hù)層/氧化膜/粘結(jié)層界面處，陶瓷防護(hù)層/氧化膜的界面開(kāi)裂，熱障涂層整個(gè)脫落。由上述可知，熱障涂層的失效形式為平行于基體方向上的材料界面相對(duì)滑動(dòng)和脫落及垂直于基體方向上的熱障涂層的縱向開(kāi)裂。影響熱障涂層失效的主要因素為涂層材料間熱膨脹系數(shù)不匹配；高溫下金屬的氧化及其引起的成分的變化；材料的相變。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種解決現(xiàn)有技術(shù)中涂層材料間的熱膨脹系數(shù)不匹配的問(wèn)題的熱障涂層及其制備方法。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種熱障涂層，包括基層、隔熱層及防護(hù)層；所述基層和所述隔熱層之間設(shè)置有至少一過(guò)渡層。
[0007]進(jìn)一步地，所述隔熱層和防護(hù)層之間還設(shè)置有至少一過(guò)渡層。
[0008]進(jìn)一步地，所述基層和防護(hù)層由高熔點(diǎn)M金屬涂層組成。
[0009]進(jìn)一步地，所述過(guò)渡層和隔熱層由高熔點(diǎn)M金屬與氧化物陶瓷復(fù)合涂層構(gòu)成。
[0010]進(jìn)一步地，所述氧化物陶瓷層的材料是氧化釔穩(wěn)定氧化鋯、氧化鈣穩(wěn)定氧化鋯或氧化鎂穩(wěn)定氧化鋯陶瓷材料中的一種。
[0011]進(jìn)一步地，所述M金屬選自W、Mo、Ta、Nb、V及Zr金屬中的一種。
[0012]進(jìn)一步地，當(dāng)過(guò)渡層為多個(gè)時(shí)，過(guò)渡層中的ZrO2^量由內(nèi)向外呈現(xiàn)梯度變化。
[0013]進(jìn)一步地，以所述基層為參考點(diǎn)，所述隔熱層與所述基層之間的所述過(guò)渡層中的ZrO2含量由內(nèi)向外逐漸增加。
[0014]進(jìn)一步地，以所述隔熱層為參考點(diǎn)，所述隔熱層與所述防護(hù)層之間的過(guò)渡層中的ZrO2含量由內(nèi)向外逐漸減少。
[0015]進(jìn)一步地，所述過(guò)渡層中的ZrO2的含量在20wt%? 80wt%范圍內(nèi)變化。
[0016]進(jìn)一步地，所述隔熱層中的ZrO2的含量在40wt%? 100wt%范圍內(nèi)變化。
[0017]進(jìn)一步地，所述隔熱層與所述基層之間的所述過(guò)渡層的層數(shù)為1-3層。
[0018]進(jìn)一步地，所述隔熱層與所述防護(hù)層之間的所述過(guò)渡層的層數(shù)為1-3層。
[0019]進(jìn)一步地，所述過(guò)渡層每層厚度在0.1?0.5mm。
[0020]進(jìn)一步地，所述基層的厚度在0.05?0.15mm。
[0021]進(jìn)一步地，所述防護(hù)層的厚度為0.1?3mm。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供一種熱障涂層的制備方法，包括:
[0023]采用噴砂方式將基體表面進(jìn)行粗糙度處理；
[0024]以球形高熔點(diǎn)M金屬粉為材料，采用等離子噴涂設(shè)備或超音速火焰噴涂設(shè)備進(jìn)行噴涂處理形成基層；
[0025]以高熔點(diǎn)M金屬與氧化物陶瓷復(fù)合材料，采用等離子噴涂設(shè)備或超音速火焰噴涂設(shè)備進(jìn)行噴涂處理分別形成第一過(guò)渡層、第二過(guò)渡層及隔熱層；
[0026]以球形高熔點(diǎn)M金屬粉為材料，采用等離子噴涂設(shè)備進(jìn)行噴涂處理形成防護(hù)層。
[0027]本發(fā)明提供的熱障涂層，該涂層成分配制合理，制備工藝簡(jiǎn)便，涂層的過(guò)渡層和隔熱層中含有易于形成氧化膜的氧化物，且氧化物含量具有梯度變化，使得熱障涂層具有良好抗熱震性能的同時(shí)耐高溫粒子沖刷性能突出。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的熱障涂層的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]本發(fā)明實(shí)施例提供熱障涂層包括基層、隔熱層及防護(hù)層；所述基層和所述隔熱層之間設(shè)置有至少一過(guò)渡層。隔熱層和防護(hù)層之間還設(shè)置有至少一過(guò)渡層?；鶎雍头雷o(hù)層由高熔點(diǎn)M金屬涂層組成。過(guò)渡層和隔熱層由高熔點(diǎn)M金屬與氧化物陶瓷復(fù)合涂層構(gòu)成。氧化物陶瓷層的材料是氧化釔穩(wěn)定氧化鋯、氧化鈣穩(wěn)定氧化鋯或氧化鎂穩(wěn)定氧化鋯陶瓷材料中的一種。M金屬選自W、Mo、Ta、Nb、V及Zr金屬中的一種。當(dāng)過(guò)渡層為多個(gè)時(shí)，過(guò)渡層中的ZrO2^量由內(nèi)向外呈現(xiàn)梯度變化。以基層為參考點(diǎn)，所述隔熱層與所述基層之間的所述過(guò)渡層中的ZrO2含量由內(nèi)向外逐漸增加。以所述隔熱層為參考點(diǎn)，所述隔熱層與所述防護(hù)層之間的過(guò)渡層中的ZrO2含量由內(nèi)向外逐漸減少。過(guò)渡層中的ZrO 2的含量在20wt%?80wt%范圍內(nèi)變化。隔熱層中的2抑2的含量在40wt%? 100wt%范圍內(nèi)變化。隔熱層與所述基層之間的所述過(guò)渡層的層數(shù)為1-3層。隔熱層與所述防護(hù)層之間的所述過(guò)渡層的層數(shù)為1-3層。過(guò)渡層每層厚度在0.1?0.5mm。基層的厚度在0.05?0.15mm。防護(hù)層的厚度為0.1?3mm。
[0030]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明實(shí)施例提供的一種熱障涂層進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0031]實(shí)施例1
[0032]參見(jiàn)圖1，基層2為純金屬M(fèi)o ;隔熱層5與基層2之間的第一過(guò)渡層3為Mo與ZrO2的混合涂層，ZrO2含量為25%，厚度為0.1mm ;隔熱層5與基層2之間的第二過(guò)渡層4為Mo與ZrOj^混合涂層，ZrO2含量為40%，厚度為0.1mm ;隔熱層為Mo與ZrO 2的混合涂層，ZrO2含量為85%，厚度為0.4mm ;隔熱層5與防護(hù)層6之間的第二過(guò)渡層4為Mo與叾抑2的混合涂層，ZrO2含量為40%，厚度為0.12mm ;隔熱層5與防護(hù)層6之間的第一過(guò)渡層3為Mo與ZrOJ^混合涂層，ZrO 2含量為25%，厚度為0.1mm。防護(hù)層為純金屬M(fèi)o涂層。
[0033]實(shí)施例2
[0034]與圖1所示的結(jié)構(gòu)有所不同，基層2為純金屬M(fèi)o ;隔熱層5與基層2之間采用單層過(guò)渡結(jié)構(gòu)(即只有一層過(guò)濾層)，為Mo與ZrO2