[0001]

本發(fā)明涉及熱障涂層及其制備方法。

背景技術(shù)：

[0002]

為提升燃油經(jīng)濟(jì)性和工作推力，航空發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口溫度逐步提升，已遠(yuǎn)超傳統(tǒng)鎳基單晶高溫合金許可使用溫度。熱障涂層(thermal barrier coating,tbc)被廣泛應(yīng)用于高壓渦輪葉片等高溫端零組件，用于隔絕零組件基體與高溫燃?xì)?，抵抗高溫氧化和腐蝕，降低基體表面溫度，提升渦輪等單元體工作效率，延長其工作壽命，節(jié)約航空發(fā)動機(jī)運行成本。

[0003]

熱障涂層通常由兩部分組成：與燃?xì)饨佑|的外層稱為面層(top coat,tc)，主要是陶瓷隔熱材料，常見的組分為氧化釔(y2o3)穩(wěn)態(tài)化的二氧化鋯(zro2)或稀土氧化物，其功能是隔熱；在面層和基體之間的中間層稱為粘結(jié)層(bond coat,bc)，常見的組分為mcraly(m＝ni、co或nico)和nial(pt)，其功能是緩解基體與陶瓷層由于熱不匹配所產(chǎn)生的熱應(yīng)力和抗腐蝕氧化。

[0004]

熱障涂層在服役中，會發(fā)生以下過程：粘結(jié)層與面層之間會形成具有保護(hù)作用的僅數(shù)微米厚的tgo層(thermally grown oxides，如al2o3等)，且厚度逐漸增加，粘結(jié)層中的al元素等被消耗；粘結(jié)層與基體發(fā)生互擴(kuò)散，粘結(jié)層中的活性元素擴(kuò)散至基體，基體難熔元素擴(kuò)散至粘結(jié)層，粘結(jié)層和基體材料基本特性發(fā)生改變；粘結(jié)層、tgo和面層由于熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致熱應(yīng)力積累，出現(xiàn)tgo層褶皺、開裂和面層剝落。因此，粘結(jié)層對熱障涂層服役和失效起關(guān)鍵作用。

[0005]

有研究表明，在粘結(jié)層中少量或微量添加微量元素，可促進(jìn)α-al2o3生成、改善tgo與粘結(jié)層結(jié)合，避免或延緩tgo中尖晶石結(jié)構(gòu)的(ni,co)(cr,al)2o4氧化物生成，這些氧化物易在高低溫循環(huán)下萌生裂紋并導(dǎo)致涂層失效。此外，粘結(jié)層表面應(yīng)力狀態(tài)對裂紋擴(kuò)展影響較大，通常認(rèn)為表面拉應(yīng)力較壓應(yīng)力更易導(dǎo)致裂紋迅速擴(kuò)展和合并，致使涂層斷裂、失效。

[0006]

工業(yè)常用的熱障涂層傳統(tǒng)制備工藝包括熱噴涂、電鍍、化學(xué)氣相滲、離子鍍和電子束物理氣相沉積等。因此，微量元素需添加/合成至噴涂用粉末、電鍍液、沉積用靶材等材料中，以便引入涂層。例如，在nicral粉末中添加0.2～1.5％的y元素，并通過等離子噴涂工藝制備nicraly粘結(jié)層?？傮w而言，傳統(tǒng)工藝方法通常存在微量元素易擴(kuò)散至基體，影響基體性能的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

[0007]

本發(fā)明的目的是提供一種熱障涂層的制備方法，其可以提升tgo與粘結(jié)層結(jié)合力，改善粘結(jié)層抗氧化性能。

[0008]

本發(fā)明的另一個目的是提供熱障涂層。

[0009]

根據(jù)本發(fā)明的熱障涂層的制備方法，其包括以下步驟：

[0010]

在基體的表面通過化學(xué)氣相沉積或者物理氣相沉積生成粘結(jié)層；

[0011]

使用piii&d將zr和/或hf元素注入/沉積至粘結(jié)層淺表面生成原位改性層；以及

[0012]

在所述原位改性層上生成面層。

[0013]

在一個實施方式中，所述粘結(jié)層為mcraly(m＝ni，co或nico)、nial和niptal。

[0014]

在一個實施方式中，所述生成原位改性層的過程是在所述粘結(jié)層表面進(jìn)行zr piii&d、hf piii&d、zr/hf二元piii&d、先zr piii&d后hf piii&d或者先hf piii&d后zr piii&d。

[0015]

在一個實施方式中，使用piii&d時，使用純金屬zr和純金屬hf作為陰極靶材，純度不低于99.99％。

[0016]

在一個實施方式中，原位改性層厚度為0～500nm。

[0017]

在一個實施方式中，使用piii&d時，粘結(jié)層表面的zr元素和hf元素含量，通過陰極觸發(fā)頻率、陰極觸發(fā)脈寬、注入/沉積電壓、注入/沉積頻率或注入沉積時間參數(shù)來調(diào)節(jié)。

[0018]

在一個實施方式中，在所述原位改性層中，zr含量控制在0～20at.％范圍內(nèi)，粘結(jié)層表面hf含量控制在0～20at.％范圍內(nèi)。

[0019]

根據(jù)本發(fā)明的熱障涂層，采用任一項所述的方法獲得。

[0020]

根據(jù)本發(fā)明的熱障涂層，施加在基體上，包括與外界接觸的面層以及在所述面層和所述基體之間的粘結(jié)層，其中，所述粘結(jié)層具有原位改性層，所述原位改性層的厚度在0～500nm，參雜有zr和/或hf元素。

[0021]

該熱障涂層在所述原位改性層中，zr含量在0～20at.％范圍內(nèi)，粘結(jié)層表面hf含量在0～20at.％范圍內(nèi)。

[0022]

有益效果如下：

[0023]

zr、hf元素分布于粘結(jié)層淺表面深度范圍，不改變粘結(jié)層和基體整體性能，在不影響粘結(jié)層和基體整體成分組成、結(jié)構(gòu)和性能的同時，提升tgo與粘結(jié)層結(jié)合力，改善粘結(jié)層抗氧化性能；

[0024]

其次zr、hf元素在粘結(jié)層中的有效引入，促進(jìn)α-al2o3生成，降低粘結(jié)層褶皺；

[0025]

調(diào)控粘結(jié)層表面應(yīng)力狀態(tài)，使其處于壓應(yīng)力狀態(tài)，提升涂層服役壽命；

[0026]

相對于熱噴涂、電鍍、化學(xué)氣相滲、離子鍍和電子束物理氣相沉積中添加微量元素，前述方案能便捷、精確控制zr、hf元素含量，避免重復(fù)開發(fā)驗證新型粉末、電鍍液和靶材，提升涂層研制效率。

附圖說明

[0027]

本發(fā)明的上述的以及其他的特征、性質(zhì)和優(yōu)勢將通過下面結(jié)合附圖和實施例的描述而變得更加明顯，其中：

[0028]

圖1是熱障涂層的粘結(jié)層改性示意圖。

具體實施方式

[0029]

下述公開了多種不同的實施所述的主題技術(shù)方案的實施方式或者實施例。為簡化公開內(nèi)容，下面描述了各元件和排列的具體實例，當(dāng)然，這些僅僅為例子而已，并非是對本發(fā)明的保護(hù)范圍進(jìn)行限制。例如在說明書中隨后記載的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通過直接聯(lián)系的方式形成的實施方式，也可包括在第一和

piii&d(piii&d注入/沉積hf元素)、zr/hf二元piii&d(piii&d同時注入/沉積hf、zr元素)、先zr piii&d后hf piii&d或者先hf piii&d后zr piii&d。

[0042]

在前述工藝中，使用純金屬zr和純金屬hf作為陰極靶材，純度不低于99.99％。

[0043]

在前述工藝中，粘結(jié)層表面zr含量可在0(大于0)～20at.％范圍內(nèi)可控，粘結(jié)層表面hf含量可在0～20at.％范圍內(nèi)可控。

[0044]

在前述工藝中，粘結(jié)層表面0(大于0)～500nm深度的組分、結(jié)構(gòu)和性能可被調(diào)控，即可形成500nm內(nèi)的原位改性層。

[0045]

在步驟2)中，粘結(jié)層表面zr元素和hf元素含量，可以通過陰極觸發(fā)頻率、陰極觸發(fā)脈寬、注入/沉積電壓、注入/沉積頻率、注入沉積時間等參數(shù)來調(diào)節(jié)。

[0046]

在前述工藝中，后處理步驟可實施，也可不實施。

[0047]

前述工藝只改性粘結(jié)層的原位改性層(通常在數(shù)百納米深度范圍內(nèi))的成分、結(jié)構(gòu)和性能，因而微量元素不易擴(kuò)散至基體，影響基體性能，不影響粘結(jié)層和基體整體成分、結(jié)構(gòu)和性能。改性后的粘結(jié)層在服役過程中，tgo層與粘結(jié)層結(jié)合力、粘結(jié)層抗氧化性能得到改善，粘結(jié)層的褶皺得到改善和延緩、粘結(jié)層表面應(yīng)力為壓應(yīng)力。

[0048]

綜上所述，前述工藝可控地將zr和/或hf元素引入至粘結(jié)層淺表面，形成原位改性層，在不影響粘結(jié)層和基體整體成分組成、結(jié)構(gòu)和性能的同時，提升tgo與粘結(jié)層結(jié)合力，改善粘結(jié)層抗氧化性能，降低涂層服役過程中粘結(jié)層的褶皺。

[0049]

作為推薦的方案，選用zr/hf二元piii&d，選用工藝參數(shù)包括真空度1

×

10-3

pa～10

×

10-3

pa，靶臺高壓0.5kv～100kv，注入/沉積脈寬50～2000μs，注入/沉積頻率5～20hz，陰極源觸發(fā)脈寬200～3000μs，注入/沉積時間15～180min。

[0050]

推薦的方案具有如下特點：

[0051]

1)實現(xiàn)zr、hf元素在粘結(jié)層中的有效引入，促進(jìn)α-al2o3生成，降低粘結(jié)層褶皺；

[0052]

2)實現(xiàn)zr、hf元素分布于粘結(jié)層淺表面500納米深度范圍，不改變粘結(jié)層和基體整體性能，微量元素得到有效應(yīng)用，相對成本降低；

[0053]

3)可便捷、精確控制zr、hf元素含量，避免重復(fù)開發(fā)驗證新型粉末、電鍍液和靶材，提升涂層研制效率；

[0054]

4)可調(diào)控粘結(jié)層表面應(yīng)力狀態(tài)，使其處于壓應(yīng)力狀態(tài)，提升涂層服役壽命

[0055]

本發(fā)明雖然以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動和修改。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何修改、等同變化及修飾，均落入本發(fā)明權(quán)利要求所界定的保護(hù)范圍之內(nèi)。技術(shù)特征：

1.熱障涂層的制備方法，其特征在于，在基體的表面通過化學(xué)氣相沉積或者物理氣相沉積生成粘結(jié)層；使用piii&d將zr和/或hf元素注入/沉積至粘結(jié)層淺表面生成原位改性層；以及在所述原位改性層上生成面層。2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述粘結(jié)層為mcraly(m＝ni，co或nico)、nial和niptal。3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述生成原位改性層的過程是在所述粘結(jié)層表面進(jìn)行zr piii&d、hf piii&d、zr/hf二元piii&d、先zr piii&d后hf piii&d或者先hf piii&d后zr piii&d。4.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，使用piii&d時，使用純金屬zr和純金屬hf作為陰極靶材，純度不低于99.99％。5.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，原位改性層厚度為0～500nm。6.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，使用piii&d時，粘結(jié)層表面的zr元素和hf元素含量，通過陰極觸發(fā)頻率、陰極觸發(fā)脈寬、注入/沉積電壓、注入/沉積頻率或注入沉積時間參數(shù)來調(diào)節(jié)。7.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，在所述原位改性層中，zr含量控制在0～20at.％范圍內(nèi)，粘結(jié)層表面hf含量控制在0～20at.％范圍內(nèi)。8.一種熱障涂層，其特征在于，采用如權(quán)利要求1至7中任一項所述的方法獲得。9.一種熱障涂層，施加在基體上，包括與外界接觸的面層以及在所述面層和所述基體之間的粘結(jié)層，其特征在于，所述粘結(jié)層具有原位改性層，所述原位改性層的厚度在0～500nm，參雜有zr和/或hf元素。10.如權(quán)利要求9所述的熱障涂層，其特征在于，在所述原位改性層中，zr含量在0～20at.％范圍內(nèi)，粘結(jié)層表面hf含量在0～20at.％范圍內(nèi)。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明提供一種熱障涂層及其制備方法，其可以提升TGO與粘結(jié)層結(jié)合力，改善粘結(jié)層抗氧化性能。根據(jù)本發(fā)明的熱障涂層的制備方法，其包括在基體的表面通過化學(xué)氣相沉積或者物理氣相沉積生成粘結(jié)層；使用PIII&D將Zr和/或Hf元素注入/沉積至粘結(jié)層淺表面生成原位改性層；以及在所述原位改性層上生成面層。以及在所述原位改性層上生成面層。以及在所述原位改性層上生成面層。

技術(shù)研發(fā)人員：陸濤 錢凌翼

受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司

技術(shù)研發(fā)日：2019.08.14

技術(shù)公布日：2021/2/23