CN106191752A - 一种热障涂层表面熔融沉积物防护涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种热障涂层表面熔融沉积物防护涂层及其制备方法，所述热障涂层包括至少一粘结层和至少一陶瓷层，所述粘结层涂覆在所述高温合金基体表面，所述陶瓷层涂覆在所述粘结层表面，与所述粘结层接触的所述陶瓷层为基于氧化钇部分稳定氧化锆材料层，所述陶瓷层表面还涂覆有防护涂层，所述防护涂层使用氧化铝基喷涂粉末，使用超音速等离子喷涂工艺制备。该防护涂层的制备方法，包括氧化铝基喷涂粉末烘干处理，装夹工件并调整参数，利用超音速等离子喷涂设备的喷枪产生等离子焰流均匀预热所述热障涂层表面，开启送粉，在所述热障涂层表面喷涂所述氧化铝基喷涂粉末1-3遍以形成所述防护涂层。

Description

一种热障涂层表面熔融沉积物防护涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种热障涂层表面熔融沉积物防护涂层及其制备方法，特别是一种利用高能、高速超音速等离子喷涂工艺制备致密、薄的氧化铝基防护涂层的热障涂层表面熔融沉积物防护涂层及其制备方法。

背景技术

热障涂层(Thermal Barrier Coating，TBC)是利用陶瓷材料优异的耐高温、隔热、抗腐蚀性能，以涂层的方式将陶瓷与金属基体相复合的一种高温结构材料表面防护技术，通常由低热导率的陶瓷面层和与金属基体、陶瓷面层具有良好热膨胀系数匹配性的金属粘结层组成。热障涂层的使用会显著提高航空发动机高温热端部件工作温度，提高热端部件使用寿命，从而提高燃气涡轮发动机热效率。

自20世纪70年代以来，氧化锆基热障涂层(Thermal Barrier Coatings,TBCs)已成功地应用于保护航空发动机和燃气轮机涡轮叶片、燃烧室及其他高温部件，6～8wt％Y₂O₃-ZrO₂(统称为8YSZ——氧化钇部分稳定氧化锆)材料具有很多优良的特性，如高韧性、高强度、良好的抗热冲击性能、热膨胀系数大、抗腐蚀等，在很多航空、航天等领域都有重要的应用价值。8YSZ是迄今为止最为经典的热障涂层材料，在航空发动机和燃气轮机方面获得大量应用。

随着航空发动机推重比和燃气轮机热效率不断提高，其涡轮前温度也不断提高，先进的航空发动机涡轮前温度高于1500℃，而目前先进燃气轮机涡轮前温度也高于1400℃。参考文献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和参考文献2Carlos G L,John W H,Marie-Hélène Vidal-Sétif,Curtis A J.Environmental degradation ofthermal barrier coatings by molten deposits[J].MRS Bulletin,2012,37(10):932-941中描述了熔融的CMAS沉积物是未来更高效率燃气涡轮发动机热障涂层服役过程中必须考虑的核心问题。CMAS基础成分是大气中灰尘、矿物和火山灰等的熔融复合物和燃油中的Na、Ca、S、P、K等杂质，其具有较低熔点(1230-1250℃)，在热障涂层服役过程中会熔融沉积到热障涂层表面，同时会沿陶瓷涂层表层缺陷(孔隙及微裂纹、柱状晶间隙等)，甚至更微观的晶界位置渗入到涂层内部，沉积在涂层表面CMAS沉积物会增加涂层内部热应力，渗入到涂层内部CMAS会导致陶瓷涂层加快烧结和孔隙闭合，涂层的隔热效果和机械性能会明显衰减；同时CMAS中SiO₂会溶解8YSZ中的Y₂O₃，导致其高温稳定性降低，过早发生相变失稳；同时由于CMAS中Ca²⁺扩散到YSZ晶粒当中，会导致8YSZ加速烧结，同时CaO会取代Y₂O₃作为ZrO₂的稳定剂，这会导致具有优异高温稳定性的8YSZ材料过早相变失稳，以上CMAS对8YSZ热障涂层的影响会导致涂层过早失效，涂层服役寿命显著降低。

CMAS熔融沉积物近年来逐步受到国内外科研人员重视，如何延缓或解决CMAS熔融沉积物对热障涂层服役寿命的影响和过早的损伤失效是未来高效航空发动机和燃气轮机所必须考核的核心问题。目前国内外在贵金属防护涂层、热障涂层表层激光熔覆致密化处理、热障涂层材料掺杂改性等方面开展了探索性研究。

为了有效地提高在CMAS熔融沉积物和高温燃气环境下热障涂层的热循环寿命，利用防护涂层层微结构的优化设计及制备工艺优化，提出一种低成本、高效率和有效延缓CMAS对热障涂层失效影响的防护结构，是目前高性能燃气涡轮发动机热端部件防护涂层亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对CMAS熔融沉积物对热障涂层过早失效的影响，提供一种热障涂层表面熔融沉积物防护涂层及其制备方法，制备出一种高致密度、均匀、薄的氧化铝基薄层防护涂层，以延缓CMAS的渗入速率，降低CMAS对涂层过早失效的影响，提高高温燃气和CMAS耦合条件下热障涂层热循环寿命。

为了实现上述目的，本发明提供了一种热障涂层表面熔融沉积物防护涂层，该热障涂层附着在高温合金基体表面，其中，所述热障涂层包括至少一粘结层和至少一陶瓷层，所述粘结层涂覆在所述高温合金基体表面，所述陶瓷层涂覆在所述粘结层表面，与所述粘结层接触的所述陶瓷层为基于氧化钇部分稳定氧化锆材料层，所述陶瓷层表面还涂覆有防护涂层，所述防护涂层使用氧化铝基喷涂粉末，使用超音速等离子喷涂工艺制备。

上述的热障涂层表面熔融沉积物防护涂层，其中，所述防护涂层平均厚度为5-15μm，所述防护涂层的孔隙率小于5％。

上述的热障涂层表面熔融沉积物防护涂层，其中，所述氧化铝基喷涂粉末中包含0-10mol.％的稀土氧化物Re₂O₃，以在所述防护涂层中形成ReAlO₃或Re₃Al₅O₁₂。

上述的热障涂层表面熔融沉积物防护涂层，其中，所述稀土氧化物Re₂O₃为Gd₂O₃、Y₂O₃、Sm₂O₃、Nd₂O₃或La₂O₃中的一种或多种。

上述的热障涂层表面熔融沉积物防护涂层，其中，所述氧化铝基喷涂粉末的粒度范围为45μm-75μm、15μm-45μm或5μm-25μm。

为了更好地实现上述目标，本发明还提供了一种热障涂层表面熔融沉积物防护涂层的制备方法，其中，该热障涂层附着在高温合金基体表面，所述热障涂层包括至少一粘结层和至少一陶瓷层，所述粘结层涂覆在所述高温合金基体表面，所述陶瓷层涂覆在所述粘结层表面，与所述粘结层接触的所述陶瓷层为基于氧化钇部分稳定氧化锆材料层，所述陶瓷层表面还涂覆有防护涂层，所述防护涂层的制备包括如下步骤：

S100、氧化铝基喷涂粉末烘干处理，将粒度范围为45μm-75μm、15μm-45μm或5μm-25μm的氧化铝基喷涂粉末在烘箱中进行低温烘干处理，所述氧化铝基喷涂粉末应具有良好的流动性；

S200、装夹工件并调整参数，将已制备所述热障涂层的工件装卡在工装中，开启超音速等离子喷涂设备并调整工艺参数如下：

电压：150-160V；

电流：400-450A；

主气：80-90L/min；

次气：9-10L/min；

载气流量：6-8L/min；

送粉量：8-20g/min；

喷枪摆动速率：300-1000mm/s；

S300、利用超音速等离子喷涂设备的喷枪产生等离子焰流均匀预热所述热障涂层表面，预热温度为200-500℃；

S400、开启送粉，在所述热障涂层表面喷涂所述氧化铝基喷涂粉末1-3遍以形成所述防护涂层。

上述的热障涂层表面熔融沉积物防护涂层的制备方法，其中，所述防护涂层平均厚度为5-15μm，所述防护涂层的孔隙率小于5％。

上述的热障涂层表面熔融沉积物防护涂层的制备方法，其中，所述氧化铝基喷涂粉末中包含0-10mol.％的稀土氧化物Re₂O₃，以在所述防护涂层中形成ReAlO₃或Re₃Al₅O₁₂。

上述的热障涂层表面熔融沉积物防护涂层的制备方法，其中，所述稀土氧化物Re₂O₃为Gd₂O₃、Y₂O₃、Sm₂O₃、Nd₂O₃或La₂O₃中的一种或多种。

上述的热障涂层表面熔融沉积物防护涂层的制备方法，其中，所述步骤S400之后，还包括：

S500、后处理，对所述防护涂层进行抛光处理以进一步降低所述防护涂层的表面粗糙度。

本发明的技术效果在于：

本发明利用高能、高速的超音速等离子喷涂工艺在热障涂层表面制备致密、薄的氧化铝基防护涂层，通过***调节喷涂功率、送粉量、喷枪摆动速率等，提高与涂层接触熔融沉积物CMAS(CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂)的熔点、降低涂层表面粗糙度，减少CMAS粘附和防护涂层自身具有较高致密度阻止熔融沉积物渗入，进而延缓高温环境下CMAS熔融沉积物对涂层的渗入反应作用，在CMAS熔融沉积物和高温燃气共同作用下，显著提高热障涂层的热循环寿命。在无CMAS熔融沉积物模拟条件下，对涂层热循环寿命基本无影响。具有制备工艺简单、满足不同尺寸零部件热障涂层表面防护需求、加工效率高等特点。

特别是，采用本发明的热障涂层表面熔融沉积物防护涂层具有如下突出优点：

1)薄的、致密的氧化铝基防护涂层自身具有良好的高温稳定性，不会对热障涂层陶瓷层成分及特性产生明显影响，同时平均厚度5-15μm的防护涂层对热障涂层热不匹配应力影响较小，可充分发挥不同类型热障涂层的已具备的良好热循环寿命优势；

2)防护涂层具有较低的孔隙率(<5％)，可有效地延缓CMAS熔融沉积物的渗入；同时，低孔隙率的防护涂层，会降低涂层表面粗糙度，减少高温熔融沉积物CMAS的附着；

3)制备防护涂层的热障涂层，在CMAS耦合条件下，对特征热障涂层及制备防护涂层后涂层进行了热循环寿命试验，试验结果表明制备防护涂层涂层1200℃下热循环寿命相对未制备防护涂层涂层提高1.5倍-4倍(利用文献3中所提出的热循环实验方法：何箐,吴鹏,屈轶,汪瑞军,王伟平.一种新型CMAS耦合条件下热障涂层热循环实验方法[J].材料工程,2014,12:92-98)；

4)制备防护涂层的涂层在未耦合CMAS的高温循环氧化和炉内热循环条件下，对热障涂层的循环氧化寿命和炉内热循环寿命基本无影响，主要是热障涂层表面氧化铝基防护涂层为热障涂层提供了阻碍氧粒子高温穿透，降低了热障涂层中粘结层表面氧化速率；同时薄层防护涂层对热障涂层热不匹配应力影响较小；

5)所述防护涂层及其制备方法所具有的优势是并不限定热障涂层自身的特性，具有较广泛的应用范围，相对真空镀膜制备贵金属防护涂层和激光熔覆表面致密化处理等工艺，具有制备成本低、可制备大尺寸零件表面热障涂层防护涂层、制备效率高等优点。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1A为本发明一实施例制备防护涂层后等离子喷涂热障涂层截面形貌图；

图1B为本发明一实施例等离子喷涂热障涂层陶瓷层及表面防护涂层局部形貌图；

图2A、2B分别为本发明一实施例等离子喷涂热障涂层表面制备防护涂层前、后表面粗糙度测试结果；

图3为未制备防护涂层等离子喷涂涂层在CMAS涂覆条件下1250℃，2h高温热处理后涂层截面形貌；

图4为本发明一实施例制备防护涂层后在CMAS涂覆条件下1250℃，2h高温热处理后涂层截面形貌；

图5为CMAS耦合条件下涂层相对热循环寿命试验结果(左侧为未制备防护涂层数据，右边为制备防护涂层后数据)；

图6为图4中制备防护涂层的热障涂层热循环失效后截面形貌；

图7为无CMAS耦合的条件下制备防护涂层前后热障涂层循环氧化寿命和炉内热循环寿命试验结果。

其中，附图标记

10 高温合金基体

20 热障涂层

21 粘结层

22 陶瓷层

30 防护涂层

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

参见图1A-2B，图1A为本发明一实施例制备防护涂层后等离子喷涂热障涂层截面形貌图，其中热障涂层由基体、金属粘结层和陶瓷层所组成，其中粘结层和陶瓷层至少为一层，其陶瓷层可为一层或多层，其中与金属粘结层接触的一层应为氧化钇部分稳定氧化锆，与氧化铝基防护涂层接触陶瓷层，应在高温下与防护涂层之间无相互化学反应，图1A为采用超音速等离子喷涂制备金属粘结层和大气等离子喷涂制备陶瓷面层，而后使用超音速等离子喷涂工艺制备氧化铝基防护涂层的截面形貌。图1B为本发明一实施例等离子喷涂热障涂层陶瓷层及表面防护涂层局部形貌图，为该防护涂层局部放大后的形貌，图2A、2B分别为本发明一实施例等离子喷涂热障涂层表面制备防护涂层前、后表面粗糙度测试结果。本发明的热障涂层表面熔融沉积物防护涂层，该热障涂层附着在高温合金基体表面，所述热障涂层包括至少一粘结层和至少一陶瓷层，所述粘结层涂覆在所述高温合金基体表面，所述陶瓷层涂覆在所述粘结层表面，与所述粘结层接触的所述陶瓷层为基于氧化钇部分稳定氧化锆材料层，所述陶瓷层表面还涂覆有防护涂层，所述防护涂层使用氧化铝基喷涂粉末，使用超音速等离子喷涂工艺制备。热障涂层陶瓷层制备工艺通常为等离子喷涂和电子束物理气相沉积，等离子喷涂涂层中微裂纹、孔隙等缺陷和电子束物理气相沉积柱状晶晶间间隙均会导致在高温服役条件下CMAS熔融沉积物的渗入，本发明为了延缓低熔点CMAS熔融沉积物，制备了如图1A和图1B所示致密、薄的氧化铝基防护涂层。

其中，所述防护涂层平均厚度优选为5-15μm，所述防护涂层的孔隙率小于5％。所述氧化铝基喷涂粉末中包含0-10mol.％的稀土氧化物Re₂O₃，以在所述防护涂层中形成ReAlO₃或Re₃Al₅O₁₂。所述稀土氧化物Re₂O₃为Gd₂O₃、Y₂O₃、Sm₂O₃、Nd₂O₃或La₂O₃中的一种或多种，可包含其中的一种或多种稀土氧化物。稀土氧化物(Re₂O₃)的添加，会在氧化铝基涂层中形成ReAlO₃或Re₃Al₅O₁₂，这种化合物高温热力学稳定，同时稀土化合物溶解进入CMAS熔融沉积物中，会进一步提高CMAS熔点，对CMAS防护起到良性作用。所述氧化铝基喷涂粉末的粒度范围为45μm-75μm、15μm-45μm或5μm-25μm。

本发明的热障涂层表面熔融沉积物防护涂层的制备方法，其中，该热障涂层附着在高温合金基体表面，所述热障涂层包括至少一粘结层和至少一陶瓷层，所述粘结层涂覆在所述高温合金基体表面，所述陶瓷层涂覆在所述粘结层表面，与所述粘结层接触的所述陶瓷层为基于氧化钇部分稳定氧化锆材料层，所述陶瓷层表面还涂覆有防护涂层，所述防护涂层的制备包括如下步骤：

步骤S100、氧化铝基喷涂粉末烘干处理，将粒度范围为45μm-75μm、15μm-45μm或5μm-25μm的氧化铝基喷涂粉末在烘箱中进行低温烘干处理，所述氧化铝基喷涂粉末应具有良好的流动性；

步骤S200、装夹工件并调整参数，将已制备所述热障涂层的工件装卡在工装中，开启超音速等离子喷涂设备并调整工艺参数如下：

电压：150-160V；

电流：400-450A；

主气(氩气)：80-90L/min；

次气(氢气)：9-10L/min；

载气流量：6-8L/min；

送粉量：8-20g/min；

喷枪摆动速率：300-1000mm/s；

步骤S300、利用超音速等离子喷涂设备的喷枪产生等离子焰流均匀预热所述热障涂层表面，预热温度为200-500℃，对热障涂层表面预热温度要求为200-500℃，避免过低的预热温度不能形成致密涂层，同时也避免温度过高时，防护涂层中产生较多横、纵向裂纹，从而配合喷涂工艺参数，控制和提高防护涂层质量；

步骤S400、开启送粉，在所述热障涂层表面喷涂所述氧化铝基喷涂粉末1-3遍以形成所述防护涂层。

本实施例中，所述步骤S400之后，还包括：

步骤S500、后处理，对所述防护涂层进行抛光处理以进一步降低所述防护涂层的表面粗糙度。

完成上述步骤后，利用金相法和灰度法分别测试防护涂层的平均厚度和孔隙率，防护涂层平均厚度为5-15μm，孔隙率小于5％。如图1B所示防护涂层厚度控制在5-15μm的要求，主要考虑氧化铝基防护涂层和热障涂层陶瓷层之间热物性、机械性能所存在差异，如热膨胀系数、弹性模量，这一差异会在陶瓷层中产生热不匹配应力，为了减少对热障涂层陶瓷层性能的影响，本发明中控制防护涂层厚度在5-15μm厚度范围内。

采用超音速等离子喷涂工艺制备致密涂层，所制备的防护涂层孔隙率低于5％时，可明显减缓CMAS在高温下的渗入，同时降低涂层的表面粗糙度。图2A、2B为制备防护涂层前后涂层表面粗糙度测试结果，制备防护涂层前，等离子喷涂热障涂层表面粗糙度Ra为8.2μm、Rz为51.92μm，制备防护涂层后，Ra降低至7.5μm，Rz降低至44.65μm；涂层表面粗糙度的降低可以降低在冷热交替条件下CMAS的粘附力，有利于延缓CMAS熔融沉积物的影响。

制备防护涂层前后涂层在1250℃、2h热处理条件下，热处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.％))，进行高温下CMAS对热障涂层影响的模拟，热处理后未制备防护涂层的热障涂层截面形貌如图3所示，未制备防护涂层热障涂层表面CMAS在高温热处理过程中严重渗入至涂层内部，同时CMAS熔融沉积物进入了陶瓷层内部，填充了陶瓷层内孔隙和微裂纹等缺陷；CMAS对部分热障涂层陶瓷层产生了溶解现象，部分位置陶瓷层出现了粉状化特征。图4为制备氧化铝基防护涂层热处理后截面形貌，制备防护涂层后未见CMAS明显渗入，同时CMAS沉积物层中明显出现了长条状钙硅石相，说明氧化铝基涂层中氧化铝或稀土氧化物溶解进入CMAS中，提高了与防护涂层接触CMAS层熔点。

利用上述文献3《一种新型CMAS耦合条件下热障涂层热循环实验方法》中的新型CMAS耦合条件下热障涂层热循环寿命试验方法，在相同试验条件下(涂层表面1200℃，基体背面900℃，保温5min，保温过程中1％CMAS输送)对制备防护涂层和未制备防护涂层的现有等离子喷涂热障涂层进行寿命对比研究，涂层的相对热循环寿命试验结果如图5所示，如图1A所示热障涂层，相对未制备防护涂层涂层，涂层相对热循环寿命由1提高至5.35，提高幅度在4倍以上。图6为图5中制备防护涂层涂层高温燃气和CMAS耦合条件下热循环失效后涂层截面形貌分析，防护涂层上方CMAS熔融沉积物未渗入至陶瓷层内部，同时CMAS凝固在防护涂层上方，由于防护涂层降低涂层表面粗糙度和具有良好致密性，导致CMAS与防护涂层之间出现了横向裂纹，说明防护涂层可有效的阻碍CMAS渗入和附着。

为了验证所述热障涂层在制备防护涂层后对涂层高温性能影响，特别是对涂层热循环寿命影响，分别在1050℃、保温55min、冷却5min为一个循环条件下和1100℃、保温5min、冷却5min为一个循环条件下进行了制备防护涂层前后现有热障涂层循环氧化寿命和炉内热循环寿命的试验，试验结果如图7所示，未制备防护涂层现有热障涂层循环氧化1500h出现涂层剥落，制备防护涂层后1500h未出现涂层剥落；未制备防护涂层现有热障涂层炉内热循环寿命达到8100次，制备上述防护涂层后涂层热循环寿命为7700次，说明所制备的防护涂层在平均厚度5-15μm、孔隙率小于5％条件下，致密薄的防护涂层对热障涂层陶瓷层内热不匹配应用影响较小，在无CMAS耦合的冷热循环条件下，对热障涂层的循环寿命基本无影响。

下面举例说明本发明的具体实施过程：

实施例1

在常规大气等离子喷涂热障涂层表面制备防护涂层。

步骤S100：将纯度为99.5％、粒度范围为5-25μm的熔炼破碎型氧化铝基粉末在烘箱中进行100℃、2h烘干处理，喷涂粉末中含5mol％Gd₂O₃(氧化钆)；

步骤S200：将某型燃气轮机DZ40M合金叶片表面超音速火焰喷涂制备NiCrAlY金属粘结层、常规大气等离子喷涂制备纳米8YSZ热障涂层的工件装卡至旋转工装中，开启超音速等离子喷涂设备，并调整设备参数如下：

电压：150V；

电流：420A；

主气(氩气)：90L/min；

次气(氢气)：9L/min；

载气流量：6.5L/min；

送粉量：10g/min；

喷枪摆动速率：500mm/s。

步骤S300：均匀预热所述热障涂层，预热温度为200-300℃；

步骤S400：在所述工件表面进行防护涂层往返喷涂，喷涂遍数为2遍。

对上述工件表面热障涂层进行解剖分析，通过金相法测试防护涂层平均厚度和孔隙，平均厚度为9.8μm，孔隙率为2.2％。

对上述工件表面热障涂层涂覆了密度为30mg/cm²的CMAS，在1250℃高于CMAS熔点条件下进行热处理2h和5h，冷却速率为5℃/min，验证CMAS渗入情况，通过外观观察，未见CMAS明显渗入，通过截面形貌分析，2h后无CMAS渗入，5h后CMAS微量渗入。2h热处理后，CMAS与防护涂层接触部位组织结构与其他部位不同，有钙硅石转变为钙长石，熔点明显提高。

实施例2

在常规大气等离子喷涂热障涂层表面制备防护涂层。

步骤S100：将纯度为99.9％、粒度范围为45-75μm的熔炼破碎型氧化铝基粉末在烘箱中进行100℃、2h烘干处理，喷涂粉末中含1.5mol％Y₂O₃(氧化钆)；

步骤S200：将尺寸为φ30×3mmK403合金试样表面超音速火焰喷涂制备NiCoCrAlY金属粘结层(厚度0.1mm)、常规大气等离子喷涂制备纳米8YSZ热障涂层(厚度0.3mm)的样品装卡，并开启超音速等离子喷涂设备，并调整设备参数如下：

电压：155V；

电流：400A；

主气(氩气)：80L/min；

次气(氢气)：9.5L/min；

载气流量：7.5L/min；

送粉量：20g/min；

喷枪摆动速率：1000mm/s。

步骤S300：均匀预热上述热障涂层，预热温度为300-400℃；

步骤S400：在上述工件表面进行防护涂层往返喷涂，喷涂遍数为1遍。

对上述工件表面热障涂层进行解剖分析，通过金相法测试防护涂层平均厚度和孔隙，涂层平均厚度为9.9μm，孔隙率为4.9％。在该样品表面测试制备防护涂层前后涂层表面粗糙度，制备前Ra为8.81μm，制备后涂层表面粗糙度为6.92μm。在上述相同热循环条件下，测试未制备防护涂层和制备防护涂层涂层的热循环寿命，在CMAS耦合条件下，未制备防护涂层涂层相对热循环寿命为0.8，制备防护涂层后，其相对热循环寿命为4.2，提高4倍以上。

实施例3

在超音速等离子喷涂热障涂层表面制备防护涂层。

步骤S100：将纯度为99.9％、粒度范围为15-45μm的团聚烧结型氧化铝基粉末在烘箱中进行100℃、2h烘干处理，喷涂粉末中含10mol％Sm₂O₃；

步骤S200：将在IC10单晶合金试样表面超音速火焰喷涂制备NiCoCrAlYHfSi金属粘结层、超音速等离子喷涂制备致密8YSZ热障涂层(孔隙率为5％)的样品装卡，并开启超音速等离子喷涂设备，并调整设备参数如下：

电压：160V；

电流：430A；

主气(氩气)：90L/min；

次气(氢气)：10L/min；

载气流量：8L/min；

送粉量：8.5g/min；

喷枪摆动速率：300mm/s。

步骤S300：均匀预热上述热障涂层，预热温度为400-500℃；

步骤S400：在上述工件表面进行防护涂层往返喷涂，喷涂遍数为1遍。

对上述工件表面热障涂层进行解剖分析，通过金相法测试防护涂层平均厚度和孔隙，涂层平均厚度为8.9μm，孔隙率为2.8％。在该样品表面测试制备防护涂层前后涂层表面粗糙度，制备前Ra为6.8μm，制备后涂层表面粗糙度为5.71μm。在上文所描述相同热循环条件下，测试未制备防护涂层和制备防护涂层涂层的热循环寿命，在CMAS耦合条件下，未制备防护涂层涂层相对热循环寿命为1.5，制备防护涂层后，其相对热循环寿命为4.1，提高1.5倍以上。

实施例4

在电子束物理气相沉积热障涂层表面制备防护涂层。

步骤S100：将纯度为99.9％、粒度范围为45-75μm的熔炼破碎型氧化铝基粉末在烘箱中进行100℃、2h烘干处理，喷涂粉末中含3mol％Y₂O₃和5mol％Gd₂O₃；

步骤S200：将在镍基高温合金试样表面多弧离子镀工艺沉积NiCrAlYSi金属粘结层、电子束物理气相沉积制备8YSZ热障涂层的样品装卡，并开启超音速等离子喷涂设备，并调整设备参数如下：

电压：155V；

电流：450A；

主气(氩气)：80L/min；

次气(氢气)：9L/min；

载气流量：7L/min；

送粉量：8.1g/min；

喷枪摆动速率：400mm/s。

步骤S300：均匀预热上述热障涂层，预热温度为200-300℃；

步骤S400：在上述工件表面进行防护涂层往返喷涂，喷涂遍数为1遍。

对上述工件表面热障涂层进行解剖分析，通过金相法测试防护涂层平均厚度和孔隙，涂层平均厚度为5.5μm，孔隙率为4.3％。在该样品表面测试制备防护涂层前后涂层表面粗糙度，制备前Ra为3.1μm，制备后涂层表面粗糙度为2.92μm。对防护涂层表面使用细砂纸进行后续抛光处理，抛光后防护涂层表面粗糙度为1.85μm。在上文所描述相同热循环条件下，测试未制备防护涂层和制备防护涂层涂层的热循环寿命，在CMAS耦合条件下，未制备防护涂层涂层相对热循环寿命为7.5，制备防护涂层后，其相对热循环寿命为25.2，提高2倍以上。

实施例5

在双陶瓷层热障涂层表面制备防护涂层。

步骤S100：将纯度为99.5％、粒度范围为45-75μm的熔炼破碎型氧化铝粉末在烘箱中进行100℃、2h烘干处理，喷涂粉末中不含稀土氧化物；

步骤S200：将在镍基高温合金试样表面等离子喷涂NiCrAlY金属粘结层、等离子喷涂制备8YSZ、La₂Zr₂O₇双陶瓷层热障涂层的样品装卡，并开启超音速等离子喷涂设备，并调整设备参数如下：

电压：156V；

电流：420A；

主气(氩气)：85L/min；

次气(氢气)：8.5L/min；

载气流量：6.5L/min；

送粉量：8.5g/min；

喷枪摆动速率：800mm/s。

步骤S300：均匀预热上述热障涂层，预热温度为200-300℃；

步骤S400：在上述工件表面进行防护涂层往返喷涂，喷涂遍数为3遍。

对上述工件表面热障涂层进行解剖分析，通过金相法测试防护涂层平均厚度和孔隙，涂层平均厚度为14.5μm，孔隙率为4.7％。在该样品表面测试制备防护涂层前后涂层表面粗糙度，制备前Ra为7.52μm，制备后涂层表面粗糙度为6.97μm。在上述相同热循环条件下，测试了未制备防护涂层和制备防护涂层涂层的热循环寿命，在CMAS耦合条件下，未制备防护涂层涂层相对热循环寿命为2.5，制备防护涂层后，其相对热循环寿命为7.8，提高2倍以上。

实施例6

在双陶瓷层热障涂层表面制备防护涂层。

步骤S100：将纯度为99.95％、粒度范围为15-45μm的团聚烧结型氧化铝基粉末在烘箱中进行100℃、2h烘干处理，喷涂粉末中含3mol％Nd₂O₃和3mol％La₂O₃；

步骤S200：将在镍基高温合金试样表面超音速等离子喷涂NiCoCrAlY金属粘结层、等离子喷涂制备8YSZ、18YSZ预制垂直裂纹结构双陶瓷层热障涂层的样品装卡，并开启超音速等离子喷涂设备，并调整设备参数如下：

电压：160V；

电流：420A；

主气(氩气)：90L/min；

次气(氢气)：9L/min；

载气流量：7L/min；

送粉量：10g/min；

喷枪摆动速率：600mm/s。

步骤S300：均匀预热上述热障涂层，预热温度为300-400℃；

步骤S400：在上述工件表面进行防护涂层往返喷涂，喷涂遍数为2遍。

对上述工件表面热障涂层进行解剖分析，通过金相法测试防护涂层平均厚度和孔隙，涂层平均厚度为9.7μm，孔隙率为3.62％。在该样品表面测试制备防护涂层前后涂层表面粗糙度，制备前Ra为6.97μm，制备后涂层表面粗糙度为6.36μm。在上述相同热循环条件下，测试未制备防护涂层和制备防护涂层涂层的热循环寿命，在CMAS耦合条件下，未制备防护涂层涂层相对热循环寿命为4.5，制备防护涂层后，其相对热循环寿命为13.5，提高1.5倍以上。

以上实施例均针对现有热障涂层，未描述涂层厚度时，等离子喷涂热障涂层粘结层厚度为0.08-0.10mm，陶瓷层厚度为0.23-0.27mm；电子束物理气相沉积涂层厚度为粘结层0.04-0.06mm，陶瓷层厚度为0.10-0.12mm；等离子喷涂双陶瓷层复合涂层粘结层厚度为0.08-0.10mm；陶瓷层厚度分别为0.12-0.15mm。本发明不限定热障涂层自身厚度和涂层结构，在不同结构涂层表面均可实施。

本发明使用高能、高速的超音速等离子喷涂工艺在具有不同特征的热障涂层表面制备致密、极薄的氧化铝基防护涂层，***调节喷涂功率、送粉量、喷枪摆动速率来获得厚度为孔隙率低于5％、平均厚度为5μm-15μm的致密氧化铝基薄层防护涂层，同时防护涂层可以降低热障涂层表面粗糙度。该防护涂层对热障涂层热不匹配应力影响较小，可充分发挥不同类型热障涂层的高温热循环寿命优势；防护涂层可有效的延缓CMAS沉积物的高温渗入，可降低CMAS沉积物凝固后的粘附，在高温度梯度、燃气加热、CMAS耦合条件下，制备该防护涂层后，热障涂层的热循环寿命可提高1.5倍-4倍。同时制备该防护涂层后，对热障涂层热匹配应力影响较小，在无CMAS的冷热循环条件下，对热障涂层循环寿命影响不大。本发明延缓了熔融沉积物CMAS对热障涂层的损伤，显著增加高温燃气和CMAS耦合作用下热障涂层的热循环寿命，使热障涂层可以对高温合金基体提供更长时间的防护作用。

所述的防护涂层对CMAS熔融沉积物防护主要为氧化铝基防护涂层高温稳定性、防护涂层的致密性和其特殊成分，使氧化铝、铝酸稀土盐或稀土氧化物可部分溶解进入与防护涂层接触CMAS中，所缓慢消耗牺牲的氧化铝基防护涂层会改变低熔点的钙硅石(CaSiO₃)相为钙长石(CaAl₂Si₂O₈)，提高CMAS层与涂层接触部位的熔点和高温稳定性；防护涂层的高致密度可降低CMAS熔融沉积物的渗入；防护涂层较低的表面粗糙度可减少CMAS层的粘附；所述防护涂层对热障涂层基体、粘结层和陶瓷层微观结构、材料和制备工艺方法、涂层厚度不做进一步限定，可在不同类型热障涂层表面制备该防护涂层，但高温使用环境下氧化铝基防护涂层与所接触热障涂层存在固相反应时，该体系热障涂层不适宜制备所述防护涂层。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种热障涂层表面熔融沉积物防护涂层，该热障涂层附着在高温合金基体表面，其特征在于，所述热障涂层包括至少一粘结层和至少一陶瓷层，所述粘结层涂覆在所述高温合金基体表面，所述陶瓷层涂覆在所述粘结层表面，与所述粘结层接触的所述陶瓷层为基于氧化钇部分稳定氧化锆材料层，所述陶瓷层表面还涂覆有防护涂层，所述防护涂层使用氧化铝基喷涂粉末，使用超音速等离子喷涂工艺制备。

2.如权利要求1所述的热障涂层表面熔融沉积物防护涂层，其特征在于，所述防护涂层平均厚度为5-15μm，所述防护涂层的孔隙率小于5％。

3.如权利要求1或2所述的热障涂层表面熔融沉积物防护涂层，其特征在于，所述氧化铝基喷涂粉末中包含0-10mol％的稀土氧化物Re₂O₃，以在所述防护涂层中形成ReAlO₃或Re₃Al₅O₁₂。

4.如权利要求3所述的热障涂层表面熔融沉积物防护涂层，其特征在于，所述稀土氧化物Re₂O₃为Gd₂O₃、Y₂O₃、Sm₂O₃、Nd₂O₃或La₂O₃中的一种或多种。

5.如权利要求1、2或4所述的热障涂层表面熔融沉积物防护涂层，其特征在于，所述氧化铝基喷涂粉末的粒度范围为45μm-75μm、15μm-45μm或5μm-25μm。

6.一种热障涂层表面熔融沉积物防护涂层的制备方法，其特征在于，该热障涂层附着在高温合金基体表面，所述热障涂层包括至少一粘结层和至少一陶瓷层，所述粘结层涂覆在所述高温合金基体表面，所述陶瓷层涂覆在所述粘结层表面，与所述粘结层接触的所述陶瓷层为基于氧化钇部分稳定氧化锆材料层，所述陶瓷层表面还涂覆有防护涂层，所述防护涂层的制备包括如下步骤：

S100、氧化铝基喷涂粉末烘干处理，将粒度范围为45μm-75μm、15μm-45μm或5μm-25μm的氧化铝基喷涂粉末在烘箱中进行低温烘干处理，所述氧化铝基喷涂粉末应具有良好的流动性；

S200、装夹工件并调整参数，将已制备所述热障涂层的工件装卡在工装中，开启超音速等离子喷涂设备并调整工艺参数如下：

电压：150-160V；

电流：400-450A；

主气：80-90L/min；

次气：9-10L/min；

载气流量：6-8L/min；

送粉量：8-20g/min；

喷枪摆动速率：300-1000mm/s；

S300、利用超音速等离子喷涂设备的喷枪产生等离子焰流均匀预热所述热障涂层表面，预热温度为200-500℃；

S400、开启送粉，在所述热障涂层表面喷涂所述氧化铝基喷涂粉末1-3遍以形成所述防护涂层。

7.如权利要求6所述的热障涂层表面熔融沉积物防护涂层的制备方法，其特征在于，所述防护涂层平均厚度为5-15μm，所述防护涂层的孔隙率小于5％。

8.如权利要求6或7所述的热障涂层表面熔融沉积物防护涂层的制备方法，其特征在于，所述氧化铝基喷涂粉末中包含0-10mol％的稀土氧化物Re₂O₃，以在所述防护涂层中形成ReAlO₃或Re₃Al₅O₁₂。

9.如权利要求8所述的热障涂层表面熔融沉积物防护涂层的制备方法，其特征在于，所述稀土氧化物Re₂O₃为Gd₂O₃、Y₂O₃、Sm₂O₃、Nd₂O₃或La₂O₃中的一种或多种。

10.如权利要求6、7或9所述的热障涂层表面熔融沉积物防护涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S400之后，还包括：

S500、后处理，对所述防护涂层进行抛光处理以进一步降低所述防护涂层的表面粗糙度。