CN114182191A

CN114182191A - 一种热障涂层及其制备方法

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Publication number: CN114182191A
Application number: CN202111498240.5A
Authority: CN
Inventors: 何磊; 梁云飞; 汪超
Original assignee: Shanghai Electric Gas Turbine Co ltd
Current assignee: Shanghai Electric Gas Turbine Co ltd
Priority date: 2021-12-09
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2041-12-09
Also published as: CN114182191B

Abstract

本发明提供了一种热障涂层，粘结层包括与金属基体之间的距离由近到远的第一粘结层和第二粘结层，第一粘结层包括MCrAlY颗粒和金属氧化物颗粒；以面积百分比计，金属氧化物颗粒在第一粘结层中的总量为15％以上；以质量百分比计，第二粘结层包括95.5‑99.2％MCrAlY和0.8‑4.5％高熔点元素；高熔点元素为Re、Ru、Ta、Dy、Hf和Ir中的一种或多种。本发明还提供了一种前述的热障涂层的制备方法。本发明的有益之处在于：在第一粘接层中引入金属氧化物颗粒，抑制裂纹在粘结层中的纵向扩展，去除对第二粘结层的热处理步骤，使得Re、Ru和Ir等高熔点元素在粘结层中的分布更均匀，抑制TGO的生长速度，从而抑制由TGO引发的裂纹起源。

Description

一种热障涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及热障涂层技术领域，尤其涉及一种热障涂层及其制备方法。

背景技术

航空航天、能源动力等行业的发展对航空发动机和燃气轮机提出了越来越高的要求，尤其是伴随着透平前设计温度的不断提升，对透平叶片涂层的隔热性能和叶片长期服役稳定性产生了巨大的挑战。目前最广泛应用的热障涂层(Thermal Barrier Coatings，以下简称TBC)所采用的材料是由部分氧化钇掺杂氧化锆(以下简称PYSZ)的顶层和MCrAlY(M代表Co和/或Ni元素)的粘结层组成。

实际服役后透平叶片表面会产生局部裂纹，这些裂纹形成后会不断向内部扩展，对机组的安全运行产生影响。裂纹产生的外部原因主要是服役过程中叶片局部的疲劳，内部原因则是涂覆在叶片基体表面的粘结层韧性较差，容易开裂，主要归结于以下几个方面：1)裂纹从粘结层表面的热生长氧化层(以下简称TGO)起源，在达到一定厚度后，其在内部的应力以及外部高低周疲劳的作用下，容易开裂形成裂纹源；2)由于粘结层韧性差，裂纹形成后在外部应力的作用下会迅速扩展至金属基体与粘结层界面处；3)由于粘结层的成分和金属基体的差异通常较大，服役过程中会发生高温互扩散，在金属基体表面和粘结层底部之间形成互扩散层，互扩散层中易产生脆性片状组织导致韧性降低，也会促使扩散到互扩散层和粘结层界面处的部***纹向金属基体内部扩展。

基于力学性能的考量，高温合金基体的热处理工艺及组织成分通常是不能随意更改的，所以综合而言，要抑制服役金属基体表面的裂纹需要从两方面下手，一个是在设计上减少应力集中，避免局部的过早开裂，另一个则是在粘结层的设计及制备方法上进行改进，从TGO生成速度、裂纹在粘结层中的扩展、裂纹在金属基体中的扩展等方面进行相关设计或改进。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种可以抑制裂纹扩散、使用寿命长的热障涂层。

本发明提供了一种热障涂层，包括喷涂在金属基体外表面上的粘结层和陶瓷层，所述粘结层包括与所述金属基体之间的距离由近到远的第一粘结层和第二粘结层，所述第一粘结层包括MCrAlY颗粒和金属氧化物颗粒，所述MCrAlY中的M代表Co和/或Ni元素；以面积百分比计，所述金属氧化物颗粒在所述第一粘结层中的总量为15％以上；以质量百分比计，所述第二粘结层包括95.5-99.2％MCrAlY和0.8-4.5％高熔点元素，其中，M代表Co和/或Ni元素；所述高熔点元素为Re、Ru、Ta、Dy、Hf和Ir中的一种或多种。

优选地，所述陶瓷层由部分氧化钇掺杂氧化锆粉末喷涂而成。

优选地，所述陶瓷层的厚度为250-550μm。

优选地，所述金属氧化物颗粒包括α-氧化铝、氧化铬、氧化镍和氧化钴。

优选地，所述第一粘结层在所述粘结层中的厚度占比为50-70％，所述第二粘结层在所述粘结层中的厚度占比为30-50％。

优选地，以面积百分比计，金属氧化物颗粒在所述第二粘结层中的总量为3％以下。

本发明还提供了一种前述的热障涂层的制备方法，包括以下步骤：

S1、在金属基体外表面喷涂第一粘结层，通过调整喷涂过程中的粉末氧化程度，在MCrAlY颗粒之间形成金属氧化物颗粒，并且通过控制参数确保金属氧化物颗粒在第一粘结层中的面积百分比为15％以上；

S2、对第一粘结层进行真空热处理；

S3、在完成热处理后的第一粘结层表面喷涂第二粘结层；

S4、在第二粘结层表面喷涂陶瓷层。

优选地，在所述S2中，真空热处理包括：热处理真空度不小于0.3Pa(2微米汞注)，热处理温度为1080℃±10℃，保温时间1h，升温速率小于10-25K/min，冷却速率20-40K/min，对第一粘结层进行真空热处理。

本发明围绕抑制裂纹产生和扩展进行改进，有益之处在于：1在第一粘接层中引入金属氧化物颗粒，抑制裂纹在粘结层中的纵向扩展以及粘接层成分与金属基体的互相扩散，从而降低互扩散层的生长速度，进一步抑制裂纹在金属基体中的扩展；2去除对第二粘结层的热处理步骤，使得Re、Ru、Ta、Dy、Hf和Ir等高熔点元素在粘结层中的分布更均匀，抑制TGO的生长速度，从而抑制由TGO引发的裂纹起源；3将现有粘结层变为第一粘结层和第二粘结层的组合，这样可以在不进行大的工艺改动的前提下应用于常规喷涂，并且全方位抑制裂纹扩展，从而抑制服役零件的开裂。

附图说明

图1是本发明热障涂层的结构示意图；

图2是高熔点元素在粘结层中的两种分布形态示意图；

图3是一个实施例中对第一粘结层进行的真空热扩散处理流程图。

元件标号说明：

1 金属基体

2 互扩散层

3 第一粘结层

4 第二粘结层

5 陶瓷层

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

如图1所示，常规的热障涂层主要包括喷涂在金属基体1外表面上的粘结层和陶瓷层5，粘结层可以起到抗氧化腐蚀、热膨胀系数匹配的作用，其在高温服役的过程中会发生高温互扩散，在金属基体1表面和粘结层底部之间形成互扩散层2。本发明的热障涂层在常规的热障涂层的基础上，粘结层包括与金属基体1之间的距离由近到远的第一粘结层3和第二粘结层4。

第一粘结层3包括MCrAlY颗粒和金属氧化物颗粒，MCrAlY中的M代表Co和/或Ni元素；以面积百分比计，金属氧化物颗粒在第一粘结层3中的总量为15％以上。以质量百分比计，第二粘结层4包括95.5-99.2％MCrAlY和0.8-4.5％高熔点元素，其中，M代表Co和/或Ni元素；高熔点元素为Re、Ru、Ta、Dy、Hf和Ir中的一种或多种。以面积百分比计，金属氧化物颗粒在第二粘结层4中的总量为3％以下。

在第一粘结层3中，金属氧化物颗粒一般是以α-氧化铝为主，含有氧化铬、氧化镍、氧化钴的混合物，具体成分因选用的MCrAlY粉末成分的不同而不同。在本发明的一个具体实施例中，第一粘结层3中的金属氧化物具有以下质量百分比的成分：氧化铝25.39％，氧化铬19.78％，氧化钴21.85％，氧化镍32.69％，氧化铼、氧化钇和其他杂质氧化物的总和为0.29％。金属氧化物颗粒的面积百分比上限以热处理后粘结层结合强度为考核标准，单次结合强度不低于40MPa，5次测试平均值不低于50MPa。

由于在高温环境下，粘结层中的Al与从陶瓷层5中扩散进来的氧气反应，会在粘结层/陶瓷层5界面之间形成一层TGO，其主要成分为α-Al2O3，其作为抗氧化膜能够有效地阻止金属基体1的氧化。但裂纹也容易从TGO中起源，最终扩散至金属基体1内。为解决该问题，本发明设置了两层粘结层。金属氧化物颗粒的存在可以使扩展至第一粘结层3中的裂纹倾向于横向扩展，从而抑制裂纹在第一粘结层3中的纵向扩展及其对金属基体1开裂的诱导作用，同时通过这种总量可控的金属氧化物颗粒来抑制元素在第一粘结层3和金属基体1之间的互扩散，降低互扩散层2的开裂倾向，也可以有效减缓第一粘结层3中抗氧化元素Al的流失。因此在本发明中，将金属氧化物颗粒在第一粘结层3中的面积百分比设置为15％以上。对于与陶瓷层5相邻的第二粘结层4来说，添加高熔点元素Re、Ru、Ta、Dy、Hf和Ir等可以减缓抗氧化元素Al的扩散速度，避免抗氧化膜的过早失效，但过多的金属氧化物颗粒则会阻止抗氧化元素Al在第二粘结层4中的扩散，导致抗氧化膜无法及时生成，因此本发明将金属氧化物颗粒在第二粘结层4中的面积百分比控制在3％以下，确保抗氧化膜的稳定存在。

在具体实施中，第一粘结层3在粘结层中的厚度占比为50-70％，第二粘结层4在粘结层中的厚度占比为30-50％。本领域技术人员可以根据实际需要，对第一粘结层3和第二粘结层4在粘结层中的厚度占比进行调整。陶瓷层5由部分氧化钇掺杂氧化锆(PYSZ)或其他陶瓷材料喷涂而成，喷涂方式可以是APS、EB-PVD等常见陶瓷层制备方式。陶瓷层5的厚度为250-550μm。

本发明还提供了一种前述热障涂层的制备方法，包括以下步骤：

S1、在金属基体1外表面喷涂第一粘结层3，通过调整喷涂过程中的粉末氧化程度，在MCrAlY颗粒之间形成金属氧化物颗粒，并且通过控制参数确保金属氧化物颗粒在第一粘结层3中的面积百分比为15％以上。

S2、对第一粘结层3进行真空热处理，使得第一粘结层3中的颗粒间界面消失且发生均质化，第一粘结层3与金属基体1界面处元素发生扩散，热障涂层的抗热震性能提高。

S3、在完成热处理后的第一粘结层3表面喷涂第二粘结层4，通过控制参数确保金属氧化物颗粒在所述第二粘结层4中的面积百分比为3％以下。

如图2所示，在喷涂粘结层和对粘结层进行热处理前，这些高熔点元素处于非稳态状态，可以在粘结层中较为均匀地分布，降低抗氧化元素Al在粘结层中的扩散速度，降低TGO的生长速度，提高热障涂层整体的氧化性能。但在高温热处理后，通常这些高熔点元素会达到稳态，团聚形成相关富含高熔点元素的相，从而导致其他区域的高熔点元素总量下降，Al等元素扩散速度加快，抗氧化性能下降。

因此，在本发明热障涂层的制备方法中，对添加有高熔点元素的第二粘结层4不进行真空热处理，同时严格控制金属氧化物颗粒在第二粘结层4中的总量，确保热障涂层整体的氧化性能满足要求。

S4、在第二粘结层4表面喷涂陶瓷层5。

综上，本发明的热障涂层中的粘结层分为两部分，靠近金属基体1的为第一粘结层3，在第一粘结层3中引入氧化层并进行真空热处理，氧化层可以减缓粘结层内部的裂纹纵向扩展速度，使裂纹倾向于横向偏转，同时可以抑制粘结层与金属基体之间的高温扩散，降低金属基体表面互扩散,2的生长速度，避免互扩散层2的韧性下降，从而进一步抑制裂纹扩散，同时兼顾可操作性及生产成本；靠近陶瓷层5的为第二粘结层4，在添加了高熔点元素的第二粘结层4的制备过程中去除真空热处理步骤，使高熔点元素保持非稳态均匀分布在粘结层中，进一步提升粘结层的抗氧化性能。

结合图1，以下为本发明热障涂层的一个具体制备实施例：

步骤1：清洗:清洗待喷涂的金属基体1的表面，检查金属基体1表面是否有油污等，并对其进行超声波清洗；

步骤2：遮蔽：通过工装或胶带，对金属基体1非喷涂区域进行遮蔽，并目视检测是否有漏遮蔽；

步骤3：喷砂：对遮蔽后的金属基体1喷涂区域进行喷砂，活化表面，喷砂采用30目碳化硅砂，压力2bar，喷砂后表面粗糙度达到Ra:5-6um；

步骤4：喷涂第一粘结层3：通过超音速火焰喷涂第一粘结层3，喷涂厚度在粘结层总厚度的50-70％之间，为100-140微米(按照200微米总厚度计算)，并通过控制参数将第一粘结层3内部的金属氧化物颗粒总量控制在15％以上，如18％，结合强度单次不低于40MPa，5次测试平均值不低于50MPa。孔隙率控制在2％以内。

步骤5：真空热处理如图3所示：热处理真空度为0.3Pa(2微米汞注)或更高，热处理温度1080℃±10℃，保温时间1h，升温速率小于10-25K/min，冷却速率20-40K/min，对第一粘结层3进行真空热处理。

步骤6：喷涂第二粘结层4：通过超音速火焰喷涂第二粘结层4，喷涂厚度在粘结层总厚度的30-50％之间，为60-100微米(按照200微米总厚度计算)，通过调节参数使金属氧化物颗粒总量控制在3％以内，孔隙率2％以内，表面粗糙度在Ra:9-14um。

步骤7：喷涂陶瓷层5：使用等离子喷涂技术喷涂一层250-550μm的YSZ面层，孔隙率控制在8-15％。

本实施例中采用以下材料和设备：

金属基体1采用Rene80高温合金Ni60Cr14Co9.5Ti5Mo4W4Al3，直径25mm，厚度5mm的片材。

超音速火焰喷枪：JER KOAT喷枪。

YSZ等离子火焰喷枪：F4喷枪。

第一粘结层3和第二粘结层4采用的MCrAlY粉末均为商用牌号SICOAT 2464。粉末粒径范围22-45微米，Re含量wt％：1-1.8％。

YSZ材料优选为ZrO₂ 7Y₂O₃(Metro 234A)，粉末粒径16-90μm，喷涂厚度300微米，孔隙率15％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种热障涂层，包括喷涂在金属基体(1)外表面上的粘结层和陶瓷层(5)，其特征在于，所述粘结层包括与所述金属基体(1)之间的距离由近到远的第一粘结层(3)和第二粘结层(4)，

所述第一粘结层(3)包括MCrAlY颗粒和金属氧化物颗粒，所述MCrAlY中的M代表Co和/或Ni元素；以面积百分比计，所述金属氧化物颗粒在所述第一粘结层(3)中的总量为15％以上；

以质量百分比计，所述第二粘结层(4)包括95.5-99.2％MCrAlY和0.8-4.5％高熔点元素，其中，M代表Co和/或Ni元素；所述高熔点元素为Re、Ru、Ta、Dy、Hf和Ir中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述陶瓷层(5)由部分氧化钇掺杂氧化锆粉末喷涂而成。

3.根据权利要求1或2所述的热障涂层，其特征在于，所述陶瓷层(5)的厚度为250-550μm。

4.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述金属氧化物颗粒包括α-氧化铝、氧化铬、氧化镍和氧化钴。

5.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述第一粘结层(3)在所述粘结层中的厚度占比为50-70％，所述第二粘结层(4)在所述粘结层中的厚度占比为30-50％。

6.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，以面积百分比计，金属氧化物颗粒在所述第二粘结层(4)中的总量为3％以下。

7.一种如权利要求1所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在金属基体(1)外表面喷涂第一粘结层(3)，通过调整喷涂过程中的粉末氧化程度，在MCrAlY颗粒之间形成金属氧化物颗粒，并且通过控制参数确保金属氧化物颗粒在第一粘结层(3)中的面积百分比为15％以上；

S2、对第一粘结层(3)进行真空热处理；

S3、在完成热处理后的第一粘结层(3)表面喷涂第二粘结层(4)；

S4、在第二粘结层(4)表面喷涂陶瓷层(5)。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述S2中，真空热处理包括：热处理真空度不小于0.3Pa(2微米汞注)，热处理温度为1080℃±10℃，保温时间1h，升温速率小于10-25K/min，冷却速率20-40K/min，对第一粘结层(3)进行真空热处理。