一種抗cmas腐蝕的熱障涂層陶瓷層的大氣等離子噴涂制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及熱障涂層制備技術(shù)領(lǐng)域，更具體是指應(yīng)用大氣等離子噴涂方法制備一 種抗CMAS腐蝕的熱障涂層陶瓷層。
【背景技術(shù)】
[0002] 熱障涂層（ThermalBarrierCoatings)，簡(jiǎn)稱TBCs，是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件 的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)之一。研究發(fā)現(xiàn)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)禍輪葉片熱障涂層除了要經(jīng)受高溫、熱疲勞和 機(jī)械載荷等作用外，還會(huì)遭受化學(xué)腐蝕、侵蝕和沖刷，最終導(dǎo)致涂層失效。其中，由氧化巧 (CaO)、氧化儀（MgO)、S氧化二侶（Al2〇3)、二氧化娃（Si化）W及微量饑、硫、鋼、鐵元素組成 的表面沉積物（CMA巧對(duì)TBCs的隔熱性能和服役壽命的影響很大。
[0003] 目前應(yīng)用最廣泛的熱障涂層陶瓷層材料是氧化錠部分穩(wěn)定的氧化錯(cuò)（YSZ， Zr〇2+化~8wt% )Y203)，但是在1250°C及更高溫度，CMAS對(duì)YSZ陶瓷層存在顯著的破壞作 用，主要表現(xiàn)在：烙融CMAS通過YSZ陶瓷層表面的空隙和裂紋滲透到涂層內(nèi)部，沖擊壓實(shí) YSZ陶瓷層，并產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致YSZ陶瓷層分層、剝落；YSZ陶瓷層逐漸烙融于玻璃 態(tài)CMAS中，造成穩(wěn)定劑氧化錠炸2〇3)損失，氧化錯(cuò)狂r〇2)發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，降低了涂層應(yīng)變 損傷容限；CMAS中Si、化的內(nèi)擴(kuò)散加劇了YSZ陶瓷層燒結(jié)、大幅度降低了孔隙率，TBCs的 隔熱能力急劇下降。
[0004] 制備抗CMAS防護(hù)涂層的主要方法有：磁控瓣射、邸-PVD、APS、電泳沉積、CVD、涂覆 粉體、溶液滲入和烙融鹽涂覆后熱處理等。AygunA.等（見參考文獻(xiàn)1;AygunA，Vasiliev A1L，Pa化ureNP，MaXQ.ActaMaterial2007,55:67：M-45.)研究發(fā)現(xiàn)，使用SPPS方法 在YSZ中添加（摩爾百分比）20%的S氧化二侶（Al2〇3)和（摩爾百分比）5%的二氧化鐵 (Ti〇2)形成YSZ+Al+Ti層，作為改性YSZ陶瓷層，Ti〇2為烙融CMAS的形核劑，A1 2〇3促進(jìn)烙 融CMAS發(fā)生結(jié)晶，從而使烙融CMAS在改性YSZ陶瓷層表面結(jié)晶，在不影響TBCs使用的情 況下阻止了CMAS的滲入，但是YSZ在高于1200°C容易發(fā)生相變和氧化錯(cuò)的燒結(jié)現(xiàn)象，使其 應(yīng)用受到限制。MohanP.等采用電泳法在YSZ陶瓷層表面沉積氧化侶，再進(jìn)行燒結(jié)，得到致 密的防護(hù)層，進(jìn)而阻止烙融CMAS的滲入（見參考文獻(xiàn)2;MohanP，YaoB，PattersonT，Sohn Y比Surface&CoatingsTechnology2009,204:797 - 801)。氧化侶層與YSZ陶瓷層熱膨脹 系數(shù)不匹配，使得TBCs涂層在熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)中的壽命比較低，限制了此方法的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種抗CMAS腐蝕的熱障涂層陶瓷層的制備方法，更具體指 應(yīng)用大氣等離子噴涂（AP巧法在YSZ陶瓷層上面制備一層第二陶瓷層。所述第二陶瓷層呈 層片狀，結(jié)構(gòu)致密，熱導(dǎo)率低，高溫相穩(wěn)定性好。表面涂覆CMAS的第二陶瓷層在1250°C熱處 理3化后，在CMAS層和束^陶瓷層的界面形成一層互反應(yīng)層，互反應(yīng)層的王要成分為L(zhǎng)a與 Ca、Si形成的一種高烙點(diǎn)、高致密度的疏松結(jié)構(gòu)的娃酸鹽氧基磯灰石相，互反應(yīng)層有效地阻 止了烙融CMAS的滲入，即有效地阻止了Ca、Si元素對(duì)熱障涂層的進(jìn)一步侵害。
[0006] 本發(fā)明所述的一種抗CMAS腐蝕的熱障涂層陶瓷層的大氣等離子噴涂制備方法， 包括有下列步驟：
[0007] 第一步：基體預(yù)處理，并在預(yù)處理后的基體上制備第一陶瓷層一-YSZ陶瓷層； [000引第二步：大氣等離子噴涂用粉體的制備；
[0009] 本發(fā)明制備第二陶瓷層所用粉體的粒徑為30~50ym。
[0010] 第S步：大氣等離子噴涂法制備第二陶瓷層；
[001U 工藝參數(shù)為；噴涂功率為20~40KW，噴涂距離為100~150mm，送粉速度為8~ 12g/min，橫向等離子槍的移動(dòng)速度為500ym/s，Ar氣流量為SOslpm，&氣流量為30slpm， 第二陶瓷層的沉積厚度為100~250ym，進(jìn)一步優(yōu)選為120~170ym。
[0012] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0013] 1、根據(jù)邸D、SEM及EDS對(duì)所制備陶瓷層性能的分析，調(diào)整噴涂工藝參數(shù)和材料化 學(xué)成分比，得到滿足化學(xué)計(jì)量比的單相LaP〇4陶瓷層。
[0014] 2、制備方法簡(jiǎn)單可行，易于控制。
[0015] 3、本發(fā)明制備的抗CMAS腐蝕的熱障涂層陶瓷層對(duì)烙融CMAS的潤(rùn)濕性較差， 1250°C熱處理3化后，在CMAS層與第二陶瓷層界面處形成一層互反應(yīng)層，有效阻止了CMAS 的進(jìn)一步滲入，YSZ陶瓷層保持了原有的相穩(wěn)定性，第二陶瓷層具有良好的抗CMAS腐蝕性 能。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1為大氣等離子噴涂法制備第二陶瓷層使用的優(yōu)化造粒粉的形貌圖；
[0017] 圖2為大氣等離子噴涂法制備LaP〇4陶瓷層的XRD物相分析圖；
[0018] 圖3為大氣等離子噴涂法制備的LaP〇4陶瓷層的截面形貌圖；
[0019] 圖4為大氣等離子噴涂法制備的LaP〇4陶瓷層表面涂覆CMAS粉在1250°C熱處理 3化后的截面形貌圖；
[0020] 圖5為大氣等離子噴涂法制備的LaP〇4陶瓷層經(jīng)過不同時(shí)間熱處理后CMAS滲入 深度的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0021] 下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0022] 本發(fā)明提供一種抗CMAS腐蝕的熱障涂層陶瓷層的大氣等離子噴涂制備方法，所 述的制備方法包括如下步驟：
[0023] 第一步：基體預(yù)處理，并在預(yù)處理后的基體上制備第一陶瓷層一一YSZ陶瓷層；
[0024] 采用線切割的方法將Al2〇3基體切割成15mmX20mmX2mm的薄片，將切割好的基體 試樣依次用400#、600#、800#的SiC水磨砂紙打磨，噴砂預(yù)處理W增加基體表面粗趟度（Ra < 2);將噴砂預(yù)處理的基體試樣依次用丙酬和己醇超聲波清洗lOmin，烘干，備用。
[0025] 使用Metco7M等離子噴涂設(shè)備在噴砂預(yù)處理的Al2〇3基體試樣上制備YSZ陶瓷 層，噴涂功率為30KW，噴涂距離為150mm，送粉速度為lOg/min，橫向等離子槍的移動(dòng)速度為 500ym/s，Ar氣流量為SOslpm，&氣流量為30slpm，YSZ陶瓷層的沉積厚度為100ym。
[0026] 第二步：大氣等離子噴涂用粉體的制備；
[0027] 本發(fā)明制備第二陶瓷層所用粉體采用噴霧干燥工藝制備，粉體的粒徑為30~ 50Um。
[002引第S步：大氣等離子噴涂法制備第二陶瓷層；
[0029] 采用Metco7M等離子噴涂設(shè)備在YSZ陶瓷層表面沉積第二陶瓷層，噴涂功率為 20~40KW，噴涂距離為100~150mm，送粉速度為8~12g/min，橫向等離子槍的移動(dòng)速度為 500ym/s，Ar氣流量為80slpm，H2氣流量為30slpm，第二陶瓷層沉積厚度為100~250ym。
[0030] 將CMAS粉涂覆在第二陶瓷層表面研究其抗CMAS腐蝕性能，所述第二陶瓷層對(duì)烙 融CMAS的潤(rùn)濕性較差，1250°C熱處理3化后，在CMAS層與第二陶瓷層界面處形成一層互反 應(yīng)層，有效阻止了CMAS的進(jìn)一步滲入，YSZ陶瓷層保持了原有的相穩(wěn)定性，第二陶瓷層具有 良好的抗CMS腐蝕性能。
[0031]連施例1:洗用LaPjOg粉體制備第二陶瓷層；
[0032] 第一步：基體預(yù)處理，并在預(yù)處理后的基體上制備第一陶瓷層一一YSZ陶瓷層； [003引采用線切割的方法將Al203基體切割成15mmX20mmX2mm的薄片，將切割好的基體 試樣依次用400#、600#、800#的SiC水磨砂紙打磨，噴砂預(yù)處理W增加基體表面粗趟度（Ra < 2);將噴砂預(yù)處理的基體試樣依次用丙酬和己醇超聲波清洗lOmin，烘干，備用。
[0034] 使用Metco7M等離子噴涂設(shè)備在噴砂預(yù)處理的Al2〇3基體試樣上制備YSZ陶瓷 層，噴涂功率為30KW，噴涂距離為150mm，送粉速度為lOg/min，橫向等離子槍的移動(dòng)速度為 500ym/s，Ar氣流量為SOslpm，&氣流量為30slpm，YSZ陶瓷層的沉積厚度為100ym。
[0035] 第二步：大氣等離子噴涂用粉體的制備；
[0036] 采用LaP3〇9粉體制備第二陶瓷層，LaP3〇9粉體采用噴霧干燥工藝制備，制備的 LaPgOg粉體形貌如圖1所示，LaP3〇9粉體的粒徑在30~50ym之間。
[0037] 第S步：大氣等離子噴涂法制備第二陶瓷層；
[003引采用Metco7M等離子噴涂設(shè)備在YSZ陶瓷層表面噴涂LaPjOg粉體來(lái)沉積第二陶 瓷層，噴涂功率為30KW，噴涂距離為100mm，送粉速度為lOg/min，橫向等離子槍的移動(dòng)速度 為500ym/s，Ar氣流量為SOslpm，&氣流量為30slpm，第二陶瓷層的沉積厚度為150ym。
[0039] 采用邸S對(duì)制得第二陶瓷層的成分進(jìn)行分析，能譜成分分析結(jié)果見表1，可W看出 制得第二陶瓷層中La和P的原子比為1: 1。XRD分析圖譜如圖2所示，XRD物相分析結(jié)果 表明第二陶瓷層是單斜相獨(dú)居石結(jié)構(gòu)的LaP化，本實(shí)施例中第二陶瓷層即為L(zhǎng)aP化陶瓷層。 制得LaP〇4陶瓷層的截面形貌如圖3所示，可W看出，LaPO4陶瓷層結(jié)構(gòu)致密，孔隙較少，與 YSZ陶瓷層結(jié)合較好。
[0040] 將CMAS粉分別涂覆在LaP〇4陶瓷層和YSZ陶瓷層表面，所述CMAS粉的粒度是 60ym，CMAS粉的涂覆密度為30mg/cm2;兩組試樣均在1250°C分別熱處理化、1化、3化及 9化后，用沈M觀察分析，表面涂覆CMAS粉的LaP〇4陶瓷層在1250°C熱處理30h后的截面 形貌圖如圖4,可W看出，Ca、Si元素從LaP〇4陶瓷層表面向LaP〇4陶瓷層內(nèi)部滲入，Ca、Si 與La發(fā)生反應(yīng)生成娃酸鹽氧基磯灰石相，大量娃酸鹽氧基磯灰石相的形成致使在LaP〇4陶 瓷層和CMAS層界面處形成一層互反應(yīng)層，有效阻止了Ca、Si向YSZ陶瓷層的進(jìn)一步滲入。 12