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CN116676559A - 一种钆钐锆镨氧热障涂层材料及其制备方法 - Google Patents

一种钆钐锆镨氧热障涂层材料及其制备方法 Download PDF

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CN116676559A CN202310778047.XA CN202310778047A CN116676559A CN 116676559 A CN116676559 A CN 116676559A CN 202310778047 A CN202310778047 A CN 202310778047A CN 116676559 A CN116676559 A CN 116676559A
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Abstract

本发明涉及航空发动机热障涂层技术领域，涉及一种钆钐锆镨氧热障涂层材料及其制备方法，所述热障涂层的分子式为(Gd1‑xSmx)2(Zr1‑ yPry)2O7，其中x＝0.1～0.5，y＝0.1‑0.5；沉积工艺中沉积室的真空度<5×10‑4Torr；电子束束流强度1.8‑2.0A；试样温度1000‑1050℃；蒸发时间50‑80min；控制蒸发时间，最终在旋转的试样上获得钆钐锆镨氧热障涂层。其热障涂层材料热膨胀系数与YSZ比较接近，且具有较低的热导率，同时利用电子束物理气相沉积技术制备钆钐锆镨氧热障涂层，将会使钆钐锆镨氧热障涂层具有独特的柱状晶结构；同时真空电弧镀设备制备NiCrAlHfTa作为热障涂层的金属底层，提升涂层材料整体匹配性；本发明既能降低涂层的热导率，又能提高涂层的服役温度，还能改善涂层服役寿命不足，热膨胀系数低的问题。

Description

一种钆钐锆镨氧热障涂层材料及其制备方法
技术领域
本发明属于航空发动机热障涂层技术领域，涉及一种钆钐锆镨氧热障涂层材料及其制备方法。
背景技术
目前，随着燃气轮机的推力和工作效率的不断提高，燃气进气温度也越来越高，涡轮叶片和其它热端部件使用的镍基高温合金的工作温度已逐渐接近其使用温度极限。热障涂层(Thermal Barrier Coatings,TBCs)是利用陶瓷材料耐高温、耐冲刷、抗腐蚀和低热导性能，将其以涂层的形式与金属基体相复合的一种表面防护技术，以提高金属部件的工作温度，增强热端部件的抗高温能力，延长热端部件的使用寿命，提高发动机的工作效率。
目前，广泛使用的YSZ(6～8wt.％Y2O3部分稳定化的ZrO2)热障涂层材料的长期最高使用温度不能超过1200℃，在冷却过程中由于相变产生单斜相而发生体积膨胀，从而导致涂层失效。金属粘结层是热障涂层体系中关键的组元之一，它可以缓解陶瓷涂层和基体合金热膨胀系数不匹配，并作为陶瓷面层和基体合金的中间层，能改善涂层和基体合金的热物理相容性。金属粘结层的合金元素成分对金属粘结层在服役过程中热氧化物的生长速率、成分、完整性以及与基体的结合力和失效行为有着决定性作用。所制备金属粘结层不应当形成脆性相，并应与金属基体形成良好的界面扩散阻力，以减少服役过程中基体合金和金属粘结层抗氧化性能的退化。其中，MCrAIY金属粘结层具有优异的抗氧化、耐腐蚀及机械力学性能。包覆型MCrAlY涂层最重要的是合金元素控制。MCrAIY涂层成分选择的主要原则是看在高温服役过程中是否能形成一层生长速率低、粘附性好、连续致密的保护膜。从而进一步提高热循环条件下金属粘结层、基体合金的结合力和热障涂层的寿命。然而，下一代高性能航空发动机热障涂层材料的长期使用温度必须超过1200℃。因此，研究新型热障涂层材料和金属粘结层材料及其制备技术，进一步提升热障涂层服役温度、抗氧化性能、结合强度，已成为研制下一代高性能航空发动机的关键课题。
发明内容
本发明的目的是：针对上述现有技术的不足而设计提供了一种钆钐锆镨氧热障涂层材料及其制备方法，其目的通过A位和B位稀土掺杂改性，解决了单一锆酸钆热障涂层服役寿命不足和YSZ服役温度不超过1200℃的问题，降低了材料热导率，提升了材料热膨胀系数，解决热障涂层结合力不足的问题。同时真空电弧镀设备制备NiCrAlHfTa作为热障涂层的金属底层，进一步提升了涂层体系整体匹配性和寿命。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一方面，提供一种钆钐锆镨氧热障涂层材料，所述钆钐锆镨氧热障涂层材料化学分子式为(Gd1-xSmx)2(Zr1-yPry)2O7，其中x＝0.1～0.5，y＝0.1-0.5；
所述热障涂层的金属底层分子式为NiCrAlHfTa；所述热障涂层厚度：150～300微米，金属底层厚度：50～100微米；所述热障涂层金属底层采用真空电弧镀技术制备；所述热障涂层陶瓷面层通过电子束物理气相沉积将钆钐锆镨氧热障靶材蒸发制备。
另一方面，还提供所述的钆钐锆镨氧热障涂层的制备方法，所述制备方法包含以下步骤：
步骤一，将原材料Gd2O3、Sm2O3、ZrO2、PrO2按照材料分子式比例混合，通过高温固相法合成钆钐锆镨氧靶材，合成温度1800-2000℃；
步骤二，采用真空电弧镀技术制备NiCrAlHfTa作为热障涂层的金属底层，电压为600-650V，电流为15-20A；
步骤三，将钆钐锆镨氧靶材装入电子束物理气相沉积设备，通过电子束蒸发钆钐锆镨氧靶材，在NiCrAlHfTa底层上制备钆钐锆镨氧热障涂层，电子束的束流强度1.8-2.0A，试样的温度1000-1050℃。本发明涂层中电子束物理气相沉积最关键的工艺参数为：电子束流和试样温度，能达到提升涂层结合强度。
所述步骤一原材料Gd2O3、Sm2O3、ZrO2、PrO2的纯度≥98％。
所述步骤一原材料混合应为机械球磨，时间≥24时。
所述步骤一高温固相法合成时间≥24小时。
所述步骤二中真空电弧镀设备的真空度<1×10-2Pa；沉积时间≥100min。
所述步骤三中电子束物理气相沉积设备的真空度<5×10-2Pa；热障涂层蒸发时间50-80min；热障涂层随炉冷却至150℃以下，冷却为自然冷却。
本发明的有益效果是：本发明作为一类新型热障涂层材料，钆钐锆镨氧热障涂层在高温长期热处理后没有相变发生，具有很高的相稳定性。它们的热膨胀系数与YSZ比较接近，且具有较低的热导率和较好的断裂韧性。同时利用电子束物理气相沉积技术制备钆钐锆镨氧热障涂层，通过电子束流和沉积温度的控制，使钆钐锆镨氧热障涂层具有独特的柱状晶结构，同时真空电弧镀技术制备NiCrAlHfTa作为热障涂层的金属底层，通过电流和电压的控制，使涂层具有较好的热循环性能。
附图说明
图1为实施例2热导率示意图；
图2为实施例2热膨胀系数示意图；
图3为实施例2热寿命示意图；
图4为本发明柱状晶结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
在各个附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。
本发明的钆钐锆镨氧热障涂层材料化学分子式为(Gd1-xSmx)2(Zr1-yPry)2O7，其中x＝0.1～0.5，y＝0.1-0.5。
本发明的钆钐锆镨氧热障涂层的制备方法，包括以下步骤：
将原材料Gd2O3、Sm2O3、ZrO2、PrO2按照材料分子式比例混合，原材料的纯度≥98％，混合方式为机械球磨，时间≥24小时；通过高温固相法合成钕掺锆酸钆靶材，合成温度1800-2000℃，合成时间≥24小时；采用真空电弧镀设备制备NiCrAlHfTa作为热障涂层的金属底层，真空度<1×10-2Pa，电压为600-650V，电流为15-20A，沉积时间≥100min；将所制备的靶材装入电子束物理气相沉积设备，真空度<5×10-2P，电子束的束流强度1.8-2.0A，蒸发时间50-80min，制备热障涂层，随炉自然冷却至150℃以下。
为了说明(Gd1-xSmx)2(Zr1-yPry)2O7材料中Gd和Zr含量对热寿命的影响，做了多个材料合成实施例，其Gd和Zr含量如表1所示。可见，在目前稀土改性涂层体系下，具有较好的热寿命。
表1
序号 化学分子式 热寿命(h)
1 (Gd0.9Sm0.1)2(Zr0.9Pr0.1)2O7 700
2 (Gd0.8Sm0.2)2(Zr0.8Pr0.2)2O7 750
3 (Gd0.7Sm0.3)2(Zr0.7Pr0.3)2O7 800
4 (Gd0.6Sm0.4)2(Zr0.8Pr0.2)2O7 850
5 (Gd0.5Sm0.5)2(Zr0.9Pr0.1)2O7 900
实施例1：
(1)、原材料配比：按照钆钐锆镨氧热障涂层材料化学分子式为(Gd0.7Sm0.3)2(Zr0.7Pr0.3)2O7称取原材料Gd2O3、Sm2O3、ZrO2、PrO2。
(2)、高温固相合成：将原材料机械球磨30h，通过1900℃高温固相法合成钆钐锆镨氧靶材，合成时间30h；
(3)、底层制备：采用真空电弧镀设备制备NiCrAlHfTa作为热障涂层的金属底层，真空度<1×10-2Pa，电压为625V，电流为18A，沉积时间150min；
(4)、热障涂层制备：将钆钐锆镨氧靶材装入电子束物理气相沉积设备。沉积工艺参数：真空度<5×10-2Pa，电子束流强度1.9A，蒸发时间70min，冷却至100摄氏度以下后，打开沉积设备得到钆钐锆镨氧热障涂层。
所制备钆钐锆镨氧热障涂层热导率1000℃的热导率为1.32W/(mK)；热膨胀系数为10.52×10-6K-1；结合强度55MPa；热寿命为800小时。
实施例2：
⑴、原材料配比：按照钆钐锆镨氧热障涂层材料化学分子式为(Gd0.5Sm0.5)2(Zr0.9Pr0.1)2O7称取原材料Gd2O3、Sm2O3、ZrO2、PrO2。
⑵、高温固相合成：将原材料机械球磨36h，通过2000℃高温固相法合成钆钐锆镨氧靶材，合成时间36h；
(3)、底层制备：采用真空电弧镀设备制备NiCrAlHfTa作为热障涂层的金属底层，真空度<1×10-2Pa，电压为640V，电流为20A，沉积时间120min；
(4)、热障涂层制备：将钆钐锆镨氧靶材装入电子束物理气相沉积设备。沉积工艺参数：真空度<5×10-2Pa，电子束流强度2.0A，蒸发时间60min，冷却至100摄氏度以下后，打开沉积设备得到钆钐锆镨氧热障涂层。
所制备钆钐锆镨氧热障涂层热导率1000℃的热导率为1.22W/(mK)；热膨胀系数为10.62×10-6K-1；结合强度60MPa；热寿命为900小时。
从图4可以看出，利用电子束物理气相沉积技术制备热障涂层，将会使热障涂层具有独特的柱状晶结构，同时采用真空电弧镀方法制备NiCrAlHfTa作为热障涂层的金属底层，提升涂层材料整体匹配性，是其具有较好的热循环性能。从图1和图2可以看出，涂层设计上，通过A位和B位稀土元素复合掺杂改性，既能降锆酸钆涂层的热导率，又能改善单一锆酸盐服役寿命不足的实际问题。从图1能够看出，钆钐锆镨氧涂层1000℃的热导率为1.22W/(mK)，较常规YSZ降低50％。从图3能够看出，钆钐锆镨氧涂层寿命较常规YSZ提升30％。

Claims (10)

1.一种钆钐锆镨氧热障涂层材料，其特征在于：
所述钆钐锆镨氧热障涂层材料化学分子式为(Gd1-xSmx)2(Zr1-yPry)2O7，其中x＝0.1～0.5，y＝0.1-0.5；
所述热障涂层的金属底层分子式为NiCrAlHfTa；
所述热障涂层厚度：150～300微米，金属底层厚度：50～100微米；
所述热障涂层金属底层采用真空电弧镀技术制备；
所述热障涂层陶瓷面层通过电子束物理气相沉积将钆钐锆镨氧热障靶材蒸发制备。
2.根据权利要求1所述的钆钐锆镨氧热障涂层的制备方法，其特征在于：所述制备方法包含以下步骤：
步骤一，将原材料Gd2O3、Sm2O3、ZrO2、PrO2按照材料分子式比例混合，通过高温固相法合成钆钐锆镨氧靶材，合成温度1800-2000℃；
步骤二，采用真空电弧镀技术制备NiCrAlHfTa作为热障涂层的金属底层，电压为600-650V，电流为15-20A；
步骤三，将钆钐锆镨氧靶材装入电子束物理气相沉积设备，通过电子束蒸发钆钐锆镨氧靶材，在NiCrAlHfTa底层上制备钆钐锆镨氧热障涂层，电子束的束流强度1.8-2.0A，试样的温度1000-1050℃。
3.根据权利要求2所述的钆钐锆镨氧热障涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤一原材料Gd2O3、Sm2O3、ZrO2、PrO2的纯度≥98％。
4.根据权利要求2所述的钆钐锆镨氧热障涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤一原材料混合应为机械球磨，时间≥24时。
5.根据权利要求2所述的钆钐锆镨氧热障涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤一高温固相法合成时间≥24小时。
6.根据权利要求2所述的钆钐锆镨氧热障涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤二中真空电弧镀设备的真空度<1×10-2Pa。
7.根据权利要求2所述的钆钐锆镨氧热障涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤二中真空电弧镀设备的沉积时间≥100min。
8.根据权利要求2所述的钆钐锆镨氧热障涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤三中电子束物理气相沉积设备的真空度<5×10-2Pa。
9.根据权利要求2所述的钆钐锆镨氧热障涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤三中电子束物理气相沉积热障涂层蒸发时间50-80min。
10.根据权利要求2所述的钆钐锆镨氧热障涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤三中电子束物理气相沉积的热障涂层随炉冷却至150℃以下，所述的冷却为自然冷却。
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