熱障制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開熱障

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
熱障/環(huán)境障涂層抗CMAS腐蝕防護(hù)層及其原位反應(yīng)制備方法


[0001]本專利技術(shù)屬于高溫防護(hù)涂層
，具體而言，涉及一種提高熱障
/
環(huán)境障涂層抗環(huán)境沉積物
(CMAS)
腐蝕性能的方法，即通過原位化學(xué)反應(yīng)在涂層表面構(gòu)筑一層具有仿生結(jié)構(gòu)的抗
CMAS
腐蝕防護(hù)層
。
特別提出熱障
/
環(huán)境障涂層抗
CMAS
腐蝕防護(hù)層及其原位反應(yīng)制備方法
。

技術(shù)介紹

[0002]為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)
、
燃?xì)廨啓C(jī)的效率和燃料利用率，它們的渦輪前進(jìn)口溫度不斷提升
。
熱障涂層
(Thermal barrier coating
，
TBC)
是航空發(fā)動(dòng)機(jī)
、
燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件
(
如渦輪葉片
)
重要的熱防護(hù)技術(shù)；隨著渦輪前進(jìn)口溫度進(jìn)一步提升，高溫合金使用溫度將達(dá)極限，使用陶瓷基復(fù)合材料
(Ceramic matrix composite
，
CMC)
替代高溫合金將是大勢(shì)所趨，但是
CMC
在高溫下易受水氧腐蝕，需要環(huán)境障涂層
(Environmental barrier coating
，
EBC)
為之提供保護(hù)
。
因此，
TBC、EBC
是航空發(fā)動(dòng)機(jī)
、
燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的關(guān)鍵核心技術(shù)，一旦發(fā)生剝落失效，將給航空發(fā)動(dòng)機(jī)
、
燃?xì)廨啓C(jī)造成災(zāi)難性后果
。
[0003]航空發(fā)動(dòng)機(jī)
、
燃?xì)廨啓C(jī)工作時(shí)，特別是在沙漠環(huán)境和沙塵暴天氣，攝入的空氣中含有大量沙塵
、
顆粒
、
砂礫等，它們進(jìn)入燃燒室，遇到高溫熔融，隨高速氣流撞擊并附著在熱端部件
TBC
或
EBC
表面，嚴(yán)重腐蝕涂層致其過早剝落失效
。
這些附著物稱為環(huán)境沉積物，主要成分是
CaO、MgO、A12O3、SiO2，簡(jiǎn)稱
CMAS。CMAS
腐蝕已成為限制
TBC、EBC
使用，威脅航空發(fā)動(dòng)機(jī)
/
燃?xì)廨啓C(jī)安全運(yùn)行的重要因素，是亟待解決的難題；
CMAS
防護(hù)是目前
TBC、EBC
領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)
。
[0004]為實(shí)現(xiàn)
TBC、EBC
的
CMAS
腐蝕防護(hù)，一方面是盡量減少熔融
CMAS
在涂層表面的附著，另方面是當(dāng)熔融
CMAS
不可避免地附著于涂層表面時(shí)，盡可能地降低熔體滲入而破壞整個(gè)涂層
。
啟發(fā)于荷葉出淤泥而不染，研究者采用激光等方法對(duì)
TBC、EBC
進(jìn)行表面改性，構(gòu)筑類荷葉的微納表面結(jié)構(gòu)，大大降低了熔融
CMAS
在涂層表面的潤(rùn)濕性，但是涂層表面的微納結(jié)構(gòu)容易在高溫下燒結(jié)
、
退化，使涂層喪失疏熔融
CMAS
功能，而且對(duì)于具有復(fù)雜型面的涂層樣品，很難采用激光方法精確構(gòu)筑仿生的微納結(jié)構(gòu)
。
對(duì)于當(dāng)前最廣泛使用的
Y2O3部分穩(wěn)定
ZrO2(YSZ)TBC
，當(dāng)其表面附著熔融
CMAS
時(shí)，
CMAS
會(huì)迅速與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致涂層相失穩(wěn)和結(jié)構(gòu)破壞，而且
CMAS
熔體會(huì)持續(xù)滲入涂層內(nèi)部，對(duì)整個(gè)涂層造成嚴(yán)重破壞
。
為抑制熔融
CMAS
滲入，研究者們?cè)?br/>YSZ
涂層表面制備
Gd2Zr2O7、Al2O3、Ti2AlC
等涂層，它們可與熔融
CMAS
迅速反應(yīng)而在表面形成連續(xù)致密惰性結(jié)晶層，從而延緩熔融
CMAS
持續(xù)內(nèi)滲，提高涂層抗
CMAS
性能
。
但是，上述惰性結(jié)晶層在與熔融
CMAS
持續(xù)作用過程中會(huì)顯著增厚，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性欠佳，而且不具有疏熔融
CMAS
特性
。
對(duì)于環(huán)境障涂層，當(dāng)前研究最多的是稀土硅酸鹽材料，高溫下
CMAS
與之發(fā)生反應(yīng)，形成石榴石
、
磷灰石
、
方英石等，而且熔體沿晶界內(nèi)滲，導(dǎo)致
EBC
產(chǎn)生裂紋
、
剝落，喪失對(duì)
CMC
的保護(hù)功能
。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

[0005]針對(duì)
CMAS
腐蝕破壞
TBC、EBC
的問題，本專利技術(shù)提出了一種簡(jiǎn)單
、
低成本的防護(hù)方法，即通過原位化學(xué)反應(yīng)在涂層表面構(gòu)筑一層具有仿生結(jié)構(gòu)的抗
CMAS
腐蝕防護(hù)層，該防護(hù)層頂層為豎直生長(zhǎng)的針狀磷灰石構(gòu)成，賦予防護(hù)層疏熔融
CMAS
功能，底層為連續(xù)致密層，有效阻止熔融
CMAS
內(nèi)滲
。
在發(fā)動(dòng)機(jī)工況下，具有這種仿生結(jié)構(gòu)防護(hù)層的
TBC、EBC
，熔融
CMAS
將很難在其表面附著，而且即使有少量附著，熔體也很難滲入涂層內(nèi)部
。
這種仿生結(jié)構(gòu)的防護(hù)層高溫穩(wěn)定性好
、
與熱障
/
環(huán)境障涂層匹配性佳，抗
CMAS
腐蝕性能優(yōu)異，適合在航空發(fā)動(dòng)機(jī)
、
燃?xì)廨啓C(jī)中應(yīng)用
。
[0006]本專利技術(shù)在于為航空發(fā)動(dòng)機(jī)
/
燃?xì)廨啓C(jī)熱障涂層
、
環(huán)境障涂層提供一種抗
CMAS
腐蝕防護(hù)層
。
該防護(hù)層具有仿生結(jié)構(gòu)，是在熱障涂層
、
環(huán)境障涂層表面經(jīng)過原位化學(xué)反應(yīng)而形成，厚度為
10
～
30
μ
m
，其頂層為豎直生長(zhǎng)的針狀磷灰石構(gòu)成，記為
T1；底層為連續(xù)致密層，記為
T2，二者厚度比
T1/T2＝1～
3。
所述
CMAS
腐蝕防護(hù)層制備方法簡(jiǎn)單
、
工藝靈活且成本低，可在熱障涂層
、
環(huán)境障涂層工件任何指定位置制備
。
所述防護(hù)層高溫穩(wěn)定性好，與熱障
/
環(huán)境障涂層匹配性佳，熔融
CMAS
在其表面低潤(rùn)濕
、
難滲入，適合為航空發(fā)動(dòng)機(jī)
/
燃?xì)廨啓C(jī)熱障涂層
、
環(huán)境障涂層提供
CMAS
防護(hù)
。
[0007]為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0008]熱障
/
環(huán)境障涂層抗
CMAS
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【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
1.
熱障
/
環(huán)境障涂層抗
CMAS
腐蝕防護(hù)層；在涂層表面構(gòu)筑具有仿生結(jié)構(gòu)的抗
CMAS
腐蝕防護(hù)層，該防護(hù)層頂層為豎直生長(zhǎng)的針狀磷灰石構(gòu)成，記為
T1；底層為連續(xù)致密層，記為
T2；二者厚度比
T1/T2＝1～
3。2.
權(quán)利要求1的熱障
/
環(huán)境障涂層抗
CMAS
腐蝕防護(hù)層制備方法，其特征是，包括如下步驟：
1)
在熱障涂層或環(huán)境障涂層表面制備
(Gd1?
x
Yb
x
)PO4層，
x
＝0～1；
2)
將
CaO、MgO、SiO2(CMS)
粉末均勻混合，混合后的粉末在高溫下熱處理使其處于熔融狀態(tài)，隨后取出倒入去離子水中，研磨后得到
CMS
非晶態(tài)粉末；在
(Gd1?
x
Yb
x
)PO4層表面預(yù)涂覆
CMS
非晶態(tài)粉末；
3)
將帶有
(Gd1?
x
Yb
x
)PO4層
、
預(yù)涂覆
CMS
非晶態(tài)粉末的熱障涂層或環(huán)境障涂層試樣
/
工件置于高溫爐熱處理，原位化學(xué)反應(yīng)形成具有仿生結(jié)構(gòu)的抗
CMAS
腐蝕防護(hù)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：郭磊，孟詩(shī)鈞，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：天津大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：