一种热障涂层及其制备方法、耐高温构件与流程

本发明属于高温防护涂层，具体涉及一种热障涂层及其制备方法、耐高温构件。

背景技术：

1、中小型燃气轮机由于其快速启停、维修保养方便的优点，相较于其他大型发电装备在电力调峰领域具有显著优势与广阔应用前景。由于电网负荷存在波动性与随机性，在用电高峰时，电网往往超负荷。此时需要投入在正常运行以外的发电机组以满足需求。这些发电机组称调峰机组。调峰机组的基本要求是启动和停止速度快、频率高，从而满足并网时的同步调整需求。这意味着调峰燃气轮机需要频繁启停，对燃气轮机热障涂层的抗热冲击性能提出严峻挑战。

2、在燃气轮机热端部件中，涡轮叶片由于处在工作温度高、应力复杂、环境恶劣的关键部位，而被列为第一关键件。其中，一级导向叶片位于燃烧室出口处，起到引导燃烧室内产生的高温气体、优化燃气流动方向和速度等重要作用，对热障涂层的需求最为迫切。

3、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金属粘结层组成。研究表明，一级涡轮叶片表面制备150μm厚的热障涂层后，叶片高温合金表面的工作温度可降低50℃以上，叶片服役寿命可提高3倍以上，同时还能提高工作效率、减少排放。

4、ysz（钇稳定氧化锆）由于其具有较高的热稳定性以及较低的热导率，常被作为热障涂层的主要材料，现有制备ysz层的方式具有多种，常见的是aps工艺（大气等离子喷涂），能够形成片层结构，具有较好的隔热性能，但是，该种aps ysz存在抗热冲击性能不足的问题，在长期的热冲击作用下，易导致涂层脱落，且aps ysz抗烧结性能不足，在高温条件下易粘连，影响热障涂层的隔热性能，最终影响对于涡轮叶片的保护作用。

技术实现思路

1、针对现有热障涂层存在抗热冲击性能和抗烧结性能不足的问题，本发明提供了一种热障涂层及其制备方法、耐高温构件。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

3、一方面，本发明提供了一种热障涂层，包括隔热底层和高应变容限层，所述隔热底层位于所述高应变容限层的下层，所述隔热底层包括具有片层单元层叠的片层钇稳定氧化锆，所述高应变容限层包括高应变容限钇稳定氧化锆，所述高应变容限钇稳定氧化锆具有垂直裂纹结构、柱状结构和多孔结构中的一种或多种。

4、可选的，所述隔热底层的厚度为50~500μm，

5、所述隔热底层中，片层单元的横向长径为5~30μm，纵向厚度为2~10μm。

6、可选的，所述隔热底层的孔隙率为5%~25%。

7、可选的，所述高应变容限层的厚度为60~300μm。

8、可选的，所述垂直裂纹结构包括多个沿所述高应变容限层厚度方向延伸的裂纹，所述裂纹的深度为60~300μm，宽度为0.3~3μm，密度为2~10 mm-1；

9、所述柱状结构包括多个沿所述高应变容限层厚度方向延伸的柱状微结构，所述柱状微结构的高度为60~300μm，密度为5~30 mm-1；

10、所述多孔结构包括多个形成于所述高应变容限层内部的微孔，所述微孔的孔径为0.5~5μm，所述多孔结构的孔隙率为25%~45%。

11、可选的，还包括粘结层，所述粘结层位于所述隔热底层背离所述高应变容限层的一侧，所述粘结层包括mcraly和mcraltay中的至少一种，其中，m为ni和/或co，

12、所述粘结层的厚度为50~200μm。

13、再一方面，本发明提供了一种耐高温构件，包括热端部件和如上所述的热障涂层，所述热障涂层设置于所述热端部件的表面，所述热端部件包括涡轮叶片、燃烧室、隔热屏、喷嘴、火焰筒或尾喷管。

14、再一方面，本发明提供了如上所述的热障涂层的制备方法，包括如下操作步骤：

15、采用钇稳定氧化锆粉末作为原材料进行大气等离子喷涂方式，形成具有片层单元层叠的片层钇稳定氧化锆，得到隔热底层；

16、采用钇稳定氧化锆悬浮液进行雾化式悬浮液等离子喷涂，在隔热底层表面形成高应变容限层。

17、可选的，还包括：

18、采用mcraly和/或mcraltay作为原料材料进行高超音速火焰喷涂，其中，m为ni和/或co，在热端部件上制备粘结层，喷涂参数为：煤油25-30l/h，氧气800-900l/h，喷距300-350mm。

19、可选的，所述大气等离子喷涂的参数为：离子喷涂电流为450-500a，喷涂距离为110-120mm；喷枪摆动速率为500-600mm/s；ar气流量为30-35slpm；h2流量为6-8slpm，

20、所述雾化式悬浮液等离子喷涂采用径向雾化式悬浮液等离子喷涂，参数为：等离子喷涂电流为600-650a；喷涂距离为60-95mm；ar气流量为30-70slpm；h2流量为10-12slpm；悬浮液固含量为18-30%；悬浮液送料速率为20-35ml/min；雾化压力为0.04-0.05mpa。

21、根据本发明提供的热障涂层，采用了片层钇稳定氧化锆作为隔热底层，其中，片层钇稳定氧化锆具有片层单元层叠结构，其形成的层间间隙能够有效地起到降低纵向热导率的作用，从而有效阻隔环境高温对于热端部件的热传导；针对片层钇稳定氧化锆存在抗热冲击性能和抗烧结性能不足的问题，在片层钇稳定氧化锆的表面施加了高应变容限钇稳定氧化锆作为高应变容限层，该高应变容限钇稳定氧化锆具有垂直裂纹结构、柱状结构和多孔结构中的一种或多种，该种结构的高应变容限钇稳定氧化锆具有较好的抗烧结性能，且在热冲击作用下可降低面层热失配应力，从而避免面层过早剥落失效，对应的，所述片层钇稳定氧化锆的存在也有利于进一步提升所述高应变容限钇稳定氧化锆的抗热冲击性能，因此，相比于单独的片层钇稳定氧化锆或是单独的高应变容限钇稳定氧化锆，所述片层钇稳定氧化锆和所述高应变容限钇稳定氧化锆形成的复合结构体现了较好的协同作用，在保持较好隔热性能的同时，可以显著提升涂层的抗热冲击性能与抗烧结性能。

技术特征：

1.一种热障涂层，其特征在于，包括隔热底层和高应变容限层，所述隔热底层位于所述高应变容限层的下层，所述隔热底层包括具有片层单元层叠的片层钇稳定氧化锆，所述高应变容限层包括高应变容限钇稳定氧化锆，所述高应变容限钇稳定氧化锆具有垂直裂纹结构、柱状结构和多孔结构中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述隔热底层的厚度为50~500μm，

3.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述隔热底层的孔隙率为5%~25%。

4.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述高应变容限层的厚度为60~300μm。

5.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，所述垂直裂纹结构包括多个沿所述高应变容限层厚度方向延伸的裂纹，所述裂纹的深度为60~300μm，宽度为0.3~3μm，密度为2~10 mm-1；

6.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于，还包括粘结层，所述粘结层位于所述隔热底层背离所述高应变容限层的一侧，所述粘结层包括mcraly和mcraltay中的至少一种，其中，m为ni和/或co；

7.一种耐高温构件，其特征在于，包括热端部件和如权利要求1~6任意一项所述的热障涂层，所述热障涂层设置于所述热端部件的表面，所述热端部件包括涡轮叶片、燃烧室、隔热屏、喷嘴、火焰筒或尾喷管。

8.如权利要求1~6任意一项所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，包括如下操作步骤：

9.根据权利要求8所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，还包括：

10.根据权利要求8所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，

技术总结为克服现有热障涂层存在抗热冲击性能和抗烧结性能不足的问题，本发明提供了一种热障涂层，包括隔热底层和高应变容限层，所述隔热底层位于所述高应变容限层的下层，所述隔热底层包括具有片层单元层叠的片层钇稳定氧化锆，所述高应变容限层包括高应变容限钇稳定氧化锆，所述高应变容限钇稳定氧化锆具有垂直裂纹结构、柱状结构和多孔结构中的一种或多种。同时，本发明还公开了上述热障涂层的制备方法、耐高温构件。本发明提供的热障涂层在保持较好隔热性能的同时，可以显著提升涂层的抗热冲击性能与抗烧结性能。技术研发人员：巩秀芳,吕伯文,袁小虎,傅维文,李定骏,毛杰,隆彬,邓春明,王伟,邓畅光,刘敏受保护的技术使用者：东方电气集团东方汽轮机有限公司技术研发日：技术公布日：2024/12/12