一种等隔热匹配的梯度多孔热障涂层及其制备方法

本发明属于热障涂层结构设计与热喷涂制备，具体涉及一种在预定隔热量和固定总厚度条件下，通过调控陶瓷隔热层不同区域的孔隙率、热导率和分区厚度来延长热循环寿命的梯度多孔热障涂层及其制备方法。

背景技术：

1、热障涂层通常用于燃气轮机、航空发动机等高温部件表面，通过低热导率陶瓷隔热层阻隔热流，降低金属基体的实际承温。对于导向叶片、工作叶片及燃烧室等热端部件而言，部件尺寸、工作温度和服役环境往往由整机设计确定，陶瓷隔热层需要提供的隔热量也通常已经由热设计给定。因此，热障涂层结构优化的关键并不是单纯增加厚度或盲目降低热导率，而是在陶瓷隔热层总厚度和隔热量受控的前提下提高服役寿命。

2、热障涂层由基体、金属粘结层和陶瓷隔热层构成，陶瓷隔热层是热障涂层中承担主要隔热和耐久功能的表层。常规大气等离子喷涂热障涂层具有层状堆叠结构，内部孔隙能够降低热导率并提高隔热性能。但是，传统陶瓷隔热层的孔隙结构在厚度方向通常较为均匀，难以同时满足不同区域的差异化服役需求。实际高温服役时，陶瓷隔热层表面直接暴露于高温燃气，顶部区域烧结刚化更为明显，容易导致隔热和应变容限退化；靠近粘结层的底部区域则受到陶瓷隔热层累积厚度、热生长氧化物增厚以及热失配应力的共同作用，裂纹扩展驱动力较大，需要更高的抗开裂能力。

3、现有梯度结构涂层通常通过改变单一区域厚度或改变总厚度来考察寿命变化。当改变分区厚度时，涂层整体热阻也随之改变；当为了保持隔热效果而改变总厚度时，总厚度本身又会改变应力分布和开裂驱动力。因此，现有方法难以设计出同时符合隔热量和总厚度要求的热障涂层。尤其是在叶片尺寸、承温和目标隔热量均已确定的情况下，需要一种能够在相同总厚度、相同或近似相同隔热量下调控区域厚度和孔隙结构的新方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种等隔热匹配的梯度多孔热障涂层及其制备方法，用于解决现有热障涂层在分区结构优化时容易同时改变隔热能力或陶瓷隔热层总厚度、难以独立提升服役寿命的问题。本发明的核心是在部件尺寸、工作温度、服役环境以及目标隔热量确定的条件下，将陶瓷隔热层总厚度固定，以单位面积热阻控制隔热量，再通过不同区域热导率与厚度的匹配，使热障涂层既满足预定隔热要求，又具有更长热循环寿命。

2、第一方面，本发明提供一种等隔热匹配的梯度多孔热障涂层的制备方法，包括如下步骤：

3、步骤1，根据待防护高温部件工作时陶瓷隔热层两侧表面温度和穿过陶瓷隔热层的净热流密度，确定预定单位面积热阻r0；

4、步骤2，确定制备陶瓷隔热层中顶部隔热容应变区、中间过渡区和底部增韧区的材料，用确定的材料分别制备顶部隔热容应变区试样、中间过渡区试样和底部增韧区试样，并测量热导率，所述热导率包括顶部隔热容应变区试样的热导率、中间过渡区试样的热导率和底部增韧区试样的热导率；

5、根据待防护高温部件要求的陶瓷隔热层总厚度h、预定单位面积热阻r0和热导率，分配陶瓷隔热层的顶部隔热容应变区、中间过渡区和底部增韧区的厚度，使得分配后的厚度满足以下约束条件：

6、1）陶瓷隔热层在评价温度t下的单位面积热阻与预定单位面积热阻r0相同或偏差不超过±10%；

7、2）顶部隔热容应变区、中间过渡区和底部增韧区的厚度之和等于陶瓷隔热层总厚度h；

8、3）顶部隔热容应变区、中间过渡区和底部增韧区的厚度均大于0；

9、步骤3，在待防护高温部件表面制备金属粘结层；

10、步骤4，根据步骤2确定的陶瓷隔热层中顶部隔热容应变区、中间过渡区和底部增韧区的厚度，采用热喷涂方法在所述金属粘结层表面依次沉积底部增韧区、中间过渡区和顶部隔热容应变区，获得总厚度为h的陶瓷隔热层；所述底部增韧区、中间过渡区和顶部隔热容应变区的孔隙率和未熔区域占比依次增加。

11、进一步，步骤2中，确定多组满足约束条件的厚度组，所述厚度组包括顶部隔热容应变区厚度、中间过渡区厚度和底部增韧区厚度，从多组满足约束条件的厚度中选出至少3个厚度组制备样品，测量各样品的热循环寿命，步骤4中用热循环寿命最长的厚度组来制备陶瓷隔热层。

12、进一步，预定单位面积热阻r0通过下式确定r0=δt/，其中，δt指陶瓷隔热层两侧表面温差，δt=陶瓷隔热层高温侧表面温度-陶瓷隔热层与待防护高温部件界面温度；指穿过陶瓷隔热层的净热流密度。

13、进一步，顶部隔热容应变区的孔隙率为20%~25%，中间过渡区的孔隙率为10%~15%，底部增韧区的孔隙率为7%~12%，并且孔隙率沿陶瓷隔热层厚度方向由底部增韧区至顶部隔热容应变区依次增大。

14、进一步，顶部隔热容应变区、中间过渡区和底部增韧区均采用含8 wt.%的氧化钇稳定氧化锆粉末喷涂形成。

15、进一步，制备顶部隔热容应变区的氧化钇稳定氧化锆粉末粒径为68~113 μm，制备中间过渡区的氧化钇稳定氧化锆粉末粒径为42~82 μm，制备底部增韧区的氧化钇稳定氧化锆粉末粒径为19~48 μm。

16、进一步，在待防护高温部件工作温度下，所述顶部隔热容应变区的热导率λ1为1.0~1.3 wm-1k-1，中间过渡区的热导率λ2为1.4~1.7 wm-1k-1，底部增韧区的热导率λ3为1.7~2.0 wm-1k-1。

17、第二方面，本发明提供一种等隔热匹配的梯度多孔热障涂层，采用本发明第一方面所述的制备方法制得，所述热障涂层包括覆盖于基体上的金属粘结层以及覆盖于金属粘结层上的陶瓷隔热层，所述陶瓷隔热层在总厚度固定和隔热量受控的条件下，由底部增韧区、中间过渡区和顶部隔热容应变区构成，所述底部增韧区、中间过渡区和顶部隔热容应变区的孔隙率和未熔区域占比依次增加。

18、进一步，底部增韧区用于提高靠近粘结层区域的抗开裂能力，顶部隔热容应变区用于提高远离粘结层区域的隔热和容应变能力，中间过渡区用于实现热导率、孔隙率和力学性能的过渡匹配。

19、进一步，底部增韧区厚度占陶瓷隔热层厚度的2%～25%。

20、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

21、（1）控隔热一致性明确，避免设计变量耦合混淆。

22、现有梯度孔隙结构通常以孔隙率单调变化或经验分层设计为主，缺乏统一的隔热约束指标，容易出现隔热性能不一致但结构不同的问题。本发明以单位面积热阻作为约束条件，在陶瓷隔热层总厚度固定的条件下，通过分区厚度与热导率协同设计，使底部增韧区、中间过渡区和顶部隔热容应变区这三个不同区域组合方案能够实现相同或近似相同的预定隔热能力，使结构优化建立在可量化热学边界条件之上。本发明通过分区厚度精确分配与孔隙结构协同调控，实现不同区域在功能上的分工匹配，使隔热性能与抗裂性能同时优化。相比于传统通过单纯增加陶瓷隔热层厚度或降低整体热导率来调控隔热性能的方法，本发明避免了厚度、孔隙率与热导率之间的耦合干扰，实现了在总厚度约束条件下的可控隔热设计，提高了设计可比性与工程一致性，并从根本上避免传统梯度设计的不可比性问题。

23、（2）实现区域功能匹配，兼顾隔热与抗失效能力。

24、本发明将陶瓷隔热层划分为底部增韧区、中间过渡区与顶部隔热容应变区，其中底部增韧区采用低孔隙率、低未熔区域占比，用于提高靠近粘结层区域的抗裂纹萌生与抗裂纹扩展能力；顶部隔热容应变区采用高孔隙率结构并引入较高未熔区域占比，用于提升隔热性能并降低高温服役过程中烧结导致的应变容限衰减；中间过渡区通过渐变孔隙结构实现表观孔隙率、热导率及力学性能的平滑过渡，从而避免层间性能突变引发的应力集中问题，实现隔热性能与结构可靠性的协同优化。

25、（3）显著提升热循环寿命，实现长寿命服役效果。

26、相较于各区域等厚或均匀结构设计方案，本发明提供的热障涂层的热循环寿命可进一步提高约1倍以上，表明本发明在固定总厚度与固定隔热需求条件下，能够显著提升热障涂层的服役稳定性与抗剥落能力。

27、（4）工程实现性强，工艺路径简单可控。

28、本发明通过选用不同粒径分布的8ysz粉末材料，并采用常规大气等离子喷涂工艺实现孔隙率与热导率的分区调控，无需改变陶瓷材料体系或引入复杂新工艺，仅通过喷涂功率、喷涂距离、喷枪移动速度和各功能区（包括底部增韧区、中间过渡区和顶部隔热容应）沉积厚度等喷涂参数与8ysz粉末粒径分布调节即可实现梯度多孔结构制备，工艺成熟度高、可重复性强，适用于燃气轮机、航空发动机等热端部件表面热防护工程化应用。