一种提高热障涂层抗CMAS的方法和一种抗CMAS的工件与流程

一种提高热障涂层抗cmas的方法和一种抗cmas的工件
技术领域
1.本发明涉及热障涂层防护技术领域，尤其涉及一种提高热障涂层抗cmas的方法和一种抗cmas的工件。


背景技术：

2.cmas是航空发动机工作时随燃气摄入的碎屑、砂砾、灰尘和火山灰等环境沉积物，其主要成分为cao、mgo、al2o3和sio2，还含有少量的fe、na、k的氧化物，随地区变化其成分会发生部分改变。在高温下这些氧化物会反应生成低熔点的共晶物，熔点在1230℃左右。当超过cmas熔点之后，熔融的cmas会形成玻璃态物质，对高温服役的叶片带来巨大的损伤，导致其寿命骤减。尤其是对电子束物理气相沉积(eb
‑
pvd)制备的ysz(氧化钇稳定的氧化锆)涂层而言，其柱状晶形貌为cmas渗透提供了通道，加速了涂层的失效。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种提高热障涂层抗cmas的方法和一种抗cmas的工件，采用本发明的方法可以有效提升热障涂层抗cmas的效果。
4.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
5.本发明提供了一种提高热障涂层抗cmas的方法，包括以下步骤：
6.将涂覆热障涂层的工件置于钇溶胶中第一浸渍，然后第一提拉，将第一提拉后的工件进行第一干燥，在所述热障涂层表面形成y2o3涂层，得到附着y2o3涂层工件；
7.将所述附着y2o3涂层工件进行第一烧结，得到烧结工件；
8.将所述烧结工件置于钛溶胶中第二浸渍，然后进行第二提拉，将第二提拉后的工件进行第二干燥，在所述y2o3涂层表面形成tio2涂层，得到附着y2o3‑
tio2复合涂层工件；
9.将所述附着y2o3‑
tio2复合涂层工件进行第二烧结。
10.优选的，所述热障涂层为ysz涂层。
11.优选的，所述第一干燥后，重复所述第一浸渍、第一提拉和第一干燥的过程15～30次。
12.优选的，所述第一浸渍的时间独立为10～15s；所述第一提拉的速度独立为3～6cm/min。
13.优选的，所述第二干燥后，重复所述第二浸渍、第二提拉和第二干燥的过程15～30次。
14.优选的，所述第二浸渍的时间独立为10～15s；所述第二提拉的速度独立为3～6cm/min。
15.优选的，所述第一烧结的温度为550～800℃，保温时间为4～6h。
16.优选的，所述第二烧结的温度为750～900℃。
17.优选的，所述第二烧结的保温时间为4～6h。
18.本发明提供了一种抗cmas的工件，涂覆热障涂层的工件经上述方案所述的方法处
理后得到；所述抗cmas的工件包括工件本体、涂覆于所述工件表面的热障涂层，以及在所述热障涂层表面依次附着的y2o3涂层和tio2涂层。
19.本发明提供了一种提高热障涂层抗cmas的方法，包括以下步骤：将涂覆热障涂层的工件置于钇溶胶中第一浸渍，然后第一提拉，将第一提拉后的工件进行第一干燥，在所述热障涂层表面形成y2o3涂层，得到附着y2o3涂层工件；将所述附着y2o3涂层工件进行第一烧结，得到烧结工件；将所述烧结工件置于钛溶胶中第二浸渍，然后进行第二提拉，将第二提拉后的工件进行第二干燥，在所述y2o3涂层表面形成tio2涂层，得到附着y2o3‑
tio2复合涂层工件；将所述附着y2o3‑
tio2复合涂层工件进行第二烧结。
20.在本发明中，y2o3作为复合涂层的底层，主要起到两方面的作用，一是可以有效促进热障涂层的表面烧结，使表面更致密，减少了cmas的渗透通道，当热障涂层为ysz涂层时，还可以保留ysz涂层下半部分的柱状晶结构，不会导致其应变容限的降低；二是y2o3与cmas中的sio2反应有更负的吉布斯自由能，其反应更容易发生，有效的锁住硅，使其不形成低熔点的共晶化合物。tio2作为复合涂层的顶层存在，其可以与cmas中含量较高的ca元素反应，生成钛酸钙，进一步减少低熔点共晶物的生成，提高cmas的熔点(硅酸钇的熔点＞2000k，钛酸钙的熔点为2253k)，使其在服役温度(1250℃以下)不发生熔融渗透。
21.此外，本发明采用浸渍提拉法可有效避免对原热障涂层进行破坏，形成梯度涂层，方法简单且对叶片等复杂结构也具有良好的适用性。
附图说明
22.图1为实施例1产品的sem图；
23.图2为不同涂层样品经cmas腐蚀5h后残留涂层的照片。
具体实施方式
24.本发明提供了一种提高热障涂层抗cmas的方法，包括以下步骤：
25.将涂覆热障涂层的工件置于钇溶胶中第一浸渍，然后第一提拉，将第一提拉后的工件进行第一干燥，在所述热障涂层表面形成y2o3涂层，得到附着y2o3涂层工件；
26.将所述附着y2o3涂层工件进行第一烧结，得到烧结工件；
27.将所述烧结工件置于钛溶胶中第二浸渍，然后进行第二提拉，将第二提拉后的工件进行第二干燥，在所述y2o3涂层表面形成tio2涂层，得到附着y2o3‑
tio2复合涂层工件；
28.将所述附着y2o3‑
tio2复合涂层工件进行第二烧结。
29.本发明将涂覆热障涂层的工件置于钇溶胶中第一浸渍，然后第一提拉，将第一提拉后的工件进行第一干燥，在所述热障涂层表面形成y2o3涂层，得到附着y2o3涂层工件。
30.所述将涂覆热障涂层的工件置于钇溶胶中第一浸渍前，本发明优选还包括依次使用丙酮、酒精和去离子水对涂覆热障涂层的工件进行清洗，然后烘干。本发明对所述清洗和烘干的条件没有特殊要求，采用本领域熟知的清洗和烘干条件即可。
31.本发明对所述涂覆热障涂层的工件没有特殊要求，采用本领域熟知的涂覆热障涂层的工件即可。在本发明中，所述热障涂层优选为ysz涂层；所述ysz涂层优选通过eb
‑
pvd制备得到。
32.本发明对所述钇溶胶的来源没有特殊要求，采用本领域熟知的市售商品或本领域
熟知的制备方法制备得到均可。本发明对所述钇溶胶的固含量没有特殊要求，本领域熟知的固含量均可。在本发明的实施例中，所述钇溶胶具体是向宣城晶瑞新材料有限公司购得。本发明对所述钇溶胶的用量没有特殊要求，能够将涂覆热障涂层的工件完全浸没即可。
33.所述第一干燥后，本发明优选重复所述第一浸渍、第一提拉和第一干燥的过程15～30次，更优选为18～25次，最优选为20次。本发明通过控制重复的次数，可以得到合适厚度的y2o3涂层。
34.在本发明中，所述第一浸渍的时间独立优选为10～15s，更优选为12～13s，在本发明的实施例中，所述第一浸渍的时间为10s。在本发明中，所述第一提拉的速度独立优选为3～6cm/min，更优选为4～5cm/min，最优选为4cm/min。本发明通过控制第一提拉的速度在上述范围，能够保证钇溶胶在热障涂层表面形成均匀的膜层。本发明优选采用浸渍提拉机进行提拉，所述浸渍提垃机带有配套的烘箱。本发明对所述第一干燥的条件没有特殊要求，能够起到干燥的效果即可。在本发明中，相邻两次提拉之间的干燥优选在浸渍提垃机配套的烘箱中进行，干燥的温度独立优选为60～80℃；最后一次提拉后的干燥优选在独立的烘箱中进行，干燥的温度优选为100～150℃。本发明最后一次提拉后提高干燥温度从而保证溶胶层快速彻底干燥。
35.得到附着y2o3涂层工件后，本发明将所述附着y2o3涂层工件进行第一烧结，得到烧结工件。
36.在本发明中，所述第一烧结的温度优选为550～800℃，更优选为600～700℃，保温时间优选为4～6h，更优选为5h。在本发明中，所述第一烧结优选在空气氛围下进行。本发明优选在箱式炉中进行所述第一烧结。本发明通过第一烧结在热障涂层表面形成稳定的y2o3涂层，同时可促进原始热障涂层的表面烧结，使其表面致密度提高，形成密度梯度。
37.完成所述第一烧结后，本发明优选还包括对所得工件进行清洗，得到烧结工件。本发明对所述清洗的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的清洗过程即可。
38.得到烧结工件后，本发明将所述烧结工件置于钛溶胶中第二浸渍，然后进行第二提拉，将第二提拉后的工件进行第二干燥，在所述y2o3涂层表面形成tio2涂层，得到附着y2o3‑
tio2复合涂层工件。
39.本发明对所述钛溶胶的来源没有特殊要求，采用本领域熟知的市售商品或采用本领域熟知的方法制备得到均可。本发明对所述钛溶胶的固含量没有特殊要求，采用本领域熟知的固含量即可。在本发明的实施例中，所述钛溶胶具体是向宣城晶瑞新材料有限公司购得。本发明对所述钛溶胶的用量没有特殊要求，能够将烧结工件完全浸没即可。
40.所述第二干燥后，本发明优选重复所述第二浸渍、第二提拉和第二干燥的过程15～30次。在本发明中，所述第二浸渍、第二提拉和第二干燥的条件同第一浸渍、第一提拉和第一干燥，这里不再赘述。
41.得到附着y2o3‑
tio2复合涂层工件后，本发明将所述附着y2o3‑
tio2复合涂层工件进行第二烧结。
42.在本发明中，所述第二烧结的温度优选为750～900℃，更优选为800～850℃；保温时间优选为4～6h，更优选为4.5～5.5h。本发明优选在空气氛围下进行第二烧结。本发明通过第二烧结有利于稳定金红石相氧化钛的形成。
43.本发明提供了一种抗cmas的工件，涂覆热障涂层的工件经上述方案所述的方法处
理后得到；所述抗cmas的工件包括工件本体、涂覆于所述工件表面的热障涂层，以及在所述热障涂层表面依次附着的y2o3涂层和tio2涂层。
44.在本发明中，所述热障涂层优选为ysz涂层。本发明对各涂层的厚度没有特殊限定。本发明对所述工件本体没有特殊要求，可针对实际需求进行选择。
45.在本发明中，y2o3作为复合涂层的底层，主要起到两方面的作用，一是可以有效促进热障涂层的表面烧结，使其更致密，减少了cmas的渗透通道，当热障涂层为ysz涂层时，还可以保留ysz涂层下半部分的柱状晶结构，不会导致其应变容限的降低；二是y2o3与cmas中的sio2反应有更负的吉布斯自由能，其反应更容易发生，有效的锁住硅，使其不形成低熔点的共晶化合物。tio2作为复合涂层的顶层存在，其可以与cmas中含量较高的ca元素反应，生成钛酸钙，进一步减少低熔点共晶物的生成，提高cmas的熔点，使其在服役温度下不发生熔融渗透。
46.下面结合实施例对本发明提供的提高热障涂层抗cmas的方法和抗cmas的工件进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
47.实施例1
48.(1)依次使用丙酮、酒精、去离子水对制备态的ysz涂层样片进行清洗、烘干。
49.(2)在80℃的浸渍提拉机中，将清洗干净的涂层样品放在钇溶胶中浸渍10s，以4cm/min的提拉速度垂直提拉基片，然后干燥10min，重复浸渍
‑
提拉
‑
干燥的过程20次；将提拉20次后的样品放在120℃的烘箱烘干。将烘干的样品在650℃的箱式炉中烧结5h，使样品表面形成稳定的y2o3涂层，并进行清洗。
50.(3)将清洗好的附着y2o3涂层样品在钛溶胶中进行浸渍提拉，制备方法同y2o3涂层，共提拉20次，然后在750℃烧结5h，形成y2o3‑
tio2复合涂层，记为ysz y2o3 tio2(up)。
51.其中，制备态ysz涂层样片由农机院提供，采用eb
‑
pvd制备；纳米钇溶胶和钛溶胶于宣城晶瑞新材料有限公司购得。
52.对实施例1所得产品进行扫描电镜观察，结果如图1所示。由图1可知，提拉后ysz热障涂层表面未形成完整的薄膜，只是对eb
‑
pvd制备的ysz热障涂层屋脊形柱状晶的顶部进行了填充，其中暗色的部分为浸渍提拉制备的tio2涂层。
53.对比例1
54.制备态ysz涂层样片，记为ysz。
55.对比例2
56.与实施例1的不同之处仅在于不进行步骤(3)，即仅附着y2o3涂层，记为ysz y2o3。
57.对比例3
58.与实施例1的不同之处仅在于不进行步骤(2)，即仅附着tio2涂层，记为ysz tio2。
59.对比例4
60.与实施例1的不同之处仅在于将步骤(2)和(3)的顺序调换，即先附着tio2涂层，再附着y2o3涂层，记为ysz tio2 y2o3(up)。
61.性能测试
62.对实施例1和对比例1～4涂层样品表面进行cmas腐蚀实验：cmas涂覆量10mg/cm2，实验温度1250℃，保温5h后，各涂层样品的表面状态见图2，对应的残留数据具体见表1。由图2和表1可知，ysz制备态涂层经cmas腐蚀后，涂层基本剥落，残留不足10％；ysz涂层表面
涂覆y2o3或tio2单层的涂层，抗cmas效果也不佳；ysz表面涂覆y2o3和tio2复合层后，在cmas作用5h后，涂层残留达50％以上，其中以ysz
‑
y2o3‑
tio2(up)的结果最佳，实验结束后涂层还较为完整。
63.表1 不同涂层样品cmas作用5h后残留涂层的面积百分数
[0064][0065]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。