一种层状与柱/树状交替堆积的抗砂尘高温粘附涂层的制作方法

本发明属于航空航天技术领域，涉及一种层状与柱/树状交替堆积的抗砂尘高温粘附涂层。

背景技术：

环境条件对于各种装备的质量及使用可靠性有重要的影响，尤其砂尘环境是引起许多装备，包括武器装备、民用装备失效的一个重要环境因素。砂尘环境在自然界十分常见，广泛存在于沙漠、沿海等地区。各种军事装备、军用直升机和运输机，在现代战争中担负着十分重要的作战使命。广泛分布的砂尘环境，对军用设备、直升机和运输机的部件、系统和机载设备具有严重影响。随着我国军队现代化的不断进步，先进战机、直升机、运输机巡航、作战半径不断扩大，遭遇的极端环境也越来越多。砂尘问题已对战机、直升机等作战性能、可靠性和耐久性产生重大影响。

当战机、直升机从沙漠地区起飞或降落，或者从火山云层飞过，环境中的沙粒或者火山灰等外来粒子有可能积聚在发动机高温热表面，造成发动机引擎核心气流受到干扰，氧气供应不足，燃料燃烧不完全，导致引擎回火，进而造成引擎熄火以及飞机空中停车，带来灾难性后果，严重者导致部件烧毁。因此，亟需要增强航空发动机涡轮部件的抗砂尘粘着性能来满足先进战机/直升机在特殊环境下服役的要求。

目前，研究者开展了大量关于cmas(cao-mgo-al2o3-sio2)腐蚀导致发动高温部件失效的研究，也有部分研究者通过在叶片表面设计仿生结构的方式，实现降低涡轮叶片表面cmas粘着的效果。就成分而言，cmas只是砂尘具有不同成分构成的几种存在形式，而对于自然环境中广泛存在的砂尘，如何实现具有普适性砂尘的高温抗粘着，是亟待解决的难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种层状与柱/树状交替堆积的抗砂尘高温粘附涂层，该涂层具有较强的抗砂尘高温粘附性能。

为达到上述目的，本发明所述的层状与柱/树状交替堆积的抗砂尘高温粘附涂层包括抗砂尘高温粘附的自层剥涂层，其中，所述抗砂尘高温粘附的自层剥涂层包括若干自上到下相间分布的层状结构涂层与柱/树状交替堆积结构涂层。

相邻层状结构涂层与柱/树状交替堆积结构涂层之间通过粘接单元粘结。

柱/树状交替堆积结构涂层内部的纵向孔隙尺寸及密度均大于层状结构涂层内的纵向孔隙尺寸及密度。

层状结构涂层内部具有层间孔隙及层内裂纹，层状结构涂层的孔隙率为5％～25％；柱/树状交替堆积结构涂层内部具有纵向孔隙，柱/树状交替堆积结构涂层的孔隙率为10％～30％；抗砂尘高温粘附的自层剥涂层的总厚度为5μm～500μm，柱/树状交替堆积结构涂层的厚度为抗砂尘高温粘附的自层剥涂层厚度的0.002～0.998倍，层状结构涂层的厚度为抗砂尘高温粘附的自层剥涂层厚度的0.002～0.998倍。

抗砂尘高温粘附的自层剥涂层的材质为氧化锆、氧化钇稳定的氧化锆或锆酸镧。

层状结构涂层具有的层间孔隙为层状结构涂层内部涂层片层单元之间的层间未结合横向孔隙结构，层状结构涂层具有的层内裂纹为层状结构涂层中涂层片层单元内部的纵向裂纹结构。

柱/树状交替堆积结构涂层具有的纵向孔隙为由柱/树状交替堆积结构涂层顶部至底部分布的贯穿性和/或非贯穿性纵向孔隙结构。

层状结构涂层具体堆积方式为每层实体结构间层间孔隙率为10％的堆积方式、每层实体结构间层间孔隙率为30％的堆积方式或者层间孔隙介于10％～30％之间的堆积方式。

柱/树状交替堆积结构涂层的堆积方式为每层实体结构内纵向孔隙相互贯通的堆积方式及每层实体结构内纵向孔隙不相互贯通的堆积方式中的一种或者两者的组合。

抗砂尘高温粘附的自层剥涂层中柱/树状交替堆积结构涂层的沉积单元为气相材料粒子和/或纳米级材料粒子，当该沉积单元为气相材料粒子及纳米级材料粒子时，设气相材料粒子的体积百分比为g，纳米级材料粒子的体积百分比为h，则有g与h比例为(50-100)：(0-50)。。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的层状与柱/树状交替堆积的抗砂尘高温粘附涂层在具体操作时，当砂尘粘附到涂层表面后，随着砂尘累积厚度的不断增大，涂层内部应力越来越大，当涂层上部的应变能释放率大于断裂韧性时，涂层将发生开裂，即在上层断裂韧性最小处开裂，本发明利用层状结构涂层与柱/树状交替堆积结构涂层之间的断裂韧性差别，在砂尘粘附到涂层表面后，涂层将在层状结构涂层与柱/树状交替堆积结构涂层之间开裂，层状结构涂层将粘附的砂尘一起剥落，阻止砂尘的进一步粘附，进而实现牺牲上层状结构涂层保护下层涂层的自层剥抗砂尘粘附的目的，具有较强抗砂尘高温粘附性能，解决了当砂尘被吸入发动机后，在涡轮等热部件外表面沉积粘着的问题，避免了砂尘对部件的腐蚀等损伤行为，保证了涡轮部件冷却特性的稳定，在实际应用时，本发明可以直接制备于热部件基体之上，也可以制备于具有热障涂层、环境障涂层或其他涂层的部件上，不需要改变部件的几何特性，对部件无损坏。

进一步，涂层具有的纵向孔隙结构可以实现涂层与部件之间的热膨胀匹配性，有效提高涂层寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1为抗砂尘高温粘附的自层剥涂层、2为层状结构涂层、3为柱/树状交替堆积结构涂层、4为粘接单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的层状与柱/树状交替堆积的抗砂尘高温粘附涂层包括抗砂尘高温粘附的自层剥涂层1，其中，所述抗砂尘高温粘附的自层剥涂层1包括若干自上到下相间分布的层状结构涂层2与柱/树状交替堆积结构涂层3，相邻层状结构涂层2与柱/树状交替堆积结构涂层3之间通过粘接单元4粘结，柱/树状交替堆积结构涂层3内部的纵向孔隙尺寸及密度均大于层状结构涂层2内的纵向孔隙尺寸及密度，层状结构涂层2内部具有层间孔隙及层内裂纹，层状结构涂层2的孔隙率为5％～25％；柱/树状交替堆积结构涂层3内部具有纵向孔隙，柱/树状交替堆积结构涂层3的孔隙率为10％～30％；抗砂尘高温粘附的自层剥涂层1的总厚度为5μm～500μm，柱/树状交替堆积结构涂层3的厚度为抗砂尘高温粘附的自层剥涂层1厚度的0.002～0.998倍，层状结构涂层2的厚度为抗砂尘高温粘附的自层剥涂层1厚度的0.002～0.998倍。

抗砂尘高温粘附的自层剥涂层1的材质为氧化锆、氧化钇稳定的氧化锆或锆酸镧。

层状结构涂层2具有的层间孔隙为层状结构涂层2内部涂层片层单元之间的层间未结合横向孔隙结构，层状结构涂层2具有的层内裂纹为层状结构涂层2中涂层片层单元内部的纵向裂纹结构。

柱/树状交替堆积结构涂层3具有的纵向孔隙为由柱/树状交替堆积结构涂层3顶部至底部分布的贯穿性和/或非贯穿性纵向孔隙结构。

层状结构涂层2具体堆积方式为每层实体结构间层间孔隙率为10％的堆积方式、每层实体结构间层间孔隙率为30％的堆积方式或者层间孔隙介于10％～30％之间的堆积方式。

柱/树状交替堆积结构涂层3的堆积方式为每层实体结构内纵向孔隙相互贯通的堆积方式及每层实体结构内纵向孔隙不相互贯通的堆积方式中的一种或者两者的组合。

抗砂尘高温粘附的自层剥涂层1中柱/树状交替堆积结构涂层3的沉积单元为气相材料粒子和/或纳米级材料粒子，当该沉积单元为气相材料粒子及纳米级材料粒子时，设气相材料粒子的体积百分比为g，纳米级材料粒子的体积百分比为h，则有g与h比例为(50-100)：(0-50)。

本发明的具体制备过程为：

1)将高温合金基体进行表面去油及喷砂处理，然后放置在真空腔室内，利用多级真空泵系统控制腔室压力为200pa；利用不含涂层材料的等离子束流对高温合金基体进行预热至600℃；

2)以氦气/氩气/氢气比例为6:3.5:1作为等离子气体加热锆酸镧涂层材料粉末，送粉率设置为5g/min，形成由气相材料粒子流与高能等离子气体组成的混合高速流，混合高速流施加到基体表面进行扫描沉积，其中基体位置距粉末送入等离子束流处1000mm，制备形成厚度为1μm的柱/树状交替堆积结构涂层3；

3)腔室压力为200pa，调整氦气/氩气/氢气比例为5:3:1，基体位置调整至距粉末送入等离子束流处1200mm，形成由团簇流与高能等离子气体组成的混合高速流，进行涂层的制备，形成厚度为0.5μm的粘接单元4；

4)将腔室压力调为100000pa，调整氦气/氩气/氢气比例为6:3.5:1，基体位置调整至距粉末送入等离子束流处200mm，形成由气相材料粒子流与高能等离子气体组成的混合高速流，混合高速流施加到基体表面进行扫描沉积，制备形成厚度为1μm的层状结构涂层2；

5)重复步骤3)；

6)重复步骤2)、步骤3)、步骤4)及步骤5)，得总厚度为500μm的层状与柱/树状交替堆积的抗砂尘高温粘附涂层。

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