一種高氣孔率且具有等軸晶結(jié)構(gòu)的熱障涂層的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種高氣孔率具有等軸晶結(jié)構(gòu)的熱障涂層，所述涂層采用等離子噴涂團(tuán)聚粉末，在高溫合金表面或耐高溫金屬粘結(jié)層表面噴涂制成，在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下可以制備具有完全等軸晶結(jié)構(gòu)和多孔分布組成的涂層，該涂層結(jié)構(gòu)不同于現(xiàn)有的等離子噴涂形成的堆積層狀結(jié)構(gòu)或電子束物理氣相沉積形成的柱狀晶結(jié)構(gòu)熱障涂層，該涂層具有低熱導(dǎo)率、抗熱沖擊性好、制備成本低等特點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種高氣孔率且具有等軸晶結(jié)構(gòu)的熱障涂層
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及涂層制備工藝，尤其涉及應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)等高溫金屬部件表面的熱障涂層和高溫封嚴(yán)涂層，屬于熱噴涂表面加工技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]熱障涂層已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高溫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件，例如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，渦輪葉片和固定導(dǎo)向葉片等高溫合金表面，對(duì)降低高溫合金表面溫度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率起重要作用。熱障涂層主要由高溫合金表面的抗氧化粘結(jié)層、致密氧化鋁層和具有低導(dǎo)熱率，較高膨脹系數(shù)的陶瓷涂層組成，本發(fā)明涉及低導(dǎo)熱率隔熱陶瓷涂層及其制備方法。
[0003]到目前為止，典型實(shí)用的隔熱陶瓷涂層的組織結(jié)構(gòu)主要有兩種，一是等離子噴涂形成帶有間隙氣孔的層狀堆積組織，如圖1所示；另一種是電子束物理氣相沉積制備的具有垂直于基體表面獨(dú)立柱狀晶結(jié)構(gòu)的涂層，如圖2所示。
[0004]等離子體噴涂是把金屬或陶瓷粉末送入到高溫的等離子體射流中，利用等離子體的高溫和高速特性將噴涂材料加熱到熔融或高塑性狀態(tài)，在高速等離子體射流引導(dǎo)下，撞擊工件表面，產(chǎn)生碰撞展平成扁平層并瞬間凝固，最終形成的噴涂涂層由無(wú)數(shù)變形粒子相互交錯(cuò)，呈波浪式堆疊在一起的層狀組織結(jié)構(gòu)，如圖1。顆粒與顆粒之間不可避免地存在一部分孔隙或空洞(圖1中的黑色條狀帶)。提高涂層中的孔隙率有利于降低涂層的熱傳導(dǎo)和提高涂層的抗高溫?zé)嵴鹦阅?，但是由于噴涂方法和噴涂材料所限，等離子噴涂熱障涂層孔隙率一般在8%~20%之間。
[0005]電子束物理氣相沉積制備的熱障涂層為柱狀晶結(jié)構(gòu)，如圖2，與等離子噴涂層狀堆積熱障涂層有很大區(qū)別，研究表明柱狀晶結(jié)構(gòu)涂層比層片狀結(jié)構(gòu)涂層具有更高的應(yīng)變?nèi)菹?，熱循環(huán)壽命比等離子噴 涂層片狀結(jié)構(gòu)涂層提高近8倍。但是在涂層的熱導(dǎo)率方面，由于層片狀涂層的結(jié)構(gòu)能夠適當(dāng)?shù)淖璧K熱流向基體方向的傳遞，因此等離子噴涂層狀結(jié)構(gòu)熱障涂層的熱導(dǎo)率較低，約為0.8~1.(ΜπΛ-1，低于電子束物理氣相沉積柱狀晶涂層的熱導(dǎo)率
1.5~2.(ΜπΛ-1。以熱導(dǎo)率來(lái)講，具有片狀結(jié)構(gòu)的等離子噴涂熱障涂層性能更好，另外它還具有成本低的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于層片狀結(jié)構(gòu)涂層平行于基體表面，受熱-冷沖擊時(shí)，容易產(chǎn)生穿晶裂紋，表現(xiàn)為涂層耐熱沖擊性能差，使用中涂層可能發(fā)生脫落，因此等離子噴涂熱障涂層往往限制應(yīng)用在不太重要零件表面。電子束物理氣相沉積柱狀晶結(jié)構(gòu)涂層雖然抗熱沖擊性能好，但是由于熱導(dǎo)率高，達(dá)到同樣的隔熱效果相應(yīng)要求提高涂層的厚度，不僅提高制造成本，也會(huì)引起其它不必要的問(wèn)題。
[0006]鑒于層片狀和柱狀晶結(jié)構(gòu)熱障涂層存在的缺陷，研究者仍然不斷努力改進(jìn)熱障涂層的結(jié)構(gòu)。其中美國(guó)專(zhuān)利8，337，989提出了制備混合梯度材料涂層緩解應(yīng)力的方法；而美國(guó)7，413，798專(zhuān)利提出在層狀結(jié)構(gòu)中混入納米柱狀晶緩解涂層高溫-冷卻的應(yīng)力集中；美國(guó)專(zhuān)利8，147，928和6，548，190提出了向氧化釔穩(wěn)定氧化鋯涂層混入其它材料，降低柱狀晶涂層熱導(dǎo)率的方法。以上這些專(zhuān)利均屬于在現(xiàn)有涂層基礎(chǔ)上進(jìn)行的改善研究，與本發(fā)明的等軸晶高氣孔率熱障涂層原理不同。另外美國(guó)專(zhuān)利(申請(qǐng)?zhí)?20120321905)提出了一種制備高氣孔率熱障涂層的方法，氣孔率達(dá)到9-14%，遠(yuǎn)低于本發(fā)明的涂層15-50%的氣孔率。國(guó)內(nèi)專(zhuān)利(申請(qǐng)?zhí)?200810150955)提出了用激光加熱器，火焰加熱器或高頻感應(yīng)加熱器局部表面加熱，利用高溫下固態(tài)材料中傳質(zhì)和擴(kuò)散原理，控制熱障涂層陶瓷層中開(kāi)放連通孔隙和裂紋的形狀變化的方法，這與本發(fā)明提出的用等離子噴涂方法直接制備氣孔率15-50%涂層方法不同。
[0007]綜上所涉及的專(zhuān)利均與本發(fā)明提出的高氣孔率等軸晶結(jié)構(gòu)的涂層專(zhuān)利不同。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為解決以上問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種具有等軸晶結(jié)構(gòu)且分布大量氣孔的涂層。本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0009]一種高氣孔率且具有等軸晶結(jié)構(gòu)的熱障涂層，所述涂層是利用等離子噴涂方法將團(tuán)聚粉末噴涂在金屬零件表面制備的涂層；
[0010]所述團(tuán)聚粉末由納米氧化物顆粒團(tuán)聚而成。
[0011]本發(fā)明所述涂層的氣孔率為15~50%，具有等軸晶結(jié)構(gòu)，等軸晶粒尺寸為30nm~100 μ m,等軸晶比率大于50%。
[0012]本發(fā)明所述等離子噴涂方法在噴涂過(guò)程中的電弧電流為250~550安培，電弧電壓高于30伏，送粉量為5~20克/分鐘。
[0013]本發(fā)明所述團(tuán)聚粉末粒度為15~100 μm，其內(nèi)部孔隙率為10~50%。
[0014]本發(fā)明所述納米氧化物顆粒粒徑為20~300nm。
[0015]本發(fā)明所述的納米氧化物顆粒優(yōu)選Gd203、Yb2O3> Nd203、Er2O3> La2O3或Y2O3中的一種或幾種與ZrO2構(gòu)成的復(fù)合氧化物，更優(yōu)選為氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯粉末即ZrO2- (6-8)wt%Y203o
[0016]本發(fā)明所述涂層的制備方法，步驟如下:
[0017]①團(tuán)聚粉末的制備:
[0018]目前制備本發(fā)明所述團(tuán)聚粉末的方法較多，包括但不僅限于以下方法:
[0019]混合-團(tuán)聚法:例如噴霧干燥等方法；
[0020]燒結(jié)-破碎法:將含有納米材料的粉末加上燒結(jié)劑，在適當(dāng)溫度下燒結(jié)成大塊材料，然后破碎成微米級(jí)顆粒；或?qū)⒓{米粉與納米BN和有機(jī)膠混合，調(diào)整混合比率，高溫?zé)Y(jié)，此時(shí)BN變?yōu)檎羝粺龘p掉，留下氣孔，將燒結(jié)后納米塊破碎成微米粉末；
[0021]溶膠-氣凝膠法(Sol-Gel):將多組元材料均勻分散在低聚體或膠體中形成凝膠，干燥聚合，蒸發(fā)。
[0022]其中噴霧干燥方法制備所述團(tuán)聚粉末的具體操作步驟如下:
[0023]將粒徑為30~300nm的納米氧化物顆粒與聚乙烯醇等粘接劑按(80~90):(5~10)的質(zhì)量比混合，再加入1.0~1.5倍質(zhì)量的水調(diào)配成漿料，采用噴霧干燥在280~300°C范圍內(nèi)制成團(tuán)聚粉末，將團(tuán)聚粉末置于燒結(jié)爐中燒結(jié)，提高團(tuán)聚粉末強(qiáng)度，燒結(jié)溫度為 800 ~1200℃；
[0024]②等離子噴涂:利用等離子噴涂將步驟①制備的團(tuán)聚粉末噴涂在高溫合金表面或耐高溫氧化粘結(jié)層表面，形成所述的熱障涂層，所述等離子噴涂的參數(shù)為:
[0025]等離子電流 250-550安培[0026]等離子電壓大于30伏
[0027]等離子工作氣體Ar/H2= (30-45)/ (5-15)升/分鐘
[0028]噴涂距離80-120毫米
[0029]送粉量5-20克/分鐘
[0030]送粉載氣Ar5_10升/分鐘
[0031]有益效果
[0032]①本發(fā)明采用等離子噴涂方法制備的熱障涂層，具有等軸晶結(jié)構(gòu)，且在適合的工藝條件下，能獲得完全納米等軸晶結(jié)構(gòu)，具備抗熱沖擊力好優(yōu)點(diǎn)，使其應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛；
[0033]②本發(fā)明制備的熱障涂層具有高氣孔率，降低了材料的熱導(dǎo)率，提高抗熱震性；
[0034]③本發(fā)明制備的涂層可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫葉片、燃燒室等金屬件的隔熱保護(hù)，也可用于高溫封嚴(yán)涂層；
[0035]④本發(fā)明制備的涂層性能優(yōu)良，成本低。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0036]本發(fā)明附圖6幅，
[0037]圖1.等離子噴涂堆積層片狀涂層電鏡圖；
[0038]圖2.物理氣相沉積柱狀晶涂層電鏡圖；
[0039]圖3.本發(fā)明制備的等離子噴涂高氣孔率等軸晶涂層；
[0040]圖4.本發(fā)明制備的涂層等軸晶部分的放大照片；
[0041]圖5.本發(fā)明制備的涂層氣孔部分放大照片；
[0042]圖6.本發(fā)明制備的涂層熱沖擊實(shí)驗(yàn)后狀態(tài)，其中(a) 20次水冷，(b) 50次水冷?！揪唧w實(shí)施方式】
[0043]下述非限制性實(shí)施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。
[0044]實(shí)施例1
[0045]1.團(tuán)聚粉末的制備
[0046]購(gòu)買(mǎi)粒度為80~180nm的氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯粉末Zr02_(7_8)wt%Y203，與聚乙烯醇粘接劑按90:10的質(zhì)量比混合，再加入1.5倍于混合物重量的凈水，調(diào)配成料漿，采用噴霧干燥，通過(guò)控制干燥溫度控制團(tuán)聚粉末的氣孔率，控制噴霧干燥溫度為280~300°C，制成微米級(jí)團(tuán)聚粉末，將粉末置于燒結(jié)爐中燒結(jié)，提高團(tuán)聚粉末強(qiáng)度，燒結(jié)溫度為800°C，利用掃描電鏡和激光粒度儀對(duì)納米團(tuán)聚粉末進(jìn)行孔隙率和團(tuán)聚粒度表征，所述團(tuán)聚粉末粒徑為35~80微米，孔隙率為25~40%，確認(rèn)滿足本發(fā)明的要求。
[0047]2.等離子噴涂熱障涂層
[0048]采用大連海事大學(xué)研制LE-15等離子噴槍(已獲得國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利ZL02251688.3)，設(shè)定噴涂參數(shù)如下:
[0049]等離子電流500安培
[0050]等離子電壓50伏
[0051]等離子工作氣體Ar/H2=30/5升/分鐘[0052]噴涂距離100毫米
[0053]送粉量20克/分鐘
[0054]送粉載氣Ar/10升/分鐘[0055]在FeCrAl高溫合金表面等離子噴涂步驟I制備的ZrO2- (7-8)wt%Y203團(tuán)聚粉末，制備涂層厚度為0.5mm的樣件，經(jīng)平面磨削加工后，保持涂層厚度均一為0.35mm。
[0056]3.試樣評(píng)價(jià)
[0057]①氣孔率:采用計(jì)算機(jī)圖像處理方法測(cè)定涂層的氣孔率為34%。
[0058]②等軸晶結(jié)構(gòu):采用掃描電鏡測(cè)量等軸晶率達(dá)到95%。
[0059]③熱導(dǎo)率:采用一維傳熱傅里葉變換方法，在溫度200~750°C范圍測(cè)量了涂層的熱傳導(dǎo)率為ο.7~0.gwn^k-1，低于或達(dá)到傳統(tǒng)大氣等離子噴涂層片狀涂層水平。
[0060]④熱-冷沖擊破壞性實(shí)驗(yàn):將帶有涂層的樣件加熱至1100°C，保持10分鐘，然后迅速冷卻到水中，進(jìn)行熱沖擊實(shí)驗(yàn)，反復(fù)多次操作，圖6為試驗(yàn)后表面狀態(tài)。經(jīng)過(guò)加熱-冷卻20次熱循環(huán)，涂層基本完好，如圖6 (a)所示，進(jìn)一步熱循環(huán)，基體開(kāi)始發(fā)生變形，進(jìn)行50熱循環(huán)操作后，試樣周?chē)繉又饾u脫落，如圖6 (b)所示；與大氣等離子噴涂層片狀涂層相t匕(實(shí)驗(yàn)中熱循環(huán)沖擊5-7次即發(fā)生涂層脫落)，本發(fā)明制備的涂層耐熱沖擊性得到大幅度改善。
【權(quán)利要求】
1.一種高氣孔率且具有等軸晶結(jié)構(gòu)的熱障涂層，其特征在于所述涂層是利用等離子噴涂方法將團(tuán)聚粉末噴涂在金屬零件表面制備的涂層； 所述團(tuán)聚粉末由納米氧化物顆粒團(tuán)聚而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于涂層的氣孔率為15~50%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于涂層的等軸晶粒尺寸為30nm~ΙΟΟμπι，并且等軸晶比率大于50%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于所述等離子噴涂方法在噴涂過(guò)程中的電弧電流為250~550安培，電弧電壓高于30伏，送粉量為5~20克/分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于所述團(tuán)聚粉末粒度為15~100μ m，其內(nèi)部孔隙率為10~50%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于所述納米氧化物顆粒粒徑為20~300nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于所述納米氧化物顆粒選自Gd203、Yb203、Nd2O3> Er2O3> La2O3或Y2O3中的一種或幾種與ZrO2構(gòu)成的復(fù)合氧化物。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的涂層，其特征在于所述納米氧化物顆粒為ZrO2-(6-8)wt%Y203o.
【文檔編號(hào)】C23C4/10GK103469144SQ201310374389
【公開(kāi)日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年8月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月23日
【發(fā)明者】高陽(yáng) 申請(qǐng)人:大連海事大學(xué)