双梯度隔热抗烧蚀涂层及其制备方法技术

本发明专利技术提供双梯度隔热抗烧蚀涂层及其制备方法，涉及高温环境防护涂层技术领域。本发明专利技术提供双梯度隔热抗烧蚀涂层，包括：双梯度隔热抗烧蚀涂层总厚度为200μm～500μm，包含多个子层，每个子层均具有梯度变化的孔隙率结构和材料成分，具体如下：第1子层孔隙率≤1％，第1子层的涂层材料成分为100％MCrAlYX；最后1个子层孔隙率≤30％，最后1个子层的涂层材料成分为100％M‑ZrO2；中间子层孔隙率和涂层材料逐层过渡，中间子层的涂层材料成分为MCrAlYX与M‑ZrO2的混合层。涉及涂层制备方法，采用双送粉大气等离子喷涂技术制备涂层，以改善金属基体表面隔热抗烧蚀涂层的抗热冲击、抗氧化和隔热性能。

【技术实现步骤摘要】
双梯度隔热抗烧蚀涂层及其制备方法
本专利技术涉及高温环境防护涂层
，具体而言，涉及一种具有双梯度结构特点的隔热抗烧蚀涂层的制备方法。
技术介绍
隔热抗烧蚀涂层已经广泛应用于固体火箭发动机、高温涡轮发动机等装备的热端部件，例如喷管、燃烧室、涡轮叶片、尾翼等高温部件表面，起到防止火焰气流、固体颗粒、冷热冲击等对基体金属的氧化、烧蚀、冲击破坏作用，能够显著提高构件使用寿命。金属构件表面隔热抗烧蚀涂层一般包括金属黏结层(打底层)和表面陶瓷层，二者形成经典双层结构。粘接层的常用材料是MCrAlYX(M＝Ni,Co或NiCo；X＝Si,Ta)，陶瓷层的常用材料是M-ZrO2(M＝Y2O3,MgO或CeO2)。隔热抗烧蚀涂层常用的制备工艺包括大气等离子喷涂、低压等离子喷涂、电子束-物理气相沉积等，其中大气等离子喷涂具有沉积效率高、工艺过程简单、经济效益显著，是生产中广泛采用的隔热抗烧蚀制备工艺。隔热抗烧蚀涂层的失效原因包括：1是陶瓷层与金属构件表面热膨胀系数不匹配，在高温热冲击过程中巨大的热膨胀不匹配使金属基体与陶瓷层之间产生较大残余热应力，应力达到一定程度后导致陶瓷层开裂脱落；2是黏结层发生氧化和腐蚀，陶瓷层中较多的贯穿孔隙、微小裂纹等疏松结构导致外界氧化介质、腐蚀气体等在高温高压条件下向陶瓷层内部和黏结层快速扩散，在界面处产生的热生长氧化物达到一定厚度则导致陶瓷层脱落。为了解决隔热抗烧蚀涂层热冲击脱落和黏结层氧化腐蚀问题，设计梯度涂层结构和制备技术已经成为研究的热点。专利1(201510035085.1)提供了一种一种制备梯度热障涂层的方法，主要采用电镀或化学镀方法在纳米团聚陶瓷颗粒表面包覆合金粉末，并通过热喷涂或者激光熔覆方法结合在金属基体表面，,制备的纳米梯度热障涂层致密性好、结合强度高，但是抗氧化性能未得到改善。专利2(201610302235.)提供了一种同步送粉制备连续渐变结构陶瓷基热障涂层的方法，主要采用双送粉超音速等离子喷涂方法制备成分结构连续渐变的陶瓷涂层，热障涂层具有很低的层间应力，高的热冲击寿命及高的隔热性能，但是抗氧化性能未得到显著改善。专利3(201210283972.7)提供了一种新型梯度热障涂层的制备方法，涂层的粘结层中含有易于形成氧化膜的氧化物,且氧化物含量具有梯度变化，并采用电子束物理气相沉积工艺制备陶瓷层，该热障涂层耐热性能和抗氧化性能同时得到提高，但是抗热冲击性能未得到显著改善。鉴于此，提出一种技术方案以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于改善金属基体表面隔热抗烧蚀涂层的抗热冲击性能、抗氧化性能和隔热性能，该涂层在成分和结构上均具有梯度变化特点，综合性能突出。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：本专利技术的一个方面提供一种双梯度隔热抗烧蚀涂层，包括：双梯度隔热抗烧蚀涂层的涂层总厚度为200μm～500μm，包含多个子层，每个子层均具有梯度变化的孔隙率结构和材料成分，具体如下：第1子层孔隙率≤1％，第1子层的涂层材料成分为100％MCrAlYX；最后1个子层孔隙率≤30％，最后1个子层的涂层材料成分为100％M-ZrO2；中间子层孔隙率和涂层材料逐层过渡，中间子层的涂层材料成分为MCrAlYX与M-ZrO2的混合层。进一步的，在上述技术方案基础之上，中间子层的孔隙率由1％梯度变化至30％，中间子层的涂层材料成分由(60％～90％)MCrAlYX+(10％～40％)M-ZrO2梯度变化至(10％～40％)MCrAlYX+(60％～90％)M-ZrO2。进一步的，在上述技术方案基础之上，所述子层的层数为4～10层，每个子层的厚度为30μm～50μm。本专利技术的另一个方面提供一种双梯度隔热抗烧蚀涂层的制备方法，包括如下步骤：S01，基体预处理，选取合金钢或高温合金中的一种作为基体，对待喷涂工件进行表面处理；S02，喷涂粉末预处理，喷涂粉末是A、B两组材料，A组材料是合金粉末，为NiCrAlY、CoCrAlY、NiCoCrAlY、NiCoCrAlYTa合金中的一种，B组材料是陶瓷粉末，为氧化钇部分稳定的二氧化锆(Y2O3-ZrO2)、氧化钙部分稳定的二氧化锆(CaO-ZrO2)、氧化铈部分稳定二氧化锆(CeO2-ZrO2)和三氧化二铝(Al2O3)中的一种；待喷涂合金及陶瓷粉末在烘箱中烘干；S03，制备隔热抗烧蚀涂层：采用双送粉大气等离子喷涂技术制备上述的双梯度隔热抗烧蚀涂层。S04，依据涂层的使用要求，预先设定每一子层的工艺参数和每种成分的送粉速率，形成工艺曲线，依据工艺曲线采用自动或人工方式调整参数，完成涂层制备。进一步的，在上述技术方案基础之上，在S03步骤中，通过调整喷涂工艺参数将涂层孔隙率控制在所需范围内，通过调整金属合金材料和陶瓷材料各自送粉率将涂层各子层材料成分控制在所需范围内。进一步的，在上述技术方案基础之上，所述喷涂工艺参数包括等离子喷涂功率、送粉压力、送粉速率和喷涂速度工艺参数，通过正交实验法建立喷涂工艺参数与涂层孔隙率的关系。进一步的，在上述技术方案基础之上，等离子喷涂功率的范围为25kW～60kW，送粉压力的范围为0.6MPa～1.0MPa，送粉速率的范围为2kg/h～10kg/h，喷涂速度的范围为20mm/s～200mm/s。进一步的，在上述技术方案基础之上，在S03步骤中，采用金相法测量不同参数组合制备的涂层的孔隙率，测量位置是涂层的横截面，金相照片放大倍数后，采用多组横截面孔隙率平均值作为该组参数制备的涂层的孔隙率。进一步的，在上述技术方案基础之上，在S03步骤中，各子层的MCrAlYX送粉率如下：第1子层MCrAlYX送粉率为0.9kg/h～10kg/h；最后1个子层MCrAlYX送粉率为0kg/h；中间子层MCrAlYX送粉率由0.9kg/h～10kg/h逐渐减小至0kg/h。进一步的，在上述技术方案基础之上，在S03步骤中，各子层M-ZrO2送粉率如下：第1子层M-ZrO2送粉率为0kg/h；最后1个子层M-ZrO2送粉率为0.9kg/h～10kg/h；中间子层M-ZrO2送粉率由0kg/h逐渐增加至0.9kg/h～10kg/h。与现有技术相比，本专利技术提供的双梯度隔热抗烧蚀涂层及其制备方法具有如下有益效果：通过对各涂层成分和结构的梯度变化，形成结构性能一体化涂层，梯度变化的金属和陶瓷混合成分有效降低因材料热物理性能差异导致的层间应力大、易开裂问题，提高涂层的抗热冲击性能；孔隙率的梯度变化能够兼顾涂层的结合强度和隔热性能，底层高致密性能够提高涂层与基体的结合强度，表层及中间层呈梯度变化的孔隙率有利于提高涂层隔热作用，以及防止表面高温气流向基体扩散。相比于以往单一梯度涂层，该涂层在涂层内应力、抗冲刷、抗热冲击等方面有显著提升。附图说明图1为双梯度隔热抗烧蚀涂层与基体的结构示意图。附图标号：101-双梯度隔热抗烧蚀涂层；102-基体。具体实施方式下面将结合实施例对本专利技术的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。根据本专利技术的一个方面，提供了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双梯度隔热抗烧蚀涂层，其特征在于，包括：双梯度隔热抗烧蚀涂层的涂层总厚度为200μm～500μm，包含多个子层，每个子层均具有梯度变化的孔隙率结构和材料成分，具体如下：第1子层孔隙率≤1％，第1子层的涂层材料成分为100％MCrAlYX；最后1个子层孔隙率≤30％，最后1个子层的涂层材料成分为100％M‑ZrO2；中间子层孔隙率和涂层材料逐层过渡，中间子层的涂层材料成分为MCrAlYX与M‑ZrO2的混合层。

【技术特征摘要】
1.一种双梯度隔热抗烧蚀涂层，其特征在于，包括：双梯度隔热抗烧蚀涂层的涂层总厚度为200μm～500μm，包含多个子层，每个子层均具有梯度变化的孔隙率结构和材料成分，具体如下：第1子层孔隙率≤1％，第1子层的涂层材料成分为100％MCrAlYX；最后1个子层孔隙率≤30％，最后1个子层的涂层材料成分为100％M-ZrO2；中间子层孔隙率和涂层材料逐层过渡，中间子层的涂层材料成分为MCrAlYX与M-ZrO2的混合层。2.根据权利要求1所述的双梯度隔热抗烧蚀涂层，其特征在于，中间子层的孔隙率由1％梯度变化至30％，中间子层的涂层材料成分由(60％～90％)MCrAlYX+(10％～40％)M-ZrO2梯度变化至(10％～40％)MCrAlYX+(60％～90％)M-ZrO2。3.根据权利要求1所述的双梯度隔热抗烧蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述子层的层数为4～10层，每个子层的厚度为30μm～50μm。4.一种双梯度隔热抗烧蚀涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S01，基体预处理，选取合金钢或高温合金中的一种作为基体，对待喷涂工件进行表面处理；S02，喷涂粉末预处理，喷涂粉末是A、B两组材料，A组材料是合金粉末，为NiCrAlY、CoCrAlY、NiCoCrAlY、NiCoCrAlYTa合金中的一种，B组材料是陶瓷粉末，为氧化钇部分稳定的二氧化锆(Y2O3-ZrO2)、氧化钙部分稳定的二氧化锆(CaO-ZrO2)、氧化铈部分稳定二氧化锆(CeO2-ZrO2)和三氧化二铝(Al2O3)中的一种；待喷涂合金及陶瓷粉末在烘箱中烘干；S03，制备隔热抗烧蚀涂层：采用双送粉大气等离子喷涂技术制备上述的双梯度隔热抗烧蚀涂层。S04，依据涂层的使用要求，预先设定每一子层的工艺参数和每种成分的送粉速率，形成工艺曲线，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴护林，丛大龙，李忠盛，何庆兵，张敏，赵子鹏，宋凯强，陈海涛，
申请(专利权)人：中国兵器工业第五九研究所，
类型：发明
国别省市：重庆,50