一种孔隙率及孔隙形貌可控的热障涂层及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种孔隙率及孔隙形貌可控的热障涂层及其制备方法，属于材料技术领域，首先制备含有热障涂层陶瓷材料和不同形态的造孔材料的复合粉末，通过热喷涂法沉积制备出含有造孔材料体积分数为5％～50％的复合涂层，造孔材料在热喷涂过程中不发生变形，保持原来的形貌。通过氧化烧除复合涂层中的造孔材料，从而在涂层中得到与造孔材料形貌及位置相同的孔隙。与传统热障涂层相比，本发明专利技术制备的热障涂层中孔隙率及孔隙形貌可控，孔隙在涂层服役使用中不发生烧结，通过调整孔隙率及孔隙形貌可以大幅度改善热障涂层的服役性能与服役稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料
，具体涉及一种孔隙率及孔隙形貌可控的热障涂层及其制备方法。
技术介绍
航空航天、能源动力等行业的发展对航空发动机和工业燃气轮机提出了更高的要求，要求热端部件在高温、腐蚀、磨损的条件下进行长期服役，这直接对燃气轮机热端部件的表面性能提出了更高的要求，必须采用冷却以及隔热措施，才能保证透平叶片在高温环境中长时间地工作。目前常用的冷却技术主要有三种：透平叶片内部的冷却气流冷却技术、气膜冷却技术和热障涂层技术。热障涂层技术的发展使透平叶片表面的温度降低了100～300℃。热喷涂热障涂层具有隔热性能高、热应变缓和能力强等特性，从而广泛用作航空发动机和燃气轮机等热端部件表面的热障涂层，通过高温隔热、抗冲蚀等方式来保护高温合金部件，实现提高整机燃料利用率和延长整机寿命等目标。等离子喷涂热障涂层具有5％～15％孔隙：球形孔、扁平粒子内纵向孔隙、扁平粒子间横向孔隙等。研究表明，孔隙率及孔隙结构对涂层的热导率及力学性能具有显著影响。低的热导率能够降低金属基体温度，降低冷却系统的负担，低的弹性模量能够降低热循环过程中产生的热应变，高的断裂韧性可以提高裂纹扩展的阻力。通过调整涂层的结构在涂层厚度方向制备结构梯度热障涂层是提高热障涂层热循环寿命的有效方法。传统的热喷涂热障涂层通常通过调节喷涂参数达到不同的孔隙率，这种涂层孔隙率调控范围较小，且无法控制涂层内孔隙的形貌。通常在扁平粒子之间形成的显著降低热传导率的扁平孔隙，因间隙通常小于100nm，而在高于1000℃以上的高温条件下服役时，发生快速愈合，无法维持稳定的低热传导率、低弹性模量的特性。因此，如果能够发展更大幅度调整涂层的孔隙率、并调控孔隙形貌与尺寸，不仅可有效降低热传导率与弹性模量，而且在高温使用条件下不发生愈合烧结的孔隙的方法，对提高热喷涂热障陶瓷涂层的性能具重要意义，同时为设计多陶瓷层结构热障涂层提供了更广泛的选择。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种孔隙率及孔隙形貌可控的热障涂层及其制备方法，该方法能够大幅度调整涂层的孔隙率，并调控涂层内孔隙的形貌与尺寸，使形成的孔隙在热障涂层使用中大幅度降低涂层的热导率，弹性模量，同时这些孔隙的结构与尺寸在高温服役环境温度下不发生变化，从而为设计性能优异的多结构孔隙的陶瓷热障涂层提供有效解决方案。本专利技术是通过以下技术方案来实现：本专利技术公开了一种孔隙率及孔隙形貌可控的热障涂层的制备方法，包括以下步骤：1)通过喷雾干燥法，制备含有热障涂层陶瓷材料和造孔材料的复合粉末，造孔材料在复合粉末中的体积分数为5％～50％；其中，造孔材料为直径5～50μm的近球形粒子或长度10～50μm、宽度0.3～10μm的扁平状材粒子中的一种或两种；2)通过热喷涂法，将包含热障涂层陶瓷材料和造孔材料的复合粉末沉积在基体上；其中，含有近球形造孔材料的复合粉末沉积时造孔材料的近球形形态保持不变；而含有扁平状造孔粒子的复合粒子中的造孔粒子，在沉积时随加热熔化的陶瓷粒子部分发生扁平化，从而在扁平陶瓷粒子中沿扁平方向分布形成长度为10～50μm，宽度为0.3～10μm的扁平状粒子；3)通过高温氧化法，烧除复合涂层中的造孔材料，在涂层中得到与造孔材料形貌及位置相同的孔隙，即制得孔隙率及孔隙形貌可控的热障涂层。所述造孔材料为通过高温氧化法能够去除的碳单质或高熔点有机物。造孔材料为石墨或活性炭。热障涂层陶瓷材料为锆酸镧(La2Zr2O7)、铈酸镧(La2Ce2O7)、锆酸钆(Gd2Zr2O7)、六铝酸镧、氧化铝、氧化钇稳定氧化锆(YSZ)或含有其它稳定氧化物的氧化锆，或其他可用作热障陶瓷涂层的陶瓷材料。同时含有两种造孔材料时，以含有近球形造孔材料的复合粉末与含有扁平状造孔材料的复合粉末以不同比例混合后，形成热喷涂粉末；两种复合粉末的其中任何一种在热喷涂粉末中的比例为0～100％。步骤2)所述热喷涂法采用等离子喷涂或等离子喷涂复相沉积。步骤3)所述高温氧化法是将包含热障涂层陶瓷材料和造孔材料的复合粉末放入高温炉中以去除造孔材料，高温炉膛气氛为大气气氛，高温处理温度不会引起热障涂层材料的相变及烧结，且不会导致金属基体明显的氧化。将包含热障涂层陶瓷材料和造孔材料的复合粉末在600℃～900℃的大气气氛中，保温1h～20h。具体是：先在600℃的大气气氛中保温20h，然后在700℃的大气气氛中保温10h，最后在800℃的大气气氛中保温5h。本专利技术还公开了一种孔隙率及孔隙形貌可控的热障涂层，该热障涂层由含有热障涂层陶瓷材料和造孔材料的复合粉末经喷涂热源加热后，碰撞在基体表面堆积而形成，该热障涂层的孔隙率为5％～50％；且在该热障涂层的堆积粒子内部分布有直径为5～50μm的近球形孔隙和/或长度为10～50μm、宽度为0.3～10μm的扁平状孔隙。近球形孔隙及扁平状孔隙的比例及尺寸能够调控。扁平状孔隙分布在该热障涂层服役状态下的热流垂直方向上。含有近球形造孔材料的热障涂层陶瓷材料复合粉末通过热喷涂沉积形成含有近球形孔隙的喷涂粒子，含有层状造孔材料的陶瓷复合粉末通过热喷涂形成含有扁平状孔隙的扁平粒子，扁平状孔隙的长宽方向与扁平粒子层叠一致，与热障涂层的热流方向垂直。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术提供的孔隙率及孔隙形貌可控的热障涂层的制备方法，首先制备含有热障涂层陶瓷材料和不同形态的造孔材料的复合粉末，通过热喷涂法沉积制备出含有造孔材料体积分数为5％～50％的复合涂层，造孔材料在热喷涂过程中不发生变形，保持原来的形貌。通过氧化烧除复合涂层中的造孔材料，从而在涂层中得到与造孔材料形貌及位置相同的孔隙。该方法操作简单方便，采用现有的热喷涂设备即可完成喷涂沉积，不会产生原料的浪费，而且高温氧化法去除造孔材料简单方便，制得的热障涂层具有孔隙结构、性能可控等优异效果，孔隙在涂层服役使用中不发生烧结，通过调整孔隙率及孔隙形貌可以大幅度改善热障涂层的服役性能与服役稳定性，适于工业化生产使用。本专利技术提供的孔隙率及孔隙结构可控的热障涂层，其中含有体积分数为5％～50％的孔隙；包含直径为5～50μm的球形孔隙和/或长度为10～50μm，宽度为0.3～10μm的扁平状孔隙。该热障涂层的孔隙率可以被大幅度调控，孔隙的形貌及尺寸也可以被有效控制，同时，涂层的性能包括热导率，弹性模量及断裂韧性均可以被大范围的进行调控，从而可以对根据涂层的结构性能关系设计结构梯度热障涂层，有效的降低涂层的热导率及提高涂层的服役寿命，大幅度提高热障涂层的服役性能，扩大了热障涂层的应用范围，使得本专利技术提供的热障涂层能够在材料加工、航空航天、能源动力、汽车制造、船舶制造等领域广泛使用。附图说明图1为通过喷雾干燥法制备的8YSZ与石墨的复合粉末；其中，(a)为70％体积分数的8YSZ与30％体积比的球形石墨；(b)为70％体积分数的8YSZ与30％体积比的层状石墨；图2为800℃保温5小时去除石墨后得到的多孔8YSZ涂层的断面形貌：其中，(a)为70％体积分数的8YSZ与30％体积比球形石墨制备得到的；(b)为70％体积分数的8YSZ与30％体积比层状石墨制备得到的；图3为多孔8YSZ涂层孔隙率与复合粉末中石墨添加量之间的关系图；图4为900℃保温本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种孔隙率及孔隙形貌可控的热障涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)通过喷雾干燥法，制备含有热障涂层陶瓷材料和造孔材料的复合粉末，造孔材料在复合粉末中的体积分数为5％～50％；其中，造孔材料为直径5～50μm的近球形粒子或长度10～50μm、宽度0.3～10μm的扁平状材粒子中的一种或两种；2)通过热喷涂法，将包含热障涂层陶瓷材料和造孔材料的复合粉末沉积在基体上；3)通过高温氧化法，烧除复合涂层中的造孔材料，在涂层中得到与造孔材料形貌及位置相同的孔隙，即制得孔隙率及孔隙形貌可控的热障涂层。

【技术特征摘要】
1.一种孔隙率及孔隙形貌可控的热障涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)通过喷雾干燥法，制备含有热障涂层陶瓷材料和造孔材料的复合粉末，造孔材料在复合粉末中的体积分数为5％～50％；其中，造孔材料为直径5～50μm的近球形粒子或长度10～50μm、宽度0.3～10μm的扁平状材粒子中的一种或两种；2)通过热喷涂法，将包含热障涂层陶瓷材料和造孔材料的复合粉末沉积在基体上；3)通过高温氧化法，烧除复合涂层中的造孔材料，在涂层中得到与造孔材料形貌及位置相同的孔隙，即制得孔隙率及孔隙形貌可控的热障涂层。2.根据权利要求1所述的孔隙率及孔隙形貌可控的热障涂层的制备方法，其特征在于，所述造孔材料为通过高温氧化法能够去除的碳单质或高熔点有机物。3.根据权利要求2所述的孔隙率及孔隙形貌可控的热障涂层的制备方法，其特征在于，造孔材料为石墨或活性炭。4.根据权利要求1所述的孔隙率及孔隙形貌可控的热障涂层的制备方法，其特征在于，热障涂层陶瓷材料为锆酸镧、铈酸镧、锆酸钆、六铝酸镧、氧化铝、氧化钇稳定氧化锆或含有...

【专利技术属性】
技术研发人员：李长久，刘韬，杨冠军，李成新，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61