一种耐瞬态超高温的热障涂层陶瓷层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种耐瞬态超高温的热障涂层陶瓷层材料，是由摩尔百分比为１～５的氧化钇Ｙ↓［２］Ｏ↓［３］、摩尔百分比为１～４０的氧化铪ＨｆＯ↓［２］、摩尔百分比为１～５的氧化铌Ｎｂ↓［２］Ｏ↓［５］以及余量的氧化锆ＺｒＯ↓［２］组成的Ｎｂ↓［２］Ｏ↓［５］掺杂ＹＳＺ－ＹＳＨ陶瓷层材料。该热障涂层陶瓷层材料能够承受每秒２５００Ｋ～３０００Ｋ的瞬态超高温、马赫节点为３～６的燃气热冲击和冲刷烧蚀。维氏硬度ＨＶ８００～１３００。在测试温度２５００Ｋ，马赫节点３的热冲击循环下，１０次后含有Ｎｂ↓［２］Ｏ↓［５］掺杂ＹＳＺ－ＹＳＨ陶瓷材料涂层的基体保持完好；在３５次后含有Ｎｂ↓［２］Ｏ↓［５］掺杂ＹＳＺ－ＹＳＨ陶瓷材料涂层的基体出现腐蚀点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种陶瓷层材料，以及制备陶瓷层的方法，更特别地说，是指一种采 用等离子喷涂工艺制备耐瞬态超高温的热障涂层。技术背景火箭发动机的叶片在运行时必须能够承受高温以及在这种高温氧化气氛下的循 环机械载荷。在叶片表面制备一层具有优越的耐高温耐腐蚀耐磨损和低热导的陶瓷 材料，能够提高叶片的工作温度以及抗高温氧化能力，延长其使用寿命。这就是热 障涂层技术。热障涂层(TBCs)是利用陶瓷材料优越的耐高温、抗腐蚀和低导热 性能，以涂层的方式将陶瓷与金属基体相复合，提高金属热端部件的工作温度，增 强热端部件的抗高温氧化能力，延长热端部件的使用寿命，提高发动机效率的一种 表面防护技术。目前广泛应用的热障涂层陶瓷层材料主要是7-8wt。/。Y203稳定的Zr02(YSZ)。 伹是，YSZ也有一些不足，如从室温到高温Zr02存在以下相变过程。从单斜相到四 方相的转变过程中存在3 5%的体积收缩。正是这种体积变化导致纯Zr02在热循环 条件下容易发生破碎。YSZ从高温冷却到室温保持亚稳四方相(t')，但是YSZ长 时间工作温度不能高于1473 K, —方面YSZ在1473 K产生烧结，另一方面在更 高温度下，亚稳四方相(t')转变为四方相和立方相，然后在冷却的过程中转变为 单斜相，使得涂层产生开裂。火箭发动机点火瞬间，涡轮叶片必须承受瞬态超高温、高速燃气冲刷和烧蚀作用， 陶瓷层表面的温度在2500K以上，接近Zr02的熔点，所以目前在燃气涡轮机叶片 上广泛应用的热障涂层陶瓷层材料YSZ已不能满足发动机涡轮叶片工作环境的要 求。专利技术 内容本专利技术的目的之一是提出一种釆用1^205掺杂YSZ-YSH的陶瓷层材料。本专利技术的另一目的是提出一种采用等离子喷涂工艺在粘结层上制备Nb205掺杂 YSZ-YSH的陶瓷层，制得的陶瓷层具有网状结构，该陶瓷层提高了涡轮叶片抗燃气 冲刷和抗烧蚀的能力。本专利技术是一种耐瞬态超高温的热障涂层陶瓷层材料，是由摩尔百分比为1~5的 氧化钇Y203 、摩尔百分比为1 40的氧化铪Hf02 、摩尔百分比为1~5的氧化铌 Nb2Os以及余量的氧化锆Zr02组成的1^205掺杂YSZ—YSH陶瓷层材料。一种制备耐瞬态超高温的热障涂层陶瓷层材料的方法，包括有下列步骤 第一步，基体前处理对选取的基体进行喷砂，使基体表面粗糙度及"<0.8; 第二步，釆用等离子喷涂工艺制粘结层将经第一步处理后的基体安装在喷涂设备的工作台上，在第一组等离子喷涂工艺 条件下制得厚度为100 120//m的第一基体； 粘结层粉材为粒径50~ 150pw的NiCoCrAlY;所述第一组等离子喷涂工艺条件为喷涂距离为100 140/nm，喷枪的移动速 度为500 900ww/j ,等离子喷涂电压为60 80 V,电流为400~600 A，送粉 量为20 40g/min ;第三步，采用等离子喷涂工艺制备陶瓷层将经第二步制得的所述第二基体预热到400 900°C，然后在第三组等离子喷涂 工艺条件下制得厚度为150 300//m的网状结构第三基体；所述第三组等离子喷涂工艺条件为喷涂距离为60 90m/n,喷枪的移动速度为 300 800画〃，等离子喷涂电压为60 80 V，电流为400~600 A，陶瓷层空 心粉材的粒径50 100//w ，送粉量为30~60g/min。在本专利技术的第三步骤中陶瓷层粉材的制备为(A) 按目标成分将粉材￥203、 Zr02、 1 02和]^>205混合后采用湿式球磨法研 磨50 70min后，制得粒径1 20//m的混合粉；然后在70~ 120。C的干燥箱中干 燥50 70min后取出，制得干燥混合粉，待用；(B) 将(A)步骤制得的干燥混合粉放入高温炉中，调节反应温度1500 1600°C，反应20 30A后随炉冷却到25。C;取出经球磨制得5 10/// 的前驱物；(C)将(B)步骤制得的前驱物在粘结剂、去离子水中经雾化造粒后得到Nb205 掺杂YSZ-YSH的陶瓷层空心粉材。所述粘结剂用量100g前驱物中加入l 5g;粘结剂为桃胶； 所述去离子水用量100g前驱物中加入50 100附/。本专利技术1^205掺杂YSZ-YSH的陶瓷层材料采用在粉材Zr02、 1 02加入一定 量的Nb205和Y203 ，适量的Hf02加入能够提高陶瓷层的熔点，适量的￥203加入 能够提高陶瓷层的硬度，适量的Nb205加入能够提高陶瓷层的断裂韧性和降低陶瓷 层的热导率。该热障涂层陶瓷层材料能够承受每秒2500K 3000K的瞬态超高温、 马赫节点为3~6的燃气热冲击和冲刷烧蚀。维氏硬度HV 800 1300。在测试温 度2500K，马赫节点3的热冲击循环下，10次后含有Nb2O5掺杂YSZ-YSH陶瓷 材料涂层的基体保持完好；在35次后含有]^ 205掺杂YSZ-YSH陶瓷材料涂层的 基体出现腐蚀点。 附图说明图1是本专利技术的热障涂层剖面结构示意图。图2是实施例1组分材料中热循环前后硬度HV随Hf02的摩尔分数关系曲线。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。热障涂层一般由粘结层和陶瓷层组成，粘结层制备在基体与陶瓷层之间(参见图 1所示)。在本专利技术中，基体为镍基高温合金材料；粘结层为粒径50 150//附的 NiCoCrAlY材料；陶瓷层为粒径50~ 150//附的1^205掺杂YSZ—YSH材料。本专利技术的耐瞬态超高温热障涂层陶瓷层材料是由摩尔百分比为1~5的氧化钇 Y203 、摩尔百分比为1 40的氧化铪HfO2、摩尔百分比为1 5的氧化铌Nb20s 以及余量的氧化锆Zr(32组成。本专利技术是一种采用等离子喷涂工艺制备耐瞬态超高温热障涂层陶瓷层的方法，其 包括有下列制备步骤 第一步，基体前处理对选取的基体进行喷砂，使基体表面粗糙度/^<0.8;第二步，采用等离子喷涂工艺制粘结层将经第一步处理后的基体安装在喷涂设备的工作台上，在第一组等离子喷涂工艺 条件下制得厚度为100 120//附的第一基体； 粘结层粉材为粒径50 150//附的NiCoCrAlY;所述第一组等离子喷涂工艺条件为喷涂距离为100 140m/n，喷枪的移动速 度为500 900羅/j ,等离子喷涂电压为60~80 V，电流为400~600 A，送粉 量为20~40g/min;第三步，采用等离子喷涂工艺制备陶瓷层将经第二步制得的所述第二基体预热到400 90CTC，然后在第三组等离子喷涂 工艺条件下制得厚度为150 300//m的网状结构第三基体；所述第三组等离子喷涂工艺条件为喷涂距离为60 90m/n，喷枪的移动速度为 300 800画〃，等离子喷涂电压为60 80 V，电流为400 600 A，陶瓷层空 心粉材的粒径50~ IOO//w ，送粉量为30~60g/min 。在本专利技术的第三步骤中陶瓷层粉材的制备为(A) 按目标成分将粉材￥203、 Zr02、 1 02和1^205混合后釆用湿式球磨法研 磨50 70min后，制得粒径1 2C^m的混合粉；然后在70 120。C的干燥箱中干 燥50 70min后取出，制得干燥混合粉，待用；(B) 将(A)步骤制得的干燥混合粉放入高温炉中，调节反应温度1500~ 1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耐瞬态超高温的热障涂层陶瓷层材料，其特征在于：是由摩尔百分比为１～５的氧化钇Ｙ↓［２］Ｏ↓［３］、摩尔百分比为１～４０的氧化铪ＨｆＯ↓［２］、摩尔百分比为１～５的氧化铌Ｎｂ↓［２］Ｏ↓［５］以及余量的氧化锆ＺｒＯ↓［２］组成的Ｎｂ↓［２］Ｏ↓［５］掺杂ＹＳＺ－ＹＳＨ陶瓷层材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭洪波，王毅，徐惠彬，宫声凯，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]