一种镁合金表面新结构热障涂层及其制备方法技术

本发明专利技术属于金属材料表面改性领域，涉及一种镁合金表面新结构热障涂层及其制备方法。解决现有NiCoCrAlY/YSZ热障涂层由于基体的氧化烧蚀以及涂层与基体的热膨胀不匹配，导致热障涂层与基体的结合稳定性差，TBC易脱落，热震寿命不高的技术问题。本发明专利技术是由Ni‑P/Al/Ni‑P过渡层、NiCoCrAlY粘结层和YSZ陶瓷面层组成的新结构热障涂层，显著地提高了热障涂层的热震寿命。本发明专利技术提供的制备方法通过在镁合金表面设计制备了一种新型的Ni‑P/Al/Ni‑P“三明治结构”过渡层，从而解决了APS过程中由于等离子火焰对镁合金基体的氧化烧蚀以及涂层与基体的热膨胀不匹配而导致TBC与镁合金基体界面结合稳定性差的难题，从而显著地提高镁合金表面TBC的结合强度和高温热震寿命。

A new structure thermal barrier coating on magnesium alloy surface and its preparation method

The invention belongs to the field of surface modification of metal materials, and relates to a new structure thermal barrier coating on magnesium alloy surface and a preparation method thereof. The existing NiCoCrAlY/YSZ thermal barrier coatings have some technical problems, such as poor bonding stability, easy shedding of TBC and low thermal shock life, due to oxidation and ablation of the substrate and mismatch of thermal expansion between the coating and the substrate. The invention is a new structure thermal barrier coating composed of a Ni_P/Al/Ni_P transition layer, a NiCoCrAlY bonding layer and a YSZ ceramic surface layer, and remarkably improves the thermal shock life of the thermal barrier coating. The preparation method provided by the invention solves the problem of interfacial bonding between TBC and magnesium alloy matrix due to oxidation and ablation of magnesium alloy matrix by plasma flame and thermal expansion mismatch between coating and substrate during APS process by designing and preparing a novel Ni_P/Al/Ni_P \sandwich structure\ transition layer on magnesium alloy surface. Therefore, the bonding strength and thermal shock life of TBC on magnesium alloy surface are significantly improved.

【技术实现步骤摘要】
一种镁合金表面新结构热障涂层及其制备方法
本专利技术属于金属材料表面改性领域，具体涉及一种镁合金表面新结构热障涂层及其制备方法。
技术介绍
镁合金具有低密度、高比强度等特点，在汽车、航空航天、武器装备等行业具有重要的应用前景。然而镁合金的耐热性、耐蚀性和耐磨性能较差，大大限制了其在高温氧化环境中的应用。在镁合金表面制备YSZ(Y2O3稳定的ZrO2)热障涂层(ThermalBarrierCoating,TBC)是提高镁合金耐热、耐蚀和耐磨性能的一种重要方法。公开号为CN102277606A的中国专利公开了一种在镁合金表面采用等离子电解-电泳复合处理技术制备ZrO2复合陶瓷膜。该方法得到的微弧氧化膜层具有较好的耐磨性、耐蚀性，但是此膜层是由多种氧化物组成的复合陶瓷膜层，热震时氧化膜层强度大幅度降低，氧化膜层会很快破碎剥落，膜层优异的高温性能难以发挥。文献报道[JournalofThermalSprayTechnology,2011,20(4):948-957],在镁合金表面采用大气等离子喷涂(Atmosphericplasmaspraying,APS)技术制备了NiCoCrAlY/YSZ热障涂层，尽管相比于上述专利公开的ZrO2复合陶瓷膜的热震寿命有所提高，但是由于APS对镁合金基体的氧化烧蚀以及NiCoCrAlY/YSZ涂层与镁合金基体的热膨胀不匹配，导致涂层与镁合金基体的界面稳定性欠佳，涂层仍然容易脱落，其热震寿命有待进一步提高。
技术实现思路
本专利技术要解决现有技术中制备的NiCoCrAlY/YSZ热障涂层由于基体的氧化烧蚀以及涂层与基体的热膨胀不匹配，导致热障涂层与基体的结合稳定性差，TBC易脱落，热震寿命不高的技术问题，提供一种镁合金表面新结构热障涂层及其制备方法。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案具体如下：一种镁合金表面新结构热障涂层，该热障涂层是依次由三明治结构的Ni-P/Al/Ni-P过渡层、NiCoCrAlY粘结层和YSZ陶瓷面层组成。在上述技术方案中，所述Ni-P/Al/Ni-P过渡层中上、下的Ni-P层的厚度相同，均为20-40μm，Al层的厚度为90-110μm，所述NiCoCrAlY粘结层的厚度为50-150μm，所述YSZ陶瓷面层的厚度为100-300μm。在上述技术方案中，所述Ni-P/Al/Ni-P过渡层中上、下的Ni-P层的厚度相同，均为30μm，Al层的厚度为100μm，所述NiCoCrAlY粘结层的厚度为100μm，所述YSZ陶瓷面层的厚度为200μm。一种镁合金表面新结构热障涂层的制备方法，包括以下步骤：步骤一：对镁合金基体进行预处理，得到预处理后的镁合金基体；步骤二：运用酸性化学镀方法对步骤一预处理后的镁合金基体依次进行除油、碱洗、酸洗、活化、化学镀镍，从而在镁合金基体表面制备出Ni-P层；步骤三：在步骤二制备的Ni-P层表面通过APS技术喷涂Al粉末，制备出Al层；步骤四：对步骤三制备的样品依次进行除油、碱洗、浸锌、出光、二次浸锌、碱性预镀、化学镀镍，从而在Al层表面制备出Ni-P层；步骤五：在步骤四制备的Ni-P层表面通过APS技术依次喷涂NiCoCrAlY粉末、YSZ粉末，制备出NiCoCrAlY粘结层，以及YSZ陶瓷面层。在上述技术方案中，步骤一具体步骤为：用电火花线切割机切割出尺寸为30mm×16mm×5mm的镁合金样品，对样品表面用1000目砂纸进行打磨，然后用36目刚玉砂对样品表面进行喷砂处理，最后在超声波清洗器中用无水乙醇清洗5min，自然风干后得到预处理后的镁合金基体。在上述技术方案中，步骤二具体步骤为：1)除油：用30mL无水乙醇对预处理后的镁合金基体进行超声清洗10min，除去镁合金表面油污与杂质；2)碱洗：称取2.5gNaOH、0.5gNa3PO4·12H2O，分别用10mL去离子水溶解，将两种溶液混合均匀配制成50mL碱洗液，将步骤1)处理后的样品在60℃条件下放入碱洗液中反应10min，从而去除样品表面的污垢和制备时产生的油污；3)酸洗：称取6.25gCrO3溶于10mL去离子水、5.5mL浓HNO3，将两种溶液混合均匀后配制成50mL酸洗液，将步骤2)处理后的样品在酸洗液中反应45～60s，酸洗之后用滤纸轻轻擦去样品表面的黑色物质，以除去金属表面的氧化膜、氧化皮、嵌入的污垢；4)活化：取20mL质量分数为40％的HF，稀释成50mL的活化液，将步骤3)处理后的样品在活化液中反应10min，进一步去除样品表面的氧化物并在样品表面生成一层致密的MgF2膜；5)化学镀镍：称量3gNiSO4·6H2O、0.75g柠檬酸、3gNa2H2PO2·H2O、1.5gNH4F分别用10mL去离子水溶解成溶液，并依次编号1#、2#、3#、4#溶液；量取1.8mL质量分数为40％的HF溶液加入4#溶液混合均匀并编号为5#溶液；将2#溶液加入到1#溶液中混合均匀并编号6#溶液，再将5#、3#溶液分别加入6#溶液混合均匀后配制成150mL镀液，并用15mL氨水调节pH至5.5～7.5，将步骤4)处理后的样品置于镀液中75℃条件下反应1.5-3h；各步骤之间均需用10mL去离子水清洗样品表面，再进行下一步处理。在上述技术方案中，步骤三中Al粉的APS喷涂参数为：喷涂电流550-650A，氩气流量44-48SLPM、氢气流量7-9SLPM，喷涂距离90-110mm。在上述技术方案中，步骤四中在Al层表面二次化学镀Ni-P层的具体操作为：1)除油：取30mL无水乙醇对步骤三得到的样品超声5min，除去表面油污与杂质；2)碱洗：称取0.75gNaCO3、0.4gNaSiO3·9H2O、1.9gNaH2PO4·2H2O、1.5gNaOH分别用10mL去离子水溶解，然后将四种溶液混合均匀后配制成50mL碱洗液，在80℃条件下将步骤1)处理后的样品放入碱洗液中反应1min；3)出光：将步骤2)处理后的样品放入30mL质量分数65％的浓硝酸溶液浸泡15s；4)一次浸锌：称取2.5gNaOH、2.5g四水合酒石酸钾钠、0.1gFeCl3·6H2O、0.05gNaNO3分别用10mL去离子水溶解，在80℃条件下将0.25gZnO边加入NaOH溶液中边搅拌至完全溶解，将FeCl3·6H2O和NaNO3溶液搅拌下倒入酒石酸钾钠溶液中，将后者混合液倒入前者混合液中混合均匀后配制成50mL浸锌液，在室温下将步骤3)处理后的样品放入浸锌液中反应50s；5)退锌：用30mL质量分数20％的硝酸溶液将步骤4)处理后的样品浸泡25s；6)二次浸锌：将步骤5)处理后的样品再次放入浸锌液中反应30s；7)碱性预镀：称量1.25gNiSO4·6H2O、1.25gNaH2PO2·H2O、1.5gNH4Cl、1.5g二水合柠檬酸钠，分别用10mL去离子水溶解上述药品；将氯化铵溶液、柠檬酸钠溶液搅拌混合在一起并往其中加入0.5-0.75mL三乙醇胺，搅拌混合均匀，将该混合液与硫酸镍溶液搅拌混合均匀，最后将次亚磷酸钠溶液加入混合液中，搅拌均匀配制50mL预镀液，用2mL氨水调节pH至8.5～9，常温下将步骤6)处理后的样品放入预镀液中反应3min；8)化学镀镍：称量3gNiSO4·6H2O、3.5g本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镁合金表面新结构热障涂层，其特征在于，该热障涂层是依次由三明治结构的Ni‑P/Al/Ni‑P过渡层、NiCoCrAlY粘结层和YSZ陶瓷面层组成。

【技术特征摘要】
1.一种镁合金表面新结构热障涂层，其特征在于，该热障涂层是依次由三明治结构的Ni-P/Al/Ni-P过渡层、NiCoCrAlY粘结层和YSZ陶瓷面层组成。2.根据权利要求1所述的镁合金表面新结构热障涂层，其特征在于，所述Ni-P/Al/Ni-P过渡层中上、下的Ni-P层的厚度相同，均为20-40μm，Al层的厚度为90-110μm，所述NiCoCrAlY粘结层的厚度为50-150μm，所述YSZ陶瓷面层的厚度为100-300μm。3.根据权利要求1所述的镁合金表面新结构热障涂层，其特征在于，所述Ni-P/Al/Ni-P过渡层中上、下的Ni-P层的厚度相同，均为30μm，Al层的厚度为100μm，所述NiCoCrAlY粘结层的厚度为100μm，所述YSZ陶瓷面层的厚度为200μm。4.一种权利要求1-3任意一项所述的镁合金表面新结构热障涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：对镁合金基体进行预处理，得到预处理后的镁合金基体；步骤二：运用酸性化学镀方法对步骤一预处理后的镁合金基体依次进行除油、碱洗、酸洗、活化、化学镀镍，从而在镁合金基体表面制备出Ni-P层；步骤三：在步骤二制备的Ni-P层表面通过APS技术喷涂Al粉末，制备出Al层；步骤四：对步骤三制备的样品依次进行除油、碱洗、浸锌、出光、二次浸锌、碱性预镀、化学镀镍，从而在Al层表面制备出Ni-P层；步骤五：在步骤四制备的Ni-P层表面通过APS技术依次喷涂NiCoCrAlY粉末、YSZ粉末，制备出NiCoCrAlY粘结层，以及YSZ陶瓷面层。5.根据权利要求4所述的镁合金表面新结构热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤一具体步骤为：用电火花线切割机切割出尺寸为30mm×16mm×5mm的镁合金样品，对样品表面用1000目砂纸进行打磨，然后用36目刚玉砂对样品表面进行喷砂处理，最后在超声波清洗器中用无水乙醇清洗5min，自然风干后得到预处理后的镁合金基体。6.根据权利要求4所述的镁合金表面新结构热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤二具体步骤为：1)除油：用30mL无水乙醇对预处理后的镁合金基体进行超声清洗10min，除去镁合金表面油污与杂质；2)碱洗：称取2.5gNaOH、0.5gNa3PO4·12H2O，分别用10mL去离子水溶解，将两种溶液混合均匀配制成50mL碱洗液，将步骤1)处理后的样品在60℃条件下放入碱洗液中反应10min，从而去除样品表面的污垢和制备时产生的油污；3)酸洗：称取6.25gCrO3溶于10mL去离子水、5.5mL浓HNO3，将两种溶液混合均匀后配制成50mL酸洗液，将步骤2)处理后的样品在酸洗液中反应45～60s，酸洗之后用滤纸轻轻擦去样品表面的黑色物质，以除去金属表面的氧化膜、氧化皮、嵌入的污垢；4)活化：取20mL质量分数为40％的HF，稀释成50mL的活化液，将步骤3)处理后的样品在活化液中反应10min，进一步去除样品表面的氧化物并在样品表面生成一层致密的MgF2膜；5)化学镀镍：称量3gNiSO4·6H2O、0.75g柠檬酸、3gNa2H2PO2·H2O、1.5gNH4F分别用10mL去离子水溶解成溶液，并依次编号1#、2#、3#、4#溶液；量取1.8mL质量分数为40％的HF溶液加入4#溶液混合均匀并编号为5#溶液；将2#溶液加入到1#溶液中混合均匀并编号6#溶液，再将5#、3#溶液分别加入6#溶液混合均匀后配制成150mL镀液，并用15mL氨水调节pH至5.5～7....

【专利技术属性】
技术研发人员：邹兵林，杨珊，王盈，蔡晓龙，曹学强，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22