一种超高温热障涂层用中空结构粉末及其制备方法与应用、超高温热障涂层技术

本发明专利技术涉及一种超高温热障涂层用中空结构粉末及其制备方法与应用、超高温热障涂层，属于材料领域。制备方法包括：混合锆酸钆原料、分散剂及粘结剂，然后喷雾造粒成微米级团聚粉末。上述制备方法干燥过程非常迅速，生产效率高，可直接干燥成粉末，易调整工艺参数，生产能力大，产品质量高。制备的中空结构粉末粒径较均匀、粒径尺寸分布范围可控且粉末流动性较好，易进入等离子体焰流中心，形成的射流较稳定，具有优异的喷涂适用性。将其用于生产发动机部件的热障涂层，能使发动机部件适应更加恶劣的高温、高压和强腐蚀工作环境。含有上述中空结构粉末的超高温热障涂层，具有较高的结合强度、分布均匀的孔隙和优异的热冲击循环寿命。

Hollow structure powder for ultra-high temperature thermal barrier coating and its preparation method and application, ultra high temperature thermal barrier coating

The invention relates to a hollow structure powder for ultra-high temperature thermal barrier coating, a preparation method and application thereof, and an ultra-high temperature thermal barrier coating, belonging to the material field. The preparation methods include: mixing gadolinium zirconium gadolinium raw material, dispersant and binder, then spray granulation into micron sized agglomerated powder. The preparation method has the advantages of rapid drying process, high production efficiency, direct drying to powder, easy adjustment of process parameters, large production capacity and high product quality. The prepared hollow structure powder has uniform particle size, controllable particle size distribution and good powder fluidity. It is easy to enter the center of plasma flame and form a stable jet, which has excellent spraying applicability. It can be used to produce thermal barrier coatings for engine parts, which can make engine parts adapt to worse working conditions of high temperature, high pressure and strong corrosion. The ultra-high temperature thermal barrier coatings containing the hollow structure powders have high bond strength, uniform pore distribution and excellent thermal shock cycle life.

【技术实现步骤摘要】
一种超高温热障涂层用中空结构粉末及其制备方法与应用、超高温热障涂层
本专利技术涉及材料领域，且特别涉及一种超高温热障涂层用中空结构粉末及其制备方法与应用、超高温热障涂层。
技术介绍
随着航空燃气涡轮发动机向高流量比、高推重比、高进口温度的方向发展，燃烧室中的燃气温度和压力不断提高，而现有的高温合金和冷却技术难以满足需要，为此，发展热障涂层技术是必然的发展趋势。热障涂层(TBCs)，又称隔热涂层，是一种陶瓷保护层，通过涂覆工艺(如大气等离子喷涂)将陶瓷材料沉积在高温合金热端部件表面，将部件与高温燃气隔离，利用陶瓷的低导热性，使高温燃气和金属部件之间产生很大的温降，以达到保护热端部件、提高燃气热效率和延长热机寿命的目的。经过几十年的研究，高温合金的使用温度已经能够达到1050℃，结合定向凝固、单晶技术和先进的气膜冷却技术可使高温合金承受1400℃的高温，但却不可避免的降低了发动机的热效率。通过对目前的研究结果分析，想要通过冷却技术的继续突破、基体材料的进一步研究和发动机结构的改进使叶片适应大幅的温度提高已经十分困难。但发动机燃烧室中服役温度和压力的不断升高是未来发展的必然趋势，其工作温度自上世纪四十年代以几乎保持15℃/年的上升速率，燃气压力更是升高了近3倍，当前热端部件的工作温度在1400-1500℃，燃气温度已达到1600℃上，可能很快达到1930℃，所以研究热障徐层对于使热端部件工作温度提高的同时保证热效率意义重大。制备热障涂层所用粉末的性能决定了涂层的性能。过去30年广泛使用氧化钇稳定氧化锆(YSZ)作为热障涂层表层陶瓷材料。其熔点高(2680℃)、热膨胀系数大(1200℃时11×10-6K-1)、热导率低(2.2W·m-1·K-1)、弹性模量低(40GPa)、工艺成熟且价格便宜。但是YSZ热障涂层1200℃以上使用时的相变缺陷阻碍了其进一步高温条件的使用。所以需要寻找更优实际高温使用性能的热障材料，适应燃烧室温度向高流量比、高进口温度方向的发展这一必然趋势，也是目前及未来热障涂层领域研究的热点与重点。有望取代现在广泛使用8YSZ的新型热障涂层材料，主要分为A2B2O7型稀土锆酸盐材料、ZrO2缺陷丛材料、(La,Nd)MAl11O19型六铅酸盐材料以及ABO3型钙钛矿材料。A2B2O7型稀土锆酸盐在热障涂层领域体现出巨大的发展潜力，其在1200℃以上良好的高温稳定性和较低的热导率，且热物理性能要比氧化锆优越。对于服役温度超过1300℃的场合，具有烧绿石结构的锆酸盐热障涂层也具有比YSZ更好的性能。A2B2O7的A位置和B位置被不同的稀土元素取代可得到150多种其他稀土锆酸盐材料同样表现出低热导率和高熔点性质。而其中锆酸钆(Gd2Zr2O7)在1000-1400℃高温区间的热导率为1.0Wm-1K-1，比8YSZ低一半左右。并且在锆酸盐材料中由于有较高的热膨胀系数(在100-1500℃范围内介于8.8-11.0×10-6℃-1之间，与8YS接近)能降低界面应力，提高使用寿命，是非常具有发展前景的超高温(>1200℃)TBC材料。纳米级的锆酸钆细粉，虽然能够较好的提升热障涂层的综合性能，但由于流动性差、易吸附等缺点，也无法直接用于热喷涂制备涂层。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种超高温热障涂层用中空结构粉末的制备方法，制备方法干燥过程非常迅速，生产效率高，可直接干燥成粉末，易调整工艺参数，生产能力大，产品质量高。本专利技术的目的之二在于提供一种由上述制备方法制备而得的超高温热障涂层用中空结构粉末，该超高温热障涂层用中空结构粉末粒径比较均匀、粒径尺寸分布范围可控且粉末流动性较好，容易进入等离子体焰流中心，形成的射流比较稳定，具有优异的喷涂适用性。本专利技术的目的之三在于提供一种上述超高温热障涂层用中空结构粉末的应用，例如可将其用于生产发动机部件的热障涂层，能够使发动机部件适应更加恶劣的高温、高压和强腐蚀工作环境。本专利技术的目的之四在于提供一种含有上述超高温热障涂层用中空结构粉末的超高温热障涂层，使超高温热障涂层拥有较高的结合强度、分布均匀的孔隙和优异的热冲击循环寿命。本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：本专利技术提出一种超高温热障涂层用中空结构粉末的制备方法，包括以下步骤：混合锆酸钆原料、分散剂及粘结剂，得锆酸钆浆料，将锆酸钆浆料喷雾造粒成微米级团聚粉末。优选地，锆酸钆原料为粒度为5-15nm的锆酸钆粉末。优选地，分散剂包括聚丙烯酸。优选地，粘结剂包括聚乙烯吡咯烷酮。优选地，分散剂、粘结剂与锆酸钆原料的质量比为3-10：3-12：100。本专利技术还提出一种超高温热障涂层用中空结构粉末，其由上述制备方法制备而得。本专利技术还提出一种上述超高温热障涂层用中空结构粉末的应用，例如可将其用于生产发动机部件的热障涂层。本专利技术还提出一种超高温热障涂层，该超高温热障涂层含有上述超高温热障涂层用中空结构粉末。本专利技术较佳实施例提供的超高温热障涂层用中空结构粉末及其制备方法与应用、超高温热障涂层的有益效果包括：本专利技术较佳实施例中以纳米级锆酸钆粉末为原料，采用喷雾造粒工艺制备超高温热障涂层用中空结构粉末。分散剂及粘结剂的使用能够使粉末团聚及分散效果均较佳，浆料粘度适中。由于纳米粉末不能直接用于喷涂，流动性极差会堵住喷枪，而且在喷涂过程易于氧化，极易燃烧，不能满足应用的要求。在不改变粉末纳米结构的情况下，将纳米粉末团聚为适合热喷涂的微米粉末，解决了陶瓷粉末流动性差以及难以喷涂的难点。此外与相同成分的常规微米粉末相比，纳米锆酸钆粉末的力学性能和耐磨耐蚀性能都得到了较大幅度的提高，具有很好的综合性能和使用价值，为高性能纳米涂层的制备和应用提供了新的途径和科学依据。本专利技术较佳实施例提供的超高温热障涂层用中空结构粉末的制备方法干燥过程非常迅速，生产效率高，可直接干燥成粉末，易调整工艺参数，生产能力大，产品质量高。制备的超高温热障涂层用中空结构粉末粒径比较均匀、粒径尺寸分布范围可控且粉末流动性较好，容易进入等离子体焰流中心，形成的射流比较稳定，具有优异的喷涂适用性。将其用于生产发动机部件的热障涂层，能够使发动机部件适应更加恶劣的高温、高压和强腐蚀工作环境。含有上述超高温热障涂层用中空结构粉末的超高温热障涂层，使超高温热障涂层拥有较高的结合强度、分布均匀的孔隙和优异的热冲击循环寿命。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1为试验例中实施例1中原始锆酸钆纳米粉末的TEM图；图2为试验例中实施例1中原始锆酸钆纳米粉末的SEM图；图3为试验例中实施例1制备的原始锆酸钆纳米粉末以及喷雾造粒后的团聚粉末的XRD图；图4为试验例中实施例1制备的团聚粉末的粒度分析图；图5为试验例中实施例1制备的团聚粉末的SEM形貌图；图6为试验例中实施例2制备的团聚粉末的SEM形貌图；图7为试验例中实施例3制备团聚粉末的SEM形貌图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超高温热障涂层用中空结构粉末的制备方法，包括以下步骤：混合锆酸钆原料、分散剂及粘结剂，得锆酸钆浆料，将所述锆酸钆浆料喷雾造粒成微米级团聚粉末；优选地，所述锆酸钆原料为粒度为5‑15nm的锆酸钆粉末；优选地，所述分散剂包括聚丙烯酸；优选地，所述粘结剂包括聚乙烯吡咯烷酮；优选地，所述分散剂、所述粘结剂与所述锆酸钆原料的质量比为3‑10：3‑12：100。

【技术特征摘要】
1.一种超高温热障涂层用中空结构粉末的制备方法，包括以下步骤：混合锆酸钆原料、分散剂及粘结剂，得锆酸钆浆料，将所述锆酸钆浆料喷雾造粒成微米级团聚粉末；优选地，所述锆酸钆原料为粒度为5-15nm的锆酸钆粉末；优选地，所述分散剂包括聚丙烯酸；优选地，所述粘结剂包括聚乙烯吡咯烷酮；优选地，所述分散剂、所述粘结剂与所述锆酸钆原料的质量比为3-10：3-12：100。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述锆酸钆原料先与所述分散剂第一次混合，得第一浆料，然后再与所述粘结剂第二次混合，得所述锆酸钆浆料；优选地，第一次混合与第二次混合均为球磨混合；优选地，第一次混合与第二次混合的时间均为2-4h。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，第一次混合与第二次混合均为球磨混合，球磨介质与所述锆酸钆原料的质量比为(1：1)-(4：1)。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述球磨介质为氧化锆球；优选地，所述球磨介质同时包括不同粒径的氧化锆球；优选地，所述球磨介质同时包括粒径分别为4-8mm、8-12mm以及18-2...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱仁波，毛杰，邹俭鹏，刘敏，邓畅光，邓春明，邓子谦，殷建安，
申请(专利权)人：广东省新材料研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44