一种热障涂层表面超疏水结构的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种热障涂层表面超疏水结构的制备方法，属于表面加工处理技术领域。将前处理后的热障涂层在双氧水和浓硫酸的混合溶液中水浴，再采用飞秒激光进行辐照。本发明专利技术方法获得的表面水珠静态接触角为139～141°，与未加工表面静态接触角80.5°相比，表面特性由亲水性转变为超疏水性，可以有效提高热障涂层的防腐蚀性和自清洁作用。

Preparation method of super hydrophobic structure on thermal barrier coating surface

The invention discloses a preparation method of a superhydrophobic structure on the surface of a thermal barrier coating, belonging to the technical field of surface processing. The pretreated thermal barrier coatings were irradiated by femtosecond laser in a mixed solution of hydrogen peroxide and concentrated sulfuric acid. The static contact angle of the surface water droplets obtained by the method is 139 to 141 degrees. Compared with the static contact angle of the unprocessed surface of 80.5 degrees, the surface characteristics change from hydrophilicity to superhydrophobicity, which can effectively improve the corrosion resistance and self-cleaning effect of the thermal barrier coating.

【技术实现步骤摘要】
一种热障涂层表面超疏水结构的制备方法
本专利技术公开了一种热障涂层表面超疏水结构的制备方法，属于表面加工处理

技术介绍
众所周知，在金属材料表面制备微纳结构，一般都要经过表面修饰，才能产生疏水性，而修饰材料一般只能在常温下存在，这就极大地限制了微结构疏水特性在极端情况下的应用范围。清华大学林澄通过构造金属材料表面微结构，不经任何修饰，也可以使其产生一定的疏水性结构，接触角为121°～134°，表现出优异的疏水性。陆洲采用了阳极氧化-表面修饰法，在铝基材料表面制备了氧化铝超疏水表面，实验结果表明，材料的抗电解质环境腐蚀能力显著提高。尽管这些制备表面微结构的方法相对简单，但是还需要进行表面修饰，并且这个方法对于有冷却气孔的零件来说，并不适用。目前，由于大气中的CMAS粉尘较多，在航空发动机的长期服役中，它们会被压缩空气从大气环境中带入到发动机高温区，这些复杂的CMAS尘埃颗粒直径一般在2mm以下，会以固体颗粒或半熔融液体颗粒(受高温作用)形态直接撞击到叶片涂层表面。CMAS灰尘成分比较复杂，但主要是由CaO-MgO-Al2O3-SiO2等材料组成，由于这些复杂混合氧化物的熔点相对较低，它们在高温时(大约1000～1200℃)会以液态或半液态附着在涂层表面，继而沉积在陶瓷层表面。部分CMAS再以液态或者离子态沿陶瓷层孔隙、缺陷或者柱状晶之间的间隙浸润到陶瓷层内部，从而对陶瓷涂层性能产生损伤。而在发动机停机时，随着温度降低到常温，它们在陶瓷层表面会形成了一层脆性硬壳状物质，从而对热障涂层造成严重损伤，大大降低了热障涂层的使用寿命。为了防止CMAS因附着在陶瓷层表面对涂层性能产生的损伤，我们仿照荷叶表面疏水性原理，在涂层表面设计制造出疏液态CMAS的仿生微结构，来防止液态或者半液态状的CMAS在陶瓷层表面产生粘附以及离子浸入。为此，我们利用超短脉冲飞秒激光在陶瓷层表面制备出具有疏水性的微纳结构，目的是希冀这种微结构能对高温中形成的CMAS产生部分疏离效果。飞秒激光具有非常高的瞬时功率，当飞秒激光照射在材料表面时，其能量可将材料直接气化；飞秒激光具有非常小的聚焦半径，加工过程中，材料受到的损伤微小，能显著提高材料的加工精度和表面光洁度；飞秒激光持续时间非常短，材料的热效应非常小，可以实现真正意义上的“冷加工”，实现在微米和纳米尺度上的微加工。
技术实现思路
本专利技术针对热障涂层疏水性的技术需求，提供了一种热障涂层疏水性表面的制备方法，利用飞秒激光辐照EB-PVD制备的热障涂层(ZrO2+8Y2O3)表面，制备出具有一定超疏水性能的表面微结构，制备过程简单，操作方便。一种超疏水性热障涂层表面的制备方法，具体步骤为：1、前处理：将热障涂层(ZrO2+8Y2O3)先用去离子水清洗，然后按照顺序依次用甲苯、丙酮、氯仿、无水乙醇、去离子水分别超声清洗20分钟。2、预处理：先将热障涂层在双氧水和浓硫酸的混合溶液中水浴，然后再次用去离子水清洗,最后按照顺序依次在去离子水、丙酮、乙醇中分别超声清洗20分钟，最后氮气吹干。双氧水浓度为30％，浓硫酸浓度为96％～98％，体积比为3：7，水浴温度为85℃，水浴时间为50-70分钟。3、飞秒激光辐照：控制单脉冲能量，扫描速度等参数，对步骤(2)获得的热障涂层进行辐照。辐照时间越长，加工面积越大。4、飞秒激光波长800nm，脉宽240fs，重频1KHz，单脉冲能量为0.3～2W，扫描速度为50mm/s，加工光斑中心距D＝35～50μm；优选45μm。本专利技术的有益效果：本专利技术方法获得的表面水珠静态接触角为139～141°，与未加工表面静态接触角80.5°相比，表面特性由亲水性转变为超疏水性，可以有效提高热障涂层的防腐蚀性和自清洁作用。附图说明图1为未加工热障涂层(ZrO2+8Y2O3)的表面SEM和表面接触角；图2为实施例1制备的热障涂层(ZrO2+8Y2O3)所得表面SEM和表面接触角；图3为实施例2制备的热障涂层(ZrO2+8Y2O3)所得表面SEM和表面接触角；图4为实施例3制备的热障涂层(ZrO2+8Y2O3)所得表面SEM和表面接触角。具体实施方式现将本专利技术的实施例叙述于后，但本专利技术不应仅限于实施例。实施例1：一种热障涂层表面超疏水结构的制备方法，具体步骤为：1、前处理：将热障涂层先用去离子水清洗，然后按照顺序依次用甲苯、丙酮、氯仿、无水乙醇、去离子水分别超声清洗20分钟。2、预处理：先将热障涂层在双氧水和浓硫酸的混合溶液中水浴，然后再次将热障涂层(ZrO2+8Y2O3)试样用去离子水清洗,最后按照顺序依次在去离子水、丙酮、乙醇中分别超声清洗20分钟，最后氮气吹干。双氧水浓度为30％，浓硫酸浓度为96％～98％，水浴温度为85℃，水浴时间为50-70分钟。3、飞秒激光辐照：控制单脉冲能量，扫描速度等参数，对步骤(2)获得的热障涂层(ZrO2+8Y2O3)试样表面进行辐照。4、飞秒激光波长800nm，脉宽240fs，重频1KHz，加工光斑中心距50μm，光斑尺寸22μm，单脉冲能量为0.3W，扫描速度为50mm/s。未加工表面的接触角如图1所示，接触角为80.5°。本实施例制备的热障涂层(ZrO2+8Y2O3)表面的SEM和接触角如图2所示。从图2可知，所得表面静态接触角为139.2°，相比没有加工表面静态接触角80.5°左右，表面特性由亲水性转变为超疏水性。实施例2：一种热障涂层表面超疏水结构的制备方法，具体步骤为：1、前处理：将热障涂层先用去离子水清洗，然后按照顺序依次用甲苯、丙酮、氯仿、无水乙醇、去离子水分别超声清洗20分钟。2、预处理：先将热障涂层在双氧水和浓硫酸的混合溶液中水浴，然后再次将热障涂层(ZrO2+8Y2O3)试样用去离子水清洗,最后按照顺序依次在去离子水、丙酮、乙醇中分别超声清洗20分钟，最后用氮气吹干。双氧水浓度为30％，浓硫酸浓度为96％～98％，水浴温度为85℃，水浴时间为50-70分钟。3、飞秒激光辐照：控制单脉冲能量，扫描速度等参数，对步骤(2)获得的热障涂层(ZrO2+8Y2O3)试样表面进行辐照。4、飞秒激光波长800nm，脉宽240fs，重频1KHz，加工光斑中心距D＝45μm，光斑尺寸22μm，单脉冲能量为0.3W，扫描速度为50mm/s。本实施例制备的热障涂层(ZrO2+8Y2O3)表面的SEM和接触角如图3所示。从图3可知，所得表面静态接触角为141.5°，相比没有加工表面静态接触角80.5°左右，表面特性由亲水性转变为超疏水性。实施例3：一种热障涂层表面超疏水结构的制备方法，具体步骤为：1、前处理：将热障涂层先用去离子水清洗，然后按照顺序依次用甲苯、丙酮、氯仿、无水乙醇、去离子水分别超声清洗20分钟。2、预处理：先将热障涂层在双氧水和浓硫酸的混合溶液中水浴，然后再次将热障涂层(ZrO2+8Y2O3)试样用去离子水清洗,最后按照顺序依次在去离子水、丙酮、乙醇中分别超声清洗20分钟，最后用氮气吹干。双氧水浓度为30％，浓硫酸浓度为96％～98％，水浴温度为85℃，水浴时间为50-70分钟。3、飞秒激光辐照：控制单脉冲能量，扫描速度等参数，对步骤(2)获得的热障涂层(ZrO2+8Y2O3)试样表面进行辐照。4、飞秒激光波长800本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热障涂层表面超疏水结构的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：将前处理后的热障涂层ZrO2+8Y2O3在双氧水和浓硫酸的混合溶液中水浴、清洗后采用飞秒激光辐照，热障涂层ZrO2+8Y2O3表面特性由亲水性转变为超疏水性，提高热障涂层的防腐蚀性和自清洁作用。

【技术特征摘要】
1.一种热障涂层表面超疏水结构的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：将前处理后的热障涂层ZrO2+8Y2O3在双氧水和浓硫酸的混合溶液中水浴、清洗后采用飞秒激光辐照，热障涂层ZrO2+8Y2O3表面特性由亲水性转变为超疏水性，提高热障涂层的防腐蚀性和自清洁作用。2.如权利要求1所述的一种热障涂层表面超疏水结构的制备方法，其特征在于，所述的前处理指：将热障涂层ZrO2+8Y2O3先用去离子水清洗，然后按照顺序依次用甲苯、丙酮、氯仿、无水乙醇、去离子水分别超声清洗20分钟。3.如权利要求1所述的一种热障涂层表面超疏水结构的制备方法，其特征在于，双氧水浓度为30％，浓硫酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：花银群，帅文文，叶云霞，李浩然，李志宝，陈瑞芳，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32