一种高寿命YSZ热障涂层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高寿命YSZ热障涂层的制备方法，将电喷法和相转化方法结合，使用纳米氧化钇氧化锆均匀混合，之后进行电喷和烧结等过程，并采用等离子喷涂的方法制备YSZ热障涂层。该涂层具有大量的微孔隙和微裂纹结构，使得该涂层裂纹扩展速度减慢，抗热腐蚀热冲击性能好，热循环寿命大大提高，该制备方法设备简单、效率较高、成本低、且可灵活调控涂层成分，该涂层具有优异的隔热性能和抗热冲击性能，高温服役状态下物相稳定强，热循环寿命高，在舰船发动机、航空发动机、地面燃气轮机以及难熔合金热端部件的隔热防护方面具有很高的应用前景，因此可以大大提高工件的服役时间和维护成本，具有很高的应用价值。

A Fabrication Method of High Life YSZ Thermal Barrier Coating

The invention discloses a preparation method of a high-life YSZ thermal barrier coating, which combines the electrospraying method with the phase conversion method, uses nanometer yttrium zirconia to mix evenly, then carries out the electrospraying and sintering process, and uses plasma spraying method to prepare YSZ thermal barrier coating. The coating has a large number of micro-pore and micro-crack structure, which makes the crack growth rate of the coating slow down, the thermal shock resistance to thermal corrosion good, and the thermal cycle life greatly improved. The preparation method has simple equipment, high efficiency, low cost, and can flexibly control the composition of the coating. The coating has excellent thermal insulation and thermal shock resistance, and the phase stability is strong under high temperature service condition. Because of its high thermal cycle life, it has high application prospects in the thermal insulation protection of marine engines, aeroengines, ground gas turbines and refractory alloy hot-end components. Therefore, it can greatly improve the service time and maintenance cost of workpieces, and has high application value.

【技术实现步骤摘要】
一种高寿命YSZ热障涂层的制备方法
本专利技术属于高温合金热障涂层制备
，具体涉及一种高寿命YSZ热障涂层的制备方法。
技术介绍
热障涂层一般由高温金属基体、金属粘结层以及隔热陶瓷层组成，具有低热导率的性能特点。热障涂层在高温气体和合金部件之间起到热屏蔽的作用，既能提高涡轮机的使用温度，从而很大程度上提高发动机的效率；也可以在相同温度的服役条件下，降低高温合金工作表面的温度，从而大大提高高温部件的寿命。因此热障涂层现已广泛的应用于高压涡轮叶片和高温燃烧室等高温器件表面。当前工业上应用最为广泛的热障涂层制备技术主要为大气等离子喷涂技术(air-plasmaspraying，APS)和电子束物理气相沉积法(electronbeamphysicalvapordeposition，EB-PVD)其中APS技术则应用于尺寸较大的零件之中，如高温燃气轮机、燃烧室和大型热力器械中之中。APS所制备的陶瓷层呈现明显的层状结构，片层之间的孔隙和微裂纹和粘结层和金属层的界面平行，陶瓷层的孔隙率范围大约为10％-25％之间，由于孔隙的存在使得陶瓷层具有弹性模量低，应变容限高，但由于颗粒融化状态不稳定，APS技术制备的陶瓷层孔隙大小和均匀性难以控制，且由于片层状分布孔隙和裂纹使得涂层在热应力的作用下更容易发生失效。而电子束物理气相沉积法制备的涂层陶瓷层具有独特的柱状晶结构，晶轴方向与金属陶瓷层界面垂直，柱状结构之间存在有纳米孔隙和微裂纹结构。但是该方法设备调试复杂，沉积效率较低，前期靶材制备较为复杂，整个工艺流程控制难度较大，所制备的涂层通道方向与热传导方向平行，会使得陶瓷层的热导率提高，不利于器件的隔热性能。随着器件表面工作温度的提高，上述技术所制备的热障涂层存在有高温稳定性低、抗热冲击热腐蚀性能差、陶瓷层缺陷较多，粘结层易氧化以及高温服役状态下物相稳定性较差等缺陷，从而导致高温服役状态下热障涂层易发生开裂剥落从而使小，难以满足涡轮进口更加严苛的高温环境的需要。为了克服上述性能缺点，提高热障涂层寿命，近些年来寻找具有更好地高温稳定性、优异的抗热冲击热腐蚀性能以及更高的寿命的高性能热障涂层材料成为了人们广泛关注的热点问题。
技术实现思路
本专利技术目的是：提供一种高寿命YSZ热障涂层的制备方法，以解决上述问题。本专利技术的技术方案是：一种高寿命YSZ热障涂层的制备方法，该方法包括如下步骤：(1)以异丙醇为研磨介质，采用高能球磨的方法将纳米氧化钇和纳米氧化锆粉末这两种物料混合，球磨速率为1000～4000r/min，球磨完毕后得到第一浆料，将所述第一浆料烘干24h至恒重，研磨并过筛得到混合粉末；(2)将所述混合粉末放入N-甲基-1-吡咯烷酮中搅拌并分散，之后放入超声粉碎机中超声10～60min，得到均匀的粉末悬浮液；(3)在所述粉末悬浮液中加入聚醚砜和聚碳酸酯作为胶黏剂，形成混合液，将所述混合液放置在机械搅拌器上油浴搅拌24～48h，油浴温度为40～60℃，搅拌转速约为300～700r/min，待搅拌过程完成后，得到第二浆料，将所述第二浆料取出冷却至室温；(4)将所述第二浆料进行真空脱气处理后注入注射器之中，所述注射器垂直放置，在所述注射器下方放置装满水的接收盘，以所述注射器的针头为正极，以所述接收盘为负极施加电压，并推动所述注射器，所述第二浆料在电场作用下分散为小液滴，待所述注射器推送结束后，去除电场，将所述接收盘中的水和固体前驱体粉末共同静置以便物质交换，之后将所述固体前驱体粉末过滤干燥并过筛；(5)将所述固体前驱体粉末平铺于坩埚中，放置于高温箱式炉中高温热处理2～3h，再对烧结后的固体前驱体粉末进行筛分，去除粒径过大的粉末，得到YSZ喷涂粉末；(6)利用大气等离子喷涂设备，在镍基高温合金基体上喷涂金属粘结层和所述YSZ喷涂粉末，冷却后得到高寿命YSZ热障涂层。进一步的，步骤(1)中所述纳米氧化钇和纳米氧化锆粉末的质量比为(3～15):(85～97)。进一步的，步骤(1)中所述球料比为1.5～3.5；所述研磨介质和两种物料的质量比为1:2～4。进一步的，步骤(2)中所述混合粉末与所述N-甲基-1-吡咯烷酮的质量比为(1～5)：(5～9)。进一步的，步骤(4)中所述注射器喷嘴与所述接收盘之间的距离为6～15cm；所述注射器喷嘴与所述接收盘之间的电压为5～25kV，所述第二浆料的推进速度为0.8～3.5ml/min，所述接收盘中水的质量高于所述第二浆料的质量的30～100倍。进一步的，步骤(4)中所述静置的时间大于或等于36h。进一步的，步骤(5)中所述高温热处理的温度为1000～1400℃，所述高温箱式炉的升温速度为4～6℃/min，降温速度为4～6℃/min，所述坩埚中固体前驱体粉末的厚度小于或等于10mm，所述筛分留取的YSZ喷涂粉末的粒径为30～200μm。进一步的，在步骤(6)之前，先在所述镍基高温合金基体表面用24目白刚玉砂，进行喷砂处理，使基体表面粗糙度≥4μm。进一步的，步骤(6)中，所述大气等离子喷涂设备的喷嘴直径为5～9mm；在喷涂金属粘结层时，氩气流量为70～150L/min，氢气流量为8～16L/min，工作电流为300～500A，机械臂移动速率为500～1000mm/s，送料速率为25～50g/min，喷涂距离为80～160mm，喷涂道次为6～15道次，预热道次为1～5个道次；在喷涂所述YSZ喷涂粉末形成陶瓷层时，氩气流量为100～200L/min，氢气流量为10～25L/min，工作电流为300～500A，机械臂移动速率为500～1000mm/s，送料速率为15～40g/min，喷涂距离为90～130mm，喷涂道次为30～60道次，预热道次2～4个道次。本专利技术提供了一种高寿命YSZ热障涂层的制备方法，该方法生产效率高，生产周期短，设备简单，操作简便，且可以应用于不同成分的YSZ喷涂粉末的制备。所制备的喷涂粉末球形度较好，且具有特殊的孔隙结构，通过超音速大气等离子喷涂技术可以制备具有微孔隙结构的均匀涂层。该涂层可以有效地减缓热应力产生的裂纹在陶瓷层中的扩展，从而大大提高热障涂层的寿命。附图说明图1为本专利技术所述的一种高寿命YSZ热障涂层的制备方法所制备的YSZ喷涂粉末截面的扫描电镜照片；图2为本专利技术所述的一种高寿命YSZ热障涂层的制备方法所制备的高寿命YSZ热障涂层截面的扫描电镜照片；图3为本专利技术所述的一种高寿命YSZ热障涂层的制备方法所制备的高寿命YSZ热障涂层截面的局部放大图；图4为本专利技术所述的一种高寿命YSZ热障涂层的制备方法所制备的高寿命YSZ热障涂层热循环不同周期的XRD衍射图。具体实施方式电喷技术是利用液相法生成高分子聚合物材料薄膜、纤维、粉末的常用方法，近年来，多孔聚合物薄膜和陶瓷中空纤维等领域广泛应用相转化的方法，并已获得大规模应用。本专利技术将电喷法和相转化有机结合，通过电场的作用将粉末-有机物混合浆料分散，并在和水接触时，浆料液滴中的N-甲基-2-吡咯烷酮与水发生互扩散，固相析出，从而形成特殊的指状孔隙结构。随后通过高温烧结过程除去粉末中的有机胶黏剂，形成YSZ粉末(YSZ意为氧化钇稳定氧化锆的英文缩写)。与传统方法形成的粉末相比，本专利技术制备的粉末不但具有特殊的之中孔隙结构，也具有大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高寿命YSZ热障涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)以异丙醇为研磨介质，采用高能球磨的方法将纳米氧化钇和纳米氧化锆粉末这两种物料混合，球磨速率为1000～4000r/min，球磨完毕后得到第一浆料，将所述第一浆料烘干24h至恒重，研磨并过筛得到混合粉末；(2)将所述混合粉末放入N‑甲基‑1‑吡咯烷酮中搅拌并分散，之后放入超声粉碎机中超声10～60min，得到均匀的粉末悬浮液；(3)在所述粉末悬浮液中加入聚醚砜和聚碳酸酯作为胶黏剂，形成混合液，将所述混合液放置在机械搅拌器上油浴搅拌24～48h，油浴温度为40～60℃，搅拌转速约为300～700r/min，待搅拌过程完成后，得到第二浆料，将所述第二浆料取出冷却至室温；(4)将所述第二浆料进行真空脱气处理后注入注射器之中，所述注射器垂直放置，在所述注射器下方放置装满水的接收盘，以所述注射器的针头为正极，以所述接收盘为负极施加电压，并推动所述注射器，所述第二浆料在电场作用下分散为小液滴，待所述注射器推送结束后，去除电场，将所述接收盘中的水和固体前驱体粉末共同静置以便物质交换，之后将所述固体前驱体粉末过滤干燥并过筛；(5)将所述固体前驱体粉末平铺于坩埚中，放置于高温箱式炉中高温热处理2～3h，再对烧结后的固体前驱体粉末进行筛分，去除粒径过大的粉末，得到YSZ喷涂粉末；(6)利用大气等离子喷涂设备，在镍基高温合金基体上喷涂金属粘结层和所述YSZ喷涂粉末，冷却后得到高寿命YSZ热障涂层。...

【技术特征摘要】
1.一种高寿命YSZ热障涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)以异丙醇为研磨介质，采用高能球磨的方法将纳米氧化钇和纳米氧化锆粉末这两种物料混合，球磨速率为1000～4000r/min，球磨完毕后得到第一浆料，将所述第一浆料烘干24h至恒重，研磨并过筛得到混合粉末；(2)将所述混合粉末放入N-甲基-1-吡咯烷酮中搅拌并分散，之后放入超声粉碎机中超声10～60min，得到均匀的粉末悬浮液；(3)在所述粉末悬浮液中加入聚醚砜和聚碳酸酯作为胶黏剂，形成混合液，将所述混合液放置在机械搅拌器上油浴搅拌24～48h，油浴温度为40～60℃，搅拌转速约为300～700r/min，待搅拌过程完成后，得到第二浆料，将所述第二浆料取出冷却至室温；(4)将所述第二浆料进行真空脱气处理后注入注射器之中，所述注射器垂直放置，在所述注射器下方放置装满水的接收盘，以所述注射器的针头为正极，以所述接收盘为负极施加电压，并推动所述注射器，所述第二浆料在电场作用下分散为小液滴，待所述注射器推送结束后，去除电场，将所述接收盘中的水和固体前驱体粉末共同静置以便物质交换，之后将所述固体前驱体粉末过滤干燥并过筛；(5)将所述固体前驱体粉末平铺于坩埚中，放置于高温箱式炉中高温热处理2～3h，再对烧结后的固体前驱体粉末进行筛分，去除粒径过大的粉末，得到YSZ喷涂粉末；(6)利用大气等离子喷涂设备，在镍基高温合金基体上喷涂金属粘结层和所述YSZ喷涂粉末，冷却后得到高寿命YSZ热障涂层。2.根据权利要求1所述的一种高寿命YSZ热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述纳米氧化钇和纳米氧化锆粉末的质量比为(3～15):(85～97)。3.根据权利要求1所述的一种高寿命YSZ热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述球料比为1.5～3.5；所述研磨介质和两种物料的质量比为1:2～4。4.根据权利要求1所述的一种高寿命YSZ热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：张瑞吉，郭芳威，张醒，胡励，邹忠华，赵晓峰，李慧晓，
申请(专利权)人：舟山腾宇航天新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33