一种高性能钪钇共掺杂氧化锆热防护涂层及其制备方法技术

一种高性能钪钇共掺杂氧化锆热防护涂层及其制备方法，将钪钇共掺杂氧化锆粉末采用超音速等离子喷涂技术在基体上制备涂层，其中超音速等离子喷涂技术的参数为：电流为300～600A、电压为100～180V、主气氩气流量为50～200slpm、二次气氢气流量为8～30slpm、喷涂距离为80～150mm、送粉量为20～60g/min以及喷枪移动速度为500～800mm/s。本发明专利技术制备的涂层是成分均匀的单一四方相结构，比目前广泛应用的氧化钇部分稳定二氧化锆涂层的热导率更低、高温相稳定性更好。本发明专利技术的涂层可以极大提高航空发动机与重型燃气轮机等高端装备金属热端部件的工作效率与服役寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种高性能钪钇共掺杂氧化锆热防护涂层及其制备方法
本专利技术属于金属表面腐蚀与防护领域，具体涉及一种高性能钪钇共掺杂氧化锆热防护涂层及其制备方法。
技术介绍
热防护涂层是将耐高温、抗氧化、耐腐蚀的陶瓷材料涂覆在合金基体表面，从而降低金属热端部件的承温能力、提高其使用寿命，广泛应用于航空、舰船、核电、武器装备等方面。目前广泛使用的热防护涂层陶瓷材料是6～8wt％Y2O3部分稳定的ZrO2(YSZ)。YSZ本身具有高熔点、低热导、高的断裂韧性及与基体匹配性较好的热膨胀系数。但是当使用温度超过1200℃时，由于Y3+的偏聚，导致综合性能较好的亚稳四方相(t’-ZrO2)转变为贫Y的四方相(t-ZrO2)和富Y的立方相(c相)，t相在随后的冷却中转变为单斜(m)相，并引起3～5％的体积膨胀，从而引起裂纹扩展及涂层的过早失效。因此，高温下结构稳定的热防护涂层新材料的开发势在必行。烧绿石结构的M2Zr2O7(M＝La、Y、Gd等稀土元素)，La2Ce2O7(LC)及LaMgAl11O19(LMA)等复杂结构新材料高温物相结构稳定，热导率较低，但是其断裂韧性或热膨胀系数也较低，单一材料使用时热循环寿命很短。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有良好高温相结构稳定性、低热导率、高热膨胀系数和热循环寿命的热防护涂层及其制备方法。为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种高性能钪钇共掺杂氧化锆热防护涂层的制备方法，将钪钇共掺杂氧化锆粉末采用超音速等离子喷涂技术在基体上制备涂层，其中超音速等离子喷涂技术的参数为：电流为300～600A、电压为100～180V、主气氩气流量为50～200slpm、二次气氢气流量为8～30slpm、喷涂距离为80～150mm、送粉量为20～60g/min以及喷枪移动速度为500～800mm/s。本专利技术进一步的改进在于，钪钇共掺杂氧化锆粉末按摩尔百分比计，包括4.0～8.0％Sc2O3、0.5～2.0％Y2O3，其余为ZrO2；钪钇共掺杂氧化锆粉末的制备方法为：采用ZrOCl2·8H2O、Y(NO3)3·6H2O和Sc(NO3)3·6H2O为原料，以去离子水为溶剂，按摩尔百分比配制成Zr、Y与Sc三种金属离子总浓度为0.4mol/L的水溶液，搅拌至澄清透明后，得到溶液，向溶液中加入柠檬酸和聚乙二醇，其中，每升溶液中柠檬酸的加入量为100g，每升溶液中聚乙二醇的加入量为10g，再搅拌至透明，从而制得溶胶，将溶胶经喷雾干燥法制成球形粉料，最后筛选180目至500目之间的球形粉料，得到钪钇共掺杂氧化锆粉末。本专利技术进一步的改进在于，基体为镍基高温合金。本专利技术进一步的改进在于，制备涂层前，将基体采用超音速等离子喷枪的射流预热温度至100-200℃。根据上述方法制备的高性能钪钇共掺杂氧化锆热防护涂层，所述钪钇共掺杂氧化锆涂层的厚度为100～3000μm，孔隙率为1.0～20.0％，断裂韧性为0.5～4.0MPa·m1/2。本专利技术进一步的改进在于，所述钪钇共掺杂氧化锆涂层室温至1100℃的热导率不高于1.3W/m·K。本专利技术进一步的改进在于，所述钪钇共掺杂氧化锆涂层在室温至1100℃的平均线热膨胀系数在10～12×10-6K-1范围内。本专利技术进一步的改进在于，所述钪钇共掺杂氧化锆涂层在1300℃热处理500小时后无单斜相生成。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：本专利技术以钪钇共掺杂氧化锆粉末为原料，其中，稀土Sc3+是与Zr4+离子半径最为接近的稀土元素，掺杂取代Zr4+不会引起晶格较大的畸变，即Sc3+在高温下不容易发生偏聚，从而可以提高材料四方相结构稳定性；并且Sc2O3-ZrO2相图的四方相区域最宽，可以在确保其为四方相结构的前提下引入更多氧空位，对降低其热导率极为有利。本专利技术制备的ScYSZ涂层是成分均匀的单一四方相结构，四方相结构的氧化锆因相变增韧和铁弹性畴转变增韧而具有较高的断裂韧性，因此通过稀土掺杂提高ZrO2的结构稳定性，并进一步降低热导率、提高热膨胀系数有利于提高热防护涂层的热循环寿命。比目前广泛应用的氧化钇部分稳定二氧化锆(YSZ)涂层的热导率更低、高温相稳定性更好。本专利技术的涂层可以极大提高航空发动机与重型燃气轮机等高端装备金属热端部件的工作效率与服役寿命。本专利技术基于“高性能热防护涂层的开发和利用”的基本思路，并根据“超音速等离子喷涂能够保证陶瓷粒子在撞击基板前充分熔融，从而获得性能更加优异、结合强度更高的ScYSZ涂层”这一特性，制备的涂层的优点如下：1)具有高的断裂韧性，所述热防护涂层的断裂韧性为0.5～4.0MPa·m1/2。2)具有低的热导率，所述热防护涂层室温至1100℃的热导率为不高于1.3W/m·K。3)具有高的热膨胀系数，所述热防护涂层在室温至1100℃的平均热膨胀系数在10～12×10-6K-1。4)具有优异的高温四方相结构稳定性，所述陶瓷层在1300℃热处理500小时后无单斜m相生成。附图说明图1是本专利技术所用的钪钇共掺杂氧化锆粉末外观形貌。图2是本专利技术实施例1制备的钪钇共掺杂氧化锆涂层的截面SEM形貌。图3是本专利技术实施例1制备的钪钇共掺杂氧化锆涂层喷涂态及1300℃热处理300小时XRD图谱。图4是本专利技术实施例1制备的钪钇共掺杂氧化锆涂层的热导率随温度的变化关系曲线。图5是本专利技术实施例1制备的钪钇共掺杂氧化锆涂层室温至1100℃的平均热膨胀系数。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术做进一步详细说明，其仅在于解释而不是限定。根据本专利技术的一个目的，提供了一系列陶瓷层材料，即具有良好高温相结构稳定性、低热导率、高热膨胀系数和热循环寿命的热防护涂层。所述涂层采用的陶瓷层材料为钪钇共掺杂氧化锆粉末，粉末成分按物质的量百分数计包括Sc2O3、Y2O3以及ZrO2；Sc2O3含量：4.0～8.0mol.％；Y2O3含量：0.5～2.0mol.％其余为ZrO2。即Sc2O3和Y2O3共同掺杂ZrO2。钪钇共掺杂氧化锆粉末的制备方法：用纯度为99.9％的ZrOCl2·8H2O、Y(NO3)3·6H2O和Sc(NO3)3·6H2O为原料，以去离子水为溶剂，按摩尔百分数，Sc2O3含量：4.0～8.0mol.％；Y2O3含量：0.5～2.0mol.％其余为ZrO2，配制成Zr、Sc与Y三种金属离子总浓度为0.4mol/L的水溶液，磁力搅拌3～6h至澄清透明后，得到溶液，向溶液中再分别加入柠檬酸和聚乙二醇，每升溶液中柠檬酸的加入量为100g，每升溶液中聚乙二醇的加入量为10g；经磁力搅拌至透明，从而制得溶胶。再将溶胶经350℃喷雾干燥法制成球形粉料，最后筛选180目至500目之间的球形粉料，从而制成ScYSZ球形粉料，即为钪钇共掺杂氧化锆粉末。上述高性能钪钇共掺杂氧化锆热防护涂层的制备方法为：采用上述钪钇共掺杂氧化锆粉末原料，采用超音速等离子喷涂技术在基体上制备涂层，其中所述超音速等离子技术的喷涂工艺参数为：电流为300～600A、电压为100～180V、主气氩气流量为50～200slpm、二次气氢气流量为8～30slpm、喷涂距离为80～150mm、送粉量为20～60g/min、喷枪移动速度为500～800mm/s。本专利技术采用的基体为镍基高温合金。所述钪钇共掺杂氧化锆涂层的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高性能钪钇共掺杂氧化锆热防护涂层的制备方法，其特征在于：将钪钇共掺杂氧化锆粉末采用超音速等离子喷涂技术在基体上制备涂层，其中超音速等离子喷涂技术的参数为：电流为300～600A、电压为100～180V、主气氩气流量为50～200slpm、二次气氢气流量为8～30slpm、喷涂距离为80～150mm、送粉量为20～60g/min以及喷枪移动速度为500～800mm/s。

【技术特征摘要】
1.一种高性能钪钇共掺杂氧化锆热防护涂层的制备方法，其特征在于：将钪钇共掺杂氧化锆粉末采用超音速等离子喷涂技术在基体上制备涂层，其中超音速等离子喷涂技术的参数为：电流为300～600A、电压为100～180V、主气氩气流量为50～200slpm、二次气氢气流量为8～30slpm、喷涂距离为80～150mm、送粉量为20～60g/min以及喷枪移动速度为500～800mm/s。2.根据权利要求1所述的一种高性能钪钇共掺杂氧化锆热防护涂层的制备方法，其特征在于：钪钇共掺杂氧化锆粉末按摩尔百分比计，包括4.0～8.0％Sc2O3、0.5～2.0％Y2O3，其余为ZrO2；钪钇共掺杂氧化锆粉末的制备方法为：采用ZrOCl2·8H2O、Y(NO3)3·6H2O和Sc(NO3)3·6H2O为原料，以去离子水为溶剂，按摩尔百分比配制成Zr、Y与Sc三种金属离子总浓度为0.4mol/L的水溶液，搅拌至澄清透明后，得到溶液，向溶液中加入柠檬酸和聚乙二醇，其中，每升溶液中柠檬酸的加入量为100g，每升溶液中聚乙二醇的加入量为10g，再搅拌至透明，从而制得溶胶，将溶胶经喷雾干燥法制成球形粉料，最...

【专利技术属性】
技术研发人员：白宇，范薇，陶闻钟，汪瑞军，王子圳，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61