多孔金属-陶瓷纳米复合热障涂层的制备方法技术

本发明专利技术多孔金属‑陶瓷纳米复合热障涂层的制备方法，涉及用金属‑陶瓷涂层对金属材料进行镀覆，是采用等离子喷涂结合热处理制备多孔金属‑陶瓷纳米复合热障涂层的制备方法，步骤是：采用喷涂造粒的方法将Cr

Preparation of porous metal ceramic nanocomposite thermal barrier coatings

【技术实现步骤摘要】
多孔金属-陶瓷纳米复合热障涂层的制备方法
本专利技术涉及一种用等离子喷涂方法制备金属-陶瓷纳米涂层的制备方法，具体地说是多孔金属-陶瓷纳米复合热障涂层的制备方法。
技术介绍
随着航空航天及民用交通工具的发展，发动机等发热部件的使用温度要求越来越高(高达1500～1600℃)，传统的高温合金已经不能满足这越来越高的要求，例如镍基和钴基合金，在800～1000℃时仍然具有较高的机械强度，但在高温抗氧化、抗腐蚀等方面却存在严重问题，影响了它们的使用寿命。热障涂层将金属材料良好的塑韧性和导热性与陶瓷耐高温性能相结合，尤其是良好的隔热性，抗热疲劳性、耐高温性和耐腐蚀性，自20世纪70年代以来，美国、英国、法国、日本等发达工业化国家都竞相发展热障涂层(TBCs)涂层，大量应用在叶片、燃烧室、隔热屏、喷嘴、火焰筒、尾喷管等航空发动机热端部件上，并有效的延长了热端部件的使用寿命。研究结果表明，涡轮叶片使用温度每降低15℃，其持久寿命提高1倍，总降温30～60℃能使涡轮部件的整体服役寿命提高50％，热障涂层的使用可以降低热端金属部件使用温度100～150℃，该温度比在过去30年间由于人们不断努力而使高温合金承受温度能力所得到的累积量还要大[SchulzU，LeyensaC，FritscherK.Somerecenttrendsinresearchandtechnologyofadvancedthermalbarriercoatings.AreospaceScienceandTechnology，2003，7：73-80]。热障涂层沉积在耐高温金属或超合金的表面，对于基体材料起到隔热作用，降低基体温度，使得用其制成的器件(如发动机涡轮叶片)能在高温下运行，并且可以提高器件(发动机等)热效率达到60％以上，因此，热障涂层的主要作用就是隔热和防氧化，隔热性能和抗氧化性是评价热障涂层性能的重要指标。[WangQian-wen，MaoWei-guo，Yuming.Analysisofheat-insulatingperformanceofairplasmasprayedthermalbarriercoatingsystems.MaterialsReview，2011，25(9)：125-129]。热障涂层的隔热性能及抗氧化性与材料的选取，涂层结构，制备工艺及工作环境密切相关，另外，材料的微观组织结构也对热障涂层的热导率有很大影响。氧化锆(ZrO2)由于其高熔点(约2680℃)、热导率相对较低(2.1～2.2W·m-1·k-1)和膨胀系数较高(11×10-6K-1)，其性能与目前普遍用作粘结底层的NiCrAlY相近，同时它还具有优良的力学性能，断裂韧性好(6～9MPa·m-1)，还具有小的热辐射率和高反射率，化学性能稳定，能抵抗酸性气氛、高温燃气及多种金属氧化物和盐类溶液的腐蚀，通常被当作热障涂层的首选材料。传统微米结构的Y2O3部分稳定的ZrO2热障涂层，就像许多陶瓷一样，存在致命性的缺点，脆性严重。[LiangB，DingCX.Thermalshockresistancesofnanostructuredandconventionalzirconiacoatingsdepositedbyatmosphericplasmaspraying[J]，SurfaceandCoatingsTechnology，2005，197：185-192.]。SrZrO3是一种具有钙钛矿结构(ABO3)的材料，其较高的熔点、较低的热导率以及良好的化学相容性等使其成为热门热障涂层材料，马伯乐等利用等离子喷涂技术制备SrZrO3涂层，结果表明：SrZrO3/YSZ双层涂层的热循环次数远高于SrZrO3单层涂层，达到548次[马伯乐等，大气等离子喷涂SrZrO3热障涂层工艺与性能的研究，装备环境工程2019，16(01)，17-23]。周子民等采用EB-PVD(电子束物理气相沉积法)设计制备了double-ceramic-layer(DCL)双陶瓷层体系热障涂层，其顶层为隔热性能优异的铈酸镧(La2Ce2O7)陶瓷层，其底层为热循环性能良好的YSZ层，粘结层选用不同活性元素Dy、Pt掺杂NiAl，基体选用一种高温单晶合金，结果表明：经过500次热循环后，不掺杂涂层YSZ层与热生长氧化物(TGO)处出现了大量裂纹，Pt/Dy共掺杂的涂层经过1000次循环后界面处结合良好，仅仅是在La2Ce2O7陶瓷顶层中出现了少量的微裂纹，但在高温下会发生烧结硬化现象。[周子民等，采用Pt、Dy改性粘结层的铈酸镧/氧化锆双陶瓷层抗氧化行为研究，装备环境工程2019，16(01)，24-29]。稀土钽酸盐熔点在2400℃，稳定使用温度可以达到1800℃，类似于四方氧化锆结构，该体系具有高温铁弹性，在高温下具有较好的断裂韧性[SHIANS，SARINP，GURAKM，etal.Thetetragonal-monoclinic，ferroelastictransformationinyttriumtantalateandeffectofzirconiaalloying[J].ActaMaterialia，2014，69：196-202.]十分适合用做热障涂层材料，但由于技术原因，并未得到很好地开发利用。综上所述，目前已经开发利用的热障涂层材料均存在一定程度的不足，急需新材料的研发。氧化铝熔点为2054℃，具有优良的力学性能、电性能、化学稳定性，而且原料来源广泛，制造成本低，是用来制造多种高强度、耐磨损、耐高温等高性能陶瓷部件的基础材料，尤其在结构陶瓷、电子陶瓷、生物陶瓷等领域占有重要的地位，广泛应用于医疗、机械、化工工业等领域。三氧化二铬其熔点为约为2435℃，具有较高的硬度、较低的摩擦系数、优异的耐磨、耐腐蚀、耐高温等特性，三氧化二铬涂层是近年来发展起来并受到重视的薄膜材料之一，可作为微电子器件的阻挡层和磨损器件的保护层，广泛应用于冶金、能源、交通、轻纺、石化、机械、包装印刷业等领域。Al2O3和Cr2O3同属于A2B3型晶体结构，阴离子以密排六方的方式堆积，阳离子则分布在2/3的八面体间隙处，Al3+和Cr3+电价相等，均为+3价，且二者的离子半径相差不大，因此，二者能够形成无限固溶体(Al，Cr)2O3，二者形成的无限固溶体同时兼具二者的优良性能。但由于陶瓷固有属性的原因，固溶体韧性稍差，因此向其中引入金属颗粒作为第二相颗粒来进行增韧。目前，电子束物理气相沉积技术和热喷涂技术是热障涂层常用的两种制备技术。电子束物理气相沉积的工作原理是首先将设备真空室通过真空泵抽取真空，达到一定的真空度要求后，电子枪开始发射电子束，直接照射到水冷坩埚中被蒸发的材料上，利用电子束的能量加热并气化材料，材料蒸气以原子或分子的形式沉积到基体上形成涂层。张晓峰利用该技术制备了3.5％Y2O3-La2(Zr0.7Ce0.3)2O7/YSZ热障涂层，研究结果表明，涂层呈柱状晶结构，每个柱状晶由大量的小金字塔颗粒组成，每个柱状晶顶部为菜花状结构，柱状晶之间有明显的孔隙，这种结构会使热导系数偏高，影响隔热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.多孔金属-陶瓷纳米复合热障涂层的制备方法，其特征在于：是采用等离子喷涂技术结合热处理制备金属-陶瓷纳米复合热障涂层的制备方法，具体步骤如下：/n第一步，原料粉的准备：/n原料粉的配比：先将Cr

【技术特征摘要】
1.多孔金属-陶瓷纳米复合热障涂层的制备方法，其特征在于：是采用等离子喷涂技术结合热处理制备金属-陶瓷纳米复合热障涂层的制备方法，具体步骤如下：
第一步，原料粉的准备：
原料粉的配比：先将Cr2O3粉与Al粉按照3∶1的质量比配成原始反应体系，以原始反应体系的质量分数为基数，另配置原始反应体系2倍质量的添加剂，所述添加剂为Cr2O3和Al2O3的混合物，同时称取适量的聚醚醚酮粉备用；
第二步，适用于喷涂复合粉的制备：
(1)原料粉的解聚：将准备好的Cr2O3粉，Al粉和Al2O3粉分别放在不同的容器中，向每个容器中按固-液总质量的30～70％分别加入去离子水，并分别加入固体分散剂0.5～1.0wt％，然后进行搅拌及超声波解聚，解聚时间为0.5～1h，得到各自的浆料；其中，本步骤的Cr2O3粉包括原始反应体系中的Cr2O3粉及添加剂中的Cr2O3粉；
(2)复合喂料的制备：将解聚的Cr2O3，Al和Al2O3浆料倒入同一个容器中，再加入固体粉量0.3～0.6wt％的粘结剂，然后用高速搅拌机对上述的浆料进行充分的搅拌，搅拌时间为0.5～1h，对上述浆料通过喷雾造粒制成复合粉，筛取-200～+400目留用；
第三步，基体材料预处理：
对基体进行表面粗糙化处理，所述基体材料为45#钢金属材...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋劲松，
申请(专利权)人：承德石油高等专科学校，
类型：发明
国别省市：河北;13