一种金属基体表面陶瓷热障涂层及其在发动机中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种金属基体表面陶瓷热障涂层及其在发动机中的应用，属于陶瓷涂层技术领域。所述金属基体表面依次制备粘结层和陶瓷热障涂层，所述陶瓷热障涂层的制备原料为Y

【技术实现步骤摘要】
一种金属基体表面陶瓷热障涂层及其在发动机中的应用
本专利技术涉及陶瓷涂层
，具体涉及一种金属基体表面陶瓷热障涂层及其在发动机中的应用。
技术介绍
为了提高发动机或燃气轮机的效率和降低碳排放，其燃烧温度要求越来越高，然而过高的温度给热机金属部件带来更严苛的使用环境，普通的单晶或高温合金已经达到使用极限，很难满足要求。为解决此问题，近年来，热障涂层技术得到了广泛应用。陶瓷热障涂层具有隔热、耐磨损、耐腐蚀和抗氧化等功能，在航天、航空和能源领域应用广泛，特别是在航空发动机的高压涡轮叶片、燃烧室及冷却流道，以及在工业燃气轮机热端部件中防护作用明显，显著提高热机效率和循环寿命。另外，热障涂层技术可减少传热损失并能提高气缸中的压缩温度，可使得一些具有低十六烷值但高自燃温度和高汽化潜热的燃料，如汽油、乙醇或甲醇，能够取代柴油，成为压燃式发动机的主要燃料，实现压缩点火提高热效率以及降低碳烟排放。然而，在发动机冷启动期间，汽缸中加浓的燃料通常需在排放认证循环开始用来预热发动机，但是过多雾化不完全的燃料会在金属表面沉积并可能在高温下形成积碳。而低十六烷值燃料压缩是利用高压缩比、大量废气再循环后获得额外的热能，并供应自由基以引发燃烧。虽然低十六烷值燃料压缩自燃温度高，但燃料表面的点火温度和点火能量都较低，易导致活塞、排气阀或汽缸盖上的积碳自动点火，产生早燃现象，并增加碳氢化合物和一氧化碳的排放量。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的上述不足之处，本专利技术的目的在于提供一种金属基体表面陶瓷热障涂层及其在发动机中的应用，通过在金属基体上制备的陶瓷层中添加氧化催化剂，利用过量的碳氢化合物和一氧化碳，并使碳氢化合物在转化为积碳之前，将其氧化，将其放热反应产生的热量应用于其它后处理系统迅速升温，从而减少燃料加浓并降低碳氢化合物、氮氧化物和一氧化碳排放量。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种金属基体表面陶瓷热障涂层，所述金属基体表面依次制备有粘结层和陶瓷热障涂层，陶瓷热障涂层上涂覆含稀土元素、铂、钯和氧化铝的催化剂，催化剂的涂覆量为1-5mg/cm2。所述陶瓷热障涂层为以下三种方式：第一种方式为：以MCrAlY层为粘结层，所述陶瓷热障涂层的制备原料为Y2O3粉和Zr2O3粉，陶瓷热障涂层制备原料中Y2O3含量为5-10wt.％、Zr2O3为余量；第二种方式为：所述粘结层的制备原料为磷酸铬镁粘结剂、球状铝粉、片状铝粉和Cr2O3粉，所述陶瓷热障涂层的制备原料为γ-Al2O3、磷酸铬镁粘结剂和BN粉，陶瓷热障涂层的制备原料中γ-Al2O3含量6-14wt.％、磷酸铬镁粘结剂含量67-91wt.％、BN含量为1-8wt.％；第三种方式为：所述粘结层的制备原料为磷酸铬镁粘结剂、球状铝粉、片状铝粉和Cr2O3粉，所述陶瓷热障涂层的制备原料为γ-Al2O3和SiO2.nH2O，陶瓷热障涂层制备原料中γ-Al2O3含量4-24wt.％、SiO2.nH2O为余量；上述第一种方式中所述MCrAlY层化学成分为：Co为35-40wt.％，Cr为20-24wt.％，Al为8-12wt.％，Y为0.2-0.8wt％，Ni为余量。上述第二和第三种方式中，所述粘结层制备原料中磷酸铬镁粘结剂含量为40-75wt.％、球状铝粉含量5-15wt.％，片状铝粉含量5-20wt.％、Cr2O3含量为10-35wt.％。所述磷酸铬镁粘结剂的制备原料按重量百分含量计的组成为：氧化镁10％-15％，三氧化二铬18％-24％，磷酸11％-18％，水30％-52％，各原料组分经充分混合溶解后得到所述磷酸铬镁粘结剂。所述粘结层和陶瓷热障涂层采用冷喷涂工艺或大气等离子喷涂工艺制备；所述粘结层的厚度为10-200μm，所述陶瓷热障涂层厚度为20-100μm；所述粘结层的孔隙率为2-5％，所述陶瓷热障涂层的孔隙率为10-35％，陶瓷热障涂层的热导率为0.3～0.9W/mK。所述催化剂采用浸渍法涂覆于陶瓷热障涂层表面，所述浸渍法包括如下步骤：(1)配料：准备含铂和钯的硝酸溶液，其中铂和钯的摩尔比例为(0.8-2)；在含铂和钯的硝酸溶液中加入占溶液重量35-75％的氧化铝粉(γ-Al2O3)，搅拌混合10-12小时，得到含氧化铝的贵金属溶液；再加入分别占所述含氧化铝的贵金属溶液重量1-5％、2-5％和3-5％的硝酸铈、铜分子筛和环氧树脂，混合均匀后得到混合物料；(2)制备催化剂的前驱体浆料：将步骤(1)所得混合物料、粘合剂和水按比例混合，通过球磨或砂磨方式搅拌5-10小时成胶状，即得到催化剂的前驱体浆料；(3)涂覆：将步骤(2)所得催化剂的前驱体浆料通过负压吸附或氮气吹扫的方式涂覆于所述陶瓷热障涂层表面；(4)干燥焙烧：将步骤(3)涂覆有催化剂前驱体浆料的陶瓷热障涂层置于520-580℃的炉窑烧制3-5小时。上述步骤(2)中，所述混合物料与粘合剂的总重量与水的重量比例为(18-22)：1，所述混合物料与粘合剂的重量比例为(4-6)：2，所述粘合剂为硅酸钠或硅酸钙或磷酸铬镁；上述步骤(3)中，涂覆时所述催化剂的前驱体浆料中贵金属(铂和钯)的重量与待涂覆陶瓷热障涂层体积的比例为(15g-35g)：1L；经步骤(4)焙烧后催化剂与热障陶瓷涂层之间的粘合强度不小于25MPa。本专利技术所述陶瓷热障涂层设置于发动机中与燃烧气体接触的金属表面上，具体可以设置于发动机的活塞顶部燃烧室表面、进气门、排气门、汽缸盖燃烧室表面表面、排气道、排气歧管、涡轮机壳体、废气旁通阀表面、可变几何形状涡轮喷嘴叶片、喷嘴环保持架以及涡轮叶片上。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：1、本专利技术通过优化粘结层与陶瓷热障涂层的组成，能够保证其具有足够的拉伸剪切强度，所制得的陶瓷热障涂层与基材的结合强度高于30MPa，能够保证发动机在运行期间具有足够的可靠性和耐久性。2、本专利技术在陶瓷热障涂层上涂覆一定量的催化剂，该催化剂在发动机冷启动期间能够氧化燃烧室和废气流动通道中的过量的碳氢化合物和一氧化碳，其氧化放热反应产生的能量将进一步加速后处理预热；当发动机在高负荷下运行时，涂覆有催化剂的陶瓷热障涂层亦会防止因积碳引起早燃现象的发生。3、本专利技术通过优化陶瓷热障涂层的组成，将其孔隙率控制为10-35％范围，控制陶瓷热障涂层上催化剂的涂覆量为1-5mg/cm2，陶瓷热障涂层孔隙率和催化剂涂覆量的配合下，一方面保证陶瓷热障层足够的绝热作用(0.3～0.9W/mK)，另一方面不影响涂层上催化剂的催化化学作用。4、本专利技术采用浸渍法在陶瓷热障涂层上制备催化剂，保证催化剂与涂层间的结合力。催化剂与陶瓷涂层载体之间的粘合强度不小于25MPa。5、本专利技术在陶瓷热障涂层上涂覆催化剂，该催化剂在增压发动机冷启动期间及怠速期间能够氧化废气流动通道中的碳氢化合物和一氧化碳，其最大优点在于可以在低温下将发动机废气中的碳氢化合物和一氧化碳进行氧化反应生成CO2和H2O，有效降低废气流动通道中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属基体表面陶瓷热障涂层，其特征在于：所述金属基体表面依次制备有粘结层和陶瓷热障涂层，陶瓷热障涂层上涂覆催化剂，所述陶瓷热障涂层为以下三种方式：/n第一种方式为：以MCrAlY层为粘结层，所述陶瓷热障涂层的制备原料为Y

【技术特征摘要】
1.一种金属基体表面陶瓷热障涂层，其特征在于：所述金属基体表面依次制备有粘结层和陶瓷热障涂层，陶瓷热障涂层上涂覆催化剂，所述陶瓷热障涂层为以下三种方式：
第一种方式为：以MCrAlY层为粘结层，所述陶瓷热障涂层的制备原料为Y2O3粉和Zr2O3粉，陶瓷热障涂层制备原料中Y2O3含量为5-10wt.％、Zr2O3为余量；
第二种方式为：所述粘结层的制备原料为磷酸铬镁粘结剂、球状铝粉、片状铝粉和Cr2O3粉，所述陶瓷热障涂层的制备原料为γ-Al2O3、磷酸铬镁粘结剂和BN粉，陶瓷热障涂层的制备原料中γ-Al2O3含量6-14wt.％、磷酸铬镁粘结剂含量67-91wt.％、BN含量为1-8wt.％；
第三种方式为：所述粘结层的制备原料为磷酸铬镁粘结剂、球状铝粉、片状铝粉和Cr2O3粉，所述陶瓷热障涂层的制备原料为γ-Al2O3和SiO2.nH2O，陶瓷热障涂层制备原料中γ-Al2O3含量4-24wt.％、SiO2.nH2O为余量；
所述催化剂为含稀土元素、铂、钯和氧化铝的催化剂，催化剂的涂覆量为1-5mg/cm2。


2.根据权利要求1所述的金属基体表面陶瓷热障涂层，其特征在于：第一种方式中所述MCrAlY层化学成分为：Co为35-40wt.％，Cr为20-24wt.％，Al为8-12wt.％，Y为0.2-0.8wt％，Ni为余量。


3.根据权利要求1所述的金属基体表面陶瓷热障涂层，其特征在于：第二和第三种方式中，所述粘结层制备原料中磷酸铬镁粘结剂含量为40-75wt.％、球状铝粉含量5-15wt.％，片状铝粉含量5-20wt.％、Cr2O3含量为10-35wt.％。


4.根据权利要求1所述的金属基体表面陶瓷热障涂层，其特征在于：所述磷酸铬镁粘结剂的制备原料按重量百分含量计的组成为：氧化镁10％-15％，三氧化二铬18％-24％，磷酸11％-18％，水30％-52％，各原料组分经充分混合溶解后后得到所述磷酸铬镁粘结剂。


5.根据权利要求1-4任一所述的金属基体表面陶瓷热障涂层，其特征在于：所述粘结层和陶瓷热障涂层采用冷喷涂工艺或大气等离子喷涂工艺制备；所述粘结层的厚度为10-200μm，所述陶瓷热障涂层厚度为20-10...

【专利技术属性】
技术研发人员：于昊君，孙惠民，
申请(专利权)人：上海亚域动力工程有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31