一种晶须増韧双模式结构陶瓷涂层的调控方法技术

一种晶须増韧双模式结构陶瓷涂层的调控方法，将高长径比的氧化锆晶须与纳米结构陶瓷粉体进行球磨，并添加分散剂与粘结剂制成浆料；通过喷雾造粒方法将浆料进行喷雾干燥，得到晶须掺杂的复合粉体；将晶须掺杂的复合粉体进行烧结热处理，得到团聚的晶须复合粉体；采用高效能超音速等离子喷涂技术在基体上依次采用合金粘结粉体沉积粘结层，采用团聚晶须复合粉体沉积晶须増韧复合陶瓷层，形成晶须増韧双模式结构陶瓷涂层。本发明专利技术将影响涂层微观结构的温度速度两因素变量转变为熔融指数单因数变量，以熔融指数与涂层微观结构间的关系为纽带，通过直接调节喷涂功率实现热障涂层中晶须増韧“双模式”结构的精确调控。结构的精确调控。

【技术实现步骤摘要】
一种晶须増韧双模式结构陶瓷涂层的调控方法


[0001]本专利技术涉及材料表面处理
，特别涉及一种晶须増韧双模式结构陶瓷涂层的调控方法。

技术介绍

[0002]热障涂层(Thermal Barrier Coatings，简称TBCs)由于其优异的热防护阻挡作用可以大大降低合金基体的表面温度，目前被广泛地应用于航空发动机、燃气轮机、高端控制阀等热端部件表面。TBCs系统一般包括高温合金基体、合金粘结层、热生长氧化物TGO及陶瓷涂层四层结构。热障涂层在服役过程中会承受机械载荷、热应力、烧结、热震和冲蚀等作用导致其不可避免地发生开裂失效，因此解决发动机叶片上热障涂层失效问题成为当前热障涂层领域的研究重点。造成涂层失效的因素有很多，如各层之间的热膨胀不匹配、陶瓷层和粘结层发生氧化反应、CaO
‑
MgO
‑
Al2O3‑
SiO2(CMAS)腐蚀以及陶瓷面层的烧结和相变等等。但是热障涂层的失效方式主要涉及陶瓷涂层微裂纹的产生、扩展、联接与大裂纹的增殖。当大裂纹的数量达到一定值之后，将引起陶瓷涂层从边缘处开始脱落，导致涂层失效。归根结底，涂层失效的根本原因在于陶瓷涂层脆性大、断裂韧性低。因此，增加陶瓷涂层的断裂韧性成为解决失效问题的关键。
[0003]目前，提高陶瓷涂层断裂韧性的方法包括第二相颗粒增韧、诱导相变增韧、自增韧、以及纤维(晶须)增韧等。其中，晶须增韧是常用且有效的一种増韧方式。这是基于晶须只有一个沿轴向的位错，拥有比较完整的结构，具有高强度、高稳定性等优异性能。晶须增韧强化机理主要包括以下三种：(1)裂纹偏转：当裂纹扩展到晶须处时，由于晶须的强度较高，裂纹会发生偏转。裂纹偏转强化主要体现在两个方面，首先由于裂纹偏转使得外加应力与裂纹不再是垂直关系，有效地降低了断裂功；另一方面，裂纹偏转意味着裂纹的路径增长，裂纹尖端应力强度变小，裂纹偏转角度越大对于基体材料增韧效果越好。(2)晶须桥联：在裂纹扩展的过程中，晶须成为垂直于裂纹搭接在两侧基体材料的互联桥。桥联晶须承受外加载荷，产生了与裂纹垂直的应力，裂纹想要进一步扩展，就需要先抵消掉桥联晶须产生的一部分应力，从而起到增韧强化作用。(3)晶须拔出：裂纹传递至晶须与基体的界面处，当基体开裂的应力超过基体剪切屈服强度时，晶须会从基体材料中向上拔出。晶须拔出的过程中使得应力分散传递给晶须，在晶须与基体的界面产生摩擦而吸收断裂功同时消耗断裂能，从而阻碍裂纹扩展，达到增韧的效果。
[0004]晶须增韧复合涂层的制备目前主要包括化学气相沉积、液相喷涂、等离子喷涂、水热法、静电纺丝法。相比较其他方法，化学气相沉积是将化学气相沉积与包覆法相结合，通过原位生长的方式制备出复合涂层。然而这种方法不适合在较大及异型基体上沉积、且成本较高。液相法喷涂是一种以亚微米/纳米颗粒为原料制备成喷涂悬浮液沉积成高耐蚀性热障涂层，其优点是设备简易、操作简单、具有相对低的加工温度，然而这种方法面临着涂层内部结构疏松、孔隙较大、沉积效率较低、工艺不稳定、不便于大规模生产等问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种晶须増韧双模式结构陶瓷涂层的调控方法，该方法是一种更高效、灵活、低成本、大面积的制备方法，能够获得高强韧性、高可靠性的热障涂层体系。
[0006]为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0007]一种晶须増韧双模式结构陶瓷涂层的调控方法，包括如下步骤：
[0008](1)将高长径比的氧化锆晶须与纳米结构陶瓷粉体进行球磨，并添加分散剂与粘结剂制成浆料；
[0009](2)通过喷雾造粒方法将浆料进行喷雾干燥，得到晶须掺杂的复合粉体；
[0010](3)将晶须掺杂的复合粉体进行烧结热处理，得到团聚的晶须复合粉体；
[0011](4)采用高效能超音速等离子喷涂技术在基体上依次采用合金粘结粉体沉积粘结层，采用团聚晶须复合粉体沉积晶须増韧复合陶瓷层，形成晶须増韧双模式结构陶瓷涂层。
[0012]本专利技术进一步的改进在于，氧化锆晶须的长径比为5
‑
20；纳米结构陶瓷粉体尺寸为10
‑
90nm。
[0013]本专利技术进一步的改进在于，高长径比的氧化锆晶须与纳米结构陶瓷粉体的质量份数比(10
‑
50)：(90
‑
50)，高长径比的氧化锆晶须与纳米结构陶瓷粉体的质量份数之和为100。
[0014]本专利技术进一步的改进在于，分散剂为柠檬酸铵，粘结剂为聚乙烯醇；分散剂与粘结剂的用量均为氧化锆晶须质量的1
‑
3％。
[0015]本专利技术进一步的改进在于，步骤(2)的具体过程为：先将浆料在喷雾干燥塔中进行干燥，干燥温度为120
‑
200℃，得到粗级别的样品，将粗级别的样品在热风箱中干燥，干燥温度为120
‑
200℃，得到干燥后的细级别样品，将干燥后的细级别样品再通过一级鼓风机和二级鼓风机的传送，得到晶须掺杂的陶瓷复合粉体。
[0016]本专利技术进一步的改进在于，烧结热处理的温度为400
‑
600℃，时间为5
‑
7h。
[0017]本专利技术进一步的改进在于，团聚的晶须掺杂复合粉体的尺寸为10
‑
100μm。
[0018]本专利技术进一步的改进在于，基体的材质为高温合金，牌号为GH3625、GH3044、GH4169、GH3030、单晶DD3、DD5、DD6、单晶CMSX
‑
6或单晶SRR99。
[0019]本专利技术进一步的改进在于，合金粘结粉体为NiCrAlY、CoNiCrAlY与NiCoCrAlY合金粉体中的一种；
[0020]纳米结构陶瓷粉体为ZrO2、二元或多元稀土掺杂型ZrO2氧化物粉体。
[0021]本专利技术进一步的改进在于，沉积的功率为30
‑
85kW，主气为50
‑
70slpm，辅气为10
‑
20slpm，喷涂距离为100
‑
110mm，送粉率为30
‑
35g/min；晶须増韧双模式结构陶瓷涂层厚度为200
‑
300μm。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有的技术效果：
[0023]本专利技术采用喷雾干燥及烧结热处理，避免在喷涂过程中出现颗粒沉积不均匀的现象，并增强复合粉末颗粒间的结合力。该方法与化学气相沉积、静电纺丝、液相喷涂相比，可一步法实现晶须増韧双模式结构热障涂层的制备，具有高效、灵活、低成本、大面积制备涂层的特征。利用高效能超音速等离子喷涂技术，将晶须复合粒子的表面温度及飞行速度大幅提高，通过复合粒子的高速撞击实现热障涂层结构的薄片化、区域化。其中，高速飞行的
粒子在射流中停留时间短，在保证涂层结合强度的同时，进一步在未融区保留了晶须结构的特征，最终实现了热障涂层强韧化的协同提升。本专利技术将影响涂层微本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种晶须増韧双模式结构陶瓷涂层的调控方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将高长径比的氧化锆晶须与纳米结构陶瓷粉体进行球磨，并添加分散剂与粘结剂制成浆料；(2)通过喷雾造粒方法将浆料进行喷雾干燥，得到晶须掺杂的复合粉体；(3)将晶须掺杂的复合粉体进行烧结热处理，得到团聚的晶须复合粉体；(4)采用高效能超音速等离子喷涂技术在基体上依次采用合金粘结粉体沉积粘结层，采用团聚晶须复合粉体沉积晶须増韧复合陶瓷层，形成晶须増韧双模式结构陶瓷涂层。2.根据权利要求1所述的一种晶须増韧双模式结构陶瓷涂层的调控方法，其特征在于，氧化锆晶须的长径比为5
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20；纳米结构陶瓷粉体尺寸为10
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90nm。3.根据权利要求1所述的一种晶须増韧双模式结构陶瓷涂层的调控方法，其特征在于，高长径比的氧化锆晶须与纳米结构陶瓷粉体的质量份数比(10
‑
50)：(90
‑
50)，高长径比的氧化锆晶须与纳米结构陶瓷粉体的质量份数之和为100。4.根据权利要求1所述的一种晶须増韧双模式结构陶瓷涂层的调控方法，其特征在于，分散剂为柠檬酸铵，粘结剂为聚乙烯醇；分散剂与粘结剂的用量均为氧化锆晶须质量的1
‑
3％。5.根据权利要求1所述的一种晶须増韧双模式结构陶瓷涂层的调控方法，其特征在于，步骤(2)的具体过程为：先将浆料在喷雾干燥塔中进行干燥，干燥温度为120
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200℃，得到粗级别的样品，将粗级别的样品在热风箱中干燥，干燥温度为120
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【专利技术属性】
技术研发人员：王玉，白宇，李智，郑全生，李贤佳，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：