一种利用EB-PVD技术制备的高熵氧化物超高温热障涂层及其方法技术

本发明专利技术提供一种利用EB

【技术实现步骤摘要】
一种利用EB
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PVD技术制备的高熵氧化物超高温热障涂层及其方法


[0001]本专利技术涉及热障涂层领域，更具体地涉及一种利用EB
‑
PVD技术制备的高熵氧化物超高温热障涂层及其方法。

技术介绍

[0002]热障涂层(Thermal Barrier Coatings,TBCs)是广泛应用于航空发动机热端部件表面的隔热性功能涂层，可提高叶片的工作温度，提升发动机的工作效率和服役寿命。随着发动机服役温度的不断升高，当前普遍应用的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)热障涂层高温稳定性不足，当服役温度超过1200℃时，亚稳态四方相可分解为四方相与立方相，在冷却过程中四方相逐渐向单斜相转变，并伴随4
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6％的体积膨胀，在陶瓷层中引入压应力和剪切应力，导致涂层产生裂纹过早失效。此外，YSZ陶瓷涂层极容易遭受CMAS熔盐腐蚀。等摩尔比的Y2O3和Ta2O5共同掺杂氧化锆得到的ZYTO体系能够1500℃下仍保持四方相，而且具有较低的热导率以及与YSZ相同的铁弹性增韧机制，因此在已知的YSZ陶瓷热障涂层候选材料中，显示出良好的TBC应用前景。但是，ZYTO体系的稳定四方相区域太窄，一旦粉末制备和喷涂过程中出现成分波动，则物相随之变化。
[0003]高熵材料可以通过增加体系组分来提高其构型熵，使得材料体系稳定为单相，而且高熵材料体系具有动力学扩散迟滞效应，在高温下不易发生晶粒粗化，缓解了涂层烧结问题，同时也进一步增强了相稳定性。高熵氧化物陶瓷Zr1‑
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Ta
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O2(等摩尔Yb和Nb分别替代部分Y和Ta)以稀土元素来拓宽ZYTO体系的四方相稳定区，使四方相可在更大成分范围内稳定至室温，设计得到的高熵氧化物陶瓷Zr1‑
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Y
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Ta
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Nb
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O2耐温可高达1600℃，为本课题组研究的一种最新陶瓷块体材料，但是从未用于制备热障涂层。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种利用EB
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PVD技术制备的高熵氧化物超高温热障涂层及其方法，从而解决现有技术中的热障涂层高温稳定性不足、不耐受熔盐腐蚀、使用寿命较短的问题。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]根据本专利技术的第一方面，提供一种利用EB
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PVD技术制备高熵氧化物超高温热障涂层的方法，包括以下步骤：1)按照Zr1‑
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Ta
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Nb
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x
O2所示的配比分别称取ZrO2、Y2O3、Ta2O5、Nb2O5和Yb2O3的粉末作为原料；2)将所述原料进行湿法球磨，得到球磨浆料，浆料烘干后在大气气氛中进行第一次烧结，然后造粒；3)将造粒得到的球形粉料经冷等静压制成一定尺寸的陶瓷胚体，然后在大气气氛中进行第二次烧结，得到Zr1‑
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Ta
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Nb
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O2陶瓷靶材；4)提供一种合金基体，使用砂纸对其表面进行磨抛处理，再利用喷砂机对磨抛的表面进行喷砂粗化，随后超声清洗，利用APS技术在所述合金基体表面制备NiCoCrAlY粘结层，其成分为47.5wt％Ni，23wt％Co，16.7wt％Cr，12.3wt％Al，0.5wt％Y；5)将表面喷涂有NiCoCrAlY粘
结层的合金基体装入高温合金夹具，将步骤3)制得的Zr1‑
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Ta
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Nb
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O2陶瓷靶材放入电子束物理气相沉积设备的坩埚中，用功率为50
‑
70W的高能电子束熔化靶材，使得蒸发的靶材原子沉积到NiCoCrAlY粘结层表面，形成Zr1‑
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Ta
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O2热障涂层。
[0007]优选地，步骤4)中，NiCoCrAlY粘结层制备过程中的参数为：喷涂距离100
‑
200mm，喷枪移动速度500
‑
800mm/s，送粉速率10
‑
30g/min，送粉气流量5
‑
20SLPM，喷涂电流300
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400A，氩气流量50
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100SLPM，氢气流量10
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20SLPM，粘结层厚度100
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250μm。
[0008]优选地，步骤2)中，所述的球磨混合时间为5
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20h，转速为200
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300r/min；球磨介质为异丙醇或去离子水或无水乙醇中的至少一种。
[0009]优选地，步骤2)中，所述第一次烧结的温度为1400
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1600℃，烧结时间为5
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20h。
[0010]优选地，步骤2)中，使用喷雾干燥技术或电喷结合相转化技术造粒，以获得球形颗粒粉料。
[0011]优选地，步骤3)中，冷等静压的强度为100
‑
200MPa，时间为5
‑
20min，所述第二次烧结的温度为1400
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1600℃，烧结时间为2
‑
5h。
[0012]优选地，步骤4)中，合金基体为镍基合金。
[0013]优选地，步骤4)中，所述砂纸为200～1200目的碳化硅砂纸；喷砂采用16
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60目颗粒的氧化铝砂。
[0014]优选地，步骤4)中，所形成的NiCoCrAlY粘结层厚度为50
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200μm。
[0015]优选地，步骤5)中，所形成的Zr1‑
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Ta
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Nb
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O2陶瓷层的厚度为200
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400μm。
[0016]根据本专利技术的第二方面，提供一种利用上述方法制备的高熵氧化物超高温热障涂层，所述高熵氧化物超高温热障涂层的化学组成为Zr1‑
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Ta
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Nb
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O2，各元素的摩尔含量为：Zr 20～70％，Y 9～20％，Ta 9～20％，Nb 9～20％，Yb 9～20％，所述高熵氧化物超高温热障涂层具有柱状晶结构，柱状晶间存在有较多孔隙，耐温可高达1600℃。
[0017]所谓EB
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PVD技术，即电子束物理气相沉积技术，是在真空条件下，利用高能电子束加热待蒸发的材本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用EB
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PVD技术制备高熵氧化物超高温热障涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)按照Zr1‑
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Ta
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O2所示的配比分别称取ZrO2、Y2O3、Ta2O5、Nb2O5和Yb2O3的粉末作为原料；2)将所述原料进行湿法球磨，得到球磨浆料，浆料烘干后在大气气氛中进行第一次烧结，然后造粒；3)将造粒得到的球形粉料经冷等静压制成一定尺寸的陶瓷胚体，然后在大气气氛中进行第二次烧结，得到Zr1‑
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O2陶瓷靶材；4)提供一种合金基体，使用砂纸对其表面进行磨抛处理，再利用喷砂机进行喷砂粗化，随后超声清洗，利用APS技术在所述合金基体表面制备NiCoCrAlY粘结层，其成分为47.5wt％Ni，23wt％Co，16.7wt％Cr，12.3wt％Al，0.5wt％Y；5)将表面喷涂有NiCoCrAlY粘结层的合金基体装入高温合金夹具，将步骤3)制得的Zr1‑
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O2陶瓷靶材放入电子束物理气相沉积设备的坩埚中，用功率为50
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70W的高能电子束熔化靶材，使得蒸发的靶材原子沉积到NiCoCrAlY粘结层表面，形成Zr1‑
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O2热障涂层。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中，NiCoCrAlY粘结层制备过程中的参数为：喷涂距离100
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200mm，喷枪移动速度500
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800mm/s，送粉速率10
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30g/min，送粉气流量5
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20SLPM，喷涂电流300
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400A，氩气流量...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓峰，张显程，郭芳威，石俊秒，范晓慧，杨凯，王卫泽，陆体文，刘利强，孙子豪，
申请(专利权)人：华东理工大学中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：