一种具有自粘性的多模结构热障涂层及制备方法技术

一种具有自粘性的多模结构热障涂层及制备方法，以氧氯化锆、磷酸钠、氟化钠为原料来制备棒状或须状氧化锆。将所制备的棒状或须状氧化锆和纳米YSZ进行喷雾造粒并烧结形成具有一定流动性的粉体。采用高能等离子束喷射技术在合金基体上依次进行粘接层和陶瓷层的制备。本发明专利技术以粒子的温度和飞行速度作为粒子状态的变量，通过调节粒子温度和飞行速度进而对棒/须/层自粘结构进行调控。该技术成本低、效率高、可以大面积应用。可以大面积应用。可以大面积应用。

【技术实现步骤摘要】
一种具有自粘性的多模结构热障涂层及制备方法


[0001]本专利技术属于表面工程与
，具体为一种具有自粘性的多模结构热障涂层及制备方法。

技术介绍

[0002]近些年，我国的航空航天事业取得了突飞猛进的发展，其中热障涂层在航空航天领域尤其是航空发动机零部件中扮演重要作用。将高熔点和低导热的陶瓷材料涂覆在由高温合金制备的航空发动机叶片表面来达到降低基体的温度和增加工作效率的目的。热障涂层的结构通常包含以下四部分，陶瓷层、金属粘接层、热生长氧化物、高温合金基体，其中热生长氧化物在服役过程中产生。航空发动机燃烧室中的陶瓷涂层材料在应用过程中由于具有恶略的服役环境因此不可避免长时间的承受机械载荷、热应力、烧结、热冲击和热震等一系列物理化学作用导致涂层发生失效。产生失效的原因众多，但最终失效的表现形式一般以陶瓷层微裂纹的形成、扩展、联接、形成破坏性裂纹进而剥落为主。因此，陶瓷层低的断裂韧性和弱的结合强度是导致涂层失效的最根本原因。
[0003]为解决热障涂层中陶瓷层所产生的易剥落问题，将棒状或须状氧化锆作为增强体以增加热障涂层韧性。棒状或须状氧化锆是一类具体特殊形貌的单晶体，具备优异的力学性能，其长度一般为1
‑
4μm，直径为50
‑
500nm。内部原子排列规整，几乎不存在缺陷(点缺陷、线缺陷、面缺陷)。由于晶须各项力学性能可以接近理论值，通常作为增强体来增加材料的力学性能，尤其是材料的韧性。作为增强体时会使材料中发生裂纹偏转、晶须侨联、晶须拔出等作用，进而使材料难以产生变形和断裂，最终导致材料的断裂韧性增加。此外，棒状或须状氧化锆的制备方法有很多，常见的有化学气相法、水热法、静电纺丝法、高压高温法等。这些方法都能够有效的制备晶须、纤维、纳米线等一维材料，但制备过程中质量不稳定、生产条件严格、设备要求高，生产效率低等。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有热障涂层易剥落缺点，提供了一种具有自粘性的多模结构热障涂层制备方法，该方法能够获得高韧性、高结合强度、高服役寿命的热障涂层，并且制备涂层效率高、成本低、工艺简单、易于大规模使用，有望应用于航空发动机与燃气轮机热端部件表面。
[0005]为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0006]一种具有自粘性的多模结构热障涂层制备方法，包括如下步骤：
[0007](1)将锆盐、高熔点盐与氟盐加入到容器中、加入无水乙醇，得到前驱体悬浊液；锆盐、高熔点盐与氟盐的质量比为(5
‑
10):(5
‑
10):(1
‑
3)；
[0008](2)对前驱体悬浊液进行搅拌均匀后干燥，得到前驱体；
[0009](3)将前驱体进行烧结，得到含有棒状和须状氧化锆粉体；
[0010](4)将步骤(3)所制备的棒状或须状氧化锆和纳米氧化钇稳定氧化锆粉体按照质
量比为1：(3
‑
4)进行喷雾造粒，得到YSZ/ZrO2复合粉体；
[0011](5)利用高能等离子束喷射技术依次在基体上沉积金属粘接层和YSZ/ZrO2陶瓷层，形成具有自粘性的多模结构热障涂层。
[0012]进一步的，锆盐为氧氯化锆或氯化锆。
[0013]进一步的，高熔点盐为硫酸钾、氯化钠或硫酸钠。
[0014]进一步的，氟盐为氟化钠或氟化钾。
[0015]进一步的，锆盐与无水乙醇的比为2g:20
‑
80mL。
[0016]进一步的，烧结的温度为500
‑
1000℃，时间为2
‑
8h。
[0017]进一步的，步骤(4)的具体过程为：
[0018]4.1)将含有棒状和须状氧化锆粉末和纳米尺寸的YSZ粉末进行湿法球磨2
‑
6h，得到浆料；
[0019]4.2)将浆料进行喷雾造粒，得到直径范围为10
‑
100μm的复合粉末；
[0020]4.3)将复合粉末在300
‑
600℃下烧结0.5
‑
5h，得到YSZ/ZrO2复合粉体。
[0021]进一步的，基体为GH4169、GH3625、GH3044、GH3030、单晶DD3、DD5、DD6或单晶CMSX
‑
6，金属粘接层为NiCrAlY、CoCrAlY或NiCoCrAlY。
[0022]进一步的，沉积时粒子的温度为2800
‑
3100℃、粒子的飞行速度500
‑
600m/s；金属粘接层的厚度为100
‑
150μm，YSZ/ZrO2陶瓷层的厚度为200
‑
300μm。
[0023]一种采用上述方法制备的具有自粘性的多模结构热障涂层，该热障涂层内棒状或须状氧化锆的长度为1
‑
4μm，长径比为5
‑
30。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：
[0025]本专利技术利用飞行粒子在等离子射流中的非均匀传热传质促使粒子部分熔化，同时粒子撞击到基体上的超快速形变和极快速冷却，致使涂层结构中呈现出一种原始棒状或须状的组织分散于层片结构中。其中，棒状形貌的ZrO2粒子作为晶须间的交联点，增加了涂层的粘结性；熔化后再结晶所形成的层片结构则作为涂层的另一种粘结方式，两种方式共同增加涂层的粘结强度。此外，由于高能等离子束喷射技术具有高的生产效率、优异的工艺稳定性、易于实现自动化、喷涂涂层成分和组织均匀等，所以本专利技术选用此方法来制备多模结构热障涂层。
[0026]进一步的，利用熔盐法来制备棒状和须状的氧化锆，其中烧结温度、保温时间、原料的配比均对氧化锆形貌产生重要的影响。烧结温度过高不利于材料的一维生长，烧结温度过低则使熔盐难以融化同样不利于一维材料的生长。同样的，过长或过短的保温时间也不利于氧化锆晶须和晶棒的生长。当烧结温度为500
‑
1000℃、保温时间为2
‑
8h、锆盐、高熔点盐与氟盐的质量比为10:10:1时所制备的棒状或须状氧化锆质量较好。
[0027]进一步的，等离子射流的温度过高会导致复合粉体内部棒状氧化锆完全熔化，则不利于产生棒/须/层多模结构。若射流温度过低会使得复合粉体没有产生一定程度的熔化，使得单个涂层之间得结合强度仅是由于塑性变形引起，进而导致涂层的安全可靠性下降。粒子的飞行速度同样对涂层的可靠性有重要的影响，过快或过慢的飞行速度不利于粉体的熔化和和涂层的制备。所以当射流的温度为2800
‑
3100℃，粒子飞行速度为500
‑
600m/s时所制备的涂层可以保留所需要结构的同时具备良好的性能。
附图说明
[0028]图1为本专利技术实施例1的棒状或须状氧化锆微观形貌示意图；
[0029]图2为本专利技术实施例1的棒状或须状氧化锆微观形貌示意图；
[0030]图3为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有自粘性的多模结构热障涂层制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将锆盐、高熔点盐与氟盐加入到容器中、加入无水乙醇，得到前驱体悬浊液；锆盐、高熔点盐与氟盐的质量比为(5
‑
10):(5
‑
10):(1
‑
3)；(2)对前驱体悬浊液进行搅拌均匀后干燥，得到前驱体；(3)将前驱体进行烧结，得到含有棒状和须状氧化锆粉体；(4)将步骤(3)所制备的棒状或须状氧化锆和纳米氧化钇稳定氧化锆粉体按照质量比为1：(3
‑
4)进行喷雾造粒，得到YSZ/ZrO2复合粉体；(5)利用高能等离子束喷射技术依次在基体上沉积金属粘接层和YSZ/ZrO2陶瓷层，形成具有自粘性的多模结构热障涂层。2.根据权利要求1所述的一种具有自粘性的多模结构热障涂层制备方法，其特征在于，锆盐为氧氯化锆或氯化锆。3.根据权利要求1所述的一种具有自粘性的多模结构热障涂层制备方法，其特征在于，高熔点盐为硫酸钾、氯化钠或硫酸钠。4.根据权利要求1所述的一种具有自粘性的多模结构热障涂层制备方法，其特征在于，氟盐为氟化钠或氟化钾。5.根据权利要求1所述的一种具有自粘性的多模结构热障涂层的制备方法，其特征在于，锆盐与无水乙醇的比为2g:20
‑
80mL。6.根据权利要求1所述的一种具有自粘性的多模结构热障涂层制备方法，其特征在于，烧结的温度为500
‑
1000℃，时间为2
‑
8h。7.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：白宇，李智，王玉，郑全生，王士峰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：