一种纳米/类柱状晶混合结构热障涂层及其制备方法，所述混合结构热障涂层为纳米/类柱状晶混合结构涂层，包括基体及顺序涂敷在所述基体上的金属粘结层和陶瓷层，所述陶瓷层包括未熔纳米粒子、纳米孔隙、纳米晶及超细晶，且具有垂直于所述基体的裂纹，即类柱状晶结构。该混合结构热障涂层的制备方法，包括粉末选择及预处理步骤、基体预处理步骤、制备金属粘结层步骤、制备6-8％YSZ陶瓷层步骤。本发明专利技术所公开的涂层具有高应变容限、优异隔热性能、高结合强度、高热循环寿命及热冲击寿命，使热障涂层具有更好的综合性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种制备新型混合结构热障涂层的方法，特别是一种使用常规等离子 喷涂工艺喷涂纳米YSZ粉末以制备具有更高应变容限、良好综合性能的纳米/类柱状晶混 合结构热障涂层的方法。
技术介绍
热障涂层(Thermal Barrier Coating,TBC)是利用陶瓷材料优异的耐高温、隔热、 抗腐蚀性能，以涂层的方式将陶瓷与金属基体相复合的一种高温结构材料表面防护技术， 通常由低热导率的陶瓷面层和与金属基体、陶瓷面层具有良好热膨胀系数匹配性的金属粘 结层组成。热障涂层的使用会显著提高航空发动机高温热端部件工作温度，提高热端部件 使用寿命，从而提闻航空发动机效率。自20世纪70年代以来,氧化错基热障涂层(Thermal Barrier Coatings, TBCs) 已成功地应用于保护航空发动机燃烧室及其他高温部件，6 8% YSZ(YSZ-氧化钇部分稳 定氧化锆)材料具有很多优良的特性，如高韧性、高强度、良好的抗热冲击性能、热膨胀系 数大、抗腐蚀等，在很多航空、航天等领域都有重要的应用价值。6 8YSZ是迄今为止最为 经典的热障涂层材料，在燃气轮机方面获得大量应用。YSZ热障涂层的制备工艺最常见的有电子束物理气相沉积(Electron Beam Physical Vapor Deposition,EB-PVD)和等离子喷涂(Plasma Spray,PS)两种，其中电子束 物理气相沉积工艺制备的热障涂层具有柱状晶结构，这种结构提高了涂层的应变容限(热 应力缓和性能)，使涂层具有较高的服役寿命，但这种结构涂层的隔热性能较差，涂层的热 导率通常在1. 5 2. 0ff/m · K左右；等离子喷涂工艺制备的热障涂层根据使用的喷涂粉末 不同而具有不同的微观结构，通常熔炼破碎、烧结破碎、中空粉末喷涂涂层为典型的层状结 构涂层，而纳米团聚粉末喷涂涂层为纳米结构涂层。纳米结构涂层是近二十年来提出的热 障涂层发展方向，并已获得了应用，相对层状结构涂层而言，纳米结构涂层具有更低的热导 率(0. 7 1. lw/m · K)，同时纳米晶、部分未熔纳米粒子的存在可在一定程度上提高涂层的 热应力缓和性能。上述的纳米结构热障涂层虽然进一步降低了涂层的热导率，但涂层服役寿命仍然 与EB-PVD-TBC存在较大差距。目前国际上使用熔炼破碎、烧结破碎或中空粉末(HOSP)，结 合常规等离子喷涂工艺，制备了一种具有类柱状晶(垂直于基体的网状裂纹)结构的涂层， 这种涂层相对常规层状结构涂层具有更低的孔隙率，从而隔热性能略有下降，但提高了涂 层层间结合力，使涂层具有较高的结合强度，同时在不改变工艺装置的前提下，利用工艺参 数的调整，制备出了垂直于基体方向的垂直裂纹结构(类似EB-PVD-TBC的柱状晶结构)，这 一结构的获得，有利于提高涂层的应变容限，从而保证涂层隔热性能优于EB-PVD-TBC的同 时，进一步提闻等尚子喷涂涂层的应变容限，从而提闻涂层的热循环寿命。国际上有较多微米粉末喷涂类柱状晶结构涂层的报导及应用，例如专利号为 “US5558992”的美国专利，专利号为“EP1281788A1”的欧洲专利所公开的技术，但均使用较密实或表面熔融的熔炼破碎、烧结破碎、HOSP(团聚成中空粉末后进行等离子球化处理)粉 末制备涂层，虽然较易获得类柱状晶的垂直裂纹结构，但涂层的隔热性能相对下降(热导 率1. 2 1. 6ff/m · K)，同时在柱状晶周围存在较多的横向裂纹(层间平行于基体方向的裂 纹)。申请号为“200910237548”，名称为“带有网状裂纹结构的多元稀土氧化物掺杂氧化锆 热障涂层及其制备方法”的中国专利技术专利申请所公开的制备方法，使用多元稀土氧化物改 性粉末(团聚前为固相合成的微米粉末)制备的涂层横向裂纹比例为10 50%，会导致涂 层在服役过程中沿横向裂纹产生开裂，不能充分利用类柱状晶结构的优势，影响涂层的使 用可靠性和服役寿命的进一步提高；同时部分类柱状晶结构涂层应用过程中对厚度有一定 要求，通常需要达到O. 5mm以上。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基本接近传统涂层隔热性能、具有较高的 结合强度且同时提高热循环寿命的纳米/类柱状晶混合结构热障涂层及其制备方法。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种混合结构热障涂层，其中，所述混合结构热 障涂层为纳米/类柱状晶混合结构涂层，包括基体及顺序涂敷在所述基体上的金属粘结层 和陶瓷层，所述陶瓷层包括类柱状晶结构，所述类柱状晶结构包括垂直于所述基体的贯穿 裂纹和平行所述基体方向的横向裂纹。上述的混合结构热障涂层，其中，所述贯穿裂纹之间 的相邻距离为O.1 O. 5_，所述横向裂纹的平均长度与所述纳米/类柱状晶混合结构涂层 截面方向长度的比例为5 20%。上述的混合结构热障涂层，其中，所述金属粘结层为NiCoCrAH和/或CoCrAH层。为了更好地实现上述目的，本专利技术还提供了一种混合结构热障涂层的制备方法， 其中，包括如下步骤a、粉末选择及预处理步骤，选择纳米团聚喷涂粉末并进行高温烧结或等离子致密 化处理；b、基体预处理步骤，设置基体并对所述基体进行清洗和喷砂处理；C、制备金属粘结层步骤，使用等离子喷涂或超音速火焰喷涂工艺制备金属粘结 层；d、制备陶瓷层步骤，将所述纳米团聚喷涂粉末用等离子喷涂工艺制备纳米/类柱 状晶混合结构涂层。上述的混合结构热障涂层的制备方法，其中，所述金属合金粉末为MCrAH(M代表 Ni 和 / 或 Co)。上述的混合结构热障涂层的制备方法，其中，所述纳米团聚喷涂粉末为纳米团聚 YSZ喷涂粉末，含6 8wt% Y2O3部分稳定Zr02。上述的混合结构热障涂层的制备方法，其中，所述纳米团聚YSZ喷涂粉末的流动 性小于60s/50g,松装密度大于1. 6g/cm3。上述的混合结构热障涂层的制备方法，其中，所述制备金属粘结层步骤中，所述等 离子喷涂的电流为500A ;电压为70V ;Ar气流量为2200L/h ;喷涂距离为IOOmm ;喷枪摆动速 率为500mm/s ;送粉量为30g/min ;金属粘结层喷涂厚度为O. 05 O. 15mm。所述超音速火焰喷涂的煤油流量为38m3/h ;氧气流量为20m3/h ;送粉气流量为lm3/h ;送粉量为60g/min ； 喷涂距离为330mm ;金属粘结层喷涂厚度为O. 05 O. 15mm。上述的混合结构热障涂层的制备方法，其中，所述制备陶瓷层步骤中，所述等离子喷涂的电流为550 650A ;电压为75 90V ；;喷涂距离为50 80mm ;喷枪摆动速率为 200 600mm/s ;送粉量为20 50g/min ;基体预热温度为300 600°C ;喷涂过程中的基体温度控制为500 800°C ;陶瓷层厚度为O. 05 2mm。上述的混合结构热障涂层的制备方法，其中，所述制备金属粘结层步骤中，所述等离子喷涂的电流为500 650A ;电压为70 90V ；Ar气流量为1800 2200L/h ;喷涂距离为50 IOOmm ;喷枪摆动速率为200 600mm/s ;送粉量为20 50g/min ;金属粘结层喷涂厚度为O. 05 O. 15mm。 上述的混合结构热障涂层的制备方法，其中，所述基体为高本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种混合结构热障涂层，其特征在于，所述混合结构热障涂层为纳米/类柱状晶混合结构涂层，包括基体及顺序涂敷在所述基体上的金属粘结层和陶瓷层，所述陶瓷层包括类柱状晶结构，所述类柱状晶结构包括垂直于所述基体的贯穿裂纹和平行所述基体方向的横向裂纹。
【技术特征摘要】
1.一种混合结构热障涂层，其特征在于，所述混合结构热障涂层为纳米/类柱状晶混合结构涂层，包括基体及顺序涂敷在所述基体上的金属粘结层和陶瓷层，所述陶瓷层包括类柱状晶结构，所述类柱状晶结构包括垂直于所述基体的贯穿裂纹和平行所述基体方向的横向裂纹。2.如权利要求1所述的混合结构热障涂层，其特征在于，所述贯穿裂纹之间的相邻距离为O.1 O. 5mm，所述横向裂纹的平均长度与所述纳米/类柱状晶混合结构涂层截面方向长度的比例为5 20%。3.如权利要求1或2所述的混合结构热障涂层，其特征在于，所述金属粘结层为NiCoCrAlY 和 / 或 CoCrAH 层。4.一种混合结构热障涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤 a、粉末选择及预处理步骤，选择纳米团聚喷涂粉末并进行高温烧结或等离子致密化处理； b、基体预处理步骤，设置基体并对所述基体进行清洗和喷砂处理； C、制备金属粘结层步骤，将金属合金粉末用等离子喷涂或超音速火焰喷涂制备金属粘结层； d、制备陶瓷层步骤，将所述纳米团聚喷涂粉末用等离子喷涂工艺制备纳米/类柱状晶混合结构涂层。5.如权利要求4所述的混合结构热障涂层的制备方法，其特征在于，所述纳米团聚喷涂粉末为纳米团聚YSZ喷涂粉末，含6 8wt% Y2O3部分稳定Zr02。...
【专利技术属性】
技术研发人员：何箐，汪瑞军，袁涛，王世兴，
申请(专利权)人：中国农业机械化科学研究院，北京金轮坤天特种机械有限公司，
类型：发明
国别省市：
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