一種納米氧化鋯熱障塗層及製備方法
2023-05-22 18:26:26 1
專利名稱：一種納米氧化鋯熱障塗層及製備方法
技術領域：
本發明涉及一種高溫防護方法，特別是涉及一種採用超音速火焰噴塗與等 離子噴塗相結合製備的納米氧化鋯熱障塗層及製備方法，屬於國際專利分類表中的 C23C4/10 (2006. 01) I 技術領域。
背景技術：
隨著航空工業的發展，渦輪發動機的推重比越來越高，渦輪前進口溫度也越來越 高。根據目前國內外材料的研究歷程及進展狀況，在短時期內通過提高材料的使用溫度來 實現渦輪葉片耐高溫能力大的提升具有相當大的難度。比較快速可行的方法是在渦輪葉片 基體上沉積熱障塗層以提高其使用溫度。目前，我國航空發動機渦輪葉片上所採用的熱障塗層為MCrAlY底層、氧化鋯面層 結構。常規氧化鋯熱障塗層為層片狀結構，裂紋平行於塗層表面分布，且存在貫穿性裂紋， 此類結構對抗熱震性能十分不利，同時易導致塗層早期失效。而納米氧化鋯熱障塗層具有 獨特的微觀結構塗層存在相當比例納米尺寸的孔洞，且分布均勻不存在穿透性裂紋和 平行裂紋；保留大量的未完全熔融的小尺寸顆粒。顆粒尺寸大多在IOOnm以下，致使晶界大 量出現。由於納米氧化鋯晶粒變細，晶界數量大幅度增加，使得材料的強度、韌性和超塑性 大為提高，使其塗層的熱膨脹係數比傳統氧化鋯塗層的大，與高溫合金的膨脹係數差距縮 小，減小了剪應力，降低了塗層的剝落趨勢。不僅如此，在隔熱性能等方面也優於傳統氧化 鋯熱障塗層。因此，研究開發出合適的納米氧化鋯熱障塗層製備工藝是近年來渦輪葉片基 體上沉積熱障塗層研究的熱點之一。公開號為CN1740372的發明專利申請曾給出了《一種 液相等離子噴塗製備納米氧化鋯熱障塗層的方法》，即在含鋯鹽的水溶液中加入氧化物穩 定劑和高分子活性分散劑，再加入鹼性沉澱劑，得到氫氧化鋯溶膠，經陳化和純化後，將此 溶膠作為等離子噴塗原料進行等離子噴塗製備納米氧化鋯塗層。其特徵在於以氫氧化物前 驅體溶膠取代納米糰聚型微米粉末作為等離子噴塗原料，將其霧化後在等離子火焰中迅速 蒸發、乾燥、煅燒和凝結沉積，直接形成納米氧化鋯塗層。該技術方案給出納米氧化鋯熱障 塗層的製備方法，雖具有操作簡單，工藝流程少，製備成本低，有利於工業化生產等優點。但 是液相前驅體在焰流中會發生複雜的轉變，其中等離子化學反應是最為關鍵也是最為複雜 的變化，因此控制難度大；並且，製備前驅體溶膠時會引入Cl—離子等其他有害離子及雜質， 對塗層耐高溫腐蝕性能有很大影響。
發明內容
本發明的目的在於解決現有技術存在的上述技術問題，通過研究改進，提供了一 種新型的納米氧化鋯熱障塗層及製備方法。本發明給出的這種納米氧化鋯熱障塗層及製備 方法採用超音速火焰噴塗與等離子噴塗相結合，在金屬表面製備抗氧化熱障塗層。該塗層 包括粘結層和陶瓷層，粘結層採用超音速火焰噴塗製備MCrAlY;陶瓷層採用等離子噴塗 製備&02/Y203層，陶瓷層為含有5% 8%氧化釔的部分穩定的納米氧化鋯，氧化鋯粉末為納米級。本發明的優點；由於製備粘結層採用超音速噴塗技術，因此塗層與基體結合能力更 好；陶瓷層所採用的氧化鋯粉末為納米級，其抗熱震性能和隔熱性能均優於普通Zr02/Y203 熱障塗層。本發明給出的技術方案是這種納米氧化鋯熱障塗層，其特點是有粘結層和陶瓷 層，其中粘結層採用超音速火焰噴塗製備NiCrAlY,成分為Cr 20% 30%，Al 4.0% 10%, Y 0.3% 0.7%，Ni 餘量；陶瓷層採用等離子噴塗製備&02/Y203層，陶瓷層為含有5% 8%氧化釔的部分 穩定的納米氧化鋯，氧化鋯粉末為納米級。本發明給出的這種納米氧化鋯熱障塗層的製備方法，其特點是有下列步驟(1)粘結層NiCrAlY的製備Α)基材預處理將基材經砂紙打磨後，分別在丙酮及無水乙醇中超聲波清洗，吹 幹後備用。 B)超音速噴塗製備NiCrAlY粘結層NiCrAlY 合金粉末成分為Cr 20% 30%，Al 4.0% 10%，Y 0.3% 0.7%， Ni餘量，粉末粒度為300目。採用JP-5000超音速火焰噴塗設備，噴塗工藝參數如下送粉 速率40 60g/min，氧氣壓力200 240psi，氧氣流量1750 1900scfh，煤油壓力170 180psi，煤油流量5. 0 5. 5gph,噴塗距離300 360mm。塗層厚度0. 07 0. 15mm。(2)納米氧化鋯陶瓷層的製備A)納米氧化鋯粉末的製備氧化鋯粉末原始粒徑為30 70nm，加入5% 8% Y2O3，通過二次造粒，納米結構顆粒粒度範圍為20 μ m 80 μ m，平均粒徑為30 μ m 44 μ m。B)等離子噴塗製備納米氧化鋯陶瓷層採用Metco 7M等離子噴塗設備噴塗，噴塗工藝參數如下電流530 570A，電壓55 70V，送粉速率30 60g/min，氬氣壓力70 1 IOpsi， 氬氣流量80 100ft3/h，氫氣壓力0. 4 0. 6psi，氫氣流量15 20ft3/h，噴塗距離75 100mm。塗層厚度 0. 15 0. 25mm。與現有技術相比，本發明的有益效果是1、陶瓷層中6% 8%氧化釔穩定劑的添加，在高達1650°C下長期使用時，氧化釔 不會向晶體外擴散，形成一種部分穩定的氧化鋯。2、製備陶瓷層的氧化鋯粉末為納米級，二次造粒後顆粒的平均粒徑為30μπι 44 μ m。由於納米氧化鋯晶粒變細，晶界數量大幅度增加，使得材料的強度、韌性和超塑性大 為提高，使其塗層的熱膨脹係數比傳統氧化鋯塗層的大，與高溫合金的膨脹係數差距縮小， 減小了剪應力，降低了塗層的剝落趨勢。不僅如此，在隔熱性能等方面也優於傳統氧化鋯熱
障塗層。 3、由於氧化鋯穩定，具有比熱障塗層底層NiCrAlY更為明顯的抗氧化性，壽命更 長，在iioo°c高溫下，具有良好的抗熱循環能力和抗熱鹽腐蝕能力，可以推廣到高推重比航 空發動機、艦船燃氣輪機的渦輪導向葉片的高溫防護上。
具體實施例方式
實施例1基材K452合金，粘結層材料為NiCrAlY,成分為Cr 26%，A1 8%，Y 0. 6%，Ni餘 量，面層為氧化釔穩定的納米氧化鋯，其中氧化釔含量為5% 8%。1)粘結層NiCrAlY的製備(1)基材預處理將基材經800#砂紙打磨後，分別在丙酮及無水乙醇中超聲波清 洗lOmin，吹乾後備用。(2)超音速噴塗製備NiCrAlY粘結層採用JP-5000超音速火焰噴塗設備，噴塗工藝參數如下送粉速率45g/min，氧氣 壓力200psi，氧氣流量1750scfh，煤油壓力170psi，煤油流量5. Ogph，噴塗距離320mm。塗 層厚度0. 15mm。2)納米氧化鋯陶瓷層的製備(1)納米氧化鋯粉末的製備氧化鋯粉末原始粒徑為30 70nm，加入5% 8% Y2O3，通過二次造粒，納米結構顆粒粒度範圍為20 μ m 80 μ m，平均粒徑為30 μ m 44 μ m。(2)等離子噴塗製備納米氧化鋯陶瓷層 採用Metco 7M等離子噴塗設備噴塗，噴塗工藝參數如下電流550A，電壓60V，送 粉速率45g/min，氬氣壓力90psi，氬氣流量100ft3/h，氫氣壓力0. 6psi，氫氣流量20ft3/h， 噴塗距離80mm。塗層厚度0.25mm。
權利要求
1.一種納米氧化鋯熱障塗層，其特徵在於有粘結層和陶瓷層，其中粘結層採用超音速火焰噴塗製備NiCrAlY,成分為Cr 20% 30%，Al 4.0% 10%， Y 0. 3% 0. 7%, Ni 餘量；陶瓷層採用等離子噴塗製備&02/Y203層，陶瓷層為含有5% 8%氧化釔的部分穩定 的納米氧化鋯，氧化鋯粉末為納米級。
2.權利要求1所述納米氧化鋯熱障塗層的製備方法，其特徵在於有下列步驟 (1)粘結層NiCrAlY的製備Α)基材預處理將基材經砂紙打磨後，分別在丙酮及無水乙醇中超聲波清洗，吹乾後B)超音速噴塗製備NiCrAlY粘結層NiCrAlY 合金粉末成分為Cr 20% 30%，Al 4. 0% 10%，Y 0. 3% 0. 7%，Ni 餘 量，粉末粒度為300目。採用JP-5000超音速火焰噴塗設備，噴塗工藝參數如下送粉速 率40 60g/min，氧氣壓力200 240psi，氧氣流量1750 1900scfh，煤油壓力170 180psi，煤油流量5. 0 5. 5gph,噴塗距離300 360mm。塗層厚度0. 07 0. 15mm。(2)納米氧化鋯陶瓷層的製備A)納米氧化鋯粉末的製備氧化鋯粉末原始粒徑為30 70nm，加入5% 8 % Y2O3,通 過二次造粒，納米結構顆粒粒度範圍為20 μ m 80 μ m，平均粒徑為30 μ m 44 μ m ；B)等離子噴塗製備納米氧化鋯陶瓷層採用Metco 7M等離子噴塗設備噴塗，噴塗工藝參數如下電流530 570A，電壓55 70V，送粉速率30 60g/min，氬氣壓力70 1 IOpsi，氬 氣流量80 100ft3/h，氫氣壓力0. 4 0. 6psi，氫氣流量15 20ft3/h，噴塗距離75 100mm，塗層厚度 0. 15 0. 25mm。
全文摘要
一種納米氧化鋯熱障塗層及製備方法，其特點是納米氧化鋯熱障塗層有粘結層和陶瓷層，其中粘結層採用超音速火焰噴塗製備NiCrAlY，成分為Cr 20％～30％，Al 4.0％～10％，Y 0.3％～0.7％，Ni餘量；陶瓷層採用等離子噴塗製備ZrO2/Y2O3層，陶瓷層為含有5％～8％氧化釔的部分穩定的納米氧化鋯，氧化鋯粉末為納米級。本發明採用超音速火焰噴塗與等離子噴塗相結合，在金屬表面製備抗氧化熱障塗層，具有塗層與基體結合能力更好、抗熱震性能和隔熱性能均優於普通ZrO2/Y2O3熱障塗層的特點。
文檔編號C23C4/10GK102094164SQ20091022077
公開日2011年6月15日 申請日期2009年12月15日 優先權日2009年12月15日
發明者張森森, 胡金玲, 高淑春 申請人:瀋陽天賀新材料開發有限公司