一種納米柱狀晶熱障塗層及其製備方法
2023-04-30 23:32:41
專利名稱：一種納米柱狀晶熱障塗層及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種納米柱狀晶熱障塗層及其製備方法。
背景技術：
氧化釔部分穩定的氧化鋯由於具有較低的熱導率和與高溫合金基體相近的熱膨脹係數而成為熱障塗層的最佳選擇，並已成功地應用於燃氣發動機的渦輪機葉片和燃燒室。目前對熱障塗層的研究主要集中於對陶瓷層和基體的熱膨脹係數不匹配而引起的熱應力及熱生長氧化膜(TGO)的研究。為此不少學者通過改變噴塗工藝參 數來改善塗層微觀組織及結構，也有學者通過添加少量的Al2O3和利用納米尺度的YSZ粉體對塗層進行了改性研究。但是，利用機械合金化方法對噴塗前驅體進行改性，並對其形成的熱障塗層性能進行深入研究目前很少有報導。中國專利局公布了利用反應噴塗製備氧化鋁基陶瓷塗層的方法(申請號CN00100504. 9)，此法採用一水硬鋁石粉末作為噴塗材料，或是以一水硬鋁石為主要成分加以二氧化鈦、二氧化鈰、磷酸鋁中的一種或多種為配料的混合粉末作為噴塗材料，利用火焰粉末噴塗的方法，在金屬及其合金表面製備氧化鋁基陶瓷塗層。採用主要成分為一水硬鋁石的混合粉末作為噴塗材料，在金屬基體上製備氧化鋁基陶瓷塗層。具有噴塗設備及工藝相對簡單，噴塗成本低，塗層性能優良，噴塗材料來源廣泛，價格低廉的優點。但其塗層的柱狀晶粒度較大，且塗層與基體的粘結性較差，易脫落。中國專利局公布了一種納米氧化鋯熱障塗層及製備方法，(申請號CN200910220776)，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. O % 10 %，Y O. 3 % O. 7 %，Ni餘量；陶瓷層採用等離子噴塗製備Zr02/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。該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Zr02/Y203熱障塗層的特點，但該納米氧化鋯熱障塗層噴塗前驅體顆粒為納米級顆粒，其獲取成本較高，且其製備工藝複雜。
發明內容
本發明的目的之一是為了解決上述的噴塗前驅體顆粒原材料的成本高，製備工藝複雜等問題，而提供一種納米柱狀晶熱障塗層，該納米柱狀晶熱障塗層具有原材料成本低，塗層的彈性模量較大，孔隙率較大，製備工藝簡單的特點。本發明的目的之二是提供上述的一種納米柱狀晶熱障塗層的製備方法。本發明的技術方案
一種納米柱狀晶熱障塗層，為雙層結構，即包括平均厚度為140微米的粘結層和平均厚度為220微米的陶瓷層；
所述的粘結層為採用大氣等離子噴塗的方法對NiCrC0AH粉體進行噴塗而得；所述的NiCrCoAlY粉體中，按質量百分比計算，Cr+Al Ni+Co :Y為22. 81:75. 88:1. 31 ；所述的陶瓷層為將氧化釔部分穩定的氧化鋯粉末和氧化鋁粉末按其質量比10 20:1混合均勻後在氬氣保護的條件下經輥壓振動磨研磨後得到複合粉體用大氣等離子噴塗的方法在粘結層上進行噴塗後而得；
所述的氧化釔部分穩定的氧化鋯粉末的粒徑大小為45 75微米，氧化鋁粉末的粒徑大小為2 10微米。上述的一種納米柱狀晶熱障塗層的製備方法，即將氧化釔部分穩定的氧化鋯粉末和氧化鋁粉末按其質量比10 20:1混合均勻後，置於輥壓振動磨中，在氬氣保護的條件下研磨40 45h得到複合粉體；然後用大氣等離子噴塗的方法先後對NiCrCoAlY粉體和上述所得的複合粉體進行噴塗，在INC0625合金鋼板上製得雙層結構的熱障塗層。其具體包括以下步驟
(1)、將氧化釔部分穩定的氧化鋯粉末和氧化鋁粉末按其質量比10 20:1混合均勻後，放置于振動研磨機中，在幹法室溫、氬氣保護條件下進行研磨得到複合粉體；
輥壓振動磨運行時，電機功率為O. 12kW，激振頻率16Hz，振幅5mm ;研磨方式為間歇運行方式，研磨40 45h後得到混合的複合粉體，取出待用；
(2)、將NiCrCoAlY粉體和步驟(I)中所得的複合粉體分別使用80目尼龍檢驗篩過篩，然後在50 55°C的電熱恆溫乾燥箱中乾燥2 3h ;
(3)、將INC0625合金鋼板基體表面進行淨化處理；
淨化的條件為機械打磨INC0625合金鋼板基體表面後，依次用丙酮和無水乙醇對INC0625合金鋼板基體超聲衝洗各30 40min,然後置於100°C的電熱恆溫乾燥箱中乾燥30 40min ；
(4)、將步驟(3)中淨化處理後的INC0625合金鋼板基體的表面進行噴砂處理，噴砂後使用無水乙醇繼續超聲清洗30 40min，置於100°C的電熱恆溫乾燥箱中乾燥30 40min ；
(5 )、首先採用大氣等離子噴塗方法對步驟(2 )處理後的NiCrCoAlY粉體在步驟(4 )中處理過的INC0625合金鋼板基體表面進行噴塗成平均厚度為140微米的粘結層；
然後再採用大氣等離子噴塗方法對步驟(2)處理後的複合粉體在上述所得的粘結層上進行噴塗成平均厚度為220微米的陶瓷層，即得雙層結構納米柱狀晶熱障塗層。本發明的有益效果
本發明的一種納米柱狀晶熱障塗層，由於採用了微米級的普通商用NiCrC0AH粉體，因此具有原材料來源廣、成本低的特點。進一步，本發明的一種納米柱狀晶熱障塗層，塗層的彈性模量為91GPa，孔隙率為8. 294%，其值相對於前驅體沒有進行機械研磨而採用相同噴塗工藝參數製得的塗層的彈性模量值提高了 18. 2%，孔隙率值增大了 35. 4%，因此本發明的一種納米柱狀晶熱障塗層具有彈性模量大，孔隙率大的特點。進一步，本發明的一種納米柱狀晶熱障塗層的製備方法，由於採用的是微米級粉末，符合熱噴塗所需的顆粒標準，不再需要進行噴霧造粒工序，因此具有製備工藝簡單，操作方便，適於工業化生產的特點。
圖I、實施例I所製備的納米柱狀晶熱障塗層的XRD衍射 圖2A、實施例I製備的納米柱狀晶熱障塗層橫截面的SEM 圖2B、實施例I製備的納米柱狀晶熱障塗層表面的SEM 圖2C、實施例I製備的納米柱狀晶熱障塗層表面的SEM圖的局部放大圖。
具體實施例方式下面通過具體實施例並結合附圖對本發明進一步闡述，但並不限制本發明。
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大氣等離子噴塗系統 A-2000型瑞士 SulzerMetcoAG公司_實施例I
一種納米柱狀晶熱障塗層，為雙層結構，包括平均厚度為140微米的粘結層和平均厚度為220微米的陶瓷層；
所述的粘結層為採用大氣等離子噴塗的方法對NiCrC0AH粉體進行噴塗而得；
所述的NiCrCoAlY粉體中，按質量百分比計算，Cr+Al Ni+Co :Y為22. 81:75. 88:1. 31 ；所述的陶瓷層為將氧化釔部分穩定的氧化鋯粉末和氧化鋁粉末按其質量比15. 7:1混合均勻後在氬氣保護的條件下經輥壓振動磨研磨後得到複合粉體用大氣等離子噴塗的方法在粘結層上進行噴塗後而得；
所述的氧化釔部分穩定的氧化鋯粉末的粒徑大小為45 75微米，氧化鋁粉末的粒徑大小為2 10微米。上述的一種納米柱狀晶熱障塗層的製備方法，具體包括如下步驟
(1)、稱取141克氧化釔部分穩定的氧化鋯粉末和9克氧化鋁粉末,攪拌混合均勻,將其放置于振動研磨機中進行振動研磨，振動研磨過程在幹法室溫、氬氣保護條件下進行，控制電機功率為O. 12kW，激振頻率16Hz，振幅5mm ;研磨方式為間歇運行方式，具體間歇流程為
開機運行O. 5h後停止30min,然後再開動2h,停機Ih;
之後再依次開機2h停機lh，4次；
開機3h停機lh，4次；
開機4h停機lh，2次；
開機5h停機lh，3次；
總計研磨時間為45小時；
研磨45小時後取出待用；
重複上述步驟3次，共製得600g複合粉體；
(2)、將NiCrC0AH粉體和上述步驟(I)中製得的複合粉體分別使用80目尼龍檢驗篩過篩，然後在50 55°C的電熱恆溫乾燥箱中乾燥2 3h ;(3)、將INC0625合金鋼板基體表面進行淨化處理；淨化的條件為機械打磨INC0625合金鋼板基體表面後，用丙酮和無水乙醇對INC0625合金鋼板基體超聲衝洗各30 40min，然後置於100°C的電熱恆溫乾燥箱中乾燥30 40min ；
(4)、上述步驟(3)中淨化處理過的INC0625合金鋼板基體的表面進行噴砂處理；噴砂後使用無水乙醇超聲清洗30 40min，置於100°C的電熱恆溫乾燥箱中乾燥30 40min ；
(5)、首先採用大氣等離子噴塗方法對步驟(2)中得到的NiCrCoAlY粉體在步驟(4)中處理過的INC0625合金鋼板基體表面進行噴塗成平均厚度為140微米的粘結層；
然後再採用大氣等離子噴塗方法在上述所得的粘結層的表面進行噴塗成平均厚度為220微米的陶瓷層，即得雙層結構納米柱狀晶熱障塗層；
上述的噴塗過程控制工藝參數具體如下
權利要求
1.一種納米柱狀晶熱障塗層，為雙層結構，包括粘結層和陶瓷層，其特徵在於所述的粘結層為採用大氣等離子噴塗的方法對NiCrCoAlY粉體進行噴塗而得； 所述的陶瓷層為將氧化釔部分穩定的氧化鋯粉末和氧化鋁粉末按其質量比10 20:1混合均勻後在氬氣保護的條件下經輥壓振動磨研磨後得到複合粉體用大氣等離子噴塗的方法在粘結層上進行噴塗後而得。
2.如權利要求I所述的一種納米柱狀晶熱障塗層，其特徵在於所述的粘結層中所用的NiCrCoAlY 粉體按質量百分比計算，Cr+Al Ni+Co Y 為 22. 81:75. 88:1. 31。
3.如權利要求2所述的一種納米柱狀晶熱障塗層，其特徵在於所述的陶瓷層中所用的氧化釔部分穩定的氧化鋯粉末的粒徑大小為45 75微米，所用的氧化鋁粉末的粒徑大小為2 10微米。
4.如權利要求3所述的一種納米柱狀晶熱障塗層，其特徵在於所述的粘結層平均厚度為140微米，所述的陶瓷層平均厚度為220微米。
5.如權利要求1、2、3或4所述的一種納米柱狀晶熱障塗層的製備方法，其特徵在於首先將氧化釔部分穩定的氧化鋯粉末和氧化鋁粉末按其質量比10 20:1混合均勻後，置於輥壓振動磨中，在氬氣保護的條件下研磨40 45h得到複合粉體； 然後用大氣等離子噴塗的方法在INC0625合金鋼板上先後對NiCrCoAH粉體和上述所得的複合粉體進行噴塗，即得雙層結構的納米柱狀晶熱障塗層。
6.如權利要求5所述的一種納米柱狀晶熱障塗層的製備方法，其特徵在於所述的研磨，即在室溫條件下，輥壓振動磨運行時，電機功率為O. 12kW，激振頻率16Hz，振幅5mm，研磨方式為間歇運行方式。
7.如權利要求5所述的一種納米柱狀晶熱障塗層的製備方法，其特徵在於所述的NiCrCoAH粉體和複合粉體在大氣等離子噴塗前均使用80目尼龍檢驗篩過篩，然後在50 55°C的電熱恆溫乾燥箱中乾燥2 3h。
8.如權利要求5所述的一種納米柱狀晶熱障塗層的製備方法，其特徵在於所述的INC0625合金鋼板在大氣等離子噴塗之前進行淨化處理； 淨化的條件為首先機械打磨INC0625合金鋼板表面，打磨後用丙酮和無水乙醇對其超聲衝洗各30 40min，然後置於100°C的電熱恆溫乾燥箱中乾燥30 40min。
9.如權利要求8所述的一種納米柱狀晶熱障塗層的製備方法，其特徵在於所述的INC0625合金鋼板在淨化處理後、大氣等離子噴塗之前進行噴砂處理，噴砂後使用無水乙醇超聲清洗30 40min,置於100O的電熱恆溫乾燥箱中乾燥30 40min。
10.如權利要求5所述的一種納米柱狀晶熱障塗層的製備方法，其特徵在於所述的用大氣等離子噴塗，即在大氣等離子噴塗NiCrCoAH粉體過程控制功率為75kW，電流600A，噴塗距離120mm, Ar的氣速為65L/min, H2的氣速為為14L/min,送粉速度為20rpm ;在大氣等離子噴塗複合粉體的過程中控制功率為69kW，電流650A，噴塗距離140臟，41*的氣速為3517min, H2的氣速為12L/min,送粉速度為25rpm。
全文摘要
本發明公開了一種納米柱狀晶熱障塗層及其製備方法，所述的一種納米柱狀晶熱障塗層，為雙層結構，包括粘結層和陶瓷層，所述的粘結層為採用大氣等離子噴塗的方法對NiCrCoAlY粉體進行噴塗而得；所述的陶瓷層為將氧化釔部分穩定的氧化鋯粉末和氧化鋁粉末按其質量比10～20:1混合均勻後在氬氣保護的條件下經輥壓振動磨研磨後得到複合粉體用大氣等離子噴塗的方法在粘結層上進行噴塗後而得。本發明製備的雙層結構的納米柱狀晶熱障塗層具有原材料成本低，塗層的彈性模量較大，孔隙率較大，且製備工藝簡單，操作方便，適於工業化生產的特點。
文檔編號C23C4/12GK102963061SQ20121050504
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月3日 優先權日2012年12月3日
發明者唐宏志, 趙立峰, 張永剛 申請人:上海理工大學