CN101200126A - 一种热障涂层及其制备方法 - Google Patents

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一种热障涂层及其制备方法，它涉及一种涂层及其制备方法。它解决现有技术中高温下平行于镍基高温合金层方向上的材料界面相对滑动和脱落及垂直于镍基高温合金层方向上的热障涂层的纵向开裂的问题。热障涂层由外部陶瓷层(1)和内部结合层(5)组成，其中内部结合层(5)由镍基高温合金层(4)和连接在镍基高温合金层(4)外表面的粘结层(2)组成，粘结层(2)由镍纳米线(3)和氧化钇稳定氧化锆组成。制备方法：在镍基高温合金层(4)外表面上电沉积得到与其连接的镍纳米线，再喷涂上氧化钇稳定氧化锆溶胶，煅烧后得粘结层(2)，然后在粘结层(2)上制备陶瓷层(1)，得热障涂层。本发明热障涂层的横纵向均紧密结合。

Description

一种热障涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种涂层及其制备方法。
背景技术
热障涂层已经被广泛应用于航空、航天、燃气发电、冶金、舰船、化工和汽车制造等众多领域。科技的发展对热端部件的工作温度、使用寿命提出了越来越高的要求，因此要大力开发高性能、高可靠、长寿命的热障涂层。传统的热障涂层通常是由陶瓷表层和结合底层所组成。热障涂层结构主要可以分为双层结构、多层结构和梯度结构。由于热障涂层使用条件的复杂性和多样性，常导致热障涂层失效。现有热障涂层失效总结如下：陶瓷面层中出现垂直于表面的纵向贯穿性裂纹，导致面层断裂，热障涂层失效；陶瓷面层中出现平行于表面的横向裂纹，部分面层起皮、剥落，热障涂层破坏；陶瓷面层/氧化膜/粘结层界面处，陶瓷面层/氧化膜的界面开裂与氧化膜/粘结层界面开裂，导致热障涂层破坏；粘结层/基体界面开裂，热障涂层整个脱落。由上述可知，热障涂层的失效形式为平行于基体方向上的材料界面相对滑动和脱落及垂直于基体方向上的热障涂层的纵向开裂。影响热障涂层失效的主要因素为涂层材料间的热膨胀系数不匹配；高温下金属的氧化及其引起的成分的变化；材料的相变。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中高温下平行于镍基高温合金层方向上的材料界面相对滑动和脱落及垂直于镍基高温合金层方向上的热障涂层的纵向开裂的问题，而提供一种热障涂层及其制备方法。
本发明热障涂层由外部陶瓷层和内部结合层组成，其中内部结合层由镍基高温合金层和连接在镍基高温合金层外表面的粘结层组成，粘结层由镍纳米线和氧化钇稳定氧化锆组成。
一种热障涂层的制备方法按以下步骤实现：一、电沉积：正极为纯镍，阴极为一面带有氧化铝模板的镍基高温合金，电解液pH值为3～5，采用直流电源，电沉积在电流为0.04～0.06A、温度为30～60℃的条件下进行；二、电沉积后将阴极取出，放入重量百分比浓度为1～3wt％的NaOH溶液中浸泡22～26h，得到表面沉积有镍纳米线的镍基高温合金；三、按比例将90～94摩尔ZrOCl2·6H2O、6～10摩尔Y(NO3)3·6H2O和106～110摩尔柠檬酸作为溶质溶于水中，得溶质总浓度为0.01～0.06mol/L的溶液，然后在60～80℃下搅拌，得到氧化钇稳定氧化锆溶胶；四、将氧化钇稳定氧化锆溶胶喷涂于表面沉积有镍纳米线的镍基高温合金表面，然后在30～50℃温度下干燥22～26h，再放入马弗炉中，以2℃/min的升温速率，升温到500～700℃烧结1～3h，冷却至室温，得结合层；五、在结合层上制备陶瓷层，得热障涂层。
本发明的优点在于粘结层由镍纳米线和氧化钇稳定氧化锆组成，使镍基高温合金层与粘结层紧密结合，其中粘结层的厚度为30～60μm，镍纳米线的长度为150～200nm，镍纳米线具有多种取向，大量的镍纳米线就像镍基高温合金层生长出的“根”深深的扎在氧化钇稳定氧化锆中，增强了平行于镍基高温合金层的抗剪切能力，确保高温下平行于基体方向上的材料界面不产生相对滑动和脱落；镍纳米线具有弹性和韧性，当受到外力的作用时并能将力平均传递到整个结构，使之受力均匀，就不会产生局部受力过大而导致局部破坏乃至整体破坏，且试件由受力过大产生相应的变形也会恢复原来的形状，保证试件的工作效率和精确性；镍纳米线在高温氧化后会在其表面生长出更小的氧化镍枝晶，使镍基高温合金层与粘结层纵向紧密结合，不易剥离。氧化钇稳定氧化锆中的微孔能阻碍材料的热传导，缓解了制备状态下的残余应力的释放，对热膨胀不匹配和相变所产生的应力起到了缓和作用，有效防止了垂直于镍基高温合金层方向上的热障涂层的纵向开裂的问题。
附图说明
图1是本发明热障涂层的结构示意图，图2是内部结合层5的结构示意图，图3是具体实施方式六中所用的一面带有氧化铝模板的镍基高温合金的结构示意图，图4是具体实施方式十中镍纳米线的4万倍放大的扫描电镜照片。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式热障涂层由外部陶瓷层1和内部结合层5组成，其中内部结合层5由镍基高温合金层4和连接在镍基高温合金层4外表面的粘结层2组成，粘结层2由镍纳米线3和氧化钇稳定氧化锆组成。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是粘结层2中的镍纳米线3通过电沉积连接于镍基高温合金4外表面，镍纳米线3的长度为150～200nm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是粘结层2中的镍纳米线3通过电沉积连接于镍基高温合金4外表面，镍纳米线3的长度为180nm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是粘结层2的厚度为30～60μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是粘结层2的厚度为45μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式一种热障涂层及其制备方法按以下步骤实现：一、电沉积：正极为纯镍，阴极为一面带有氧化铝模板6的镍基高温合金，电解液pH值为3～5，采用直流电源，电沉积在电流为0.04～0.06A、温度为30～60℃的条件下进行；二、电沉积后将阴极取出，放入重量百分比浓度为1～3wt％的NaOH溶液中浸泡22～26h，得到表面沉积有镍纳米线的镍基高温合金；三、按比例将90～94摩尔ZrOCl2·6H2O、6～10摩尔Y(NO3)3·6H2O和106～110摩尔柠檬酸作为溶质溶于水中，得溶质总浓度为0.01～0.06mol/L的溶液，然后在60～80℃下搅拌，得到氧化钇稳定氧化锆溶胶；四、将氧化钇稳定氧化锆溶胶喷涂于表面沉积有镍纳米线的镍基高温合金表面，然后在30～50℃温度下干燥22～26h，再放入马弗炉中，以2℃/min的升温速率，升温到500～700℃烧结1～3h，冷却至室温，得结合层5；五、在结合层5上制备陶瓷层1，得热障涂层。
本实施方式步骤二中将电沉积后的阴极浸泡于NaOH溶液可以使氧化铝模板6溶解。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六的不同是步骤一中电解液pH值为4，采用直流电源，电沉积在电流为0.05A、温度为40℃的条件下进行电沉积。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六的不同是步骤一中电解液是按比例将290～310摩尔Ni2SO4、43～47摩尔NiCl和28～32摩尔H3BO3混合组成。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六的不同是步骤一中电解液是按比例将300摩尔Ni2SO4、45摩尔NiCl和30摩尔H3BO3混合组成。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六的不同是步骤二中放入重量百分比浓度为2wt％的NaOH溶液中浸泡24h，得到表面沉积有镍纳米线的镍基高温合金。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
本实施方式中镍纳米线如图4所示，长度为150～200nm，且弯曲的镍纳米线使镍基高温合金层4与氧化钇稳定氧化锆横纵向均紧密结合，不易剥离。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式六的不同是步骤三中按比例将92摩尔ZrOCl2·6H2O、8摩尔Y(NO3)3·6H2O和108摩尔柠檬酸作为溶质溶于水中，得溶质总浓度为0.03mol/L的溶液，然后在70℃下搅拌。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式六的不同是步骤四中在40℃温度下干燥24h，再放入马弗炉中，以2℃/min的升温速率，升温到600℃烧结2h。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式六的不同是步骤五中制备的陶瓷层1为为碳化硅层、二氧化硅层或氧化铝层。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式六的不同是步骤五中制备陶瓷层1采用EB-PVD工艺或磁控溅射工艺。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。

Claims (10)

1.一种热障涂层，其特征在于热障涂层由外部陶瓷层(1)和内部结合层(5)组成，其中内部结合层(5)由镍基高温合金层(4)和连接在镍基高温合金层(4)外表面的粘结层(2)组成，粘结层(2)由镍纳米线(3)和氧化钇稳定氧化锆组成。
2.根据权利要求1所述的一种热障涂层，其特征在于粘结层(2)中的镍纳米线(3)通过电沉积连接于镍基高温合金(4)外表面，镍纳米线(3)的长度为150～200nm。
3.根据权利要求1所述的一种热障涂层，其特征在于粘结层(2)的厚度为30～60μm。
4.制备权利要求1所述的一种热障涂层的方法，其特征在于一种热障涂层按以下步骤制备：一、电沉积：正极为纯镍，阴极为一面带有氧化铝模板(6)的镍基高温合金，电解液pH值为3～5，采用直流电源，电沉积在电流为0.04～0.06A、温度为30～60℃的条件下进行；二、电沉积后将阴极取出，放入重量百分比浓度为1～3wt％的NaOH溶液中浸泡22～26h，得到表面沉积有镍纳米线的镍基高温合金；三、按比例将90～94摩尔ZrOCl2·6H2O、6～10摩尔Y(NO3)3·6H2O和106～110摩尔柠檬酸作为溶质溶于水中，得溶质总浓度为0.01～0.06mol/L的溶液，然后在60～80℃下搅拌，得到氧化钇稳定氧化锆溶胶；四、将氧化钇稳定氧化锆溶胶喷涂于表面沉积有镍纳米线的镍基高温合金表面，然后在30～50℃温度下干燥22～26h，再放入马弗炉中，以2℃/min的升温速率，升温到500～700℃烧结1～3h，冷却至室温，得结合层(5)；五、在结合层(5)上制备陶瓷层(1)，得热障涂层。
5.根据权利要求4所述的一种热障涂层的制备方法，其特征在于步骤一中电解液是按比例将290～310摩尔Ni2SO4、43～47摩尔NiCl和28～32摩尔H3BO3混合组成。
6.根据权利要求4所述的一种热障涂层的制备方法，其特征在于步骤一中电沉积时间为5～20min。
7.根据权利要求4所述的一种热障涂层的制备方法，其特征在于步骤二中放入重量百分比浓度为2wt％的NaOH溶液中浸泡24h，得到表面沉积有镍纳米线的镍基高温合金。
8.根据权利要求4所述的一种热障涂层的制备方法，其特征在于步骤三中按比例将92摩尔ZrOCl2·6H2O、8摩尔Y(NO3)3·6H2O和108摩尔柠檬酸作为溶质溶于水中，得溶质总浓度为0.03mol/L的溶液，然后在70℃下搅拌。
9.根据权利要求4所述的一种热障涂层的制备方法，其特征在于步骤四中在40℃温度下干燥24h，再放入马弗炉中，以2℃/min的升温速率，升温到600℃烧结2h。
10.根据权利要求4所述的一种热障涂层的制备方法，其特征在于步骤五中制备的陶瓷层(1)为碳化硅层、二氧化硅层或氧化铝层。
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