CN101518968A - 纤维增强的高温热障复合陶瓷厚涂层材料及制备和应用 - Google Patents
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Abstract
一种纤维增强的高温热障复合陶瓷厚涂层材料，其结构是：在喷涂粘接底层的金属基体工件表面，依次是起“混凝土”作用的喷涂层及位于喷涂层之间的起“钢筋”作用的增强层，喷涂层是用粉状的高温热障与烧蚀防热双重效果的复合涂层材料通过等离子喷涂工艺制备的，喷涂层至少有3层；增强层是用高温纤维丝对喷涂层进行平行或交错缠绕一至两次而形成的，高温纤维丝的使用温度≥700℃。该材料由基体的制备、喷涂和缠绕等步骤制成，可采用等离子喷涂工艺涂覆在大气层中各种高速运动的飞行器表面，起到高温热障与烧蚀复合保护层的作用。该材料可提高高温环境中金属基体工作温度的上限，同时可延长在高温极限中的使用时间；实用性强，适于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有隔热功能的表面工程涂层材料及其应用，特别涉及一种经纤维缠绕的具有高温热障与烧蚀复合厚涂层材料及其应用。
背景技术
热障是目前常用隔热技术的一种，热障涂层是利用材料的高热阻来阻止热量向内传递作为隔热的主要机理。氧化锆因熔点高，热导率很低，热稳定性好，高温蠕变小，是一种理想的高温热障材料。但纯ZrO2材料一般不能直接用作热障涂层，这是因为它的晶型转化会产生剥蚀现象。ZrO2有三种晶型：单斜，四方，立方，低温时为单斜相m-ZrO2；当加热到约1200℃，转变为四方相t-ZrO2，并伴随7％～9％的体积收缩；超过2370℃，转变为立方相c-ZrO2。当冷却到1000℃时，变为单斜结构并体积膨胀，由于相变所造成的体积收缩和膨胀不是随着温度连续变化，因而涂层不稳定，会因内部的热应力和体积应力，造成涂层过早开裂或剥落失效。
在ZrO2中掺入氧化钇(Y2O3)作稳定剂，能使ZrO2在高温下获得稳定化(YSZ)或部分稳定化(PYSZ)的晶体结构。而通常使用的是部分稳定的ZrO2/Y2O3，它是由单斜相与四方相混合组成。此晶型结构在高温下，单斜相发生体积收缩相变，而四方相则随温度升高而发生体积膨胀相变，膨胀与收缩相互抵消，从而使部分稳定的ZrO2/Y2O3晶体结构比完全稳定的ZrO2/Y2O3晶体结构具有更低的平均热膨胀系数，与金属的热膨胀系数更接近，因而具有更好的抗热震性能，PYSZ是目前使用温度最高的热障涂层材料。若在ZrO2/Y2O3晶体结构中加入少量的氧化铈，能进一步改善这种涂层的性能。
有研究表明：当陶瓷材料的晶粒控制在小于100nm时，因为量子效应会带来材料性能的突变，材料强度和断裂韧性显著的提高，同时，大量的实验表明纳米ZrO2/Y2O3涂层的孔隙率也会下降，涂层的致密度高会提高涂层与基体的嵌合能力。重要的是，材料的热导率会有随着晶粒的减小而降低，这是选用纳米氧化锆涂层隔热性能好的根本原因。
大量研究表明，在热障涂层的喷涂制备过程中，陶瓷涂层的表面和内部会形成了很多微裂纹。这些微裂纹尖端产生应力集中，而陶瓷又缺乏塑性变形，几乎没有吸收能量的过程。由于涂层在制备过程中受到包括残余应力、热循环应力、相变应力、氧化造成的应力等各种应力的作用，致使能量都集中于裂纹的迅速扩展上。宏观上表现为，在喷涂结束后冷却时，涂层往往会在瞬间脆性断裂，从而制约了的陶瓷涂层可制备的厚度。
为了提高热障陶瓷涂层所能制得的厚度，可以从两方面入手：控制涂层内大量微裂纹的扩展和减小涂层内应力作用。出于以上考虑，将纤维增强应用于陶瓷涂层的制备，与未使用纤维增强的陶瓷涂层相比，这种涂层的优点是：
(1)当裂纹遇到纤维时，纤维能吸收掉一部分能量，消除裂纹尖端所集中的应力，阻止它继续延伸，裂纹将表现为中止或者改变传播方向；
(2)具有高弹性模量的碳纤维能分担大部分应力，以纤维拔出或纤维断裂的方式阻止涂层的破坏，提高涂层整体的强度。
为了使纤维既可以满足应力的传递，起到增强效果，又可以在断裂过程中从涂层中拔出，而消耗一定的能量，缓冲整个断裂过程，增大断裂功，就必须得保证适当的界面剪切强度。实验中，以粘接剂浸渍碳纤维，使其对陶瓷涂层缠绕后能有较适合的界面剪切强度。
碳纤维中在平面网层内的C原子以共价键结合，与普通石墨相比，其取向角较小，故纤维在沿着纤维长度方向有较高的强度和弹性模量。碳熔点约为3652℃～3697℃(升华)，在2000℃以上的高温下碳纤维的强度和弹性模量能基本保持不变，能承受涂层的急剧升温而不汽化。高温下，碳纤维导热性很低，高温热绝缘性能好，是一种很好的高温隔热材料。当纤维镶嵌于陶瓷涂层中，因纤维线膨胀系数与陶瓷相近，两者能有效的在变化的温度环境中较好的结合，形成“钢筋混凝土”结构，增强了涂层与涂层间以及涂层与基体间的结合强度。此外，碳纤维有较好的耐化学腐蚀、耐辐射和反射中子射线的能力。
玻璃纤维熔点为1710℃，碳化硅纤维熔点更高，为2500℃，并且两种纤维均有较低的线膨胀系数，都具有很较高的强度。因此两者在环境温度急剧升高的过程中都不易断裂，始终能对涂层起到很好的约束与镶嵌作用，能很好的形成“钢筋混凝土”结构，对陶瓷涂层进行增强。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种可延长基体达到工作温度上限时间的经纤维增强的高温热障复合厚涂层材料，该材料可涂覆于在大气层中各种高速运动的飞行器表面，起到高温热障与烧蚀复合保护层的作用。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的纤维增强的高温热障复合陶瓷厚涂层材料，该材料有多层结构，具体是：在喷涂粘接底层的金属基体工件表面，依次是起“混凝土”作用的喷涂层及位于喷涂层之间的起“钢筋”作用的增强层。喷涂层是通过等离子喷涂工艺喷涂粉状的复合涂层材料而形成的层状结构，喷涂层至少有3层。增强层是用高温纤维丝对喷涂层进行平行或交错缠绕一至两次而形成的，高温纤维丝的使用温度≥700℃。所述的粉状的复合涂层材料，是采用本中请人在先申请的“一种高温热障与烧蚀复合涂层材料及其应用”(公开号为CN1884405)中所提到高温热障与烧蚀防热双重效果隔热的复合涂层材料，它主要由粒度为10～100nm部分稳定化的ZrO2/Y2O3粉、烧蚀辅料团聚制备而成，其中：部分稳定化的ZrO2/Y2O3粉和烧蚀辅料各占重量百分比为：部分稳定化的ZrO2/Y2O3粉55～85、烧蚀辅料15～45。
所述的纤维增强的高温热障复合陶瓷厚涂层材料，该材料优选为具有四层喷涂层，由内向外，它们的厚度分别为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.45mm。
所述的高温纤维丝为玻璃纤维丝、碳纤维丝或碳化硅纤维丝。
本发明提供的上述的纤维增强的高温热障复合陶瓷厚涂层材料，其制备方法是：采用了一种主要由粒度为10～100nm部分稳定化的ZrO2/Y2O3粉、烧蚀辅料团聚制备而成的高温热障与烧蚀防热双重效果的复合涂层材料，并且用使用温度≥700℃的高温纤维丝对所述复合涂层材料进行增强，在增强的过程中，先对粗化后喷涂了粘接底层的金属基体工件表面用等离子喷涂工艺制备一层层状结构复合涂层，再用高温纤维丝缠绕一至两次，其中，复合涂层材料起“混凝土”作用，高温纤维丝起“钢筋”作用；重复此喷涂与缠绕过程，在最后1次缠绕后再喷涂1次，得到由纤维增强的具有“钢筋混凝土”结构的高温热障复合陶瓷厚涂层材料。
本发明提供的纤维增强的高温热障复合陶瓷厚涂层材料的制备方法包括以下的步骤：
(1)基体的制备：利用压缩空气将硬质磨料高速喷射金属基体工件表面，使其粗化；在粗化处理过的金属基体工件表面喷涂一层厚0.8～1.2μm的镍包铝(Ni/Al)或NiCoCrAlY自粘接底层，得到基体；
(2)喷涂：在基体表面喷涂-180～+325目的涂层粉末，形成起“混凝土”作用的层状结构喷涂层，喷涂层厚度为0.2～0.5mm，
(3)缠绕：在喷涂过后的基体上缠绕一层高温纤维丝，每层中相邻两根平行纤维丝间距为0.8～1.0mm，平行或交错缠绕，形成起“钢筋”作用的增强层；
重复上述喷涂与缠绕过程，在最后1次缠绕后再喷涂1次，得到所述的高温热障复合陶瓷厚涂层材料。
在缠绕过程中，可以在喷涂层表面上采用相互平行的单束丝缠绕和网状两束丝交叉缠绕两种方式，其中，采用相互平行的单束丝缠绕时，相邻两层纤维丝的缠绕之间的夹角呈60至90度。
本发明提供的纤维增强的高温热障复合陶瓷厚涂层材料，其采用等离子喷涂技术涂覆在大气层中各种高速运动的飞行器表面，起到高温热障与烧蚀复合保护层的作用。
所述等离子涂覆工艺为常规工艺，主要指大气等离子喷涂(APS)。
所述的飞行器，如高马赫数下飞行的火箭、导弹、超音速飞机的翼片等，有严格厚度和表面型面控制的尾翼、舵片等构件表面热保护。
本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：
1.通过纤维丝对涂层的多次缠绕，使涂层总体形成的“钢筋混凝土”结构，能提高陶瓷涂层厚度，使涂层起到更好的隔热作用。
2.选用纳米粒度的氧化锆粉末原料，使基相热障涂层的热导率随着晶粒的减小而降低。
3.制备出团聚型纳米氧化锆能进一步增强涂层的热障效果。团聚型纳米氧化锆制备的全过程采用物理团聚处理方法，既保持在每个团聚颗粒中热障与烧蚀涂层组分的统计平均不偏析，同时控制了纳米晶粒的长大。
4.整个制备工艺流程少，设备简单，工艺参数易于控制，适合于连续化大规模生产。
5.能根据具体的工况要求，适当调整纤维成分、缠绕次数以及缠绕方式，制备出适合于工况条件使用的满意产品。
本发明在隔热材料中添加烧蚀辅料，在随后的升温过程中通过烧蚀材料在不同的温度段的燃烧炭化、熔化和升华吸热先带走一部分热量，部分稳定化的ZrO2/Y2O3粉在烧蚀性涂层材料成分耗尽后，仍能起到热障涂层作用；而纤维缠绕增强方式可以成倍增加涂层高温热障与烧蚀两种隔热和防热复合功能作用，故可大大延长基体(即工件)达到工作温度上限的时间。本发明选用粒度为10～100nm部分稳定化的ZrO2/Y2O3粉原料，使基相热障涂层的热导率随着晶粒的减小而降低，而纳米或纳微米粒度的烧蚀辅料烧蚀后留下的微小孔隙，为涂层提供更好的隔热效果。本发明尤其适合于一次性隔热。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明提供的制备方法作进一步说明，但不局限于下面的实施例。
实施例1：
(1)取粒度为10～100nm的部分稳定化的ZrO2/Y2O3粉末(PYSZ粉末，Y2O3的含量为5～7wt％)10千克，进行喷雾干燥制成团聚球形粉末，取-180～+325目筛之间的粉末，其粒度范围为40～90μm，作为等离子喷涂用涂层材料；
(2)利用压缩空气将硬质磨料(棕刚玉)高速喷射工件表面，使其粗化。在粗化处理过的工件表面喷涂一层厚0.8～1.2μm的镍包铝(Ni/Al)粘接层。等离子喷涂工艺主要技术参数为：功率35～40KW，电压70～80V，电流450～500A。
(3)在粘接层的表面用等离子喷涂上述粉末涂层材料制备层状喷涂层，涂层厚度达0.2～0.5mm，喷涂用的功率为40～45KW，电压75～85V，电流500～550A。在层状喷涂层表面缠绕玻璃纤维丝，相邻两根平行纤维丝间距为0.8～1.0mm，平行缠绕；
(4)再将缠绕后的工件重复步骤(3)，共计3次缠绕纤维，等离子喷涂4层涂层，每层厚度由内而外分别为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.45mm，涂层总厚度达1.35mm；
(5)用扫描电镜测定粉末和涂层的形貌，X射线粉晶衍射测定粉末的晶体结构，在不锈钢基体上制备该种粉末涂层，为了进行比较，选用同等条件的未经纤维增强的纳米氧化钇稳定的氧化锆粉末涂层作对比，用千分尺测定涂层厚度，通过等离子火焰模拟工况进行烧蚀试验，通过激光测温仪测量温度，秒表记录破坏所需时间。结果列于表1。
实施例2：
(1)取粒度为10～100nm的部分稳定化的ZrO2/Y2O3粉末(PYSZ粉末，Y2O3的含量为5～7wt％)6.5千克和氧化硅1.5千克，粒度为≤30μm的铜粉0.5千克和粒度为10～30μm酚醛树脂1.5千克，进行喷雾干燥制成团聚球形粉末，取-180～+325目筛之间的粉末，其粒度范围为40～90μm，作为等离子喷涂用涂层材料。
(2)利用压缩空气将硬质磨料(棕刚玉)高速喷射工件表面，使其粗化。在处理过的工件表面喷涂一层厚0.8～1.2μm的镍包铝(Ni/Al)粘接层。等离子喷涂工艺主要技术参数为：功率35～40KW，电压70～80V，电流450～500A。
(3)在粘接层的表面用等离子喷涂上述粉末涂层材料制备层状喷涂层，涂层厚度达0.2～0.5mm，喷涂用的功率为40～45KW，电压75～85V，电流500～550A。在层状喷涂层表面缠绕碳纤维丝，相邻两根平行纤维丝间距为0.4～0.6mm，平行缠绕。
(4)再将缠绕后的工件重复步骤(3)，共4次缠绕纤维，将涂层分为5层，每层厚度由内而外分别为0.3mm、0.3mm、0.4mm、0.45mm、0.45mm，涂层总厚度达1.9mm。
(5)用扫描电镜测定粉末和涂层的形貌，X射线粉晶衍射测定粉末的晶体结构，在不锈钢基体上制备该种厚涂层，为了进行比较，选用同等条件的未经纤维增强的纳米氧化钇稳定的氧化锆粉末涂层作对比，用千分尺测定涂层厚度，通过等离子火焰模拟工况进行烧蚀试验，通过激光测温仪测量温度，秒表记录破坏所需时间。结果列于表2。
实施例3：
(1)取粒度为10～100nm的部分稳定化的ZrO2/Y2O3粉末(PYSZ粉末，Y2O3的含量为5～7wt％)6.5千克和氮化硅1.5千克，粒度为≤30μm的铜粉0.5千克和粒度为10～30μm改性有机硅树脂1.5千克，进行喷雾干燥制成团聚球形粉末。取-180～+325目筛之间的粉末，其粒度范围为40～90μm，作为等离子喷涂用涂层材料。
(2)利用压缩空气将硬质磨料(棕刚玉)高速喷射工件表面，使其粗化。在处理过的工件表面喷涂一层厚0.8～1.2μμm的NiCoCrAlY粘接层。等离子喷涂工艺主要技术参数为：功率35～40KW，电压70～80V，电流450～500A。
(3)在粘接层的表面用等离子喷涂上述粉末涂层材料制备层状喷涂层，涂层厚度达0.2～0.5mm，喷涂用的功率为40～45KW，电压75～85V，电流500～550A。在层状喷涂层表面缠绕碳纤维丝，相邻两根平行纤维丝间距为0.3～0.5mm，平行缠绕。
(4)再将缠绕后的工件重复步骤(3)，共5次缠绕纤维，将涂层分为6层，每层厚度由内而外分别为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.4mm、0.45mm、0.45mm，涂层总厚度达2.2mm。
(5)用扫描电镜测定粉末和涂层的形貌，X射线粉晶衍射测定粉末的晶体结构，在不锈钢基体上制备该种厚涂层，为了进行比较，选用同等条件的未经纤维增强的纳米氧化钇稳定的氧化锆粉末涂层作对比，用千分尺测定涂层厚度，通过等离子火焰模拟工况进行烧蚀试验，通过激光测温仪测量温度，秒表记录破坏所需时间。结果列于表3。
实施例4：
(1)取粒度均为10～100nm的部分稳定化的ZrO2/Y2O3粉末(PYSZ粉末，Y2O3的含量为5～7wt％)5.5千克和氮化硅1.5千克，粒度为≤30μm的铜粉2.0千克和粒度为10～30μm改性有机硅树脂1.0千克，进行喷雾干燥制成团聚球形粉末，取-180～+325目筛之间的粉末，其粒度范围为40～90μm，作为等离子喷涂用涂层材料。
(2)利用压缩空气将硬质磨料(棕刚玉)高速喷射工件表面，使其粗化。在处理过的工件表面喷涂一层厚0.8～1.2μm的NiCoCrAlY粘接层。等离子喷涂工艺主要技术参数为：功率35～40KW，电压70～80V，电流450～500A。
(3)在粘接层的表面用等离子喷涂上述粉末涂层材料制备层状喷涂层，涂层厚度达0.2～0.5mm，喷涂用的功率为40～45KW，电压75～85V，电流500～550A。在层状喷涂层表面缠绕碳纤维丝，相邻两根平行纤维丝间距为1.3～1.5mm，网状缠绕。
(4)再将缠绕后的工件重复步骤(3)，共5次缠绕纤维，将涂层分为6层，每层厚度由内而外分别为0.25mm、0.3mm、0.4mm、0.45mm、0.45mm、0.45mm，涂层总厚度达2.3mm。
(5)用扫描电镜测定粉末和涂层的形貌，X射线粉晶衍射测定粉末的晶体结构，在不锈钢基体上制备该种厚涂层，为了进行比较，选用同等条件的未经纤维增强的纳米氧化钇稳定的氧化锆粉末涂层作对比，用千分尺测定涂层厚度，通过等离子火焰模拟工况进行烧蚀试验，通过激光测温仪测量温度，秒表记录破坏所需时间。结果列于表4。
实施例5：
(1)取粒度为10～100nm的部分稳定化的ZrO2/Y2O3粉末(PYSZ粉末，Y2O3的含量为5～7wt％)8.0千克和氧化硅1.0千克，粒度为10～30μm聚酯1.0千克，进行喷雾干燥制成团聚球形粉末，取-180～+325目筛之间的粉末，其粒度范围为40～90μm，作为等离子喷涂用涂层材料。
(2)利用压缩空气将硬质磨料(棕刚玉)高速喷射工件表面，使其粗化。在处理过的工件表面喷涂一层厚0.8～1.2μm的镍包铝(Ni/Al)粘接层。等离子喷涂工艺主要技术参数为：功率35～40KW，电压70～80V，电流450～500A。
(3)在粘接层的表面用等离子喷涂上述粉末涂层材料制备层状喷涂层，涂层厚度达0.2～0.5mm，喷涂用的功率为40～45KW，电压75～85V，电流500～550A。在层状喷涂层表面缠绕碳纤维丝，相邻两根平行纤维丝间距为1.1～1.3mm，网状缠绕。
(4)再将缠绕后的工件重复步骤(3)，共6次缠绕纤维，将涂层分为7层，每层厚度由内而外分别为0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.45mm、0.45mm，涂层总厚度达2.65mm。
(5)用扫描电镜测定粉末和涂层的形貌，X射线粉晶衍射测定粉末的晶体结构，在不锈钢基体上制备该种厚涂层，为了进行比较，选用同等条件的未经纤维增强的纳米氧化钇稳定的氧化锆粉末涂层作对比，用千分尺测定涂层厚度，通过等离子火焰模拟工况进行烧蚀试验，通过激光测温仪测量温度，秒表记录破坏所需时间。结果列于表5。
实施例6：
(1)取粒度为10～100nm的部分稳定化的ZrO2/Y2O3粉末(PYSZ粉末，Y2O3的含量为5～7wt％)5.5千克和氧化硅1.5千克，粒度为10～30μm高碳铁粉2.0千克，进行喷雾干燥制成团聚球形粉末，取-180～+325目筛之间的粉末，其粒度范围为40～90μm，作为等离子喷涂用涂层材料。
(2)利用压缩空气将硬质磨料(棕刚玉)高速喷射工件表面，使其粗化。在处理过的工件表面喷涂一层厚0.8～1.2μm的镍包铝(Ni/Al)粘接层。等离了喷涂工艺主要技术参数为：功率35～40KW，电压70～80V，电流450～500A。
(3)在粘接层的表面用等离子喷涂上述粉末涂层材料制备层状喷涂层，涂层厚度达0.2～0.5mm，喷涂用的功率为40～45KW，电压75～85V，电流500～550A。在层状喷涂层表面缠绕碳化硅纤维丝，相邻两根平行纤维丝间距为0.9～1.1mm，网状缠绕。
(4)再将缠绕后的工件重复步骤(3)，共7次缠绕纤维，将涂层分为8层，每层厚度由内而外分别为0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.4mm、0.45mm、0.45mm、0.45mm，涂层总厚度达3.05mm。
(5)用扫描电镜测定粉末和涂层的形貌，X射线粉晶衍射测定粉末的晶体结构，在不锈钢基体上制备该种厚涂层，为了进行比较，选用同等条件的未经纤维增强的纳米氧化钇稳定的氧化锆粉末涂层作对比，用千分尺测定涂层厚度，通过等离子火焰模拟工况进行烧蚀试验，通过激光测温仪测量温度，秒表记录破坏所需时间。结果列于表6。
实施例7：
(1)取粒度为10～100nm的部分稳定化的ZrO2/Y2O3粉末(PYSZ粉末，Y2O3的含量为5～7wt％)8.0千克，粒度为≤30μm的铜粉2.0千克，进行喷雾干燥制成团聚球形粉末，取-180～+325目筛之间的粉末，其粒度范围为40～90μm，作为等离子喷涂用涂层材料。
(2)利用压缩空气将硬质磨料(棕刚玉)高速喷射工件表面，使其粗化。在处理过的工件表面喷涂一层厚0.8～1.2μm的镍包铝(Ni/Al)粘接层。等离子喷涂工艺主要技术参数为：功率35～40KW，电压70～80V，电流450～500A。
(3)在粘接层的表面用等离子喷涂上述粉末涂层材料制备层状喷涂层，涂层厚度达0.2～0.5mm，喷涂用的功率为40～45KW，电压75～85V，电流500～550A。在层状喷涂层表面缠绕碳化硅纤维丝，相邻两根平行纤维丝间距为1.1～1.3mm，网状缠绕。
(4)再将缠绕后的工件重复步骤(3)，共5次缠绕纤维，前3次为网状缠绕，相邻两根平行纤维丝间距为0.9～1.1mm，后2次为平行缠绕，相邻两根平行纤维丝间距为0.3～0.5mm，将涂层分为6层，由内而外分别为0.25mm、0.3mm、0.4mm、0.4mm、0.45mm、0.45mm，涂层总厚度达2.25mm。
(5)用扫描电镜测定粉末和涂层的形貌，X射线粉晶衍射测定粉末的晶体结构，在不锈钢基体上制备该种厚涂层，为了进行比较，选用同等条件的未经纤维增强的纳米氧化钇稳定的氧化锆粉末涂层作对比，用千分尺测定涂层厚度，通过等离子火焰模拟工况进行烧蚀试验，通过激光测温仪测量温度，秒表记录破坏所需时间。结果列于表7。
实施例8：
(1)取粒度为10～100nm的部分稳定化的ZrO2/Y2O3粉末(PYSZ粉末，Y2O3的含量为5～7wt％)9.0千克，粒度为10～30μm聚酯1.0千克，进行喷雾干燥制成团聚球形粉末，取-180～+325目筛之间的粉末，其粒度范围为40～90μm，作为等离子喷涂用涂层材料。
(2)利用压缩空气将硬质磨料(棕刚玉)高速喷射工件表面，使其粗化。在处理过的工件表面喷涂一层厚0.8～1.2μm的镍包铝(Ni/Al)粘接层。等离子喷涂工艺主要技术参数为：功率35～40KW，电压70～80V，电流450～500A。
(3)在粘接层的表面用等离子喷涂上述粉末涂层材料制备层状喷涂层，涂层厚度达0.2～0.5mm，喷涂用的功率为40～45KW，电压75～85V，电流500～550A。在层状喷涂层表面缠绕碳化硅纤维丝，相邻两根平行纤维丝间距为0.6～1.0mm，平行缠绕。
(4)再将缠绕后的工件重复步骤(3)，共5次缠绕纤维，前3次为网状缠绕，相邻两根平行纤维丝间距为0.9～1.1mm，后2次为平行缠绕，相邻两根平行纤维丝间距为0.3～0.5mm，将涂层分为6层，由内而外分别为0.25mm、0.3mm、0.4mm、0.4mm、0.45mm、0.45mm，涂层总厚度达2.25mm。
(5)用扫描电镜测定粉末和涂层的形貌，X射线粉晶衍射测定粉末的晶体结构，在不锈钢基体上制备该种厚涂层，为了进行比较，选用同等条件的未经纤维增强的纳米氧化钇稳定的氧化锆粉末涂层作对比，用千分尺测定涂层厚度，通过等离子火焰模拟工况进行烧蚀试验，通过激光测温仪测量温度，秒表记录破坏所需时间。结果列于表7。
本发明纤维丝缠绕间距的上下限取值以及区间值都能实现本发明，纤维丝的各具体原料、纤维丝的各种缠绕方式都能实现本发明，在此就不一一列举实施例。
附表
表1 经纤维增强的纳米氧化锆复合热障涂层与普通纳米氧化锆涂层对比
| 涂层材料 | 涂层厚度(mm) | 烧蚀点温度(℃) | 时间(s) |
| 普通纳米氧化锆例1复合涂层 | 0.41.35 | 16401640 | 2348 |
表2 经纤维增强的纳米氧化锆复合热障涂层与普通纳米氧化锆涂层对比
| 涂层材料 | 涂层厚度(mm) | 烧蚀点温度(℃) | 时间(s) |
| 普通纳米氧化锆例1复合涂层 | 0.41.9 | 16401640 | 2365 |
表3 经纤维增强的纳米氧化锆复合热障涂层与普通纳米氧化锆涂层对比
| 涂层材料 | 涂层厚度(mm) | 烧蚀点温度(℃) | 时间(s) |
| 普通纳米氧化锆例1复合涂层 | 0.42.2 | 16401640 | 2373 |
表4 经纤维增强的纳米氧化锆复合热障涂层与普通纳米氧化锆涂层对比
| 涂层材料 | 涂层厚度(mm) | 烧蚀点温度(℃) | 时间(s) |
| 普通纳米氧化锆例1复合涂层 | 0.42.3 | 16401640 | 2378 |
表5 经纤维增强的纳米氧化锆复合热障涂层与普通纳米氧化锆涂层对比
| 涂层材料 | 涂层厚度(mm) | 烧蚀点温度(℃) | 时间(s) |
| 普通纳米氧化锆例1复合涂层 | 0.42.65 | 16401640 | 2388 |
表6 经纤维增强的纳米氧化锆复合热障涂层与普通纳米氧化锆涂层对比
| 涂层材料 | 涂层厚度(mm) | 烧蚀点温度(℃) | 时间(s) |
| 普通纳米氧化锆例1复合涂层 | 0.43.05 | 16401640 | 23101 |
表7 经纤维增强的纳米氧化锆复合热障涂层与普通纳米氧化锆涂层对比
| 涂层材料 | 涂层厚度(mm) | 烧蚀点温度(℃) | 时间(s) |
| 普通纳米氧化锆例1复合涂层 | 0.42.25 | 16401640 | 2374 |
Claims (9)
1.一种高温热障复合陶瓷厚涂层材料，含有一种主要由粒度为10～100nm部分稳定化的ZrO2/Y2O3粉、烧蚀辅料团聚制备而成的高温热障与烧蚀防热双重效果的复合涂层材料，其特征是一种纤维增强的高温热障复合陶瓷厚涂层材料，该材料有多层结构，具体是：在喷涂粘接底层的金属基体工件表面，依次是起“混凝土”作用的喷涂层及位于喷涂层之间的起“钢筋”作用的增强层；喷涂层是通过等离子喷涂工艺喷涂上述复合涂层粉末而形成的层状结构，喷涂层至少有3层；增强层是用高温纤维丝对喷涂层进行平行或交错缠绕一至两次而形成的，高温纤维丝的使用温度≥700℃。
2.根据权利要求1所述的高温热障复合陶瓷厚涂层材料，其特征是该材料有四层喷涂层，由内向外，它们的厚度分别为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.45mm。
3.根据权利要求1所述的高温热障复合陶瓷厚涂层材料，其特征是高温纤维丝为玻璃纤维丝、碳纤维丝或碳化硅纤维丝。
4.一种高温热障复合陶瓷厚涂层材料的制备方法，采用了一种主要由粒度为10～100nm部分稳定化的ZrO2/Y2O3粉、烧蚀辅料团聚制备而成的高温热障与烧蚀防热双重效果的复合涂层材料，其特征是用使用温度≥700℃的高温纤维丝对所述复合涂层材料进行增强，在增强的过程中，先对粗化后喷涂了粘接底层的金属基体工件表面用等离子喷涂工艺制备一层层状结构复合涂层，再用高温纤维丝缠绕一至两次，其中，复合涂层材料起“混凝土”作用，高温纤维丝起“钢筋”作用；重复此喷涂与缠绕过程，在最后1次缠绕后再喷涂1层涂层，得到具有“钢筋混凝土”结构的高温热障复合陶瓷厚涂层材料，该材料是一种纤维增强的高温热障复合陶瓷厚涂层材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是采用包括以下步骤的方法：
(1)基体的制备：利用压缩空气将硬质磨料高速喷射金属基体工件表面，使其粗化；在粗化处理过的金属基体工件表面喷涂厚0.8～1.2μm的镍包铝(Ni/Al)或NiCoCrAlY自粘接底层，得到基体；
(2)喷涂：在基体表面用等离子喷涂-180～+325目的复合涂层粉末，形成起“混凝土”作用的层状结构喷涂层，喷涂层厚度为0.2～0.5mm，
(3)缠绕：在喷涂过后的基体上缠绕一层高温纤维丝，每层中相邻两根平行纤维丝间距为0.8～1.0mm，平行或交错缠绕，形成起“钢筋”作用的增强层；
重复上述喷涂与缠绕过程，在最后1次缠绕后再喷涂1次，得到所述的高温热障复合陶瓷厚涂层材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：高温热障复合陶瓷厚涂层材料有四层喷涂层，由内向外，这四层喷涂层的厚度分别为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.45mm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述的高温纤维丝为玻璃纤维丝、碳纤维丝或碳化硅纤维丝。
8.根据权利要求5所述的高温热障复合陶瓷厚涂层材料的制备方法，其特征在于：在喷涂层表面上采用相互平行的单束丝缠绕和网状两束丝交叉缠绕两种方式，其中，采用相互平行的单束丝缠绕时，相邻两层纤维丝的缠绕之间的夹角呈60至90度。
9.根据权利要求4至8中任一权利要求所述的制备方法，其特征是所制得的高温热障复合陶瓷厚涂层材料，其采用等离子喷涂技术涂覆在大气层中各种高速运动的飞行器表面，起到高温热障与烧蚀复合保护层的作用。
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