CN102094164A - 一种纳米氧化锆热障涂层及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种纳米氧化锆热障涂层及制备方法，其特点是纳米氧化锆热障涂层有粘结层和陶瓷层，其中粘结层采用超音速火焰喷涂制备NiCrAlY，成分为Cr 20％～30％，Al 4.0％～10％，Y 0.3％～0.7％，Ni余量；陶瓷层采用等离子喷涂制备ZrO2/Y2O3层，陶瓷层为含有5％～8％氧化钇的部分稳定的纳米氧化锆，氧化锆粉末为纳米级。本发明采用超音速火焰喷涂与等离子喷涂相结合，在金属表面制备抗氧化热障涂层，具有涂层与基体结合能力更好、抗热震性能和隔热性能均优于普通ZrO2/Y2O3热障涂层的特点。

Description

一种纳米氧化锆热障涂层及制备方法
技术领域
本发明涉及一种高温防护方法，特别是涉及一种采用超音速火焰喷涂与等离子喷涂相结合制备的纳米氧化锆热障涂层及制备方法，属于国际专利分类表中的C23C4/10(2006.01)I技术领域。
背景技术
随着航空工业的发展，涡轮发动机的推重比越来越高，涡轮前进口温度也越来越高。根据目前国内外材料的研究历程及进展状况，在短时期内通过提高材料的使用温度来实现涡轮叶片耐高温能力大的提升具有相当大的难度。比较快速可行的方法是在涡轮叶片基体上沉积热障涂层以提高其使用温度。
目前，我国航空发动机涡轮叶片上所采用的热障涂层为MCrAlY底层、氧化锆面层结构。常规氧化锆热障涂层为层片状结构，裂纹平行于涂层表面分布，且存在贯穿性裂纹，此类结构对抗热震性能十分不利，同时易导致涂层早期失效。而纳米氧化锆热障涂层具有独特的微观结构：涂层存在相当比例纳米尺寸的孔洞，且分布均匀：不存在穿透性裂纹和平行裂纹；保留大量的未完全熔融的小尺寸颗粒。颗粒尺寸大多在100nm以下，致使晶界大量出现。由于纳米氧化锆晶粒变细，晶界数量大幅度增加，使得材料的强度、韧性和超塑性大为提高，使其涂层的热膨胀系数比传统氧化锆涂层的大，与高温合金的膨胀系数差距缩小，减小了剪应力，降低了涂层的剥落趋势。不仅如此，在隔热性能等方面也优于传统氧化锆热障涂层。因此，研究开发出合适的纳米氧化锆热障涂层制备工艺是近年来涡轮叶片基体上沉积热障涂层研究的热点之一。公开号为CN1740372的发明专利申请曾给出了《一种液相等离子喷涂制备纳米氧化锆热障涂层的方法》，即在含锆盐的水溶液中加入氧化物稳定剂和高分子活性分散剂，再加入碱性沉淀剂，得到氢氧化锆溶胶，经陈化和纯化后，将此溶胶作为等离子喷涂原料进行等离子喷涂制备纳米氧化锆涂层。其特征在于以氢氧化物前驱体溶胶取代纳米团聚型微米粉末作为等离子喷涂原料，将其雾化后在等离子火焰中迅速蒸发、干燥、煅烧和凝结沉积，直接形成纳米氧化锆涂层。该技术方案给出纳米氧化锆热障涂层的制备方法，虽具有操作简单，工艺流程少，制备成本低，有利于工业化生产等优点。但是液相前驱体在焰流中会发生复杂的转变，其中等离子化学反应是最为关键也是最为复杂的变化，因此控制难度大；并且，制备前驱体溶胶时会引入Cl-离子等其他有害离子及杂质，对涂层耐高温腐蚀性能有很大影响。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述技术问题，通过研究改进，提供了一种新型的纳米氧化锆热障涂层及制备方法。本发明给出的这种纳米氧化锆热障涂层及制备方法采用超音速火焰喷涂与等离子喷涂相结合，在金属表面制备抗氧化热障涂层。该涂层包括粘结层和陶瓷层，粘结层采用超音速火焰喷涂制备NiCrAlY；陶瓷层采用等离子喷涂制备ZrO2/Y2O3层，陶瓷层为含有5％～8％氧化钇的部分稳定的纳米氧化锆，氧化锆粉末为纳米级。本发明的优点；由于制备粘结层采用超音速喷涂技术，因此涂层与基体结合能力更好；陶瓷层所采用的氧化锆粉末为纳米级，其抗热震性能和隔热性能均优于普通ZrO2/Y2O3热障涂层。
本发明给出的技术方案是：这种纳米氧化锆热障涂层，其特点是有粘结层和陶瓷层，其中
粘结层采用超音速火焰喷涂制备NiCrAlY，成分为Cr 20％～30％，Al 4.0％～10％，Y 0.3％～0.7％，Ni余量；
陶瓷层采用等离子喷涂制备ZrO2/Y2O3层，陶瓷层为含有5％～8％氧化钇的部分稳定的纳米氧化锆，氧化锆粉末为纳米级。
本发明给出的这种纳米氧化锆热障涂层的制备方法，其特点是有下列步骤：
(1)粘结层NiCrAlY的制备：
A)基材预处理：将基材经砂纸打磨后，分别在丙酮及无水乙醇中超声波清洗，吹干后备用。
B)超音速喷涂制备NiCrAlY粘结层：
NiCrAlY合金粉末成分为：Cr 20％～30％，Al 4.0％～10％，Y 0.3％～0.7％，Ni余量，粉末粒度为300目。采用JP-5000超音速火焰喷涂设备，喷涂工艺参数如下：送粉速率40～60g/min，氧气压力200～240psi，氧气流量1750～1900scfh，煤油压力170～180psi，煤油流量5.0～5.5gph，喷涂距离300～360mm。涂层厚度0.07～0.15mm。
(2)纳米氧化锆陶瓷层的制备：
A)纳米氧化锆粉末的制备：氧化锆粉末原始粒径为30～70nm，加入5％～8％Y2O3，通过二次造粒，纳米结构颗粒粒度范围为20μm～80μm，平均粒径为30μm～44μm。
B)等离子喷涂制备纳米氧化锆陶瓷层：
采用Metco 7M等离子喷涂设备喷涂，喷涂工艺参数如下：
电流530～570A，电压55～70V，送粉速率30～60g/min，氩气压力70～110psi，氩气流量80～100ft3/h，氢气压力0.4～0.6psi，氢气流量15～20ft3/h，喷涂距离75～100mm。涂层厚度0.15～0.25mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、陶瓷层中6％～8％氧化钇稳定剂的添加，在高达1650℃下长期使用时，氧化钇不会向晶体外扩散，形成一种部分稳定的氧化锆。
2、制备陶瓷层的氧化锆粉末为纳米级，二次造粒后颗粒的平均粒径为30μm～44μm。由于纳米氧化锆晶粒变细，晶界数量大幅度增加，使得材料的强度、韧性和超塑性大为提高，使其涂层的热膨胀系数比传统氧化锆涂层的大，与高温合金的膨胀系数差距缩小，减小了剪应力，降低了涂层的剥落趋势。不仅如此，在隔热性能等方面也优于传统氧化锆热障涂层。
3、由于氧化锆稳定，具有比热障涂层底层NiCrAlY更为明显的抗氧化性，寿命更长，在1100℃高温下，具有良好的抗热循环能力和抗热盐腐蚀能力，可以推广到高推重比航空发动机、舰船燃气轮机的涡轮导向叶片的高温防护上。
具体实施方式
实施例1
基材：K452合金，粘结层材料为NiCrAlY，成分为：Cr 26％，Al 8％，Y 0.6％，Ni余量，面层为氧化钇稳定的纳米氧化锆，其中氧化钇含量为5％～8％。
1)粘结层NiCrAlY的制备：
(1)基材预处理：将基材经800#砂纸打磨后，分别在丙酮及无水乙醇中超声波清洗10min，吹干后备用。
(2)超音速喷涂制备NiCrAlY粘结层：
采用JP-5000超音速火焰喷涂设备，喷涂工艺参数如下：送粉速率45g/min，氧气压力200psi，氧气流量1750scfh，煤油压力170psi，煤油流量5.0gph，喷涂距离320mm。涂层厚度0.15mm。
2)纳米氧化锆陶瓷层的制备：
(1)纳米氧化锆粉末的制备：氧化锆粉末原始粒径为30～70nm，加入5％～8％Y2O3，通过二次造粒，纳米结构颗粒粒度范围为20μm～80μm，平均粒径为30μm～44μm。
(2)等离子喷涂制备纳米氧化锆陶瓷层：
采用Metco 7M等离子喷涂设备喷涂，喷涂工艺参数如下：电流550A，电压60V，送粉速率45g/min，氩气压力90psi，氩气流量100ft3/h，氢气压力0.6psi，氢气流量20ft3/h，喷涂距离80mm。涂层厚度0.25mm。

Claims (2)

1.一种纳米氧化锆热障涂层，其特征在于有粘结层和陶瓷层，其中
粘结层采用超音速火焰喷涂制备NiCrAlY，成分为Cr 20％～30％，Al 4.0％～10％，Y 0.3％～0.7％，Ni余量；
陶瓷层采用等离子喷涂制备ZrO2/Y2O3层，陶瓷层为含有5％～8％氧化钇的部分稳定的纳米氧化锆，氧化锆粉末为纳米级。
2.权利要求1所述纳米氧化锆热障涂层的制备方法，其特征在于有下列步骤：
(1)粘结层NiCrAlY的制备：
A)基材预处理：将基材经砂纸打磨后，分别在丙酮及无水乙醇中超声波清洗，吹干后备用；
B)超音速喷涂制备NiCrAlY粘结层：
NiCrAlY合金粉末成分为：Cr 20％～30％，Al 4.0％～10％，Y 0.3％～0.7％，Ni余量，粉末粒度为300目。采用JP-5000超音速火焰喷涂设备，喷涂工艺参数如下：送粉速率40～60g/min，氧气压力200～240psi，氧气流量1750～1900scfh，煤油压力170～180psi，煤油流量5.0～5.5gph，喷涂距离300～360mm。涂层厚度0.07～0.15mm。
(2)纳米氧化锆陶瓷层的制备：
A)纳米氧化锆粉末的制备：氧化锆粉末原始粒径为30～70nm，加入5％～8％ Y2O3，通过二次造粒，纳米结构颗粒粒度范围为20μm～80μm，平均粒径为30μm～44μm；
B)等离子喷涂制备纳米氧化锆陶瓷层：
采用Metco 7M等离子喷涂设备喷涂，喷涂工艺参数如下：
电流530～570A，电压55～70V，送粉速率30～60g/min，氩气压力70～110psi，氩气流量80～100ft3/h，氢气压力0.4～0.6psi，氢气流量15～20ft3/h，喷涂距离75～100mm，涂层厚度0.15～0.25mm。
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