CN102925843A

CN102925843A - 一种原位合成制备复合热障涂层的方法

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Publication number: CN102925843A
Application number: CN2012104121966A
Authority: CN
Inventors: 梁工英; 祝超; 丁秉钧; 王铁军; 虞烈
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明公开了一种原位合成制备复合热障涂层的方法，将R₂O₃和ZrO₂粉体混合球磨后的R₂O₃/ZrO₂混合粉末和YSZ粉末混合；用等离子喷涂方法喷涂在高温合金基体上的粘结层表面，然后置于电阻炉中，在空气条件，1000-1400°C下进行烧结，制备出R₂Zr₂O₇弥散分布的YSZ陶瓷层。由本发明方法制备的陶瓷层消除了R₂Zr₂O₇稀土锆酸盐陶瓷层与YSZ陶瓷层的层界面，使得热障涂层具有高温相稳定性，与传统的YSZ相比具有较低的热导率，且降低了陶瓷层的透氧率；与单纯的稀土锆酸盐陶瓷层相比使用寿命增长，可以满足热端部件长期服役和抗高温氧化等要求。

Description

一种原位合成制备复合热障涂层的方法

【技术领域】

本发明涉及热障涂层领域，特别涉及一种用于燃气涡轮发动机高温部件的热障涂层陶瓷层的制备方法。

【背景技术】

燃气涡轮发动机被广泛的应用于飞机，船舶，车辆和发电机组。在过去的50年间，典型燃气轮机的涡轮前温度已经从960℃提高到了1500-1600℃，而涡轮机叶片多由Ni基（或Co基）高温合金构成，这一温度已慢慢接近其熔点。在叶片表面制备一层阻碍高温火焰和基体直接接触的陶瓷材料，就能实现提高使用温度，降低系统冷却要求的目的。这部分起到隔热和抗氧化作用的涂层系统，就是所谓的热障涂层。

通常，100-500μm的TBCs就能使叶片基体温度下降100-300℃，这相当于人类经过30年才能在提高高温合金使用温度方面取得的进展。因此，热障涂层材料在航空航天、动力发电、原子能设备等诸多方面得到了广泛的应用，并取得了良好的社会和经济效益。如何进一步改善和延长热障涂层的实用性能和使用寿命，也成为近年来研究的热点问题。

Y₂O₃部分稳定的ZrO₂陶瓷（YSZ）是一种相对理想的陶瓷层材料，因为它具有较低的热导率，同时又和基体Ni基高温合金以及氧化铝有相近的热膨胀系数。此外，较高的硬度（~14GPa）使得陶瓷层有较好的抗冲击和抗腐蚀的能力；高熔点使得陶瓷层可以直接在高温条件下使用。

但是，YSZ在高温下长时间的循环使用，会发生烧结，晶粒长大，气孔收缩，使得陶瓷层的热导率增大，最终使得涂层界面应力变大导致涂层剥落，降低了热障涂层的使用寿命。在这样的背景下，又出现了稀土锆酸盐材料的陶瓷层。这种陶瓷层中有比YSZ更多的空位和更加复杂的晶胞结构，加之稀土原子质量较大，会增加陶瓷层内的声子散射，减小声子的平均自由程，从而降低材料的热导率。此外，YSZ在高温下是优良的氧离子导体，也就是说在高温下是氧透明的，而稀土锆酸盐材料的陶瓷在高温下是氧离子导电的绝缘体。

本发明采用原位合成制备技术制备稀土锆酸盐陶瓷层，用于高温燃气轮机，涡轮喷气发动机等高温热机具有良好的应用前景。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种原位合成制备复合热障层的方法，采用空气等离子喷涂技术在普通热障涂层材料YSZ陶瓷层表面上喷涂一层稀土锆酸盐/YSZ复合陶瓷层。该陶瓷层材料具有高温相稳定性，与传统的YSZ相比具有较低的热导率，且降低了陶瓷层的透氧率；使得陶瓷层使用寿命增长，可以满足热端部件长期服役和抗高温氧化等要求。

为了达到以上目的，本发明提供了一种原位合成制备复合热障涂层的方法，将R₂O₃粉体、ZrO₂粉体及YSZ粉末混合均匀后，将该混合粉末喷涂在高温合金基体上的粘结层表面，最后放置于电阻炉中进行烧结，使R₂O₃相和ZrO₂相反应生成的锆酸盐相，弥散分布在YSZ陶瓷层中，其中，R为Nd，Sm，Eu，Gd或Tb中的一种或两种以上组合。

作为本发明的优选实施例，所述R₂O₃粉体、ZrO₂粉体及YSZ粉末采用以下方法混合：先将R₂O₃粉体、ZrO₂粉体通过球磨混合，然后再与YSZ粉末混合。

作为本发明的优选实施例，所述R₂O₃粉体和ZrO₂粉体的摩尔比为1:2。

作为本发明的优选实施例，所述球磨后的R₂O₃/ZrO₂混合粉末和YSZ粉末的摩尔比为1:4-4:1。

作为本发明的优选实施例，所述喷涂参数：电压74V，电流650A，送粉率60g·min^-1，氩气流速2550L·h^-1，氢气流速425L·h^-1，喷涂距离80-150mm。

作为本发明的优选实施例，所述烧结温度为1000-1400°C，时间为2-10小时。

一种原位合成制备复合热障涂层的方法，包括以下步骤：

1）将摩尔比为1:2的R₂O₃和ZrO₂粉体混合球磨，R为Nd，Sm，Eu，Gd或Tb中的一种或两种以上组合；

2）将球磨后的R₂O₃/ZrO₂混合粉末和YSZ粉末以摩尔比为1:4-4:1混合；

3）将步骤2）得到的上述混合粉末用等离子喷涂方法喷涂在高温合金基体上的粘结层表面，喷涂参数：电压74V，电流650A，送粉率60g·min^-1，氩气流速2550L·h^-1，氢气流速425L·h^-1，喷涂距离80-150mm；

4）将喷涂后的热障涂层陶瓷层置于电阻炉中，在空气条件下进行烧结，制备出R₂Zr₂O₇弥散分布的YSZ陶瓷层，烧结温度为1000-1400°C，时间为2-10小时。

本发明提供的用于燃气涡轮发动机高温部件的热障涂层陶瓷层的制备方法，是采用空气等离子喷涂技术在热障涂层粘结层表面上喷涂一层稀土锆酸盐弥散在YSZ中的复合陶瓷层。在喷涂后的高温条件下，粉体烧结稳定，反应生成了R₂Zr₂O₇稀土锆酸盐相，其与YSZ陶瓷匹配良好，没有明显的界面，提高了陶瓷层整体的热稳定性和抗氧化性能，延长了其服役寿命。

【附图说明】

图1是根据本发明方法制备的原位合成复合热障涂层的分层示意图。

【具体实施方式】

以下结合具体实施例对本发明做进一步的详细描述。

所有的实施例都包含以下热障涂层的表面清理步骤：

1）将热障涂层表面用3KW真空除尘器去除表面的尘埃和杂质。

2）将热障涂层放入干燥箱中，在80°C条件下干燥1小时，去除表面水汽和油脂。

用于喷涂R₂Zr₂O₇/YSZ复合陶瓷层的热障涂层，粘结层为MCrAlY合金体系，M表示Ni，Co，Fe或者它们的混合；Al含量在8-12%。粘结层厚度为80-120μm。

实施例1：

工件热障涂层中粘结层为NiCrAlY涂层，其中Ni，Cr，Al和Y的质量分数分别是69%，20%，10%和1%，厚度是100μm。经表面处理后，La₂Zr₂O₇/YSZ复合陶瓷层的制备方法按照以下步骤实现：

a将摩尔比为1:2的La₂O₃和ZrO₂粉体混合球磨48小时；

b将球磨后的La₂O₃/ZrO₂混合粉末和YSZ粉末以摩尔比为1:2混合；

c将步骤b得到的混合粉末用等离子喷涂方法喷涂在粘结层表面，陶瓷涂层厚度为300μm。喷涂参数：电压74V，电流650A，送粉率60g·min^-1，氩气流速2550L·h^-1，氢气流速425L·h^-1，喷涂距离120mm；

d将喷涂后的热障涂层陶瓷层置于电阻炉中，在空气条件，1400°C下进行烧结，时间5小时。

实施例2：

工件热障涂层中粘结层为NiCrAlY涂层，其中Ni，Cr，Al和Y的质量分数分别是69%，20%，10%和1%，厚度是80μm。经表面处理后，Nd₂Zr₂O₇/YSZ符合陶瓷层的制备方法按照以下步骤实现：

a将摩尔比为1:2的Nd₂O₃和ZrO₂粉体混合球磨72小时；

b将球磨后的Nd₂O₃/ZrO₂混合粉末和YSZ粉末以摩尔比为1:4混合；

c将步骤b得到的混合粉末用等离子喷涂方法喷涂在粘结层表面，陶瓷涂层厚度为200μm。喷涂参数：电压74V，电流650A，送粉率60g·min^-1，氩气流速2550L·h^-1，氢气流速425L·h^-1，喷涂距离100mm；

d将喷涂后的热障涂层陶瓷层置于电阻炉中，在空气条件，1200°C下进行烧结，时间10小时。

实施例3：

工件热障涂层中粘结层为NiCrAlY涂层，其中Ni，Cr，Al和Y的质量分数分别是69%，20%，10%和1%，厚度是120μm。经表面处理后，Sm₂Zr₂O₇/YSZ复合陶瓷层的制备方法按照以下步骤实现：

a将摩尔比为1:2的Sm₂O₃和ZrO₂粉体混合球磨18小时；

b将球磨后的Sm₂O₃/ZrO₂混合粉末和YSZ粉末以摩尔比为4:1混合；

c将步骤b得到的混合粉末用等离子喷涂方法喷涂在粘结层表面，陶瓷涂层厚度为400μm。喷涂参数：电压74V，电流650A，送粉率60g·min^-1，氩气流速2550L·h^-1，氢气流速425L·h^-1，喷涂距离150mm；

d将喷涂后的热障涂层陶瓷层置于电阻炉中，在空气条件，1400°C下进行烧结，时间8小时。

实施例4：

工件热障涂层中粘结层为NiCoCrAlY涂层，其中Ni，Co，Cr，Al和Y的质量分数分别是31%，31%，25%，12%和1%，厚度是80μm。经表面处理后，Eu₂Zr₂O₇/YSZ复合陶瓷层的制备方法按照以下步骤实现：

a将摩尔比为1:2的Eu₂O₃和ZrO₂粉体混合球磨48小时；

b将球磨后的Eu₂O₃/ZrO₂混合粉末和YSZ粉末以摩尔比为1:2混合；

实施例5：

工件热障涂层中粘结层为NiCoCrAlY涂层，其中Ni，Co，Cr，Al和Y的质量分数分别是31%，31%，25%，12%和1%，厚度是100μm。经表面处理后，Gd₂Zr₂O₇/YSZ复合陶瓷层的制备方法按照以下步骤实现：

a将摩尔比为1:2的Gd₂O₃和ZrO₂粉体混合球磨72小时；

b将球磨后的Gd₂O₃/ZrO₂混合粉末和YSZ粉末以摩尔比为1:4混合；

c将步骤b得到的混合粉末用等离子喷涂方法喷涂在粘结层表面，陶瓷涂层厚度为250μm。喷涂参数：电压74V，电流650A，送粉率60g·min^-1，氩气流速2550L·h^-1，氢气流速425L·h^-1，喷涂距离100mm；

实施例6：

工件热障涂层中粘结层为NiCoCrAlY涂层，其中Ni，Co，Cr，Al和Y的质量分数分别是31%，31%，25%，12%和1%，厚度是120μm。经表面处理后，Tb₂Zr₂O₇/YSZ复合陶瓷层的制备方法按照以下步骤实现：

a将摩尔比为1:2的Tb₂O₃和ZrO₂粉体混合球磨18小时；

b将球磨后的Tb₂O₃/ZrO₂混合粉末和YSZ粉末以摩尔比为4:1混合；

c将步骤b得到的混合粉末用等离子喷涂方法喷涂在粘结层表面，陶瓷涂层厚度为350μm。喷涂参数：电压74V，电流650A，送粉率60g·min^-1，氩气流速2550L·h^-1，氢气流速425L·h^-1，喷涂距离150mm；

如图1所示，本发明通过原位合成制备的复合热障涂层由高温合金基体，粘结层，以及稀土锆酸盐弥散在YSZ中的复合陶瓷层组成。在喷涂后的高温条件下，粉体烧结稳定，反应生成了稀土锆酸盐相，其与YSZ陶瓷匹配良好，没有明显的界面，提高了陶瓷层整体的热稳定性和抗氧化性能，延长了其服役寿命。

Claims

1.一种原位合成制备复合热障涂层的方法，其特征在于：将R₂O₃粉体、ZrO₂粉体及YSZ粉末混合均匀后，将该混合粉末喷涂在高温合金基体上的粘结层表面，最后放置于电阻炉中进行烧结，使R₂O₃相和ZrO₂相反应生成的锆酸盐相，弥散分布在YSZ陶瓷层中，其中，R为Nd，Sm，Eu，Gd或Tb中的一种或两种以上组合。

2.如权利要求1所述的一种原位合成制备复合热障涂层的方法，其特征在于：R₂O₃粉体、ZrO₂粉体及YSZ粉末采用以下方法混合：先将R₂O₃粉体、ZrO₂粉体通过球磨混合，然后再与YSZ粉末混合。

3.如权利要求2所述的一种原位合成制备复合热障涂层的方法，其特征在于：R₂O₃粉体和ZrO₂粉体的摩尔比为1:2。

4.如权利要求3所述的一种原位合成制备复合热障涂层的方法，其特征在于：球磨后的R₂O₃/ZrO₂混合粉末和YSZ粉末的摩尔比为1:4-4:1。

5.如权利要求1或3所述的一种原位合成制备复合热障涂层的方法，其特征在于：喷涂参数：电压74V，电流650A，送粉率60g·min^-1，氩气流速2550L·h^-1，氢气流速425L·h^-1，喷涂距离80-150mm。

6.如权利要求1或3所述的一种原位合成制备复合热障涂层的方法，其特征在于：烧结温度为1000-1400°C，时间为2-10小时。

7.一种原位合成制备复合热障涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a将摩尔比为1:2的R₂O₃和ZrO₂粉体混合球磨，R为Nd，Sm，Eu，Gd或Tb中的一种或两种以上组合；

b将球磨后的R₂O₃/ZrO₂混合粉末和YSZ粉末以摩尔比为1:4-4:1混合；

c将步骤b得到的混合粉末用等离子喷涂方法喷涂在高温合金基体上的粘结层表面，喷涂参数：电压74V，电流650A，送粉率60g·mi^-1，氩气流速2550L·h^-1，氢气流速425L·h^-1，喷涂距离80-150mm；

d将喷涂后的热障涂层陶瓷层置于电阻炉中，在空气条件下进行烧结，制备出R₂Zr₂O₇弥散分布的YSZ陶瓷层，烧结温度为1000-1400°C，时间为2-10小时。