CN1034132C - 一种提高热障碍陶瓷涂层性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属表面的改质与强化。本法选用25～30%wt的SiO2硅溶胶作为SiO2添加剂，且与ZrO2混均，经低温烧结、粉碎、研磨、过筛制得含2.0～3.0%wtSiO2的ZrO2粉末；按60～70%wtZrO2与30～40%wtNiCoCrAIY的配比制备喷涂过渡层用复合粉；采取等离子喷涂的常规方法，依次在金属合金基体上喷涂0.1～0.2毫米的粘结层、0.05～0.15毫米的过渡层和0.25～0.45毫米的SiO2热障碍陶瓷涂层。本法形成的涂层粘结强度增加近四倍，热冲击寿命和热腐蚀抗力则可增加约十倍。
Description
本发明涉及金属表面的改质与强化，具体地说就是采用等离子喷涂技术将含添加剂的ZrO2粉末沉积于金属基体表面，形成热障碍涂层。
在美国国家宇航局的资料NASA·TECH Memo TM79005中公开了一种采用等离子喷涂技术将用8％wt Y2O3稳定的ZrO2粉末沉积于金属基体表面，形成热障碍涂层的方法。这一方法，能改善零件的使用寿命，已广泛用作柴油机、燃气涡轮机等的隔热层。但是这种涂层易脱落、脆性大、寿命低。其原因主要有两个方面：(1)因涂层本身是多孔的，以致位于陶瓷层与钢基材之间的粘结层易受氧化或受气氛的热腐蚀；(2)由于陶瓷材料与金属材料热膨胀不匹配，造成涂层内存在高的热应力，降低了涂层与基本的粘接强度。
在《表面与涂层工艺》(《Surfuce and Coating Technollgy》)1993年Vol.58第93～99页中公开了在粘结层与陶瓷层之间增加一层化学蒸发沉积即CVD Al2O3层，由于这层CVD Al2O3层对氧化起到扩散障作用，改善了ZrO2热障碍涂层的抗氧化性能。又如在《固体薄膜》(《This Solid Films》)1987年Vol.150第15～46页中曾尝试改变稳定剂，如用12.4～14.7％wt Yb2O3取代已普通使用的8％wt Y2O3作稳定剂稳定ZrO2，延长了ZrO2热障碍涂层的寿命。综上所述的改进，虽对ZrO2热障碍涂层性能有一定改善，但效果仍不理想。
本发明的目的在于克服背景技术的缺陷，通过改变涂层成份，引入添加剂的方法，提供一种热应力明显降低、粘结强度成倍增加，热冲击寿命和抗热腐蚀能力显著提高的ZrO2涂层。
本发明的目的可通过以下措施来达到；
一种提高热障碍陶瓷涂层性能的方法，它包括以下步骤：
第一步：含2.0～3.0％wt SiO2的ZrO2粉的制备
(1)将已用8％wt Y2O3稳定化处理的常规粒度直径为75～43微米的ZrO2粉研磨、过筛制得粒度直径为43～33微米的ZrO2粉；
(2)选用25～30％wt的SiO2硅溶胶作为SiO2添加剂，且按重量比与ZrO2配料至含2.0～3.0％wt SiO2的ZrO2，并将其充分混合至糊状物；
(3)将糊状物低温烧结2～5小时，成块状，然后经粉碎、研磨、过筛制得粒度直径为75～43微米的含2.0～3.0％wt SiO2的ZrO2粉末；
第二步：喷涂过渡层用复合粉的制备
按60～70％wt ZrO2与30～40％wt NiCoCrAlY的配比，将其充分机械混合、过筛、制成NiCoCrAlY和ZrO2复合粉，简称“NZ”复合粉；
第三步：等离子喷涂形成SiO2热障碍陶瓷涂层的工艺，它包括：
(1)粘结层的喷涂
以表面作过喷砂粗化预处理的金属合金作基体，用普通等离子喷涂设备和常规方法，喷上一层厚度为0.1～0.2毫米的NiCoCrAlY粘结层；
(2)过渡层的喷涂
用普通等离子喷涂设备和常规方法，在已喷的粘结层表面上沉积厚度为0.05～0.15毫米的“NZ”复合粉，作为过渡层；
(3)热障碍陶瓷层的喷涂
用普通等离子喷涂设备和常规方法，将含有2.0～3.0％wt SiO2的ZrO2粉末沉积在过渡层上，其沉积厚度为0.25～0.45毫米。
要想克服背景技术中ZrO2涂层易脱落、涂层脆性大、寿命低的缺点，就要解决两个关键问题：其一就是优选添加刘及其最佳添加量，以改善涂层性能；二是添加剂添加方式。本发明提出SiO2作添加剂，这是因为SiO2的熔点低即为1730℃，在喷涂过程中SiO2优先熔化渗入ZrO2粉末颗粒之间，产生液相烧结效应。又因SiO2的沸点为2950℃，接近涂层形成的瞬间温度即3000℃，在喷涂过程中一部分汽化，增加涂层孔隙率，从而产生涂层热应力松驰效应。由于在喷涂过程中，加入SiO2只是一部分汽化，另一部分则在ZrO2涂层形成后仍留于涂层的孔隙处，阻碍气体进入涂层内部，产生“自封孔”效应。SiO2添加剂的最佳值为2.0～3.0％wt，SiO2添加量过大，涂层孔隙剧增，“自封孔”效应差，不利于热应力释放。SiO2添加量过小，述上三种效应的效果均不明显。
发明人通过大量的研究和实验，创造了添加SiO2的新方法，即选用25～30％wt的SiO2硅溶胶作为SiO2的添加剂，按比例与粒度直径为45～33微米的ZrO2粉末充分混合至糊状物，然后低温烧结，粉碎并过筛成粒度直径为75～43微米的含2.0～3.0％wt SiO2的ZrO2粉末。实验证明，在喷涂时，采用上述方法制备的粉末易散开，从而提高了涂层沉积率；而硅溶胶在制备过程中既起到添加剂的作用，又对ZrO2粉末起到粘结作用。
本发明与背景技术相比具有如下突出的优点：
1、本法优选了适量的SiO2硅溶胶作为添加剂，在ZrO2粉末制备中既起到添加剂作用，又起到粘结作用。由于在等离子喷涂过程中，SiO2能产生三种效应：①液相烧结效应；②涂层热应力松驰效应；③“自封孔”效应，所以，涂层性能的三个指标“粘结强度”“热冲击寿命”和“热腐蚀抗力”均有显著提高。在同等条件下，添加有适量ZrO2涂层粘结强度，热冲击寿命可提高一倍以上，热腐蚀抗力则可提高六～八倍。
2、在添加适量SiO2的同时增加过渡层的热障碍涂层，SiO2添加剂的三种效应更加明显，涂层的性能改善更加显著。它的粘结强度可增加近四倍，热冲击寿命和热腐蚀抗力则可增加约十倍。
下面将通过如下实施例对本发明作进一步的详述：
按下列步骤依次操作：
一、含SiO2的ZrO2粉的制备
1、将已用8％wt Y2O3稳定化处理的常规粒度直径为75～43微米的ZrO2粉研磨、过筛制得粒度直径为43～33微米的ZrO2粉；
2、称取上述ZrO2粉971.5克，称取含30％SiO2硅溶胶95克，将其充分混合至糊状物；
3、将上述糊状物置于150℃的炉内，低温烧结3.5小时，此时混合物熔成块状，将其粉碎、研磨、过筛制得粒度直径为75～43微米的粉末，该粉末含SiO2添加剂的量为2.85％Wt；
二、喷涂过渡层用复合粉的制备
按65％wt ZrO2与35％wt NiCoCrAlY的配比将其机械混合、过筛、制成NiCoCrAlY和ZrO2复合粉，即“NZ”复合粉；
三、等离子喷涂形成SiO2热障碍陶瓷涂层
1、粘结层的喷涂
用20目Al2O3砂、喷砂压力64千克力/厘米2的条件，对45#钢基体作表面喷砂粗化预处理，用普通等离子喷涂设备和常规方法，对已作上述预处理的基体喷上一层厚0.1毫米的NiCoCrAlY粘结层；
2、过渡层的喷涂
用普通等离子喷涂设备和常规方法，在已喷完的粘结层的基体表面上沉积厚度为0.1毫米的“NZ”复合粉；
3、热障碍陶瓷层的喷涂
用普通等离子喷涂设备和常规方法，将含2.85％wt SiO2的ZrO2粉末沉积在已喷完过渡层的基体上，其沉积厚度为0.4毫米；
经上述步骤依次操作制得的热障碍陶瓷涂层的各项性能均有显著提高，见附表。附表：
| 涂 层 | 法向粘结强度MPa | 热应力MPa | 热腐蚀性能mg/cm2 | 孔隙尺寸μm | ||
| 50h | 100h | |||||
| ZrO2 | 7.3 | 56.73 | 6.10 | 13.20 | 30 | |
| 添加2.85％wt SiO2的ZrO2 | 无过渡层 | 15.5 | 44.58 | 0.70 | 2.10 | 15～40 |
| 有过渡层 | 29.6 | 34.64 | 0.55 | 1.35 | 15～40 | |
Claims (1)
1、一种提高热障碍陶瓷涂层性能的方法，其特征在于：它包括以下步骤：
第一步：含2.0～3.0％wt SiO2的ZrO2粉的制备
(1)将已用8％wt Y2O3稳定化处理的常规粒度直径为75～43微米的ZrO2粉研磨、过筛制得粒度直径为43～33微米的ZrO2粉；
(2)选用25～30％wt的SiO2硅溶胶作为SiO2添加剂，且按重量比与ZrO2配料至含2.0～3.0％wt SiO2的ZrO2，并充分混合至糊状物；
(3)将糊状物低温烧结2～5小时，成块状，然后经粉碎、研磨、过筛制得粒度直径为75～43微米含2.0～3.0％wt SiO2的ZrO2粉末；
第二步：喷涂过渡层用复合粉的制备
按60～70％wt ZrO2与30～40％wt NiCoCrAlY的配比，将其充分机械混合、过筛、制成NiCoCrAlY和ZrO2复合粉，简称“NZ”复合粉；
第三步：等离子喷涂形成SiO2热障碍陶瓷涂层的工艺，它包括：
(1)粘结层的喷涂
以表面作过喷砂粗化预处理的金属合金作基体，用普通等离子喷涂设备和常规方法，喷上一层厚度为0.1～0.2毫米的NiCoCrAlY粘结层；
(2)过渡陶瓷层的喷涂
用普通等离子喷涂设备和常规方法，在已喷的粘结层表面上沉积厚度为0.05～0.15毫米的“NZ”复合粉，作为过渡层；
(3)热障碍层的喷涂
用普通等离子喷涂设备和常规方法，将合有2.0～3.0％wt SiO2的ZrO2粉末沉积在过渡层上，其沉积厚度为0.25～0.45毫米。
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