CN104388881A - 一种抗烧蚀复合涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗烧蚀复合涂层及其制备方法，该抗烧蚀层由粘结层与复合陶瓷抗烧蚀层组成。复合陶瓷抗烧蚀层为ZrB₂-ZrC-SiC-ZrO₂复相陶瓷经等离子喷涂沉积制得,制备过程中在陶瓷ZrB₂、ZrC、SiC颗粒界面上形成的B₂O₅Si产物促进了界面的连接与强化。本发明中复相陶瓷无需烧结，克服了烧结过程对制品形状的限制，适合于大型结构件抗高温烧蚀的制备要求。

Description

一种抗烧蚀复合涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及航空航天、冶金、机械、材料加工等技术领域，涉及一种抗高温烧蚀复合涂层及其制备方法。

背景技术

航空航天领域对材料的耐高温、抗烧蚀性能有着极高的要求。航空航天发动机、燃气轮机、内燃机、锅炉等燃烧室受热部件也存在类似的高温烧蚀现象，同样需要耐高温烧蚀的防护。在高温、超高温燃气及氧化气氛中能够长期保持物理、化学稳定性的新型材料成为研究热点。能够满足航天器超高温烧蚀的材料主要为硼化物、碳化物组成的多元复合陶瓷，此类材料对耐高温、超高温气流烧蚀同样适用。

目前，ZrB₂-ZrC基耐超高温陶瓷的制备方法主要有热压法，以及在此基础上发展起来的无压烧结和反应热压法。ZrB₂、ZrC类材料内部共价键键能非常强、熔点高、烧结活性低，这些方法工艺温度高、后续加工复杂，特别是对具有不规则形状的大型结构件的制备加工尤显困难，不利于工业化生产。

王松等人在“ZrB₂-ZrC基耐超高温陶瓷的制备方法”(专利号：201110026995.5)一文中以含锆合金熔渗处理获得ZrB₂-ZrC基耐超高温陶瓷半成品，用B₄C或SiC粉包埋经1400～1700℃真空或氩气保护高温烧结。

周长灵等人在“超高温近零烧蚀ZrB₂-ZrC-SiC复相陶瓷的制备方法”(专利号：200610068591.1)一文中以一定比例的ZrB₂、ZrC、SiC、ZrO₂粉料混合均匀在150～200MPa压力下冷压成型后，在氩气保护下经1700～1900℃高温烧结，效果良好。

然而，成型工艺的复杂及较高的烧结温度，使得不规则形状的大型耐高温烧蚀结构件的制备加工显得更为困难。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种可在复杂结构或大型结构上应用的抗烧蚀复合涂层及其制备方法.

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种抗烧蚀复合涂层，包括依次喷涂在基底上的粘接层和复合陶瓷抗烧蚀层，所述的基底为高温合金、钢、铝合金或铸铁材料的受热结构部件；所述的粘接层为厚度为50～500μm的含铝高温合金或含铝金属间化合物；所述复合陶瓷抗烧蚀层的厚度为200～500μm，由以下重量百分比的物质原料制成：

上述抗烧蚀复合涂层中，基底为复杂形状的构件或大尺寸构件。

一种抗烧蚀复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

【1】按照前述的重量百分比称取ZrB₂、ZrC、SiC、ZrO₂粉末并混合均匀，其中ZrB₂、ZrC粉末中位粒径为10～20μm，SiC、ZrO₂粉末中位粒径为1～3μm；

【2】选用含铝高温合金或含铝金属间化合物为粘结层材料，利用喷涂工艺在基体上制备处厚度为50～500μm的粘结层；

【3】将步骤【1】混合后的粉末，以完全熔融的方式喷涂在步骤【2】制备的粘结层上，制备成内部含有B₂O₅Si的厚度为200～500μm的复合陶瓷抗烧蚀层，最终形成抗烧蚀复合涂层。

上述抗烧蚀复合涂层的制备方法中，粘结层制备方法为冷喷涂、等离子喷涂、低压等离子喷涂、超音速火焰喷涂或爆炸喷涂。

上述抗烧蚀复合涂层的制备方法中，复合陶瓷抗烧蚀层的制备方法为等离子喷涂或低压等离子喷涂。

上述抗烧蚀复合涂层的制备方法中，步骤【1】中的粉末采用球磨机或混料机进行均匀混合。

与现有技术相比，本发明的制备成本较低、方便快捷，所制抗烧蚀复合涂层的内部组织均匀，致密度高，且生成了B₂O₅Si新相，同小尺寸的SiC、ZrO₂颗粒一起填充ZrB₂、ZrC大颗粒的间隙，增强了相互的连接，增加了复合陶瓷抗烧蚀层的强度，制品的力学性能高、抗烧蚀效果好，可满足复杂形状或大型构件抗烧蚀的应用，克服了陶瓷产品烧结过程对制品形状的限制。

附图说明

图1为本发明ZrB₂-ZrC-SiC-ZrO₂复合抗烧蚀涂层典型XRD图谱。

图2为本发明ZrB₂-ZrC-SiC-ZrO₂复合抗烧蚀涂层断面组织照片。

图3为本发明ZrB₂-ZrC-SiC-ZrO₂复合抗烧蚀涂层相组成示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步的说明，这些实施例是本发明较优的例子，用于本领域技术人员理解本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

实施例1

本发明所述的一种抗烧蚀复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

【1.1】喷涂用复合粉末的制备：称取质量比为40.36∶44.64∶5.31∶9.7的ZrB₂、ZrC、SiC、ZrO₂粉末，设计的体积比为40∶40∶10∶10。ZrB₂、ZrC粉末的中位粒径为10μm，SiC、ZrO₂粉末的中位粒径为1μm。通过球磨机进行混料，具体参数：球料比10∶1，球磨机转速120转/分钟，混料时间3小时，保证混合充分均匀。

【1.2】基体粘结层的制备：采用Incol718高温合金作为基体，在制备粘结层之前，对基体进行喷砂处理。选用Sulzer Metco公司生产的Amdry997型NiCoCrAlYTa作为粘结层材料，用冷喷涂制备粘结层，喷涂时的加速气体选用He气，温度为590±15℃，粘结层厚度为100±5μm。

【1.3】复合陶瓷抗烧蚀层的制备：利用步骤【1.1】所制备的ZrB₂-ZrC-SiC-ZrO₂体积比为40∶40∶10∶10的混合粉末，经等离子喷涂以完全熔融的方式在粘结层上制备复合陶瓷抗烧蚀层，厚度为300±5μm。等离子喷涂电压69.8V，喷涂电流608A，喷嘴距基体表面距离90mm，喷枪移动速度400mm/s。

所制备的复合抗烧蚀层内部组织如图2所示，在混合粉末经过等离子焰流加热融化的过程中大颗粒ZrB₂、ZrC粉末表面被熔融的SiC、ZrO₂小颗粒包围，且发生界面反应形成B₂O₅Si(其产物相分析结果如图1所示)，促进了界面的连接与强化。

复合陶瓷层内部相分布如图3所示，复合涂层内部组织均匀，致密度高，且生成了B₂O₅Si新相，同小尺寸的SiC、ZrO₂颗粒一起填充ZrB₂、ZrC大颗粒的间隙，增强了相互的连接，故增加了复合陶瓷层的强度。复合陶瓷层主体成分为ZrB₂、ZrC，且没有发生显著的相变，在氧乙炔焰中烧蚀30s，测得线烧损率为0.00038mm/s，抗高温烧蚀效果良好。

实施例2

一种本发明所述的锅炉钢表面抗烧蚀复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

【2.1】喷涂用复合粉末的制备：称取质量比为40.96∶45.5∶7.18∶6.56的ZrB₂、ZrC、SiC、ZrO₂粉末，设计的体积比为40∶40∶13.33∶6.67。ZrB₂、ZrC粉末的中位粒径为10μm，SiC、ZrO₂粉末的中位粒径为1μm。通过球磨机进行混料，具体参数：球料比10∶1，球磨机转速120转/分钟，混料时间3小时，保证混合充分均匀。

【2.2】基体粘结层的制备：采用20G锅炉钢作为基体，在制备粘结层之前，对基体进行喷砂处理。选用Sulzer Metco公司生产的Amdry9951型CoNiCrAlY作为粘结层材料，用冷喷涂制备粘结层，喷涂时的加速气体选用He气，温度为590±15℃，粘结层厚度为100±5μm。

【2.3】复合陶瓷抗烧蚀层的制备：利用【2.1】所制备的ZrB₂-ZrC-SiC-ZrO₂体积比为40∶40∶13.33∶6.67的混合粉末，经等离子喷涂以完全熔融的方式在粘结层上制备复合陶瓷抗烧蚀层，厚度为250±5μm。等离子喷涂电压70.3V，喷涂电流609A，喷嘴距基体表面距离90mm，喷枪移动速度400mm/s。所制备的复合抗烧蚀层内部组织及相分布和实施例1中的相似。

实施例3

一种本发明所述的铝合金表面抗烧蚀复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

【3.1】喷涂用复合粉末的制备：称取质量比为54.58∶30.19∶5.38∶9.84的ZrB₂、ZrC、SiC、ZrO₂粉末，设计的体积比为53.33∶26.67∶10∶10。ZrB₂、ZrC粉末的中位粒径为10μm，SiC、ZrO₂粉末的中位粒径为1μm。通过球磨机进行混料，具体参数：球料比10∶1，球磨机转速120转/分钟，混料时间3小时，保证混合充分均匀。

【3.2】基体粘结层的制备：采用ZL109活塞合金作为基体，在制备粘结层之前，对基体进行喷砂处理。选用Sulzer Metco公司生产的Amdry960型NiCrAl作为粘结层材料，用冷喷涂制备粘结层，喷涂时的加速气体选用He气，温度为580±15℃，粘结层厚度为100±15μm。

【3.3】复合陶瓷抗烧蚀层的制备：利用【3.1】所制备的ZrB₂-ZrC-SiC-ZrO₂体积比为53.33∶26.67∶10∶10的混合粉末，经等离子喷涂以完全熔融的方式在粘结层上制备复合陶瓷抗烧蚀层，厚度为200±5μm。等离子喷涂电压68.8V，喷涂电流600A，喷嘴距基体表面距离90mm，喷枪移动速度400mm/s。所制备的复合抗烧蚀层内部组织及相分布和实施例1中的相似。

实施例4

一种本发明所述的蠕墨铸铁表面抗烧蚀复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

【4.1】喷涂用复合粉末的制备：称取质量比为55.4∶30.64∶7.29∶6.67的ZrB₂、ZrC、SiC、ZrO₂粉末，设计的体积比为53.33∶26.67∶13.33∶6.67。ZrB₂、ZrC粉末的中位粒径为10μm，SiC、ZrO₂粉末的中位粒径为1μm。通过球磨机进行混料，具体参数：球料比10∶1，球磨机转速120转/分钟,混料时间3小时,保证混合充分均匀。

【4.2】基体粘结层的制备：采用蠕墨铸铁(RuT300)作为基体，在制备粘结层之前，对基体进行喷砂处理。选用Sulzer Metco公司生产的Amdry9951型CoNiCrAlY作为粘结层材料，用等离子喷枪对RuT300基体进行预热到300℃开始喷涂，以增强粘结层与基体的结合。等离子喷涂制备粘结层，等离子喷涂电压50.3V，喷涂电流602A，喷嘴距基体表面距离90mm，喷枪移动速度350mm/s，粘结层厚度为150±5μm。

【4.3】复合陶瓷抗烧蚀层层的制备：利用【4.1】所制备的ZrB₂-ZrC-SiC-ZrO₂体积比为53.33∶26.67∶13.33∶6.67的混合粉末，经等离子喷涂以完全熔融的方式在粘结层上制备复合陶瓷抗烧蚀层，厚度为300±5μm。等离子喷涂电压70.3V，喷涂电流609A，喷嘴距基体表面距离90mm，喷枪移动速度400mm/s。所制备的复合抗烧蚀层内部组织及相分布和实施例1中的相似。

实施例5

一种本发明所述的灰铸铁表面抗烧蚀复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

【5.1】喷涂用复合粉末的制备：称取质量比为55.4∶30.64∶7.29∶6.67的ZrB₂、ZrC、SiC、ZrO₂粉末，设计的体积比为53.33∶26.67∶13.33∶6.67。ZrB₂、ZrC粉末的中位粒径为10μm，SiC、ZrO₂粉末的中位粒径为1μm。通过球磨机进行混料，具体参数：球料比10∶1，球磨机转速120转/分钟,混料时间3小时,保证混合充分均匀。

【5.2】基体粘结层的制备：采用灰铸铁(HT250)作为基体，在制备粘结层之前，对基体进行喷砂处理。选用Sulzer Metco公司生产的Amdry9951型CoNiCrAlY作为粘结层材料，用超音速火焰喷枪对HT250基体进行预热到200℃开始喷涂，以增强粘结层与基体的结合。超音速火焰喷涂制备粘结层，超音速火焰喷涂用丙烷气压力0.8MPa，流量1.3m³/h，氧气压力0.95MPa，氧气流量13m³/h，喷嘴距基体表面距离180mm，喷枪移动速度300mm/s，粘结层厚度为150±5μm。

【5.3】复合陶瓷抗烧蚀层层的制备：利用【5.1】所制备的ZrB₂-ZrC-SiC-ZrO₂体积比为53.33∶26.67∶13.33∶6.67的混合粉末，经等离子喷涂以完全熔融的方式在粘结层上制备复合陶瓷抗烧蚀层，厚度为300±5μm。等离子喷涂电压70.3V，喷涂电流609A，喷嘴距基体表面距离90mm，喷枪移动速度400mm/s。所制备的复合抗烧蚀层内部组织及相分布和实施例1中的相似。

Claims (5)

1.一种抗烧蚀复合涂层，其特征在于：包括依次喷涂在基底上的粘接层和复合陶瓷抗烧蚀层，所述的基底为高温合金、钢、铝合金或铸铁材料的受热结构部件；所述的粘接层为厚度为50～500μm的含铝高温合金或含铝金属间化合物；所述复合陶瓷抗烧蚀层的厚度为200～500μm，由以下重量百分比的物质原料制成：

ZrB₂         30～60％，    ZrC        30～50％，

SiC          5～15％，     ZrO₂       5～15％。

2.一种制备如权利要求1所述的抗烧蚀复合涂层的方法，其特征在于包括以下步骤：

【1】按照权利要求1所述的重量百分比称取ZrB₂、ZrC、SiC、ZrO₂粉末并混合均匀，其中ZrB₂、ZrC粉末中位粒径为10～20μm，SiC、ZrO₂粉末中位粒径为1～3μm；

【2】选用含铝高温合金或含铝金属间化合物为粘结层材料，利用喷涂工艺在基体上制备处厚度为50～500μm的粘结层；

【3】将步骤【1】混合后的粉末，以完全熔融的方式喷涂在步骤【2】制备的粘结层上，制备成内部含有B₂O₅Si的厚度为200～500μm的复合陶瓷抗烧蚀层，最终形成抗烧蚀复合涂层。

3.根据权利要求2所述的抗烧蚀复合涂层的制备方法，其特征在于：所述的粘结层制备方法为冷喷涂、等离子喷涂、低压等离子喷涂、超音速火焰喷涂或爆炸喷涂。

4.根据权利要求2所述的抗烧蚀复合涂层的制备方法，其特征在于：所述复合陶瓷抗烧蚀层的制备方法为等离子喷涂或低压等离子喷涂。

5.根据权利要求2所述的抗烧蚀复合涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤【1】中的粉末采用球磨机或混料机进行均匀混合。