CN104498858A - 一种纳米陶瓷热障涂层及其制备方法 - Google Patents

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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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Abstract

本发明涉及一种纳米陶瓷热障涂层及其制备方法，属于陶瓷材料加工技术领域，其中各组分的重量份为GH30 镍基高温合金50～80份、金属粘结层NiCrAlY 20～45份、陶瓷顶层 ZrO2-8%Y2O3 30～60份，其制备方法是将纳米陶瓷粉末（ZrO2-8%Y2O3）经等离子弧喷射入水中，并过滤回收收集后，与粘结剂混合，固化后研磨、抛光，制备成金相试样，用丙酮对喷涂基体试板（片）进行净化处理，然后在射吸式喷砂机上进行喷砂（16＃棕刚玉砂）粗化后，基体试板固定在专用夹具上，采用 GP-80 型等离子喷涂系统按设定的程序自动喷涂；该纳米陶瓷热障涂层制备方法简单，合成温度相对较低、时间短、相纯度高，节约能源，适合大量合成，具有较强的推广及应用价值。

Description

一种纳米陶瓷热障涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷涂层及其制备方法，具体涉及一种纳米陶瓷热障涂层及其制备方法，属于陶瓷材料加工技术领域。
背景技术
热障涂层（TBC：thermal barrier coating）是一种起到隔热作用的功能涂层，通常采用导热系数相对很低的材料，用合适的技术涂覆于高温工作的部件表面，从而避免高温工作介质直接作用在金属基体表面，以良好的隔热性能降低部件表面的温度，成为高温介质加热金属基体表面的屏障，起到削弱热交换的作用，对基体形成有效的保护。
随着科学技术的不断发展，热端部件的工作条件越来越苛刻。例如，航空燃气涡轮机技术向高进口温度、高流量比、高推重比的发展趋势，导致燃烧室中的燃气温度和压力不断提高。目前，燃气温度已接近2000K。为适应这一恶劣的涡轮工作环境，采用陶瓷热障涂层是主要的选择对策。陶瓷热障涂层用于燃气轮机的高温合金部件表面，起隔热作用，可降低金属表面温度，提高气工作温度，从而改善燃气效率，并延长热端部件的使用寿命。自1976 年热障涂层被成功用于 J-75 型燃气轮机叶片，世界各国纷纷投入大量资金，从它的材料体系到制备技术展开了广泛的研究工作，但目前普遍采用的传统陶瓷热障涂层的性能还不能满足热端部件不断提高的性能要求。
20 世纪 80 年代末期刚刚诞生并正在崛起的纳米科学技术（ Nano-ST），使人们的注意力由传统尺度上的物理现象及其规律的研究逐渐转向纳米尺度物质的特性、运动规律的研究及实际应用可能性的探讨。由于纳米粒子具有大的比表面积、表面原子数及小尺寸效应等特点，在一定条件下会引起材料宏观性能的明显变化。近年来，纳米涂层在进一步提高材料表面硬度和耐磨性、耐腐蚀性能等方面越来越受到人们的重视。有文献研究表明，在纳米电刷镀中，加入纳米Al2O3粒子得到的复合镀层的显微硬度从 HV0.02300 增加到HV0.02410，涂层的抗磨粒磨损能力明显提高。有研究了在 A3钢表面制备 Ni-P-Zn3(PO4)2纳米化学镀复合镀层，其耐腐蚀性能较传统镀层有了很大改善。据此，甚至有研究者提出了纳米表面工程的新概念。
最新研究成果表明，由纳米粒子构成的材料，其热导率大小将受边界散射的严重限制。这预示了纳米陶瓷热障涂层在降低热导率、提高隔热性能方面具有更大的潜力，并已成为热障涂层研究领域的热点和前沿。涂层的制备方法主要包括物理气相沉积、化学气相沉积、热喷涂、镀覆等。在各种制备表面涂层的技术方法中，热喷涂，特别是等离子喷涂，由于其焰流温度高，特别适合喷涂陶瓷等高熔点材料，且涂层成分和厚度易于控制，对工件尺寸和形状限制小，工效高，已经成为表面工程领域制备热障涂层的一种重要技术方法。因此，系统地研究等离子喷涂纳米陶瓷热障涂层的组织与性能，提高涂层的使用寿命，满足热端部件不断提高的性能要求，具有重要的理论和实际意义。
201310079836.0公开了一种用于热障涂层的陶瓷纳米复合材料及其制备方法，但该发明工艺要求高、工业化推广成本高；本发明从节约成本的角度出发，以GH30 镍基高温合金、金属粘结层NiCrAlY、陶瓷顶层 ZrO2-8%Y2O等为原料，开发出一种工艺简单、成本低廉、性能优良的陶瓷薄膜。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米陶瓷热障涂层，该纳米陶瓷热障涂层制备方法简单，合成温度相对较低、时间短、相纯度高，节约能源，适合大量合成，具有较强的推广及应用价值。
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：
一种纳米陶瓷热障涂层，由下列重量份的组分组成：
GH30 镍基高温合金50～80份、金属粘结层NiCrAlY 20～45份、陶瓷顶层 ZrO2-8%Y2O3 30～60份；
GH30 镍基高温合金50～55份、金属粘结层NiCrAlY 20～25份、陶瓷顶层 ZrO2-8%Y2O3 30～35份；
GH30 镍基高温合金55～60份、金属粘结层NiCrAlY 25～30份、陶瓷顶层 ZrO2-8%Y2O3 35～40份；
GH30 镍基高温合金60～65份、金属粘结层NiCrAlY 30～35份、陶瓷顶层 ZrO2-8%Y2O3 40～45份；
GH30 镍基高温合金65～70份、金属粘结层NiCrAlY 35～40份、陶瓷顶层 ZrO2-8%Y2O3 45～50份；
GH30 镍基高温合金70～80份、金属粘结层NiCrAlY 40～45份、陶瓷顶层 ZrO2-8%Y2O3 50～60份。
本发明的另外一个目的是提供一种纳米陶瓷热障涂层的制备方法，包括如下步骤：
将纳米陶瓷粉末（ZrO2-8%Y2O3）经等离子弧喷射入水中，并过滤回收收集后，与粘结剂混合，固化后研磨、抛光，制备成金相试样，用丙酮对喷涂基体试板（片）进行净化处理，然后在射吸式喷砂机上进行喷砂（16＃棕刚玉砂）粗化后，基体试板固定在专用夹具上，采用 GP-80 型等离子喷涂系统 (配有YASKAWAUP -6 型弧焊机器人)按设定的程序自动喷涂。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
本发明制备出来的纳米陶瓷热障涂层制备方法简单，合成温度相对较低、时间短、相纯度高，节约能源，适合大量合成，具有较强的推广及应用价值。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步详细说明，这些实施例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围。
实施例1
一种纳米陶瓷热障涂层，由下列重量份的组分组成：
GH30 镍基高温合金50份、金属粘结层NiCrAlY 20份、陶瓷顶层 ZrO2-8%Y2O3 60份。
其制备方法，包括以下步骤：
将纳米陶瓷粉末（ZrO2-8%Y2O3）经等离子弧喷射入水中，并过滤回收收集后，与粘结剂混合，固化后研磨、抛光，制备成金相试样，用丙酮对喷涂基体试板（片）进行净化处理，然后在射吸式喷砂机上进行喷砂（16＃棕刚玉砂）粗化后，基体试板固定在专用夹具上，采用 GP-80 型等离子喷涂系统 (配有YASKAWAUP -6 型弧焊机器人)按设定的程序自动喷涂。
实施例2
一种纳米陶瓷热障涂层，由下列重量份的组分组成：
GH30 镍基高温合金55份、金属粘结层NiCrAlY 25份、陶瓷顶层 ZrO2-8%Y2O3 50份。
其制备方法，包括以下步骤：
将纳米陶瓷粉末（ZrO2-8%Y2O3）经等离子弧喷射入水中，并过滤回收收集后，与粘结剂混合，固化后研磨、抛光，制备成金相试样，用丙酮对喷涂基体试板（片）进行净化处理，然后在射吸式喷砂机上进行喷砂（16＃棕刚玉砂）粗化后，基体试板固定在专用夹具上，采用 GP-80 型等离子喷涂系统 (配有YASKAWAUP -6 型弧焊机器人)按设定的程序自动喷涂。
实施例3
一种纳米陶瓷热障涂层，由下列重量份的组分组成：
GH30 镍基高温合金60份、金属粘结层NiCrAlY 35份、陶瓷顶层 ZrO2-8%Y2O3 40份。
其制备方法，包括以下步骤：
将纳米陶瓷粉末（ZrO2-8%Y2O3）经等离子弧喷射入水中，并过滤回收收集后，与粘结剂混合，固化后研磨、抛光，制备成金相试样，用丙酮对喷涂基体试板（片）进行净化处理，然后在射吸式喷砂机上进行喷砂（16＃棕刚玉砂）粗化后，基体试板固定在专用夹具上，采用 GP-80 型等离子喷涂系统 (配有YASKAWAUP -6 型弧焊机器人)按设定的程序自动喷涂。
实施例4
一种纳米陶瓷热障涂层，由下列重量份的组分组成：
GH30 镍基高温合金70份、金属粘结层NiCrAlY 40份、陶瓷顶层 ZrO2-8%Y2O345份。
其制备方法，包括以下步骤：
将纳米陶瓷粉末（ZrO2-8%Y2O3）经等离子弧喷射入水中，并过滤回收收集后，与粘结剂混合，固化后研磨、抛光，制备成金相试样，用丙酮对喷涂基体试板（片）进行净化处理，然后在射吸式喷砂机上进行喷砂（16＃棕刚玉砂）粗化后，基体试板固定在专用夹具上，采用 GP-80 型等离子喷涂系统 (配有YASKAWAUP -6 型弧焊机器人)按设定的程序自动喷涂。
实施例5
一种纳米陶瓷热障涂层，由下列重量份的组分组成：
GH30 镍基高温合金80份、金属粘结层NiCrAlY 20份、陶瓷顶层 ZrO2-8%Y2O3 60份。
其制备方法，包括以下步骤：
将纳米陶瓷粉末（ZrO2-8%Y2O3）经等离子弧喷射入水中，并过滤回收收集后，与粘结剂混合，固化后研磨、抛光，制备成金相试样，用丙酮对喷涂基体试板（片）进行净化处理，然后在射吸式喷砂机上进行喷砂（16＃棕刚玉砂）粗化后，基体试板固定在专用夹具上，采用 GP-80 型等离子喷涂系统 (配有YASKAWAUP -6 型弧焊机器人)按设定的程序自动喷涂。

Claims (9)

1.一种纳米陶瓷热障涂层，其特征在于：由下列重量份的组分组成：
GH30 镍基高温合金50～80份、金属粘结层NiCrAlY 20～45份、陶瓷顶层 ZrO2-8%Y2O3 30～60份。
2.一种纳米陶瓷热障涂层，其特征在于：由下列重量份的组分组成：
GH30 镍基高温合金50～55份、金属粘结层NiCrAlY 20～25份、陶瓷顶层 ZrO2-8%Y2O3 30～35份。
3.一种纳米陶瓷热障涂层，其特征在于：由下列重量份的组分组成：
GH30 镍基高温合金55～60份、金属粘结层NiCrAlY 25～30份、陶瓷顶层 ZrO2-8%Y2O3 35～40份。
4.一种纳米陶瓷热障涂层，其特征在于：由下列重量份的组分组成：
GH30 镍基高温合金60～65份、金属粘结层NiCrAlY 30～35份、陶瓷顶层 ZrO2-8%Y2O3 40～45份。
5.一种纳米陶瓷热障涂层，其特征在于：由下列重量份的组分组成：
GH30 镍基高温合金65～70份、金属粘结层NiCrAlY 35～40份、陶瓷顶层 ZrO2-8%Y2O3 45～50份。
6.一种纳米陶瓷热障涂层，其特征在于：由下列重量份的组分组成：
GH30 镍基高温合金70～80份、金属粘结层NiCrAlY 40～45份、陶瓷顶层 ZrO2-8%Y2O3 50～60份。
7.一种纳米陶瓷热障涂层的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
将纳米陶瓷粉末ZrO2-8%Y2O3经等离子弧喷射入水中，并过滤回收收集后，与粘结剂混合，固化后研磨、抛光，制备成金相试样，用丙酮对喷涂基体试板或片进行净化处理，然后在射吸式喷砂机上进行喷砂粗化后，基体试板固定在专用夹具上，采用 GP-80 型等离子喷涂系统按设定的程序自动喷涂。
8.根据权利要求7所述的一种纳米陶瓷热障涂层的制备方法，其特征在于：所述的喷涂系统配有YASKAWAUP -6 型弧焊机器人。
9.根据权利要求7所述的一种纳米陶瓷热障涂层的制备方法，其特征在于：所述的金属粘结剂NiCrAlY的厚度控制在120μm，陶瓷顶层ZrO2-8%Y2O3的厚度控制在100μm ~500μm。
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