CN104630688A - 一种制备梯度热障涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种制备梯度热障涂层的方法，用于在金属表面制备梯度热障涂层。采用热喷涂或者激光熔覆方法使40～80μm的陶瓷颗粒结合在金属基体表面，制备获得纳米陶瓷颗粒增强的热障涂层，所述纳米陶瓷颗粒均匀分散且粒径为100～500nm，所述40～80μm的陶瓷颗粒由初始纳米颗粒团聚获得，该陶瓷颗粒包括Al2O3颗粒、ZrO2颗粒、稀土锆酸盐类颗粒，所述稀土锆酸盐类颗粒成分为A2Zr2O7，其中A为Ln、La、Gd、Nd的一种或多种。本发明方法制备的梯度热障涂层隔热效果良好，且和金属基体结合牢固，解决了目前梯度热障涂层难以成功应用以及在热循环条件下容易脱落失效的问题。
Description
技术领域
本发明属于热障涂层制备领域，更具体地，涉及一种在金属基体表面制备梯度热障涂层的方法。
背景技术
在耐高温金属表面沉积一层陶瓷涂层，可以起到隔热作用，可有效降低合金基体的温度，使得用其制成的器件，如发动机涡轮叶片，能在高温下运行。但是，由于部件的工作环境十分恶劣，陶瓷涂层处于交变的热循环条件，受到高温燃尘的冲刷，加上涂层组成成分的不连续变化以及金属与陶瓷之间的热膨胀系数差异，这将在陶瓷涂层中产生很高的应力，引起越来越多的应力集中，导致微裂纹的扩散和网状裂纹的形成，这严重削弱了陶瓷层和粘结层的界面结合力最终导致陶瓷涂层和粘结层发生剥离，因此其使用寿命不长。
梯度热障涂层技术被认为是解决这一问题的有效办法，它将金属的高强度、高韧性与陶瓷耐高温的优点结合起来，使产品具有隔热、抗氧化、防腐蚀的功能。但是，目前梯度热障涂层方法不成熟，其过程影响因素多，各个因素的相互影响机理不明白，无成熟的技术方案，造成该方法无法成功应用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种制备梯度热障涂层的方法，其目的在于通过在对陶瓷颗粒进行掺杂和表面包覆，并将该经过掺杂和包覆的陶瓷颗粒结合在金属基体表面，以成功制备获得梯度热障涂层。
本发明提供一种制备梯度热障涂层的方法，用于在金属基体表面制备获得热障涂层，其特征在于，采用热喷涂或者激光熔覆方法使40～80μm的陶瓷颗粒结合在金属基体表面，制备获得纳米陶瓷颗粒增强的热障涂层，所述纳米陶瓷颗粒均匀分散且粒径为100～500nm，所述40～80μm的陶瓷颗粒由初始纳米颗粒团聚获得，该陶瓷颗粒包括Al2O3颗粒、ZrO2颗粒、稀土锆酸盐类颗粒，所述稀土锆酸盐类颗粒成分为A2Zr2O7，其中A为Ln、La、Gd、Nd的一种或多种。
进一步的，所述陶瓷颗粒的表面被合金粉末包覆，所述合金粉末为镍基合金粉末和钛合金粉末中的一种或多种。表面包覆有合金粉末用于提高纳米陶瓷颗粒与金属基体的结合力，用于缓和应用时候的热应力。
进一步的，所述陶瓷颗粒经过低价金属氧化物掺杂，所述低价金属氧化物包括Y2O3，CaO，MgO，Nd2O3。
进一步的，所述陶瓷颗粒是由25nm～40nm的初始纳米颗粒经喷雾干燥时发生团聚而制得。25nm～40nm的初始纳米颗粒团聚后有利于获得40～80μm的陶瓷颗粒，40～80μm的陶瓷颗粒有利于获得100～500nm的纳米陶瓷颗粒。
进一步的，所述低价金属氧化物的质量占所述陶瓷颗粒总质量的5％～10％。
进一步的，采用电镀或化学镀方法在所述陶瓷颗粒表面包覆合金粉末。
进一步的，所述合金粉末的包覆厚度为100～300nm。
本发明的构思和有益效果如下：
先将初始纳米颗粒团聚获得微米级别的陶瓷颗粒，将微米级别的陶瓷颗粒通过热喷涂或者激光熔覆方法结合在金属基体表面，利用金属基体熔化时候熔池中的温度，使得微米级别的陶瓷颗粒再次离散成纳米陶瓷颗粒并进一步长大,通过控制初始纳米颗粒的粒径，保证纳米陶瓷颗粒即便长大也还是在纳米级别，从而制备获得纳米颗粒增强的热障涂层。
(1)纳米陶瓷颗粒尺寸大小影响热障涂层中载热粒子的非谐性散射作用，也对热障涂层的力学性能，如抗蠕变外加载荷下的应力场分布有一定的影响，因此，纳米陶瓷颗粒需要综合平衡隔热性能与力学性能，考虑到以上两点，纳米陶瓷颗粒的的尺寸控制在100nm～500nm。
(2)在陶瓷颗粒中掺杂低价金属氧化物目的在于提高陶瓷颗粒的空位及晶格畸变，增强载热粒子的界面散射作用，有利于提高热障涂层的隔热性能，陶瓷颗粒中掺杂低价金属氧化物的类型取决于陶瓷与金属基体具体的成分，Y2O3，CaO，MgO以及Nd2O3是隔热性比较好的低价金属氧化物。
(3)在陶瓷颗粒中掺杂低价金属氧化物的质量分数考虑到氧化物对陶瓷颗粒的稳定化率，以及造成晶格畸变的大小，选用掺杂质量分数为5％～10％能综合平衡稳定化率和晶格畸变的大小，掺杂效果好。
(4)在陶瓷表面镀上合金粉末可用于改善陶瓷颗粒与金属基体的润湿性，用于提高陶瓷颗粒与金属基体的结合力，可以缓和热应力。
通过对以上影响因素的系统设计，采取热喷涂或激光熔覆等工艺在金属表面制得梯度热障涂层，该梯度热障涂层和金属基体结合牢固且并且隔热效果良好，由此解决了目前梯度热障涂层无法成功或者是容易在热循环条件下脱落失效的技术问题。
附图说明
图1是本发明实施例的载热粒子在金属/陶瓷界面处的微观传导示意图。图中dQin是流进界面处的热量，dQout是流出界面处的热量，陶瓷中的小球代表声子，金属中的小球代表电子，箭头代表载热粒子瞬时热传导方向，在界面处存在载热粒子之间的非谐性耦合作用。
图2是本发明实施例的金属/陶瓷界面处的具有“断崖式”温降的效果示意图。由于界面处载热粒子的非谐性耦合作用，界面处存在“断崖式”温度降效果，这正式热障涂层的降温效果示意图。
图3是采用同轴送粉激光熔覆工艺在钛合金表面制得的梯度热障涂层的SEM显微图片。图中白色的颗粒为弥散分布的纳米尺寸的氧化锆颗粒。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1：
在钛合金TC4表面制备ZrO2梯度热障涂层，具体如下：
第一步骤，将切割好的钛合金基板浸泡在丙酮中5～8分钟以去除油污，将钛合金从丙酮中取出后经清水清洗、干燥，最后进行喷砂处理，以增强基材与热障涂层的接触面积。
第二步骤，将25nm的ZrO2初始纳米颗粒掺杂微米级别Y2O3粉末，获得掺杂陶瓷颗粒，Y2O3粉末质量占掺杂陶瓷颗粒质量的5％，将掺杂陶瓷颗粒经喷雾干燥制备获得40～70μm的微米级陶瓷颗粒，喷雾干燥的主要工艺参数为干燥空气温度270℃，雾化器频率150Hz，进料泵转速为30r/min，出风口温度为110℃。最后进行陶瓷颗粒的表面包覆，采用电镀的方式在掺杂陶瓷颗粒表面包覆镍基合金粉末，包覆的厚度是100nm，得到包覆的陶瓷颗粒。
第三步骤，采用等离子喷涂的热喷涂方式将包覆的陶瓷颗粒喷涂在钛合金TC4表面，其工艺参数为电流570A，电压55V，送粉速度30g/min，喷嘴距离60mm，喷涂速度30mm/s，制备获得700μm厚度的梯度热障涂层，其中的ZrO2的均匀分散，粒径为100nm～300nm，即制备获得了纳米陶瓷颗粒增强的梯度热障涂层。
经试验检验证明，制备的纳米梯度热障涂层致密性好，消除了传统双层的成分跃变现象和由此造成的宏观界面，涂层的结合强度提高了50％～80％，使用寿命增强。
实施例2
在Q235钢表面制备Al2O3梯度热障涂层，具体如下：
第一步骤，将切割好的Q235钢基板浸泡在丙酮中5～8分钟以去除油污，将钛合金从丙酮中取出后经清水清洗、干燥，最后进行喷砂处理，以增强基材与涂层的接触面积。
第二步骤，将40nm的Al2O3初始纳米颗粒掺杂微米级别CaO粉末，获得掺杂陶瓷颗粒，CaO粉末质量占掺杂陶瓷颗粒质量的7％，将掺杂陶瓷颗粒经喷雾干燥制备获得50～80μm的微米级陶瓷颗粒，喷雾干燥的主要工艺参数为干燥空气温度270℃，雾化器频率150Hz，进料泵转速为30r/min，出风口温度为110℃。最后进行陶瓷颗粒的表面包覆，采用电镀的方式在掺杂陶瓷颗粒表面包覆镍基合金粉末，包覆的厚度是200nm，得到包覆的陶瓷颗粒。
第三步骤，采用等离子喷涂的热喷涂方式将包覆的陶瓷颗粒喷涂在Q235钢表面，其工艺参数为电流500A，电压50V，送粉速度30g/min，喷嘴距离80mm，喷涂速度25mm/s，制备获得700μm厚度的梯度热障涂层，其中的Al2O3的均匀分散，粒径为100nm～150nm，即制备获得了纳米陶瓷颗粒增强的梯度热障涂层。
经试验检验证明，制备的纳米梯度热障涂层致密性好，消除了传统双层的成分跃变现象和由此造成的宏观界面，涂层的结合强度提高了60％～70％，使用寿命增强。
实施例3
在Q235钢表面制备ZrO2梯度热障涂层，具体如下：
第一步骤，将切割好的Q235钢基板浸泡在丙酮中5～8分钟以去除油污，将Q235钢从丙酮中取出后经清水清洗、干燥。
第二步骤，将40nm的ZrO2初始纳米颗粒掺杂微米级别MgO粉末，获得掺杂陶瓷颗粒，MgO粉末质量占掺杂陶瓷颗粒质量的8％，将掺杂陶瓷颗粒经喷雾干燥制备获得40～70μm的微米级陶瓷颗粒，喷雾干燥的主要工艺参数为干燥空气温度270℃，雾化器频率130Hz，进料泵转速为30r/min，出风口温度为110℃。最后进行陶瓷颗粒的表面包覆，采用化学镀的方式在掺杂陶瓷颗粒表面包覆镍基合金粉末，包覆的厚度是300nm，得到包覆的陶瓷颗粒。
第三步骤，采用同轴式激光送粉熔覆工艺将热障涂层熔覆在Q235钢表面，其工艺参数800～1800W，光斑直径3mm，扫描速度为0.2～0.8m/min，预置粉末层厚度为0.5mm。制备获得600μm厚度的梯度热障涂层，其中的ZrO2的均匀分散，粒径为300nm～500nm，即制备获得了纳米陶瓷颗粒增强的梯度热障涂层。
经试验检验证明，制备的纳米梯度热障涂层隔热效果良好，致密高，梯度组织消除了传统双层的成分跃变现象和由此造成的宏观界面，涂层的结合强度提高了40％～60％，使用寿命增强。
实施例4
在钛合金TC4表面制备A2Zr2O7梯度热障涂层，其中A是Ln、La、Gd以及Nd。
第一步骤，将切割好的钛合金基板浸泡在丙酮中5～8分钟以去除油污，将钛合金从丙酮中取出后经清水清洗、干燥。
第二步骤，将40nm的A2Zr2O7初始纳米颗粒掺杂微米级别Nd2O3粉末，获得掺杂陶瓷颗粒，Nd2O3粉末质量占掺杂陶瓷颗粒质量的10％，将掺杂陶瓷颗粒经喷雾干燥制备获得50～80μm的微米级陶瓷颗粒，喷雾干燥的主要工艺参数为干燥空气温度270℃，雾化器频率130Hz，进料泵转速为30r/min，出风口温度为110℃。最后进行陶瓷颗粒的表面包覆，采用电镀的方式在掺杂陶瓷颗粒表面包覆钛合金粉末，包覆的厚度是200nm，得到包覆的陶瓷颗粒。
第三步骤，采用预置式激光送粉熔覆工艺将陶瓷层熔覆到TC4表面，其工艺参数为激光功率为500～1500W，光斑直径3mm，扫描速度为0.3～0.6m/min，送粉速度为4～7g/min，制备获得600μm厚度的梯度热障涂层，其中的A2Zr2O7的均匀分散，粒径为250nm～400nm，即制备获得了纳米陶瓷颗粒增强的梯度热障涂层。
经试验检验证明，制备的纳米梯度热障涂层致密性好，消除了传统双层的成分跃变现象和由此造成的宏观界面，涂层的结合强度提高了60％～70％，使用寿命增强。
图1是本发明实施例的载热粒子在金属/陶瓷界面处的微观传导示意图。图中dQin是流进界面处的热量，dQout是流出界面处的热量，陶瓷中的小球代表声子，金属中的小球代表电子，箭头代表载热粒子瞬时热传导方向，在界面处存在载热粒子之间的非谐性耦合作用。
图2是本发明实施例的金属/陶瓷界面处的具有“断崖式”温降的效果示意图。由于界面处载热粒子的非谐性耦合作用，界面处存在“断崖式”温度降效果，这正是热障涂层的降温效果示意图。
图3是采用同轴送粉激光熔覆工艺制得的梯度热障涂层的SEM显微图片。图中白色的颗粒为弥散分布的纳米尺寸的氧化锆颗粒。从图中可知，该氧化锆颗粒大约为300～500nm，其分布均匀，并且结合紧密，无宏观缺陷。
总的来说，本发明基于载热粒子的非谐性散射作用，通过对陶瓷颗粒尺寸的设计，掺杂氧化物的选取，包覆合金粉末的选取，热喷涂或熔覆工艺的控制进行梯度热障涂层隔热和力学性能的组合优化设计。制备的梯度热障涂层隔热效果良好，且和金属基体结合牢固，解决了目前梯度热障涂层缺乏系统的设计手段，难以成功应用的问题。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种制备梯度热障涂层的方法，用于在金属基体表面制备获得热障涂层，其特征在于，采用热喷涂或者激光熔覆方法使40～80μm的陶瓷颗粒结合在金属基体表面，制备获得纳米陶瓷颗粒增强的热障涂层，所述纳米陶瓷颗粒均匀分散且粒径为100～500nm，所述40～80μm的陶瓷颗粒由初始纳米颗粒团聚获得，该陶瓷颗粒包括Al2O3颗粒、ZrO2颗粒、稀土锆酸盐类颗粒，所述稀土锆酸盐类颗粒成分为A2Zr2O7，其中A为Ln、La、Gd、Nd的一种或多种。
2.如权利要求1所述的一种制备梯度热障涂层的方法，其特征在于，所述陶瓷颗粒的表面被合金粉末包覆，所述合金粉末为镍基合金粉末和钛合金粉末中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的一种制备梯度热障涂层的方法，其特征在于，所述陶瓷颗粒经过低价金属氧化物掺杂，所述低价金属氧化物包括Y2O3，CaO，MgO，Nd2O3。
4.如权利要求1所述的一种制备梯度热障涂层的方法，其特征在于，所述陶瓷颗粒是由25nm～40nm的初始纳米颗粒经喷雾干燥时发生团聚而制得。
5.如权利要求3所述的一种制备梯度热障涂层的方法，其特征在于，所述低价金属氧化物的质量占所述陶瓷颗粒总质量的5％～10％。
6.如权利要求2所述的一种制备梯度热障涂层的方法，其特征在于，采用电镀或化学镀方法在所述陶瓷颗粒表面包覆合金粉末。
7.如权利要求6所述的一种制备梯度热障涂层的方法，其特征在于，所述合金粉末的包覆厚度为100～300nm。
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