CN106746666A - 玻璃陶瓷复合热障涂层设计模型及涂层制备方法 - Google Patents

玻璃陶瓷复合热障涂层设计模型及涂层制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种玻璃陶瓷复合热障涂层的设计模型，该涂层为单层或复层结构，每层涂层均以硅酸盐玻璃陶瓷为主体，并在主体内分散有用于提高涂层材料韧性和热膨胀系数的金属、用于提高涂层材料强度的陶瓷和用于调控玻璃陶瓷形核析晶的氧化物中的任意一种或两种以上。本发明还提供了一种利用该模型制备玻璃陶瓷复合热障涂层的方法。本发明设计并制备的玻璃陶瓷基复合热障涂层的热导率在1.3W/mK～1.6W/mK之间，其热膨胀系数可以通过控制添加组元的种类与百分含量控制，具有良好的化学、高温稳定性和良好的抗氧化和抗腐蚀性能，且高温下能自愈合，涂层制备工艺简单、成本较低。

Description

玻璃陶瓷复合热障涂层设计模型及涂层制备方法
技术领域
本发明属于热障涂层材料技术领域，具体涉及一种玻璃陶瓷复合热障涂层设计模型及涂层制备方法。
背景技术
随着燃气轮机向高流量比、高推重比、高进口温度的方向发展，燃烧室中的燃气温度和压力不断提高，为适应这一恶劣环境，发展了热障涂层以降低热端部件的工作温度。热障涂层可以全面提高涡轮发动机的性能。目前主流的热障涂层材料为Y2O3部分稳定的ZrO2(YSZ)和稀土告锆酸盐(REZ)，其中以(7±1)wt％Y2O3部分稳定的ZrO2应用尤为广泛。但随着随着燃气轮机服役寿命，燃料利用效率以及保护环境的要求越来越高，YSZ热障涂层材料已经不能满足燃气轮机的高温防护需求，因此，研究先进的热障涂层材料并发展相应的制备方法对于提高燃机的性能至关重要。在众多备选热障涂层材料中，硅酸盐玻璃陶瓷材料因其为非晶，具有很低的热导率；其自身由氧化物组成，具有良好的化学、高温稳定性和良好的抗氧化和抗腐蚀性能；其热膨胀系数可调；高温下能自愈合；能与基体形成良好的界面结合；涂层制备工艺简单、成本较低。鉴于以上优点，玻璃陶瓷基复合材料被视为一种非常有潜力的热障涂层材料。但玻璃陶瓷材料由于自身的本征脆性，其涂层在热震条件下，极易发生开裂剥落，无法适应燃气轮机的服役工况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种一种玻璃陶瓷复合热障涂层设计模型。利用该模型设计并制备的玻璃陶瓷基复合热障涂层的热导率在1.3W/mK～1.6W/mK之间，其热膨胀系数可以通过控制添加组元的种类与百分含量控制，具有良好的化学、高温稳定性和良好的抗氧化和抗腐蚀性能，且高温下能自愈合，涂层制备工艺简单、成本较低。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：玻璃陶瓷复合热障涂层的设计模型，其特征在于，该涂层为单层或复层结构，每层涂层均以硅酸盐玻璃陶瓷为主体，并在主体内分散有用于提高涂层材料韧性和热膨胀系数的金属、用于提高涂层材料强度的陶瓷和用于调控玻璃陶瓷形核析晶的氧化物中的任意一种或两种以上，每层涂层材料中硅酸盐玻璃陶瓷的质量百分含量均不小于60％。
上述的一种玻璃陶瓷复合热障涂层的设计模型，其特征在于，所述陶瓷包括YSZ或/和刚玉，所述氧化物包括YSZ，所述金属包括Ni3Al或/和Ni。
上述的一种玻璃陶瓷复合热障涂层的设计模型，其特征在于，所述硅酸盐玻璃陶瓷的软化温度不低于1000℃。
另外，本发明还提供了一种利用上述模型制备具有单层结构的玻璃陶瓷复合热障涂层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、对基体依次进行打磨、喷砂和脱脂处理；所述喷砂所采用的砂粒为刚玉砂或氧化锆砂，所述喷砂的压力为0.2MPa～0.4MPa；
步骤二、按涂层模型中各组分的设计成分称取原料粉末，然后将分散剂与所称取的原料粉末一起置于球磨机中球磨混合均匀，得到复合料浆；所述分散剂为无水乙醇，所述分散剂的体积为所述混合粉末质量的10～30倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g；
步骤三、将步骤二中所述复合料浆预置于步骤一中脱脂处理后的基体表面，烘干后在基体表面得到预置层，然后将具有预置层的基体置于马弗炉中，先在升温速率为10℃/min～30℃/min的条件下升温至200℃～500℃保温30min～240min，然后在升温速率为5℃/min～15℃/min的条件下升温至1000℃～1200℃保温15min～60min，随后出炉空冷，最终在基体的表面得到厚度为120μm～1000μm且具有单层结构的玻璃陶瓷基复合热障涂层。
上述的方法，其特征在于，步骤二中所述原料粉末的粒径小于20μm。
上述的方法，其特征在于，步骤二中所述球磨机的转速为280r/min～340r/min，球磨混合的时间为30min～180min。
上述的方法，其特征在于，步骤三中采用浸涂或气动喷涂的方式将复合料浆预置于基体表面；所述气动喷涂的喷涂气压为0.2MPa～0.4MPa，喷涂距离为10cm～40cm。
除此之外，本发明还提供了一种利用上述模型制备具有复层结构的玻璃陶瓷复合热障涂层的方法，其特征在于，该涂层包括底釉层和设置于底釉层上的面釉层，该方法包括以下步骤：
步骤一、对基体依次进行打磨、喷砂和脱脂处理；所述喷砂所采用的砂粒为刚玉砂或氧化锆砂，所述喷砂的压力为0.2MPa～0.4MPa；
步骤二、按涂层模型的底釉层中各组分的设计成分称取原料粉末，然后将分散剂与所称取的原料粉末一起置于球磨机中球磨混合均匀，得到底釉复合料浆；所述分散剂为无水乙醇，所述分散剂的体积为所述混合粉末质量的10～30倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g；所述球磨机的转速为280r/min～340r/min，球磨混合的时间为30min～180min；
步骤三、将步骤二中所述底釉复合料浆预置于步骤一中脱脂处理后的基体表面，烘干后在基体表面得到底釉预置层，然后将具有底釉预置层的基体置于马弗炉中，先在升温速率为10℃/min～30℃/min的条件下升温至200℃～500℃保温30min～60min，然后在升温速率为5℃/min～15℃/min的条件下升温至1000℃～1200℃保温15min～60min，随后出炉空冷，最终在基体的表面得到厚度为10μm～30μm的底釉层；
步骤四、按涂层模型的面釉层中各组分的设计成分称取原料粉末，然后将分散剂与所称取的原料粉末一起置于球磨机中球磨混合均匀，得到面釉复合料浆；所述分散剂为无水乙醇，所述分散剂的体积为所述混合粉末质量的10～30倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g；所述球磨机的转速为280r/min～340r/min，球磨混合的时间为30min～180min；
步骤五、将步骤四中所述面釉复合料浆预置于步骤三中制备有底釉层的基体表面，烘干后在底釉层表面得到面釉预置层，然后将具有面釉预置层的基体置于马弗炉中，先在升温速率为10℃/min～30℃/min的条件下升温至200℃～500℃保温30min～240min，然后在升温速率为5℃/min～15℃/min的条件下升温至1000℃～1250℃保温15min～60min，随后出炉空冷，在底釉层的表面得到厚度为70μm～1000μm的面釉层，最终得到具有复层结构的玻璃陶瓷复合热障涂层。
上述的方法，其特征在于，步骤二和步骤四中所述原料粉末的粒径均小于20μm。
上述的方法，其特征在于，步骤三中采用浸涂或气动喷涂的方式将底釉复合料浆预置于基体表面，步骤五中采用浸涂或气动喷涂的方式将面釉复合料浆预置于底釉层表面；所述气动喷涂的喷涂气压为0.2MPa～0.4MPa，喷涂距离为10cm～40cm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的玻璃陶瓷基复合热障涂层的热导率在1.3W/mK～1.6W/mK之间，介于采用电子束增强物理气相沉积(EB-PVD)方法制备的YSZ热障涂层与采用等离子喷涂(PS)方法制备的YSZ热障涂层之间。
2、本发明的玻璃陶瓷基复合热障涂层的热膨胀系数可以通过控制添加组元的种类与百分含量控制，从而与基体形成良好的热膨胀系数匹配。
3、本发明的玻璃陶瓷基复合热障涂层具有良好的化学、高温稳定性和良好的抗氧化和抗腐蚀性能，且高温下能自愈合。
4、本发明采用大气条件下高温烧制的方法在合金表面制备玻璃陶瓷基复合热障涂层，涂层制备工艺简单、成本较低。一方面，涂层的制备对设备的要求低；另一方面，通过高温烧制的方法，可以避免EB-PVD或PS方法靶材利用效率低、涂层沉积速率慢以及涂层厚度小等不足，更为重要的是，高温熔烧的方法不受热端部件的形状限制，可在异形热端部件的表面以及部件内表面实现涂覆，从而克服PVD以及PS方法的“视线效应”，此外，通过控制烧制工艺，玻璃陶瓷基复合热障涂层可与基体实现冶金结合，有利于增强涂层在冷热循条件下的服役寿命。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1a为本发明玻璃陶瓷复合热障涂层的模型图。
图1b为本发明玻璃陶瓷复合热障涂层经氧化后的模型图。
图2为本发明实施例1制备的玻璃陶瓷基复合热障涂层的截面SEM照片。
图3为本发明实施例2制备的玻璃陶瓷基复合热障涂层经1000℃氧化100h后的截面SEM照片。
图4为本发明实施例3制备的玻璃陶瓷基复合热障涂层的截面SEM照片。
图5a为本发明实施例4制备的的玻璃陶瓷基复合热障涂层的表面SEM照片。
图5b为本发明实施例4制备的的玻璃陶瓷基复合热障涂层的截面SEM照片。
图6为本发明实施例4制备的玻璃陶瓷基复合热障涂层在1000℃条件下的恒温氧化动力学曲线。
图7为本发明实施例4制备的玻璃陶瓷基复合热障涂层在1000℃条件下的循环氧化动力学曲线。
图8a为本发明实施例5制备的玻璃陶瓷基复合热障涂层的表面SEM照片。
图8b为本发明实施例5制备的玻璃陶瓷基复合热障涂层的截面SEM照片。
图9为本发明实施例6制备的玻璃陶瓷基复合热障涂层的热导率K随温度T的变化曲线。
附图标记说明:
1—硅酸盐玻璃陶瓷； 2—金属； 3—陶瓷；
4—氧化物； 5—气孔。 I—基体；
II—粘结层； III—涂层； IV—扩散层。
具体实施方式
本发明提供了一种玻璃陶瓷复合热障涂层的设计模型，以及利用该模型制备涂层的方法。所设计的涂层为单层或复层结构，每层涂层均以硅酸盐玻璃陶瓷1为主体，并在主体内分散有用于提高涂层材料韧性和热膨胀系数的金属2、用于提高涂层材料强度的陶瓷3和用于调控玻璃陶瓷形核析晶的氧化物4中的任意一种或两种以上，每层涂层材料中硅酸盐玻璃陶瓷1的质量百分含量均不小于60％。
优选地，所述陶瓷3包括YSZ或/和刚玉，所述氧化物4包括YSZ，所述金属2包括Ni3Al或/和Ni。
优选地，所述硅酸盐玻璃陶瓷1的软化温度不低于1000℃。
图1a为本发明玻璃陶瓷复合热障涂层的模型图。图1b为本发明玻璃陶瓷复合热障涂层经氧化后的模型图。由图1a和图1b可知，在氧化过程中，某些特定的氧化物和陶瓷会在硅酸盐玻璃基质中发生溶解或与其发生界面反应；而添加的金属颗粒则会首先发生氧化，在表面形成氧化层，且生成的氧化层会进一步发生溶解或与玻璃基质发生界面反应。此外，高温条件下，基体会与涂层发生互扩散形成互扩散区。
实施例1
本实施例提出了一种玻璃陶瓷复合热障涂层的设计模型，所设计的涂层模型为单层结构，该涂层均以硅酸盐玻璃陶瓷1为主体，并在主体内分散有用于提高涂层材料强度的陶瓷3和用于调控玻璃陶瓷形核析晶的氧化物4，所述陶瓷3和氧化物4均为YSZ；所述硅酸盐玻璃陶瓷1的质量百分含量为70％，其软化温度约为1000℃，YSZ的质量百分含量为30％。
本实施例以K417G镍基高温合金为基体，在其表面制备具有单层结构的玻璃陶瓷复合热障涂层，制备方法包括以下步骤：
步骤一、采用600#SiC砂纸将K417G高温合金表面打磨处理后，依次进行喷砂处理和脱脂处理，其中，喷砂处理采用的砂粒为刚玉砂，所述喷砂处理的压力为0.3MPa，脱脂处理是浸在丙酮中进行；
步骤二、按模型设计比例称取硅酸盐玻璃陶瓷粉末和YSZ粉末，然后将分散剂与所述混合粉末置于球磨机中球磨混合均匀，得到复合料浆；所述分散剂为无水乙醇，所述分散剂的体积为所述混合粉末质量的20倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g；所述硅酸盐玻璃陶瓷粉末和YSZ粉末的粒径均优选小于10μm；所述球磨机的转速优选为280转/分，所述球磨混合的时间优选为30min；
步骤三、将步骤二中所述复合料浆预置于步骤一中脱脂处理后的K417G高温合金表面，烘干后在合金表面得到预置层，然后将带有预置层的K417G高温合金置于设定温度内的马弗炉进行烧制，取出空冷后在K417G高温合金表面制备得到厚度约为60μm的玻璃陶瓷基复合热障涂层；所述高温熔烧的具体过程为：在升温速率为10℃/min的条件下升温至200℃保温120min，然后在升温速率为15℃/min的条件下升温至1050℃保温15min，随后取出空冷；优选采用气动喷涂的方式将复合料浆预置于K417G合金表面；所述气动喷涂的喷涂气压为0.3MPa，喷涂距离为20cm，所述烘干的温度为200℃。
从图2中可以看出，本实施例在K417G高温合金表面制备的YSZ改性玻璃陶瓷基复合热障涂层表面平坦，表明涂层在高温烧制过程中成膜良好；涂层与钽合金基体结合良好；涂层内部YSZ颗粒分布均匀，且存在少许空洞，有利于降低涂层的热导率。
实施例2
本实施例提出了一种玻璃陶瓷复合热障涂层的设计模型，所设计的涂层模型为复层结构，由底釉层和设置在底釉层上的面釉层两部分组成，底釉层以硅酸盐玻璃陶瓷1为主体，并在主体内分散有用于提高涂层材料强度的陶瓷3和用于调控玻璃陶瓷形核析晶的氧化物4，所述陶瓷3为YSZ和刚玉，所述氧化物4为YSZ；底釉层中硅酸盐玻璃陶瓷1的质量百分含量为80％，其软化温度约为1000℃，YSZ的质量百分含量为5％，刚玉的质量百分含量为15％。面釉层以硅酸盐玻璃陶瓷1为主体，并在主体内分散有用于提高涂层材料强度的陶瓷3和用于调控玻璃陶瓷形核析晶的氧化物4，所述陶瓷3为YSZ和刚玉，所述氧化物4为YSZ；面釉层中硅酸盐玻璃陶瓷1的质量百分含量为60％，其软化温度约为1000℃，YSZ的质量百分含量为35％，刚玉的质量百分含量为5％。
本实施例以K417G镍基高温合金为基体，在其表面制备具有复层结构的玻璃陶瓷复合热障涂层，制备方法包括以下步骤：
步骤一、采用600#SiC砂纸将K417G高温合金表面打磨处理后，依次进行喷砂处理和脱脂处理，其中，喷砂处理采用的砂粒为刚玉砂，所述喷砂处理的压力为0.3MPa，脱脂处理是浸在丙酮中进行；最后，采用现有工艺在K417G高温合金表面制备Ni+CrAlYSiN复合粘结层；
步骤二、按涂层模型的底釉层中各组分的设计成分分别称取硅酸盐玻璃陶瓷粉末、刚玉和YSZ粉末，然后将分散剂与所述底釉混合粉末分别置于球磨机中球磨混合均匀，得到底釉复合料浆；所述分散剂为无水乙醇，所述分散剂的体积为所述混合粉末质量的25倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g；所述硅酸盐玻璃陶瓷粉末、刚玉和YSZ粉末的粒径均优选小于10μm；所述球磨机的转速优选为340转/分，所述球磨混合的时间优选为60min；
步骤三、将步骤二中所述底釉复合料浆预置于带有Ni+CrAlYSiN复合粘结层的K417G高温合金表面，烘干后在合金表面得到底釉预置层，然后将带有粘结层和底釉预置层的K417G高温合金置于设定温度内的马弗炉进行烧制，取出空冷后在带有Ni+CrAlYSiN复合粘结层的K417G高温合金表面制备得到厚度约为20μm的底釉层；所述高温熔烧的具体过程为：在升温速率为15℃/min的条件下升温至400℃保温60min，然后在升温速率为5℃/min的条件下升温至1050℃保温60min，随后取出空冷；优选采用气动喷涂的方式将复合料浆预置于K417G合金表面；所述气动喷涂的喷涂气压为0.3MPa，喷涂距离为20cm，所述烘干的温度为200℃；
步骤四、按涂层模型的面釉层中各组分的设计成分分别称取硅酸盐玻璃陶瓷粉末、刚玉和YSZ粉末，然后将分散剂与所述面釉混合粉末分别置于球磨机中球磨混合均匀，得到面釉复合料浆；所述分散剂为无水乙醇，所述分散剂的体积为所述混合粉末质量的25倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g；所述硅酸盐玻璃陶瓷粉末、刚玉和YSZ粉末的粒径均优选小于10μm；所述球磨机的转速优选为340转/分，所述球磨混合的时间优选为60min；
步骤五、将步骤四中所述面釉复合料浆预置于步骤三中制备有底釉层的K417G高温合金基体表面，烘干后在底釉层表面得到面釉预置层，然后将具有面釉预置层的K417G高温合金基体置于马弗炉中，先在升温速率为10℃/min的条件下升温至400℃保温60min，然后在升温速率为10℃/min的条件下升温至1100℃保温30min，随后出炉空冷，在底釉层的表面得到厚度为90μm的面釉层，最终得到具有复层结构的玻璃陶瓷复合热障涂层；优选采用气动喷涂的方式将复合料浆预置于K417G合金表面；所述气动喷涂的喷涂气压为0.3MPa，喷涂距离为20cm，所述烘干的温度为200℃。
从图3中可以看出，本实施例在带有Ni+CrAlYSiN复合粘结层的K417G高温合金表面制备的双层YSZ和刚玉协同改性的玻璃陶瓷基复合热障涂层在1000℃氧化100h后仍为双层结构，氧化过程中涂层无剥落，与Ni+CrAlYSiN复合粘结层结合良好，涂层内部空洞在氧化过程中全部溢出，涂层内部颗粒分布均匀。
实施例3
本实施例提出了一种玻璃陶瓷复合热障涂层的设计模型，所设计的涂层模型为复层结构，由底釉层和设置在底釉层上的面釉层两部分组成，底釉层以硅酸盐玻璃陶瓷1为主体，并在主体内分散有用于提高涂层材料强度的陶瓷3和用于调控玻璃陶瓷形核析晶的氧化物4，所述陶瓷3为YSZ和刚玉，所述氧化物4为YSZ；底釉层中硅酸盐玻璃陶瓷1的质量百分含量为75％，其软化温度约为1050℃，YSZ的质量百分含量为5％，刚玉的质量百分含量为20％。面釉层以硅酸盐玻璃陶瓷1为主体，并在主体内分散有用于提高涂层材料强度的陶瓷3和用于调控玻璃陶瓷形核析晶的氧化物4，所述陶瓷3为YSZ和刚玉，所述氧化物4为YSZ；面釉层中硅酸盐玻璃陶瓷1的质量百分含量为60％，其软化温度约为1050℃，YSZ的质量百分含量为30％，刚玉的质量百分含量为10％。
本实施例以K438G镍基高温合金为基体，在其表面制备具有复层结构的玻璃陶瓷复合热障涂层，制备方法包括以下步骤：
步骤一、采用600#SiC砂纸将K438G高温合金表面打磨处理后，依次进行喷砂处理和脱脂处理，其中，喷砂处理采用的砂粒为刚玉砂，所述喷砂处理的压力为0.3MPa，脱脂处理是浸在丙酮中进行；最后，采用现有工艺在K438G高温合金表面制备NiCoCrAlY粘结层；
步骤二、按涂层模型的底釉层中各组分的设计成分分别称取硅酸盐玻璃陶瓷粉末、刚玉和YSZ粉末，然后将分散剂与所述底釉混合粉末分别置于球磨机中球磨混合均匀，得到底釉复合料浆；所述分散剂为无水乙醇，所述分散剂的体积为所述混合粉末质量的20倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g；所述硅酸盐玻璃陶瓷粉末、刚玉和YSZ粉末的粒径均优选小于10μm；所述球磨机的转速优选为300转/分，所述球磨混合的时间优选为180min；
步骤三、将步骤二中所述底釉复合料浆预置于带有NiCoCrAlY粘结层的K438G高温合金表面，烘干后在合金表面得到底釉预置层，然后将带有粘结层和底釉预置层的K438G高温合金置于设定温度内的马弗炉进行烧制，取出空冷后在带有NiCoCrAlY粘结层的K438G高温合金表面制备得到厚度约为20μm的底釉层；所述高温熔烧的具体过程为：在升温速率为10℃/min的条件下升温至400℃保温60min，然后在升温速率为5℃/min的条件下升温至1100℃保温60min，随后取出空冷；优选采用气动喷涂的方式将复合料浆预置于K438G合金表面；所述气动喷涂的喷涂气压为0.3MPa，喷涂距离为20cm，所述烘干的温度为200℃；
步骤四、按涂层模型的面釉层中各组分的设计成分分别称取硅酸盐玻璃陶瓷粉末、刚玉和YSZ粉末，然后将分散剂与所述面釉混合粉末分别置于球磨机中球磨混合均匀，得到面釉复合料浆；所述分散剂为无水乙醇，所述分散剂的体积为所述混合粉末质量的20倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g；所述硅酸盐玻璃陶瓷粉末、刚玉和YSZ粉末的粒径均优选小于10μm；所述球磨机的转速优选为300转/分，所述球磨混合的时间优选为180min；
步骤五、将步骤四中所述面釉复合料浆预置于步骤三中制备有底釉层的K438G高温合金基体表面，烘干后在底釉层表面得到面釉预置层，然后将具有面釉预置层的K438G高温合金基体置于马弗炉中，先在升温速率为10℃/min的条件下升温至400℃保温30min，然后在升温速率为10℃/min的条件下升温至1150℃保温30min，随后出炉空冷，在底釉层的表面得到厚度为80μm的面釉层，最终得到具有复层结构的玻璃陶瓷复合热障涂层；优选采用气动喷涂的方式将复合料浆预置于K438G合金表面；所述气动喷涂的喷涂气压为0.3MPa，喷涂距离为20cm，所述烘干的温度为200℃。
从图3中可以看出，本实施例在带有NiCoCrAlY粘结层的K438G高温合金表面制备的双层YSZ和刚玉协同改性的玻璃陶瓷基复合热障涂层为双层结构，涂层表面平坦，表明涂层在高温烧制过程中成膜良好；涂层与钽合金基体结合良好；涂层内部YSZ和刚玉颗粒分布均匀，且存在少许空洞，有利于降低涂层的热导率。
实施例4
本实施例提出了一种玻璃陶瓷复合热障涂层的设计模型，所设计的涂层模型为复层结构，由底釉层和设置在底釉层上的面釉层两部分组成，底釉层以硅酸盐玻璃陶瓷1为主体，并在主体内分散有用于提高涂层材料强度的陶瓷3和用于调控玻璃陶瓷形核析晶的氧化物4，所述陶瓷3为YSZ和刚玉，所述氧化物4为YSZ；底釉层中硅酸盐玻璃陶瓷1的质量百分含量为78％，其软化温度约为1070℃，YSZ的质量百分含量为5％，刚玉的质量百分含量为17％。面釉层以硅酸盐玻璃陶瓷1为主体，并在主体内分散有用于提高涂层材料韧性和热膨胀系数的金属2、用于提高涂层材料强度的陶瓷3和用于调控玻璃陶瓷形核析晶的氧化物4，所述陶瓷3为YSZ和刚玉，所述氧化物4为YSZ，所述金属2为Ni颗粒；面釉层中硅酸盐玻璃陶瓷1的质量百分含量为65％，其软化温度约为1070℃，YSZ的质量百分含量为20％，刚玉的质量百分含量为5％，Ni颗粒的质量百分含量为10％。
本实施例以K417G镍基高温合金为基体，在其表面制备具有复层结构的玻璃陶瓷复合热障涂层，制备方法包括以下步骤：
步骤一、采用600#SiC砂纸将K417G高温合金表面打磨处理后，依次进行喷砂处理和脱脂处理，其中，喷砂处理采用的砂粒为刚玉砂，所述喷砂处理的压力为0.3MPa，脱脂处理是浸在丙酮中进行；最后，采用现有工艺在K417G高温合金表面制备NiCoCrAlY复合粘结层；
步骤二、按涂层模型的底釉层中各组分的设计成分分别称取硅酸盐玻璃陶瓷粉末、刚玉和YSZ粉末，然后将分散剂与所述底釉混合粉末分别置于球磨机中球磨混合均匀，得到底釉复合料浆；所述分散剂为无水乙醇，所述分散剂的体积为所述混合粉末质量的25倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g；所述硅酸盐玻璃陶瓷粉末、刚玉和YSZ粉末的粒径均优选小于10μm；所述球磨机的转速优选为300转/分，所述球磨混合的时间优选为120min；
步骤三、将步骤二中所述底釉复合料浆预置于带有NiCoCrAlY复合粘结层的K417G高温合金表面，烘干后在合金表面得到底釉预置层，然后将带有粘结层和底釉预置层的K417G高温合金置于设定温度内的马弗炉进行烧制，取出空冷后在带有NiCoCrAlY复合粘结层的K417G高温合金表面制备得到厚度约为20μm的底釉层；所述高温熔烧的具体过程为：在升温速率为10℃/min的条件下升温至200℃保温30min，然后在升温速率为10℃/min的条件下升温至1100℃保温60min，随后取出空冷；优选采用气动喷涂的方式将复合料浆预置于K417G合金表面；所述气动喷涂的喷涂气压为0.4MPa，喷涂距离为20cm，所述烘干的温度为400℃；
步骤四、按涂层模型的面釉层中各组分的设计成分分别称取硅酸盐玻璃陶瓷粉末、Ni粉、刚玉和YSZ粉末，然后将分散剂与所述面釉混合粉末分别置于球磨机中球磨混合均匀，得到面釉复合料浆；所述分散剂为无水乙醇，所述分散剂的体积为所述混合粉末质量的25倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g；所述硅酸盐玻璃陶瓷粉末、Ni粉、刚玉和YSZ粉末的粒径均优选小于10μm；所述球磨机的转速优选为300转/分，所述球磨混合的时间优选为120min；
步骤五、将步骤四中所述面釉复合料浆预置于步骤三中制备有底釉层的K417G高温合金基体表面，烘干后在底釉层表面得到面釉预置层，然后将具有面釉预置层的K417G高温合金基体置于马弗炉中，先在升温速率为10℃/min的条件下升温至400℃保温240min，然后在升温速率为10℃/min的条件下升温至1200℃保温30min，随后出炉空冷，在底釉层的表面得到厚度为80μm的面釉层，最终得到具有复层结构的玻璃陶瓷复合热障涂层；优选采用气动喷涂的方式将复合料浆预置于K417G合金表面；所述气动喷涂的喷涂气压为0.4MPa，喷涂距离为20cm，所述烘干的温度为300℃。
从图5a和图5b可以看出，本实施例在带有NiCoCrAlY粘结层的K417G高温合金表面制备的双层Ni、刚玉以及YSZ协同颗粒改性的玻璃陶瓷基复合热障涂层为双层结构，涂层表面平坦，表明涂层在高温烧制过程中成膜良好；涂层与钽合金基体结合良好；涂层内部YSZ和刚玉颗粒分布均匀，且存在少许空洞，有利于降低涂层的热导率。图6和图7分别为本发明实施例5中Ni、刚玉以及YSZ协同颗粒改性的玻璃陶瓷基复合热障涂层在1000℃的恒温氧化动力学和循环氧化动力学曲线，从图中可以看到，复合热障涂层的抗氧化性能要显著优于NiCoCrAlY涂层。
实施例5
本实施例提出了一种玻璃陶瓷复合热障涂层的设计模型，所设计的涂层模型为复层结构，由底釉层和设置在底釉层上的面釉层两部分组成，底釉层以硅酸盐玻璃陶瓷1为主体，并在主体内分散有用于提高涂层材料强度的陶瓷3和用于调控玻璃陶瓷形核析晶的氧化物4，所述陶瓷3为YSZ和刚玉，所述氧化物4为YSZ；底釉层中硅酸盐玻璃陶瓷1的质量百分含量为75％，其软化温度约为1100℃，YSZ的质量百分含量为8％，刚玉的质量百分含量为17％。面釉层以硅酸盐玻璃陶瓷1为主体，并在主体内分散有用于提高涂层材料韧性和热膨胀系数的金属2、用于提高涂层材料强度的陶瓷3和用于调控玻璃陶瓷形核析晶的氧化物4，所述陶瓷3为YSZ和刚玉，所述氧化物4为YSZ，所述金属2为Ni3Al颗粒；面釉层中硅酸盐玻璃陶瓷1的质量百分含量为60％，其软化温度约为1100℃，YSZ的质量百分含量为25％，刚玉的质量百分含量为10％，Ni3Al颗粒的质量百分含量为5％。
本实施例以IC10镍基高温合金为基体，在其表面制备具有复层结构的玻璃陶瓷复合热障涂层，制备方法包括以下步骤：
步骤一、采用600#SiC砂纸将IC10高温合金表面打磨处理后，依次进行喷砂处理和脱脂处理，其中，喷砂处理采用的砂粒为刚玉砂，所述喷砂处理的压力为0.3MPa，脱脂处理是浸在丙酮中进行；最后，采用现有工艺在IC10高温合金表面溅射Ni3Al粘结层；
步骤二、按涂层模型的底釉层中各组分的设计成分分别称取硅酸盐玻璃陶瓷粉末、刚玉和YSZ粉末，然后将分散剂与所述底釉混合粉末分别置于球磨机中球磨混合均匀，得到底釉复合料浆；所述分散剂为无水乙醇，所述分散剂的体积为所述混合粉末质量的25倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g；所述硅酸盐玻璃陶瓷粉末、刚玉和YSZ粉末的粒径均优选小于10μm；所述球磨机的转速优选为300转/分，所述球磨混合的时间优选为120min；
步骤三、将步骤二中所述底釉复合料浆预置于溅射有Ni3Al粘结层的IC10高温合金表面，烘干后在合金表面得到底釉预置层，然后将带有粘结层和底釉预置层的IC10高温合金置于设定温度内的马弗炉进行烧制，取出空冷后在溅射有Ni3Al粘结层的IC10高温合金表面制备得到厚度约为20μm的底釉层；所述高温熔烧的具体过程为：在升温速率为10℃/min的条件下升温至300℃保温30min，然后在升温速率为10℃/min的条件下升温至1150℃保温60min，随后取出空冷；优选采用气动喷涂的方式将复合料浆预置于IC10合金表面；所述气动喷涂的喷涂气压为0.4MPa，喷涂距离为20cm，所述烘干的温度为400℃；
步骤四、按涂层模型的面釉层中各组分的设计成分分别称取硅酸盐玻璃陶瓷粉末、Ni3Al粉末、刚玉和YSZ粉末，然后将分散剂与所述面釉混合粉末分别置于球磨机中球磨混合均匀，得到面釉复合料浆；所述分散剂为无水乙醇，所述分散剂的体积为所述混合粉末质量的25倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g；所述硅酸盐玻璃陶瓷粉末、刚玉、Ni3Al粉和YSZ粉末的粒径均优选小于10μm；所述球磨机的转速优选为300转/分，所述球磨混合的时间优选为120min；
步骤五、将步骤四中所述面釉复合料浆预置于步骤三中制备有底釉层的IC10高温合金基体表面，烘干后在底釉层表面得到面釉预置层，然后将具有面釉预置层的IC10高温合金基体置于马弗炉中，先在升温速率为10℃/min的条件下升温至400℃保温120min，然后在升温速率为10℃/min的条件下升温至1200℃保温30min，随后出炉空冷，在底釉层的表面得到厚度为110μm的面釉层，最终得到具有复层结构的玻璃陶瓷复合热障涂层；优选采用气动喷涂的方式将复合料浆预置于IC10合金表面；所述气动喷涂的喷涂气压为0.4MPa，喷涂距离为20cm，所述烘干的温度为300℃。
从图8a和图8b中可以看出，本实施例在带有溅射Ni3Al粘结层的IC10高温合金表面制备的Ni3Al、刚玉以及YSZ协同颗粒改性的玻璃陶瓷基复合热障涂层为双层结构，涂层表面平坦，表明涂层在高温烧制过程中成膜良好；涂层与钽合金基体结合良好；涂层内部YSZ和刚玉颗粒分布均匀，且存在少许空洞，有利于降低涂层的热导率。图9为本发明实施例5中Ni3Al、刚玉以及YSZ协同颗粒改性的玻璃陶瓷基复合热障涂层材料热导率随温度的变化规律，从图中可以看到，涂层的热导率在1.5W/mK，且随着氧化时间的延长，涂层空隙率降低，热导率小幅升高，但仍低于EB-PVD方法制备的YSZ热障涂层。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.玻璃陶瓷复合热障涂层的设计模型，其特征在于，该涂层为单层或复层结构，每层涂层均以硅酸盐玻璃陶瓷(1)为主体，并在主体内分散有用于提高涂层材料韧性和热膨胀系数的金属(2)、用于提高涂层材料强度的陶瓷(3)和用于调控玻璃陶瓷形核析晶的氧化物(4)中的任意一种或两种以上，每层涂层材料中硅酸盐玻璃陶瓷(1)的质量百分含量均不小于60％。
2.根据权利要求1所述的玻璃陶瓷复合热障涂层的设计模型，其特征在于，所述陶瓷(3)包括YSZ或/和刚玉，所述氧化物(4)包括YSZ，所述金属(2)包括Ni3Al或/和Ni。
3.根据权利要求1或2所述的玻璃陶瓷复合热障涂层的设计模型，其特征在于，所述硅酸盐玻璃陶瓷(1)的软化温度不低于1000℃。
4.利用如权利要求1或2所设计的模型制备具有单层结构的玻璃陶瓷复合热障涂层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、对基体依次进行打磨、喷砂和脱脂处理；所述喷砂所采用的砂粒为刚玉砂或氧化锆砂，所述喷砂的压力为0.2MPa～0.4MPa；
步骤二、按涂层模型中各组分的设计成分称取原料粉末，然后将分散剂与所称取的原料粉末一起置于球磨机中球磨混合均匀，得到复合料浆；所述分散剂为无水乙醇，所述分散剂的体积为所述混合粉末质量的10～30倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g；
步骤三、将步骤二中所述复合料浆预置于步骤一中脱脂处理后的基体表面，烘干后在基体表面得到预置层，然后将具有预置层的基体置于马弗炉中，先在升温速率为10℃/min～30℃/min的条件下升温至200℃～500℃保温30min～240min，然后在升温速率为5℃/min～15℃/min的条件下升温至1000℃～1200℃保温15min～60min，随后出炉空冷，最终在基体的表面得到厚度为120μm～1000μm且具有单层结构的玻璃陶瓷基复合热障涂层。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤二中所述原料粉末的粒径小于20μm。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤二中所述球磨机的转速为280r/min～340r/min，球磨混合的时间为30min～180min。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤三中采用浸涂或气动喷涂的方式将复合料浆预置于基体表面；所述气动喷涂的喷涂气压为0.2MPa～0.4MPa，喷涂距离为10cm～40cm。
8.一种利用如权利要求1或2所设计的模型制备具有复层结构的玻璃陶瓷复合热障涂层的方法，其特征在于，该涂层包括底釉层和设置于底釉层上的面釉层，该方法包括以下步骤：
步骤一、对基体依次进行打磨、喷砂和脱脂处理；所述喷砂所采用的砂粒为刚玉砂或氧化锆砂，所述喷砂的压力为0.2MPa～0.4MPa；
步骤二、按涂层模型的底釉层中各组分的设计成分称取原料粉末，然后将分散剂与所称取的原料粉末一起置于球磨机中球磨混合均匀，得到底釉复合料浆；所述分散剂为无水乙醇，所述分散剂的体积为所述混合粉末质量的10～30倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g；所述球磨机的转速为280r/min～340r/min，球磨混合的时间为30min～180min；
步骤三、将步骤二中所述底釉复合料浆预置于步骤一中脱脂处理后的基体表面，烘干后在基体表面得到底釉预置层，然后将具有底釉预置层的基体置于马弗炉中，先在升温速率为10℃/min～30℃/min的条件下升温至200℃～500℃保温30min～60min，然后在升温速率为5℃/min～15℃/min的条件下升温至1000℃～1200℃保温15min～60min，随后出炉空冷，最终在基体的表面得到厚度为10μm～30μm的底釉层；
步骤四、按涂层模型的面釉层中各组分的设计成分称取原料粉末，然后将分散剂与所称取的原料粉末一起置于球磨机中球磨混合均匀，得到面釉复合料浆；所述分散剂为无水乙醇，所述分散剂的体积为所述混合粉末质量的10～30倍，其中体积的单位为mL，质量的单位为g；所述球磨机的转速为280r/min～340r/min，球磨混合的时间为30min～180min；
步骤五、将步骤四中所述面釉复合料浆预置于步骤三中制备有底釉层的基体表面，烘干后在底釉层表面得到面釉预置层，然后将具有面釉预置层的基体置于马弗炉中，先在升温速率为10℃/min～30℃/min的条件下升温至200℃～500℃保温30min～240min，然后在升温速率为5℃/min～15℃/min的条件下升温至1000℃～1250℃保温15min～60min，随后出炉空冷，在底釉层的表面得到厚度为70μm～1000μm的面釉层，最终得到具有复层结构的玻璃陶瓷复合热障涂层。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤二和步骤四中所述原料粉末的粒径均小于20μm。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤三中采用浸涂或气动喷涂的方式将底釉复合料浆预置于基体表面，步骤五中采用浸涂或气动喷涂的方式将面釉复合料浆预置于底釉层表面；所述气动喷涂的喷涂气压为0.2MPa～0.4MPa，喷涂距离为10cm～40cm。
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