CN106893965A - Yag/8ysz双陶瓷层结构耐热涂层及等离子制备方法 - Google Patents

Abstract

YAG/8YSZ双陶瓷层结构耐热涂层及等离子制备方法，其涂层的结构是：粘结层为NiCoCrAlY，陶瓷底层8YSZ，陶瓷顶层为YAG；制备方法的步骤为：（1）基体加工，（2）喷涂材料预处理，（3）基体表面清理，（4）基体表面喷砂，（5）基体表面预热，（6）粘接层制备，（7）粘接层冷却，（8）陶瓷底层制备：将经过干燥处理的ZrO₂·8Y₂O₃粉末，通过等离子喷涂技术，在经过冷却的粘接层上制备陶瓷底层，（9）陶瓷底层冷却：对涂层表面风冷，表面温度冷却至50‑80°С；（10）陶瓷顶层制备：将经过干燥处理的Y₂Al₅O₁₂粉末，通过等离子喷涂技术，在经过冷却的陶瓷底层上制备陶瓷顶层，（11）待涂层自然冷却至室温，完成制备。

Description

YAG/8YSZ双陶瓷层结构耐热涂层及等离子制备方法

技术领域

本发明涉及涂层制备技术，具体涉及YAG/8YSZ双陶瓷层耐热等离子金属陶瓷涂层制备技术。

背景技术

在航空工业、能源动力工业、冶金化工工业中，某些金属零件需要具有优异的高温强度与良好的抗高温氧化腐蚀能力；如航空发动机热端部件，各类燃气轮机热端部件，金属冶炼炉热端部件等。随着工业的发展，对于这些热端部件的性能要求越来越高；国家与社会的可持续发展需要提高这些部件的使用寿命，降低这些零件的制备或修复成本。 目前最可行的办法是在金属零件表面涂覆防护涂层，使合金材料既能在高温下保持强度，其表面又具有良好的抗高温氧化腐蚀性能，从而达到工业生产对合金高温性能的要求，也能提高合金零件的使用寿命，降低工业生产成本与零件的修复成本。

耐高温、抗高温氧化腐蚀涂层早期使用铝化物热扩散涂层，高温氧化环境时，涂层表面会生成连续致密且抗氧化性能优良的Al₂O₃氧化膜，保护金属基体免受高温氧化腐蚀作用。随着等离子技术电子束蒸发沉积和溅射技术的发展，人们开始使用MCrAlY（M代表Ni，Co，Fe中的一种或者多种成分）包覆涂层；MCrAlY涂层不仅具有很好的抗高温氧化和抗热腐蚀性能，而且具有很好的塑性，涂层对基体机械性能的影响也较小。MCrAlY涂层中的Al元素在高温时可形成致密的 Al₂O₃保护膜，Cr元素不仅可改善涂层的抗热腐蚀性能，且可促进Al₂O₃膜形成，活性元素Y能有效提高合金或涂层表面氧化膜的粘附性，且适量的Y元素可显著改善合金的抗氧化性能。为了防止金属零件高温氧化，并降低金属表面温度，热障涂层被发明并广泛应用于航空发动机与燃气轮机热端部件。热障涂层的典型结构是双层结构，表面是隔热陶瓷层，中间是抗氧化粘结层，下面是金属零件，面层材料多选用热阻大、耐高温、热稳定性好的氧化物陶瓷，以降低金属或合金表面使用温度；粘结层用以生成抗氧化保护膜，并减缓隔热面层与基体间的热不匹配。目前使用性能最稳定，使用广泛的热障涂层是8YSZ涂层，粘结层是有MCrAlY涂层构成。热障涂层是具有降低金属零件表面温度功能的耐热涂层。

耐热涂层常用的制备工艺有电子束物理气相沉积（EB-PVD），等离子喷涂（PS），爆炸喷涂（DS）和高速氧火焰喷涂（HVOF）等。采用EB-PVD制备出的涂层具有较好的抗氧化腐蚀和耐磨性能，但由于其设备昂贵和成本高等缺点，国内很少用 EB-PVD制备大面积的耐热涂层；爆炸喷涂制备的耐热涂层虽具有良好的粘结性能和高致密性，但其喷涂效率低且无法喷涂形状较复杂的工件；而等离子喷涂因成本低，生产效率高，喷涂厚度可调范围大，成分易控制等优点，已成为耐热涂层的主要制备方法。

以冶炼企业中的顶吹炉氧枪枪头为例，使用等离子喷涂技术在喷枪枪头上制备热障涂层，现场生产实验，结果并不能明显增加氧枪枪头的使用寿命。根据现场实验结果分析，热障涂层未能延长氧枪枪头使用寿命的原因是：现有热障涂层采用单一陶瓷层（8YSZ），其抗高温氧化性能较差，尤其在800ºC以上，8YSZ的氧离子导电能力高，氧容易透过涂层而将金属基体氧化。而顶吹炉氧枪的工作温度通常在800ºC-1300ºC，恰好是8YSZ陶瓷层材料加速氧化的温度。因此，仅采用单一陶瓷层8YSZ的热障涂层不能给金属氧枪枪头提供足够的保护。

发明内容

本发明的目的是提供了一种YAG/8YSZ双陶瓷层结构耐热涂层及等离子制备方法。

本发明是YAG/8YSZ双陶瓷层结构耐热涂层及制备方法，YAG/8YSZ双陶瓷层结构耐热涂层，涂层的结构是：粘结层为NiCoCrAlY，陶瓷底层8YSZ，陶瓷顶层为YAG。

YAG/8YSZ双陶瓷层结构耐热涂层等离子制备方法，其步骤为：

YAG/8YSZ双陶瓷层结构耐热涂层的等离子制备方法，其特征在于，其步骤为：

（1）喷涂材料预处理：喷涂前，分别将三种粉末进行真空干燥处理；

（2）基体表面预处理：喷涂前，对基体进行打磨、清洗与喷砂处理；

（3）基体表面预热：喷涂前，对基体表面进行预热；

（4）粘接层制备与冷却：将NiCoCrAlY粉末，通过等离子喷涂技术，在已预热的基体上制备粘接层；随后对涂层表面风冷；

（5）陶瓷底层制备与冷却：将8YSZ粉末，通过等离子喷涂技术，在经过冷却的粘接层上制备陶瓷底层；随后对涂层表面风冷；

（6）陶瓷顶层制备与冷却：将YAG粉末，通过等离子喷涂技术，在经过冷却的陶瓷底层上制备陶瓷顶层；随后待涂层自然冷却至室温，完成制备。

本发明的有益效果是：在不锈钢310S上制备的等离子YAG/8YSZ双陶瓷层金属陶瓷涂层，在氧乙炔火焰烧蚀实验中，涂层表面温度为1500°С，持续烧蚀10分钟后停止实验（喷焰枪需要休息）。金属陶瓷涂层未失效，基体金属完好；涂层为金属基体提供了良好的耐高温和抗高温氧化保护。如果在工作温度为1300°С的顶吹炉氧枪枪头上制备YAG/8YSZ双陶瓷层金属陶瓷涂层，涂层能为金属氧枪枪头抵抗高温与高温氧化对枪头的损耗，能提高顶吹炉生产效率，降低生产维护成本。

附图说明

图1为本发明实施例中YAG/8YSZ双陶瓷层金属陶瓷涂层横截面形貌图，图2为本发明实施例中元素Ni线扫描结果图，图3为本发明实施例中元素Zr线扫描结果图，图4为本发明实施例中元素O线扫描结果图，图5为本发明实施例中元素Y线扫描结果图，图6为本发明实施例中元素Al线扫描结果图。

具体实施方式

本发明是YAG/8YSZ双陶瓷层结构耐热涂层及制备方法，YAG/8YSZ双陶瓷层结构耐热涂层，涂层的结构是：粘结层为NiCoCrAlY，陶瓷底层8YSZ，陶瓷顶层为YAG。

YAG/8YSZ双陶瓷层结构耐热涂层等离子制备方法，其步骤为：

（1）喷涂材料预处理：喷涂前，分别将三种粉末进行真空干燥处理；

（2）基体表面预处理：喷涂前，对基体进行打磨、清洗与喷砂处理；

（3）基体表面预热：喷涂前，对基体表面进行预热；

（4）粘接层制备与冷却：将NiCoCrAlY粉末，通过等离子喷涂技术，在已预热的基体上制备粘接层；随后对涂层表面风冷；

（5）陶瓷底层制备与冷却：将8YSZ粉末，通过等离子喷涂技术，在经过冷却的粘接层上制备陶瓷底层；随后对涂层表面风冷；

（6）陶瓷顶层制备与冷却：将YAG粉末，通过等离子喷涂技术，在经过冷却的陶瓷底层上制备陶瓷顶层；随后待涂层自然冷却至室温，完成制备。

本发明是YAG/8YSZ双陶瓷层结构耐热涂层等离子制备方法，YAG/8YSZ双陶瓷层结构耐热涂层，涂层的结构是：粘结层为NiCoCrAlY，陶瓷底层8YSZ，陶瓷顶层为YAG。

YAG/8YSZ双陶瓷层结构耐热涂层等离子制备方法，其步骤为：

（1）基体加工：基体加工尺寸为Ø20mm×3mm；

（2）喷涂材料预处理：

a、选用粒度为-75~38μm的NiCoCrAlY粉末作为粘接层材料；

b、选用粒度为-75~45μm的8YSZ，即ZrO₂·8Y₂O₃粉末作为陶瓷底层材料；

c、选用粒度为-80~40μm的YAG，即Y₂Al₅O₁₂粉末作为陶瓷顶层材料；

喷涂前，分别将三种粉末置于真空干燥箱150℃环境中保温2小时，去除粉末中的水分并防止氧化；

（3）基体表面清理：经800#、1000#金相砂纸逐级打磨后，用丙酮进行超声清洗除油；

（4）基体表面喷砂：采用粒度为100目左右的石英砂对基体表面进行喷砂处理，提高涂层的沉积效率与结合强度；

（5）基体表面预热：采用等离子喷枪对基体表面预热至50-80°С，以便有利于粒子沉积；

（6）粘接层制备：将经过干燥处理的NiCoCrAlY粉末，通过等离子喷涂技术，在已预热的基体上制备粘接层，并采用如下工艺参数：喷涂距离：195mm，主气流量：110SLM，喷涂电压：130V，喷涂电流：380A，送粉电压：10V；

（7）粘接层冷却：对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80°С；

（8）陶瓷底层制备：将经过干燥处理的8YSZ，即ZrO₂·8Y₂O₃粉末，通过等离子喷涂技术，在经过冷却的粘接层上制备陶瓷底层，并采用如下工艺参数：喷涂距离：180mm，主气流量：120SLM，喷涂电压：160V，喷涂电流：410A，送粉电压：12V；

（9）陶瓷底层冷却：对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80°С；

（10）陶瓷顶层制备：将经过干燥处理的YAG，即Y₂Al₅O₁₂粉末，通过等离子喷涂技术，在经过冷却的陶瓷底层上制备陶瓷顶层，并采用如下工艺参数： 喷涂距离：190mm，主气流量：115SLM，喷涂电压，165V，喷涂电流：420A，送粉电压：12V；

（11）待涂层自然冷却至室温，完成制备。

本具体实施中的YAG/8YSZ双陶瓷层金属陶瓷涂层，在高温氧化环境下，YAG材料作为陶瓷顶层，晶粒不易变形，表现出了很好的抗高温蠕变特性，是目前所知抗蠕变性能最好的化合物，其强度和韧性可以保持至熔点附近而不降低，且直到1600℃时断裂强度变化也都不大；同时，YAG还具有很好的化学稳定性，几乎不会被酸碱腐蚀，在高温氧化气氛中也十分稳定，能够保持100h而不发生氧化。

因此，本实例中YAG材料作为陶瓷顶层可以为8YSZ陶瓷底层提供有效保护。YAG属于石榴石结构，热导率低，氧在其内部的扩散率比在8YSZ中小10个数量级，可以有效抵抗燃气氧化气氛中的氧对8YSZ陶瓷底层的氧化，延长涂层使用寿命。而8YSZ层有利于降低YAG层与粘结层之间的热应力，两者的综合优势使得YAG/8YSZ双陶瓷层的寿命比YAG和8YSZ单一涂层的寿命都长。

本具体实施中的YAG/8YSZ双陶瓷层金属陶瓷涂层在制备的时候，一定要按照工艺要求控制好开始制备涂层时的涂层表面温度。温度过高会造成基体和预制涂层热影响过大，内应力过大，在制备冷却过程中造成涂层剥落；温度过低，会造成制备的涂层与基体或预制涂层之间的界面处裂纹过多（强冷造成的裂纹），降低涂层的结合强度。

图1中是使用等离子喷涂工艺制备YAG/8YSZ双陶瓷层金属陶瓷涂层试样的截面形貌，图2-图6是左图中白线区域各元素的线扫描。将制备好的YAG/8YSZ双陶瓷层金属陶瓷涂层进行烧蚀实验，实验中涂层表面的温度达到1500℃。

涂层的烧蚀时间为10分钟（10分钟是火焰喷枪枪头的极限时间），烧蚀实验之后，金属试样表面依然覆盖着YAG/8YSZ双陶瓷层金属陶瓷涂层，金属基体完好。说明本发明提出的YAG/8YSZ双陶瓷层金属陶瓷涂层具备优秀的耐高温性能与良好的抗高温氧化性能，能为金属基体提供良好的耐高温、抗高温氧化保护。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.YAG/8YSZ双陶瓷层结构耐热涂层，其特征在于涂层的结构是：粘结层为NiCoCrAlY，陶瓷底层8YSZ，陶瓷顶层为YAG。

2.YAG/8YSZ双陶瓷层结构耐热涂层等离子制备方法，其特征在于，其步骤为：

（1）喷涂材料预处理：喷涂前，分别将三种粉末进行真空干燥处理；

（2）基体表面预处理：喷涂前，对基体进行打磨、清洗与喷砂处理；

（3）基体表面预热：喷涂前，对基体表面进行预热；

（4）粘接层制备与冷却：将NiCoCrAlY粉末，通过等离子喷涂技术，在已预热的基体上制备粘接层；随后对涂层表面风冷；

（5）陶瓷底层制备与冷却：将8YSZ粉末，通过等离子喷涂技术，在经过冷却的粘接层上制备陶瓷底层；随后对涂层表面风冷；

（6）陶瓷顶层制备与冷却：将YAG粉末，通过等离子喷涂技术，在经过冷却的陶瓷底层上制备陶瓷顶层；随后待涂层自然冷却至室温，完成制备。

3.根据权利要求2所述的YAG/8YSZ双陶瓷层结构耐热涂层等离子制备方法，其特征在于，

（1）基体加工；

（2）喷涂材料预处理：

a、选用粒度为-75~38μm的NiCoCrAlY粉末作为粘接层材料；

b、选用粒度为-75~45μm的8YSZ，即ZrO₂·8Y₂O₃粉末作为陶瓷底层材料；

c、选用粒度为-80~40μm的YAG，即Y₂Al₅O₁₂粉末作为陶瓷顶层材料；

喷涂前，分别将三种粉末置于真空干燥箱150℃环境中保温2小时，去除粉末中的水分并防止氧化；

（3）基体表面清理：经砂纸逐级打磨后，用丙酮进行超声清洗除油；

（4）基体表面喷砂：采用石英砂对基体表面进行喷砂处理，提高涂层的沉积效率与结合强度；

（5）基体表面预热：将基体表面预热至50-80°С；

（6）粘接层制备：将经过干燥处理的NiCoCrAlY粉末，通过等离子喷涂技术，在已预热的基体上制备粘接层，并采用如下工艺参数：喷涂距离：195mm，主气流量：110SLM，喷涂电压：130V，喷涂电流：380A，送粉电压：10V；

（7）粘接层冷却：对涂层表面风冷，表面温度冷却至50~80°С；

（8）陶瓷底层制备：将经过干燥处理的8YSZ，即ZrO₂·8Y₂O₃粉末，通过等离子喷涂技术，在经过冷却的粘接层上制备陶瓷底层，并采用如下工艺参数：喷涂距离：180mm，主气流量：120SLM，喷涂电压：160V，喷涂电流：410A，送粉电压：12V；

（9）陶瓷底层冷却：对涂层表面风冷，表面温度冷却至50~80°С；

（10）陶瓷顶层制备：将经过干燥处理的YAG，即Y₂Al₅O₁₂粉末，通过等离子喷涂技术，在经过冷却的陶瓷底层上制备陶瓷顶层，并采用如下工艺参数： 喷涂距离：190mm，主气流量：115SLM，喷涂电压，165V，喷涂电流：420A，送粉电压：12V；

（11）待涂层自然冷却至室温，完成制备。