CN107721180A - 一种高温防护搪瓷涂层及制备方法 - Google Patents

一种高温防护搪瓷涂层及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高温防护搪瓷涂层及制备方法，搪瓷料浆化学组成的质量份分别为：BaCO3：18‑22，SiO2：12‑15，CaO：1‑1.5，TiO2：1.5‑2，ZnO：0.5‑1，ZrO2：1.5，MoO3：1.5，Cr2O3：13‑16，高岭土：2‑3，Na2SiO3：1.5，水：35‑40。本发明采用硅酸盐替换了强碱，避免了强碱遇水放热产生大颗粒物；取消了料浆制备过程中的玻璃料烧结工序，大大降低了料浆中物质的颗粒度，从而有效地提高了喷涂后叶片表面光洁度和涂层的结合强度。

Description

一种高温防护搪瓷涂层及制备方法
技术领域
本发明属于高温防护和涂层制备技术领域，具体涉及一种高温防护搪瓷涂层及制备方法。
背景技术
高温合金是航空发动机涡轮叶片的制造材料，随着航空发动机推重比和效率的不断提高，对涡轮叶片工作温度的要求也越来越高。搪瓷涂层具有很好的热化学稳定性和抗氧化性能，可以有效地降低涡轮叶片工作时自身温度，并且具有抗高温氧化、腐蚀作用，从而提高涡轮叶片的工作温度。
但是现有搪瓷涂层技术难以满足高推重比、高效率的航空发动机涡轮叶片的使用需求，具体表现在抗氧化温度低，搪瓷涂层热膨胀系数低，抗热震性能差。
例如：《中国航空材料手册》报道了一种高温搪瓷涂层，其热膨胀系数与常用航空高温合金热膨胀系数相差较大；《镍基高温合金上双层搪瓷-陶瓷复合涂层1000℃氧化机理》其抗氧化温度达到1000℃；专利《一种镍基合金超高温搪瓷涂层及其制备方法》，该方法采用烧结后进行研磨的方法制备，烧结过程中会产生较大颗粒物，研磨效率低，并且研磨难以将颗粒度降到足够低，导致喷涂后叶片表面粗糙、易脱落，难以达到航空发动机叶片的应用要求。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种高温防护搪瓷涂层及制备方法。具体技术方案为：
所述一种高温防护搪瓷涂层，其特征在于：搪瓷料浆化学组成的质量份分别为：BaCO3：18-22，SiO2：12-15，CaO：1-1.5，TiO2：1.5-2，ZnO：0.5-1，ZrO2：1.5，MoO3：1.5，Cr2O3：13-16，高岭土：2-3，Na2SiO3：1.5，水：35-40。
所述一种制备上述高温防护搪瓷涂层的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将BaCO3、SiO2、CaO、TiO2、ZnO、ZrO2、MoO3、Cr2O3、高岭土、Na2SiO3粉料按比例加水均匀混合，然后进行高能球磨，得到搪瓷料浆；
步骤2：将步骤1所述搪瓷料浆喷涂于经过喷砂处理的高温合金叶片表面，形成厚度为60-100μm的料浆涂层，进行200℃、1-2小时烘干；
步骤3：将步骤2中烘干后的高温合金叶片放入1190℃的马弗炉中，烧结5分钟后取出，在高温合金叶片表面得到高温防护搪瓷涂层。
进一步的优选方案，所述一种制备上述高温防护搪瓷涂层的方法，其特征在于：步骤1中BaCO3、SiO2、CaO、TiO2、ZnO、ZrO2、MoO3、Cr2O3、高岭土、Na2SiO3粉料的质量纯度均不小于99.9％。
进一步的优选方案，所述一种制备上述高温防护搪瓷涂层的方法，其特征在于：步骤1中的水为去离子水。
有益效果
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)采用硅酸盐替换了强碱，避免了强碱遇水放热产生大颗粒物。
(2)取消了料浆制备过程中的玻璃料烧结工序，大大降低了料浆中物质的颗粒度，从而有效地提高了喷涂后叶片表面光洁度和涂层的结合强度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
本实施例的高温防护搪瓷涂层，由以下成分组成(质量份)：BaCO3：20，SiO2：14，CaO：1，TiO2：1.5，ZnO：1，ZrO2：1.5，MoO3：1.5，Cr2O3：15，高岭土：3，Na2SiO3：1.5，水：40。
本实施例的高温防护搪瓷涂层的制备方法为：
步骤1、将SiO2(粒度8.5μm、纯度99.95％)，BaCO3(粒度8.0μm、纯度99.95％)，CaO(粒度12.0μm、纯度99.95％)，TiO2(粒度9.0μm、纯度99.95％)，ZnO(粒度7.8μm、纯度99.95％)，ZrO2(粒度7.9μm、纯度99.95％)，MoO3(粒度7.5μm、纯度99.95％)，Cr2O3(粒度8.1μm、纯度99.95％)，锻烧高岭土(粒度4.5μm、纯度99.95％)，Na2SiO3(粒度7.2μm、纯度99.95％)和去离子水混合并充分搅拌均匀。放入氧化铝球磨罐，采用氧化锆球，进行480转/分钟、4小时高能球磨，得到搪瓷料浆；
步骤2、将步骤1所述搪瓷料浆喷涂于经过喷砂处理的K430高温合金叶片表面，形成厚度为100μm的料浆涂层，进行200℃、1小时烘干；
步骤3、将步骤2中烘干后的K430高温合金叶片放入1190℃的马弗炉中，烧结5分钟后取出，在K430高温合金叶片表面得到高温防护搪瓷涂层。
本实施例制备的高温防护搪瓷涂层热膨胀系数增大，具体数值见表1和表2。
表1本实施例高温防护搪瓷涂层线膨胀系数
温度(℃) 20～100 20～200 20～300 20～400 20～500
线膨胀系数 6.61 7.41 7.70 7.85 7.94
表2原使用的高温搪瓷涂层线膨胀系数
温度(℃) 20～100 20～200 20～300 20～400 20～500
线膨胀系数 5.61 6.41 6.70 6.85 6.94
对比表1和表2，可以看出本实施例高温防护搪瓷涂层热膨胀系数比原涂层有明显的提高，20～100℃的线膨胀系数提高了17.8％，20～500℃线膨胀系数提高了14.4％，改善了原高温搪瓷涂层与K430叶片热膨胀系数(12～13)差距过大的问题。
本实施例制备的K430叶片高温防护搪瓷涂层抗热震性能优良。800℃加热、然后20℃水冷，进行24次的抗热震性能测试，搪瓷涂层没有开裂和剥落。
本实施例制备的K430叶片高温防护搪瓷涂层抗氧化温度达到1100℃，抗氧化性能优良，见表3。
表3本实施例高温搪瓷涂层抗氧化性能
注：保护系数为叶片氧化增重与涂覆高温防护搪瓷涂层后氧化增重之比值。
实施例2：
本实施例的高温防护搪瓷涂层，由以下成分组成(质量份)：BaCO3：18，SiO2：15，CaO：1.5，TiO2：2，ZnO：1，ZrO2：1.5，MoO3：1.5，Cr2O3：16，高岭土：2，Na2SiO3：1.5，水：40。
本实施例的高温防护搪瓷涂层的制备方法为：
步骤1、将SiO2(粒度8.5μm、纯度99.95％)，BaCO3(粒度8.0μm、纯度99.95％)，CaO(粒度12.0μm、纯度99.95％)，TiO2(粒度9.0μm、纯度99.95％)，ZnO(粒度7.8μm、纯度99.95％)，ZrO2(粒度7.9μm、纯度99.95％)，MoO3(粒度7.5μm、纯度99.95％)，Cr2O3(粒度8.1μm、纯度99.95％)，锻烧高岭土(粒度4.5μm、纯度99.95％)，Na2SiO3(粒度7.2μm、纯度99.95％)和去离子水混合并充分搅拌均匀。放入氧化铝球磨罐，采用氧化锆球，进行480转/分钟、4小时高能球磨，得到搪瓷料浆；
步骤2、将步骤1所述搪瓷料浆喷涂于经过喷砂处理的K430高温合金叶片表面，形成厚度为80μm的料浆涂层，进行200℃、1.5小时烘干；
步骤3、将步骤2中烘干后的K430高温合金叶片放入1190℃的马弗炉中，烧结5分钟后取出，在K430高温合金叶片表面得到高温防护搪瓷涂层。
本实施例制备的高温防护搪瓷涂层热膨胀系数同样增大，具体数值见表3。
表3本实施例高温防护搪瓷涂层线膨胀系数
温度(℃) 20～100 20～200 20～300 20～400 20～500
线膨胀系数 6.51 7.40 7.68 7.81 7.87
对比表3和表2，可以看出本实施例高温防护搪瓷涂层热膨胀系数比原涂层也有明显的提高，改善了原高温搪瓷涂层与K430叶片热膨胀系数(12～13)差距过大的问题。
本实施例制备的K430叶片高温防护搪瓷涂层抗热震性能优良。800℃加热、然后20℃水冷，进行24次的抗热震性能测试，搪瓷涂层没有开裂和剥落。
本实施例制备的K430叶片高温防护搪瓷涂层抗氧化温度达到1100℃，抗氧化性能优良。
实施例3：
本实施例的高温防护搪瓷涂层，由以下成分组成(质量份)：BaCO3：22，SiO2：15，CaO：1.5，TiO2：2，ZnO：0.5，ZrO2：1.5，MoO3：1.5，Cr2O3：13，高岭土：2.5，Na2SiO3：1.5，水：39。
本实施例的高温防护搪瓷涂层的制备方法为：
步骤1、将SiO2(粒度8.5μm、纯度99.95％)，BaCO3(粒度8.0μm、纯度99.95％)，CaO(粒度12.0μm、纯度99.95％)，TiO2(粒度9.0μm、纯度99.95％)，ZnO(粒度7.8μm、纯度99.95％)，ZrO2(粒度7.9μm、纯度99.95％)，MoO3(粒度7.5μm、纯度99.95％)，Cr2O3(粒度8.1μm、纯度99.95％)，锻烧高岭土(粒度4.5μm、纯度99.95％)，Na2SiO3(粒度7.2μm、纯度99.95％)和去离子水混合并充分搅拌均匀。放入氧化铝球磨罐，采用氧化锆球，进行480转/分钟、4小时高能球磨，得到搪瓷料浆；
步骤2、将步骤1所述搪瓷料浆喷涂于经过喷砂处理的K430高温合金叶片表面，形成厚度为80μm的料浆涂层，进行200℃、2小时烘干；
步骤3、将步骤2中烘干后的K430高温合金叶片放入1190℃的马弗炉中，烧结5分钟后取出，在K430高温合金叶片表面得到高温防护搪瓷涂层。
本实施例制备的高温防护搪瓷涂层热膨胀系数同样增大，具体数值见表4。
表4本实施例高温防护搪瓷涂层线膨胀系数
温度(℃) 20～100 20～200 20～300 20～400 20～500
线膨胀系数 6.42 7.38 7.62 7.79 7.84
对比表4和表2，可以看出本实施例高温防护搪瓷涂层热膨胀系数比原涂层也有明显的提高，改善了原高温搪瓷涂层与K430叶片热膨胀系数(12～13)差距过大的问题。
本实施例制备的K430叶片高温防护搪瓷涂层抗热震性能优良。800℃加热、然后20℃水冷，进行24次的抗热震性能测试，搪瓷涂层没有开裂和剥落。
本实施例制备的K430叶片高温防护搪瓷涂层抗氧化温度达到1100℃，抗氧化性能优良。
实施例4：
本实施例的高温防护搪瓷涂层，由以下成分组成(质量份)：BaCO3：22，SiO2：15，CaO：1.5，TiO2：2，ZnO：1，ZrO2：1.5，MoO3：1.5，Cr2O3：16，高岭土：3，Na2SiO3：1.5，水：35。
本实施例的高温防护搪瓷涂层的制备方法为：
步骤1、将SiO2(粒度8.5μm、纯度99.95％)，BaCO3(粒度8.0μm、纯度99.95％)，CaO(粒度12.0μm、纯度99.95％)，TiO2(粒度9.0μm、纯度99.95％)，ZnO(粒度7.8μm、纯度99.95％)，ZrO2(粒度7.9μm、纯度99.95％)，MoO3(粒度7.5μm、纯度99.95％)，Cr2O3(粒度8.1μm、纯度99.95％)，锻烧高岭土(粒度4.5μm、纯度99.95％)，Na2SiO3(粒度7.2μm、纯度99.95％)和去离子水混合并充分搅拌均匀。放入氧化铝球磨罐，采用氧化锆球，进行480转/分钟、4小时高能球磨，得到搪瓷料浆；
步骤2、将步骤1所述搪瓷料浆喷涂于经过喷砂处理的K430高温合金叶片表面，形成厚度为80μm的料浆涂层，进行200℃、1.5小时烘干；
步骤3、将步骤2中烘干后的K430高温合金叶片放入1190℃的马弗炉中，烧结5分钟后取出，在K430高温合金叶片表面得到高温防护搪瓷涂层。
本实施例制备的高温防护搪瓷涂层热膨胀系数同样增大，具体数值见表5。
表5本实施例高温防护搪瓷涂层线膨胀系数
温度(℃) 20～100 20～200 20～300 20～400 20～500
线膨胀系数 6.44 7.40 7.63 7.82 7.89
对比表5和表2，可以看出本实施例高温防护搪瓷涂层热膨胀系数比原涂层也有明显的提高，改善了原高温搪瓷涂层与K430叶片热膨胀系数(12～13)差距过大的问题。
本实施例制备的K430叶片高温防护搪瓷涂层抗热震性能优良。800℃加热、然后20℃水冷，进行24次的抗热震性能测试，搪瓷涂层没有开裂和剥落。
本实施例制备的K430叶片高温防护搪瓷涂层抗氧化温度达到1100℃，抗氧化性能优良。
实施例5：
本实施例的高温防护搪瓷涂层，由以下成分组成(质量份)：BaCO3：22，SiO2：12，CaO：1.5，TiO2：2，ZnO：1，ZrO2：1.5，MoO3：1.5，Cr2O3：16，高岭土：3，Na2SiO3：1.5，水：38。
本实施例的高温防护搪瓷涂层的制备方法为：
步骤1、将SiO2(粒度8.5μm、纯度99.95％)，BaCO3(粒度8.0μm、纯度99.95％)，CaO(粒度12.0μm、纯度99.95％)，TiO2(粒度9.0μm、纯度99.95％)，ZnO(粒度7.8μm、纯度99.95％)，ZrO2(粒度7.9μm、纯度99.95％)，MoO3(粒度7.5μm、纯度99.95％)，Cr2O3(粒度8.1μm、纯度99.95％)，锻烧高岭土(粒度4.5μm、纯度99.95％)，Na2SiO3(粒度7.2μm、纯度99.95％)和去离子水混合并充分搅拌均匀。放入氧化铝球磨罐，采用氧化锆球，进行480转/分钟、4小时高能球磨，得到搪瓷料浆；
步骤2、将步骤1所述搪瓷料浆喷涂于经过喷砂处理的K430高温合金叶片表面，形成厚度为80μm的料浆涂层，进行200℃、1.5小时烘干；
步骤3、将步骤2中烘干后的K430高温合金叶片放入1190℃的马弗炉中，烧结5分钟后取出，在K430高温合金叶片表面得到高温防护搪瓷涂层。
本实施例制备的高温防护搪瓷涂层热膨胀系数同样增大，具体数值见表6。
表6本实施例高温防护搪瓷涂层线膨胀系数
温度(℃) 20～100 20～200 20～300 20～400 20～500
线膨胀系数 6.46 7.39 7.62 7.81 7.87
对比表6和表2，可以看出本实施例高温防护搪瓷涂层热膨胀系数比原涂层也有明显的提高，改善了原高温搪瓷涂层与K430叶片热膨胀系数(12～13)差距过大的问题。
本实施例制备的K430叶片高温防护搪瓷涂层抗热震性能优良。800℃加热、然后20℃水冷，进行24次的抗热震性能测试，搪瓷涂层没有开裂和剥落。
本实施例制备的K430叶片高温防护搪瓷涂层抗氧化温度达到1100℃，抗氧化性能优良。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种高温防护搪瓷涂层，其特征在于：搪瓷料浆化学组成的质量份分别为：BaCO3：18-22，SiO2：12-15，CaO：1-1.5，TiO2：1.5-2，ZnO：0.5-1，ZrO2：1.5，MoO3：1.5，Cr2O3：13-16，高岭土：2-3，Na2SiO3：1.5，水：35-40。
2.一种制备权利要求1所述高温防护搪瓷涂层的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将BaCO3、SiO2、CaO、TiO2、ZnO、ZrO2、MoO3、Cr2O3、高岭土、Na2SiO3粉料按比例加水均匀混合，然后进行高能球磨，得到搪瓷料浆；
步骤2：将步骤1所述搪瓷料浆喷涂于经过喷砂处理的高温合金叶片表面，形成厚度为60-100μm的料浆涂层，进行200℃、1-2小时烘干；
步骤3：将步骤2中烘干后的高温合金叶片放入1190℃的马弗炉中，烧结5分钟后取出，在高温合金叶片表面得到高温防护搪瓷涂层。
3.根据权利要求2所述一种制备上述高温防护搪瓷涂层的方法，其特征在于：步骤1中BaCO3、SiO2、CaO、TiO2、ZnO、ZrO2、MoO3、Cr2O3、高岭土、Na2SiO3粉料的质量纯度均不小于99.9％。
4.根据权利要求2所述一种制备上述高温防护搪瓷涂层的方法，其特征在于：步骤1中的水为去离子水。
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