CN108239737A - 热障涂层制备方法 - Google Patents

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Abstract

热障涂层制备方法。由于飞机发动机热端组件的工作温度可高达1350 ℃，因此需要用到许多先进结构材料制备热障涂层(TBCs)来冷却发动机热端组件。一种使用纳米CYSZ陶瓷层材料，其熔点达2700 ℃；热导率为1.29W·m‑1·K‑1，热膨胀系数为11×10‑6 ℃‑1，其低密度(6.4 g/cm3)可以减轻发动机质量；低弹性模量可以减少热应力；用共沉淀法制备CeO2—Y2O3共稳定的CYSZ纳米陶瓷粉末，再对CYSZ纳米粉喷雾造粒后，采用等离子喷涂技术方法制备纳米CYSZ陶瓷热障涂层，将稀土材料与纳米材料独有的特点与热障涂层材料相结合，通过研究得到热障涂层微观组织与宏观性能之间的关系，使CeO2—Y2O3共稳定的CYSZ热障涂层很好地应用于工作温度不断提高的发动机热端部件。本发明用于等离子热喷涂法制备的发动机构件表面。

Description

热障涂层制备方法
技术领域：
本发明涉及一种喷涂防护与发动机热防护领域，尤其涉及一种热障涂层制备方法。
背景技术：
由于飞机发动机热端组件的工作温度可高达1350 ℃，因此需要用到许多先进结构材料制备热障涂层(TBCs)来冷却发动机热端组件；热障涂层把热端组件从大量持续的热负荷中隔离出来，使负载合金与涂层表面之间存在可承受的温差；因此，热障涂层应具有较高的相稳定性避免由相变引起体积变化、较低的热导率以保护基体免受高温侵蚀、较好的热震性能以延长涂层使用寿命；目前，等离子喷涂制备YSZ涂层的研究在很多文献中都有记载，但对采用共沉淀法制备CeO2稳定YSZ(CYSZ)纳米陶瓷粉末并大气等离子喷涂成热障涂层的研究却很少。
发明内容：
本发明的目的是提供一种热障涂层制备方法。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
热障涂层制备方法，使用纳米CYSZ陶瓷层材料，其熔点达2700 ℃；热导率为1.29W·m-1·K-1，低热导率，可提高陶瓷层隔热性能，热膨胀系数为11×10-6 ℃-1，可以减少金属基体与陶瓷层之间热膨胀系数不匹配产生的应力；其低密度(6.4 g/cm3)可以减轻发动机质量；低弹性模量可以减少热应力；较高硬度(1350.8 HV)使得CYSZ材料具有优良的耐磨性与耐腐蚀性，高的抗热震性使得CYSZ具有优异的热稳定性，更适合发动机热端部件高温环境的应用，用共沉淀法制备CeO2—Y2O3共稳定的CYSZ纳米陶瓷粉末，再对CYSZ纳米粉喷雾造粒后，采用等离子喷涂技术方法制备纳米CYSZ陶瓷热障涂层，将稀土材料与纳米材料独有的特点与热障涂层材料相结合，通过研究得到热障涂层微观组织与宏观性能之间的关系，使CeO2—Y2O3共稳定的CYSZ热障涂层很好地应用于工作温度不断提高的发动机热端部件；所述的纳米CYSZ陶瓷热障涂层的材质为：以ZrOCl2·8H2O、Y(NO3)3·6H2O、Ce(NO3)3·6H2O为原料，以NH3·H2O作沉淀剂，以PEG-6000作分散剂，经水浴搅拌、陈化、抽滤、水洗醇洗、混合沉淀等工序处理，再经研磨、干燥处理，将得到的物质与氢氧化物混合后经煅烧，得CYSZ复合纳米粉；将CYSZ复合纳米粉加入粘合剂PVA和去离子水，进行球磨，再通过喷雾造粒团聚成球形粉末，对造粒后的球形粉末干燥，脱去PVA；采用等离子喷涂设备，在合金钢（35Cr2Ni4MoA）基体上喷涂粘结层（450NS镍铝粉）和造粒后的CYSZ陶瓷复合纳米粉，得到纳米CYSZ陶瓷热障涂层。
所述的热障涂层制备方法，涂层包括高温合金基体、Ni/Al粘结层和纳米CYSZ陶瓷热障涂层，所述的高温合金基体表面连接Ni/Al粘结层，所述的Ni/Al粘结层连接纳米CYSZ陶瓷热障涂层。
所述的热障涂层制备方法，所述的高温合金基体表面需采用24目白刚玉砂，进行喷砂处理，使基体表面粗糙度≥4μm，再喷涂连接Ni/Al粘结层，所述的喷涂Ni/Al粘结层和所述的喷涂纳米CYSZ陶瓷热障涂层的厚度分别为100μm和200μm。
所述的热障涂层制备方法所述的高温合金基体即为发动机热端组件，其材质为35Cr2Ni4MoA合金结构钢。
所述的热障涂层制备方法，所述的Ni/Al粘结层材料为450NS镍铝粉末(80 %Ni和20 %Al)。
本发明的有益效果：
1.本发明的热障涂层，使用纳米CYSZ陶瓷热障涂层的优点是：增加发动机的功率密度，燃料效率，并提高发动机的安全可靠性。
本发明的热障涂层，使用纳米CYSZ陶瓷层材料，其熔点达2700 ℃；热导率为1.29W·m-1·K-1，低热导率，可提高陶瓷层隔热性能，热膨胀系数为11×10-6 ℃-1，可以减少金属基体与陶瓷层之间热膨胀系数不匹配产生的应力；其低密度(6.4 g/cm3)可以减轻发动机质量；低弹性模量可以减少热应力；较高硬度(1350.8 HV)使得CYSZ材料具有优良的耐磨性与耐腐蚀性，高的抗热震性使得CYSZ具有优异的热稳定性，更适合发动机热端部件高温环境的应用。
本发明的热障涂层，目的是用共沉淀法制备CeO2—Y2O3共稳定的CYSZ纳米陶瓷粉末，再对CYSZ纳米粉喷雾造粒后，采用等离子喷涂技术方法制备纳米CYSZ陶瓷热障涂层，将稀土材料与纳米材料独有的特点与热障涂层材料相结合，通过研究得到热障涂层微观组织与宏观性能之间的关系，使CeO2—Y2O3共稳定的CYSZ热障涂层很好地应用于工作温度不断提高的发动机热端部件。
附图说明：
附图1是本发明的结构示意图。
附图2是本发明的制备纳米陶瓷粉末的工艺路线图。
附图3是本发明的纳米CYSZ陶瓷粉末喷雾造粒工艺流程图。
图中：1 —高温合金基体；2 — Ni/Al粘结层；3 —纳米CYSZ陶瓷热障涂层。
具体实施方式：
实施例1：
热障涂层制备方法，使用纳米CYSZ陶瓷层材料，其熔点达2700 ℃；热导率为1.29W·m-1·K-1，低热导率，可提高陶瓷层隔热性能，热膨胀系数为11×10-6 ℃-1，可以减少金属基体与陶瓷层之间热膨胀系数不匹配产生的应力；其低密度(6.4 g/cm3)可以减轻发动机质量；低弹性模量可以减少热应力；较高硬度(1350.8 HV)使得CYSZ材料具有优良的耐磨性与耐腐蚀性，高的抗热震性使得CYSZ具有优异的热稳定性，更适合发动机热端部件高温环境的应用，用共沉淀法制备CeO2—Y2O3共稳定的CYSZ纳米陶瓷粉末，再对CYSZ纳米粉喷雾造粒后，采用等离子喷涂技术方法制备纳米CYSZ陶瓷热障涂层，将稀土材料与纳米材料独有的特点与热障涂层材料相结合，通过研究得到热障涂层微观组织与宏观性能之间的关系，使CeO2—Y2O3共稳定的CYSZ热障涂层很好地应用于工作温度不断提高的发动机热端部件。
实施例2：
所述的热障涂层制备方法，所述的Ni/Al粘结层材料为450NS镍铝粉末(80 %Ni和20 %Al)。
所述的热障涂层制备方法，其组成包括：高温合金基体、Ni/Al粘结层和纳米CYSZ陶瓷热障涂层，所述的高温合金基体1表面连接Ni/Al粘结层2，所述的Ni/Al粘结层连接纳米CYSZ陶瓷热障涂层3。
实施例2：
所述的热障涂层制备方法，所述的高温合金基体表面需采用24目白刚玉砂，进行喷砂处理，使基体表面粗糙度≥4μm，再喷涂连接Ni/Al粘结层，所述的喷涂Ni/Al粘结层和所述的喷涂纳米CYSZ陶瓷热障涂层的厚度分别为100μm和200μm。
实施例3：
根据权利要求1所述的热障涂层制备方法，所述的高温合金基体即为发动机热端组件，其材质为35Cr2Ni4MoA合金结构钢。
实施例4：
根据权利要求1所述的热障涂层制备方法，所述的Ni/Al粘结层材料为450NS镍铝粉末(80 %Ni和20 %Al)。
所述的纳米CYSZ陶瓷热障涂层的材质为：以ZrOCl2·8H2O、Y(NO3)3·6H2O、Ce(NO3)3·6H2O为原料，以NH3·H2O作沉淀剂，以PEG-6000作分散剂，经水浴搅拌、陈化、抽滤、水洗醇洗、混合沉淀等工序处理，再经研磨、干燥处理，将得到的物质与氢氧化物混合后经煅烧，得CYSZ复合纳米粉；将CYSZ复合纳米粉加入粘合剂PVA和去离子水，进行球磨，再通过喷雾造粒团聚成球形粉末，对造粒后的球形粉末干燥，脱去PVA；采用等离子喷涂设备，在合金钢（35Cr2Ni4MoA）基体上喷涂粘结层（450NS镍铝粉）和造粒后的CYSZ陶瓷复合纳米粉，得到纳米CYSZ陶瓷热障涂层。

Claims (5)

1.一种热障涂层制备方法，其特征是：所述的纳米CYSZ陶瓷热障涂层的材质为：以ZrOCl2·8H2O、Y(NO3)3·6H2O、Ce(NO3)3·6H2O为原料，以NH3·H2O作沉淀剂，以PEG-6000作分散剂，经水浴搅拌、陈化、抽滤、水洗醇洗、混合沉淀等工序处理，再经研磨、干燥处理，将得到的物质与氢氧化物混合后经煅烧，得CYSZ复合纳米粉；将CYSZ复合纳米粉加入粘合剂PVA和去离子水，进行球磨，再通过喷雾造粒团聚成球形粉末，对造粒后的球形粉末干燥，脱去PVA；采用等离子喷涂设备，在合金钢（35Cr2Ni4MoA）基体上喷涂粘结层（450NS镍铝粉）和造粒后的CYSZ陶瓷复合纳米粉，得到纳米CYSZ陶瓷热障涂层；
使用纳米CYSZ陶瓷层材料，其熔点达2700 ℃；热导率为1.29W·m-1·K-1，低热导率，可提高陶瓷层隔热性能，热膨胀系数为11×10-6 ℃-1，可以减少金属基体与陶瓷层之间热膨胀系数不匹配产生的应力；其低密度(6.4 g/cm3)可以减轻发动机质量；低弹性模量可以减少热应力；较高硬度(1350.8 HV)使得CYSZ材料具有优良的耐磨性与耐腐蚀性，高的抗热震性使得CYSZ具有优异的热稳定性，更适合发动机热端部件高温环境的应用，用共沉淀法制备CeO2—Y2O3共稳定的CYSZ纳米陶瓷粉末，再对CYSZ纳米粉喷雾造粒后，采用等离子喷涂技术方法制备纳米CYSZ陶瓷热障涂层，将稀土材料与纳米材料独有的特点与热障涂层材料相结合，通过研究得到热障涂层微观组织与宏观性能之间的关系，使CeO2—Y2O3共稳定的CYSZ热障涂层很好地应用于工作温度不断提高的发动机热端部件。
2.根据权利要求1所述的热障涂层制备方法，其特征是：涂层包括高温合金基体、Ni/Al粘结层和纳米CYSZ陶瓷热障涂层，所述的高温合金基体表面连接Ni/Al粘结层，所述的Ni/Al粘结层连接纳米CYSZ陶瓷热障涂层。
3.根据权利要求1所述的热障涂层制备方法，其特征是：所述的高温合金基体表面需采用24目白刚玉砂，进行喷砂处理，使基体表面粗糙度≥4μm，再喷涂连接Ni/Al粘结层，所述的喷涂Ni/Al粘结层和所述的喷涂纳米CYSZ陶瓷热障涂层的厚度分别为100μm和200μm。
4.根据权利要求1=5之一所述的热障涂层制备方法，其特征是：所述的高温合金基体即为发动机热端组件，其材质为35Cr2Ni4MoA合金结构钢。
5.根据权利要求1-5之一所述的热障涂层制备方法，其特征是：所述的Ni/Al粘结层材料为450NS镍铝粉末(80 %Ni和20 %Al)。
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