CN108441806A - 一种热障涂层的制备方法及其热障涂层 - Google Patents

一种热障涂层的制备方法及其热障涂层 Download PDF

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Abstract

一种热障涂层的制备方法及其热障涂层，方法是采用锆盐和镱盐组成的前驱体溶液作为喷涂原料，在液相等离子喷涂设备中，将该溶液通过二流式雾化喷嘴送入等离子射流，并沉积在基体上形成孔隙分布均匀且具有垂直裂纹结构的热障涂层。制备的热障涂层，是一种具有垂直裂纹的柱状晶、且孔隙均匀分布的纳米结构的热障涂层。本发明以前驱体溶液取代团聚粉末作为原料，大大简化了传统大气等离子喷涂原料造粒的繁琐工艺，提高了生产效率，降低了成本。涂层结构可控，所制得的热障涂层为纳米结构，且具有垂直裂纹结构。陶瓷材料YbSZ具有较高的相稳定性、较低的热导率。

Description

一种热障涂层的制备方法及其热障涂层
技术领域
本发明涉及一种热障涂层材料。特别是涉及一种以溶液前驱体代替常规等离子喷涂工艺中团聚粉末的热障涂层的制备方法及其热障涂层。
背景技术
随着航空燃气涡轮发动机向高流量比、高推重比方向发展，涡轮发动机进口温度进一步提高，从而可以提高发动机效率。现有的金属材料单独使用已经不能满足设计及使用要求。热障涂层(TBCs)是利用陶瓷材料优越的耐高温、抗腐蚀和热导率低等性能，以涂层的方式将陶瓷与金属基体相复合，增强热端部件的抗高温氧化能力和抗腐蚀能力，延长热端部件使用寿命，提高发动机效率的一种表面防护技术。
目前，热障涂层普遍采用陶瓷层和粘结层双层结构材料，陶瓷层的材料为8wt％Y2O3-ZrO2(8YSZ)，该材料被认为是一种标准的陶瓷隔热涂层材料，具有较高的热膨胀系数，较低的热导率及良好的抗热冲击性，但长期使用温度不能超过1200℃。在1200℃以上，亚稳四方相转变为四方相和立方相，然后转变为单斜相，产生体积膨胀，导致涂层剥落失效，从而降低热障涂层的寿命。有研究学者提出用Yb2O3-ZrO2(YbSZ)替代YSZ做热障涂层，该材料具有更好的高温相稳定性。
热障涂层的制备技术主要为电子束物理气相沉积(EB-PVD)和大气等离子喷涂(APS)。EB-PVD制备的热障涂层与基体结合强度高，且涂层为柱状晶结构，该结构使涂层具有更高的使用寿命。传统的APS制备的热障涂层为层状结构，隔热性能优于EB-PVD涂层，但是层间结合较差，使涂层抗热震性能较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够满足长期服役的热端部件的隔热与抗高温氧化腐蚀需求的热障涂层的制备方法及其热障涂层。
本发明所采用的技术方案是：一种热障涂层的制备方法，采用锆盐和镱盐组成的前驱体溶液作为喷涂原料，在液相等离子喷涂设备中，将该溶液通过二流式雾化喷嘴送入等离子射流，并沉积在基体上形成孔隙分布均匀且具有垂直裂纹结构的热障涂层，具体包括如下步骤：
1)按配制200～330ml、氧化镱在氧化锆中的掺杂浓度为8wt％的前驱体溶液计算称取2.76g氧化镱放入烧杯，加8～12mL浓硝酸与8～12mL去离子水，加热搅拌至完全反应，形成硝酸镱溶液；
2)按照氧化镱在氧化锆中的掺杂浓度为8wt％的比例，将硝酸镱溶液加入硝酸锆水溶液中，以最终形成的氧化镱稳定氧化锆材料计算，生成的混合溶液总浓度控制在0.6～1.0mol/L；
3)调节混合溶液PH值在3～4，并在室温下继续搅拌，最终得到前驱体溶液；
4)将得到前驱体溶液放入液相等离子喷涂设备的容器(1)中，并通过软管(2)送入到二流式雾化喷嘴(4)中，在所述的软管(2)上设置有作为前驱体溶液传输动力的蠕动泵(3)；
5)采用二流式雾化喷嘴(4)将前驱体溶液雾化后送入等离子射流(7)，通过等离子射流(7)沉积在高温合金或不锈钢基体上形成热障涂层。
步骤5)中，通过等离子喷枪喷射的等离子射流(7)使雾化后的前驱体溶液进行了溶剂挥发、溶质析出、高温分解、熔化过程。
步骤5)中，在用于向二流式雾化喷嘴(4)送气的气体输送管(6)上设置有用于控制二流式雾化喷嘴(4)雾化气压力的气阀(5)，所述雾化气压力控制在0.2MPa。
步骤5)中所述的二流式雾化喷嘴(4)的雾化角度为10～30°。
.一种采用热障涂层的制备方法制备的热障涂层，是一种具有垂直裂纹的柱状晶、且孔隙均匀分布的纳米结构的热障涂层。
本发明的一种热障涂层的制备方法及其热障涂层，以前驱体溶液取代团聚粉末作为原料，大大简化了传统大气等离子喷涂原料造粒的繁琐工艺，提高了生产效率，降低了成本。涂层结构可控，所制得的热障涂层为纳米结构，且具有垂直裂纹结构。陶瓷材料YbSZ具有较高的相稳定性、较低的热导率。本发明具有如下有益效果：
1、本发明采用前驱体溶液作为喷涂原料，其来源广泛、成本较低。
2、本发明采用前驱体溶液替代微米级团聚粉末作为原料，简化了喷涂原料制备工艺环节，大大提高了生产效率和降低了成本，易于实现工艺化生产。
3、利用等离子射流高温、高速特性，前驱体溶液在等离子射流中瞬间发生溶剂挥发、溶质析出、高温分解、熔化等过程后在基体上形成涂层，该过程在极短时间内完成，能有效抑制晶粒长大，可以保持纳米结构涂层。
4、本发明可以制备出类似柱状晶体结构的垂直裂纹结构涂层，且孔隙率可以通过调节雾化气压力以及喷涂参数进行控制。
5、本发明采用YbSZ陶瓷材料，比8YSZ具有更好的高温相稳定性。
附图说明
图1是实现本发明热障涂层的制备方法的液相等离子喷涂设备的结构示意图；图中：
1：容器 2：软管
3：蠕动泵 4：二流式雾化喷嘴
5：气阀 6：气体输送管
7：等离子射流 8：基体
9：热障涂层 10：等离子喷枪
图2a是本发明实施例1制备的热障涂层相结构示意图；
图2b是本发明实施例1制备的热障涂层表面形貌示意图；
图3是本发明实施例2制备的热障涂层表面形貌示意图；
图4a是本发明实施例3制备的热障涂层表面形貌示意图；
图4b是本发明实施例3制备的热障涂层截面形貌示意图；
图5a是本发明实施例4制备的热障涂层表面形貌示意图；
图5b是本发明实施例4制备的热障涂层截面形貌示意图；
图5c是本发明实施例4制备的热障涂层截面图经过图像处理系统处理之后的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种热障涂层的制备方法及其热障涂层做出详细说明。
本发明的一种热障涂层的制备方法，采用锆盐和镱盐组成的前驱体溶液作为喷涂原料，在液相等离子喷涂设备中，将该溶液通过二流式雾化喷嘴送入等离子射流，并沉积在基体上形成孔隙分布均匀且具有垂直裂纹结构的热障涂层。
如图1所示，所述的液相等离子喷涂设备，包括有：容器1和二流式雾化喷嘴4，一端插入容器1内、另一端连接二流式雾化喷嘴4的软管2，设置在所述软管2上设置有用于驱动容器1内的液体向二流式雾化喷嘴4内流动的蠕动泵3，所述二流式雾化喷嘴4的出口端一侧设置有等离子喷枪10，所述二流式雾化喷嘴4的出口对应所述等离子喷枪10所喷射出的等离子射流7，所述的等离子射流7对应用于被加工的基体8，从而将雾化的液体通过等离子射流7的处理喷射到基体8上形成热障涂层9。其中，用于向二流式雾化喷嘴4送气的气体输送管6上设置有用于控制二流式雾化喷嘴4雾化气压力的气阀5。
本发明的一种热障涂层的制备方法，具体包括如下步骤：
1)按配制200～330ml、氧化镱在氧化锆中的掺杂浓度为8wt％的前驱体溶液计算称取2.76g氧化镱放入烧杯，加8～12mL浓硝酸与8～12mL去离子水，加热搅拌至完全反应，形成硝酸镱溶液；
2)按照氧化镱在氧化锆中的掺杂浓度为8wt％的比例，将硝酸镱溶液加入硝酸锆水溶液中，以最终形成的氧化镱稳定氧化锆材料计算，生成的混合溶液总浓度控制在0.6～1.0mol/L；
3)调节混合溶液PH值在3～4，并在室温下继续搅拌，最终得到前驱体溶液；
4)将得到前驱体溶液放入液相等离子喷涂设备的容器1中，并通过软管2送入到二流式雾化喷嘴4中，在所述的软管2上设置有作为前驱体溶液传输动力的蠕动泵3；
5)采用二流式雾化喷嘴4将前驱体溶液雾化后送入等离子射流7，通过等离子射流7沉积在高温合金或不锈钢基体上形成热障涂层。通过等离子喷枪喷射的等离子射流7使雾化后的前驱体溶液进行了溶剂挥发、溶质析出、高温分解、熔化过程。
用于向二流式雾化喷嘴4送气的气体输送管6上设置有用于控制二流式雾化喷嘴4雾化气压力的气阀5，所述雾化气压力控制在0.2MPa。所述的二流式雾化喷嘴4的雾化角度为10～30°。
本发明的采用热障涂层的制备方法制备的热障涂层，是一种具有垂直裂纹的柱状晶、且孔隙均匀分布的纳米结构的热障涂层。
下面给出具体实例：
实施例1：
称取2.76g氧化镱放入烧杯，加过量(约10mL)浓硝酸与10mL去离子水，加热搅拌至完全反应，形成硝酸镱溶液。称取85.8g五水硝酸锆粉末至烧杯中，并加入去离子水，形成硝酸锆水溶液。将形成的硝酸镱溶液加入到硝酸锆水溶液中，加入去离子水调整浓度，在室温下搅拌，使两种溶液充分混合均匀后得到溶质浓度为0.8mol/L的前驱体溶液。
将所制得的前驱体溶液以24mL/min的流速经过二流式雾化喷嘴雾化后送入等离子射流，雾化气压力为0.2MPa，最终在不锈钢的基体上形成热障涂层。喷涂距离为80mm，电流为600A，喷涂压力为60V。用X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)分别测试了涂层晶体结构和涂层表面形貌。图2a所示，涂层为单一的四方相结构，无单斜相存在。图2b所示，涂层为纳米结构，且存在具有垂直裂纹的柱状晶结构，孔隙均匀分布。
实施例2：
称取2.76g氧化镱放入烧杯，加过量(约8mL)浓硝酸与8mL去离子水，加热搅拌至完全反应，形成硝酸镱溶液。称取85.8g五水硝酸锆粉末至烧杯中，并加入去离子水，形成硝酸锆水溶液。将形成的硝酸镱溶液加入到硝酸锆水溶液中，加入去离子水调整浓度，在室温下搅拌，使两种溶液充分混合均匀后得到溶质浓度为1.0mol/L的前驱体溶液。
将所制得的前驱体溶液以24mL/min的流速经过二流式雾化喷嘴雾化后送入等离子射流，雾化气压力为0.2MPa，最终在不锈钢的基体上形成热障涂层。喷涂距离为80mm，电流为600A，喷涂压力为60V。用X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)分别测试了涂层晶体结构和涂层表面形貌。图3所示，涂层为纳米结构，且存在具有垂直裂纹的柱状晶结构，存在大量均匀分布的孔隙。
实施例3：
称取2.76g氧化镱放入烧杯，加过量(约12mL)浓硝酸与12mL去离子水，加热搅拌至完全反应，形成硝酸镱溶液。称取85.8g五水硝酸锆粉末至烧杯中，并加入去离子水，形成硝酸锆水溶液。将形成的硝酸镱溶液加入到硝酸锆水溶液中，加入去离子水调整浓度，在室温下搅拌，使两种溶液充分混合均匀后得到溶质浓度为0.6mol/L的前驱体溶液。
将所制得的前驱体溶液以24mL/min的流速经过二流式雾化喷嘴雾化后送入等离子射流，雾化气压力为0.2MPa，最终在不锈钢的基体上形成热障涂层。喷涂距离为80mm，电流为600A，喷涂压力为60V。用X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)分别测试了涂层晶体结构和涂层表面形貌。图4a和图4b所示，涂层为纳米结构，且存在具有垂直裂纹的柱状晶结构，存在大量均匀分布的孔隙。
实施例4：
按照实施例1制备前驱体溶液，调整喷涂距离为60mm，电流为600A，喷涂压力为60V，最终在高温合金的基体上形成热障涂层。用SEM测试涂层微观结构，并用图像处理系统分析涂层孔隙率。如图5a所示，涂层表面为团簇状结构。如图5b所示，涂层为纳米结构，涂层中形成了垂直裂纹的柱状晶结构，孔隙在涂层中均匀分布，通过图5c计算孔隙率可达35％以上。

Claims (5)

1.一种热障涂层的制备方法，其特征在于，采用锆盐和镱盐组成的前驱体溶液作为喷涂原料，在液相等离子喷涂设备中，将该溶液通过二流式雾化喷嘴送入等离子射流，并沉积在基体上形成孔隙分布均匀且具有垂直裂纹结构的热障涂层，具体包括如下步骤：
1)按配制200～330ml、氧化镱在氧化锆中的掺杂浓度为8wt％的前驱体溶液计算称取2.76g氧化镱放入烧杯，加8～12mL浓硝酸与8～12mL去离子水，加热搅拌至完全反应，形成硝酸镱溶液；
2)按照氧化镱在氧化锆中的掺杂浓度为8wt％的比例，将硝酸镱溶液加入硝酸锆水溶液中，以最终形成的氧化镱稳定氧化锆材料计算，生成的混合溶液总浓度控制在0.6～1.0mol/L；
3)调节混合溶液PH值在3～4，并在室温下继续搅拌，最终得到前驱体溶液；
4)将得到前驱体溶液放入液相等离子喷涂设备的容器(1)中，并通过软管(2)送入到二流式雾化喷嘴(4)中，在所述的软管(2)上设置有作为前驱体溶液传输动力的蠕动泵(3)；
5)采用二流式雾化喷嘴(4)将前驱体溶液雾化后送入等离子射流(7)，通过等离子射流(7)沉积在高温合金或不锈钢基体上形成热障涂层。
2.根据权利要求1所述的一种热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤5)中，通过等离子喷枪喷射的等离子射流(7)使雾化后的前驱体溶液进行了溶剂挥发、溶质析出、高温分解、熔化过程。
3.根据权利要求1所述的一种热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤5)中，在用于向二流式雾化喷嘴(4)送气的气体输送管(6)上设置有用于控制二流式雾化喷嘴(4)雾化气压力的气阀(5)，所述雾化气压力控制在0.2MPa。
4.根据权利要求1所述的一种热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤5)中所述的二流式雾化喷嘴(4)的雾化角度为10～30°。
5.一种采用权利要求1所述的热障涂层的制备方法制备的热障涂层，其特征在于，是一种具有垂直裂纹的柱状晶、且孔隙均匀分布的纳米结构的热障涂层。
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