CN108588627B - 一种隔热防护用高熵合金涂层 - Google Patents

一种隔热防护用高熵合金涂层 Download PDF

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Abstract

一种隔热防护用高熵合金涂层，属于表面涂层技术领域。选用原材料为利用气雾化法制备得到高熵合金粉末，选择其中具有较好球形度且粒度均在15～70μm的合金粉末。采用大气等离子喷涂方法制备高熵合金涂层，本发明所制备的涂层在中高温条件下保持较好的涂层微结构、高硬度、高韧性的同时具有较低且稳定的热导率。可应用于表面隔热防护领域。

Description

一种隔热防护用高熵合金涂层
技术领域
本发明属于表面涂层领域，具体涉及一种可应用于热机(特别是柴油机)隔热防护的高熵合金涂层材料。
背景技术
柴油发动机由于不用受爆燃的限制以及柴油自燃的需要，其压缩比和燃油效率更高。然而柴油发动机在重量体积方面的缺陷以及燃烧的不充分限制了其发展。所以提高柴油发动机的燃料利用率，减少污染物的排放尤为重要。所以利用热障涂层可以有效减少用于热载构件的冷却系统，促进热能更充分的转化为机械能，提高柴油机的利用率。
热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)技术的研发最早主要集中在航空发动机上的应用。如典型的采用等离子喷涂或物理气相沉积技术制备的氧化钇稳定氧化锆(YSZ,ZrO2/6-8Y2O3)涂层。这种陶瓷基材料优势在于在温度范围1000℃-1400℃内可以具有2W/mK左右的导热性(见专利CN201280055167.7)。但是陶瓷材料韧性较差，与金属基体的热胀系数差异较大，需要有过渡层，所以该种涂层制备工艺复杂、成本相对较高。
不同于航空发动机的高温应用环境，汽车发动机的热端面工作环境温度相对较低，约为300℃-500℃，有研究者针对于此提出了金属基热障涂层，如铁基非晶涂层(见专利CN201610024163.2)。这种非晶涂层在中低温环境(<500℃)下，可以保持较低的热导率，但在中高温条件下会发生晶化现象，导致热导率发生突变，另外非晶合金自身脆性较大。
相比于航空发动机的高温工作环境和汽油发动机的中低温环境，工作温度在400-800℃范围内的热载荷部件，比如柴油发动机热端面，设计制备具有稳定结构特征的高熵合金涂层可以有效解决传统陶瓷基热障涂层或非晶合金防护涂层的局限性。
经检索，目前并没有本发明涉及的隔热防护用的高熵合金涂层相关技术的专利报到。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可在中高温条件下作隔热防护用的热障涂层材料，用于保护热机特别是柴油机的热载荷构件。
所述热障涂层为高熵合金涂层，其特征在于：高熵合金涂层中元素成分及其摩尔百分含量范围如下：Al:0-25％；Co:10-25％；Cr:10-25％；Fe:10-25％；Ni:10-25％；Ti：5-25％。
优选所述高熵合金涂层中元素种类及其成分的含量范围如下：Al:5-20％；Co:12-20％；Cr:12-20％；Fe:12-20％；Ni:12-20％；Ti:5-20％。
上述隔热防护用高熵合金涂层，其特征在于，涂层是由大气等离子喷涂沉积而成，其工艺参数为：电流550-650A,氩气流量：35L/min,氢气流量：10L/min,送粉率：54g/min,喷涂距离：115～135mm；采用的原材料是包含Al、Co、Cr、Fe、Ni、Ti的合金粉末，合金粉末的粒度为15-70μm。
本发明的高熵合金涂层作为400-900℃工作温度范围的隔热防护层用。
本发明采用大气等离子喷涂方法制备的一种高熵合金涂层所具有的低热导率主要是其自身组织结构所决定的。其作用为：
涂层材料宏观的层状结构，以及高熵合金自身属性决定的其内部微观结构所形成的极大的晶格畸变，增加了对电子和声子的散射作用。
涂层的总体隔热效果主要是通过合金自身组分的结构特点与制备方法共同作用得到，并不是任意单一元素决定的，但也是缺一不可的，当然也不是仅仅通过有限次试验就可以得到的。
本发明与常规的陶瓷基热障涂层和已公开的金属基非晶热障涂层相比，该高熵合金隔热涂层具有以下特点：
1、具有较低的热导率，室温可低至3W/mK左右；
2、与常规的陶瓷基热障涂层相比，高熵合金涂层表现出较好的韧性，能够有效弥补陶瓷的缺陷；同时能够与金属基体具有更好的热膨胀匹配性，并简化制备工艺(无需粘结层)、降低成本。
3、和已公开的金属基非晶热障涂层相比，高熵合金热障涂层具有较好的热稳定性，在900℃以内不会发生热传导的突变。
4、本发明制备的高熵合金涂层在保持较好的涂层微结构、高硬度、高韧性的同时具有较低的热导率。本发明对于中高温服役环境中的热载荷部件的隔热防护是一种较为适宜的解决方案。
附图说明
图1实施例2制备的高熵合金粉末SEM特征形貌图；
图2实施例2制备的高熵合金涂层XRD分析图谱；
图3实施例2制备的高熵合金涂层SEM典型形貌特征；
图4实施例2制备的高熵合金涂层和对比例1制备的铁基非晶涂层(见专利ZL201610024163.2)的变温热导率对比结果。
具体实施方式
下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点，本发明决非仅局限于所陈述的以下实施例。
制备一种中高温高熵合金热障涂层，包括以下特点：
1、采用高压氮气气体雾化法制备合金粉末，收集筛分15～70μm的粉末用于大气等离子喷涂。2、采用大气等离子喷涂工艺制备高熵合金涂层。其工艺参数为：电流550-650A,氩气流量：35L/min,氢气流量：10L/min,送粉率：54g/min,喷涂距离：115～135mm。
实施例1
高熵合金涂层中元素成分的原子百分比如下：Al:21.5％；Co:16.7％；Cr:18％；Fe:19％；Ni:15％；Ti：9.8％；及不可避免杂质：<0.5％。
实施例2
高熵合金涂层中元素成分的摩尔百分比如下：Al:12.7％；Co:15％；Cr:17.5％；Fe:18.6％；Ni:17％；Ti：19.2％；及不可避免杂质：<0.5％。
实施例3
高熵合金涂层中元素成分的摩尔百分比如下：Al:17.7％；Co:22.6％；Cr:16％；Fe:15％；Ni:17％；Ti：11.7％；及不可避免杂质：<0.5％。
实施例4
高熵合金涂层中元素成分的摩尔百分比如下：Al:18.8％；Co:16％；Cr:10.7％；Fe:16.8％；Ni:18.3％；Ti：19.4％；及不可避免杂质：<0.5％。
实施例5
高熵合金涂层中元素成分的摩尔百分比如下：Al:19％；Co:18％；Cr:17.7％；Fe:11.5％；Ni:18％；Ti：15.8；及不可避免杂质：<0.5％。
实施例6
高熵合金涂层中元素成分的摩尔百分比如下：Al:16.8％；Co:16％；Cr:18.7％；Fe:16.8％；Ni:23.6％；Ti：10.1；及不可避免杂质：<0.5％。
实施例7
高熵合金涂层中元素成分的摩尔百分比如下：Al:18.7％；Co:18.8％；Cr:18.7％；Fe:19.8％；Ni:19.7％；Ti：4.3％；及不可避免杂质：<0.5％。
实施例8
高熵合金涂层中元素成分的摩尔百分比如下：Al:21.8％；Co:10.5％；Cr:18.7％；Fe:15.8％；Ni:14.7％；Ti：18.5；及不可避免杂质：<0.5％。
实施例9
高熵合金涂层中元素成分的摩尔百分比如下：Al:15.9％；Co:20.1％；Cr:15.2％；Fe:22.7％；Ni:10.5％；Ti：15.6；及不可避免杂质：<0.5％。
实施例10
高熵合金涂层中元素成分的摩尔百分比如下：Al:17.5％；Co:26.8％；Cr:15.7％；Fe:20.5％；Ni:18.5％；Ti：0；及不可避免杂质：<0.5％。
对比例1
铁基非晶涂层中元素成分的质量百分比如下：Cr:19％；Nb:5％；Si:5.7％；B:3.2％；Fe及不可避免杂质：余量(见专利ZL201610024163.2)。
对比例2
高熵合金涂层中元素成分的摩尔百分比如下：Al:30％；Co:16％；Cr:15.5％；Fe:16.7％；Ni:17％；Ti：4.8％；及不可避免杂质：<0.5％。
对比例3
高熵合金涂层中元素成分的摩尔百分比如下：Al:18.5％；Co:26％；Cr:14.8％；Fe:16.3％；Ni:13.5％；Ti：10.9％；及不可避免杂质：<0.5％。
对比例4
高熵合金涂层中元素成分的摩尔百分比如下：Al:17.6％；Co:18.2％；Cr:22.5％；Fe:13.8％；Ni:14.9％；Ti：13％；及不可避免杂质：<0.5％。
对比例5
高熵合金涂层中元素成分的摩尔百分比如下：Al:11.5％；Co:16.3％；Cr:14.5％；Fe:18.2％；Ni:24.8％；Ti：14.7；及不可避免杂质：<0.5％。
对各实施例及对比例涂层进行孔隙率分析，采用IMAGE PRO PLUS 6.0图像分析软件分析涂层孔隙率，分别对每个实施例及对比例所制备的涂层的10个截面区域进行计算分析，取其平均值。
对各个实施例及对比例涂层进行XRD、SEM以及显微硬度测试；根据Chicot等人的方法对各个实施例及对比例涂层采用维氏硬度压痕裂纹长度测量，从而进一步评价涂层的断裂韧性(裂纹长度越长，断裂韧性越差)；采用激光导热分析仪分析各实施例及对比例所制备涂层的室温热导率以及其随温度变化的结果。
表1实施例1-10与对比例1-5的测试结果
Figure BDA0001624137590000031
Figure BDA0001624137590000041

Claims (3)

1.一种高熵合金涂层作为400-900℃工作温度范围的隔热防护层的应用，其特征在于：所述涂层元素成分及其摩尔百分含量如下：Al：12.7％；Co：15％；Cr：17.5％；Fe：18.6％；Ni：17％；Ti：19.2％，及不可避免杂质：<0.5％。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述涂层是由大气等离子喷涂沉积而成，其工艺参数为：电流550-650A,氩气流量：35L/min,氢气流量：10L/min,送粉率：54g/min,喷涂距离：115～135mm。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述涂层采用的原材料是利用高压氮气气体雾化方法制备的合金粉末，包含Al、Co、Cr、Fe、Ni、Ti，合金粉末的粒度为15-70μm。
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