CN109112460B - 一种热喷涂耐高温陶瓷涂层的制备方法 - Google Patents

一种热喷涂耐高温陶瓷涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种热喷涂耐高温陶瓷涂层的制备方法，属于热喷涂陶瓷复合材料领域。本发明所述方法为对基体表面进行粗化、清洁处理，然后将粘结剂送入送粉器内在基体的待喷涂表面喷涂粘结层；将高温强化剂与冷却剂的混合粉末和温度控制剂分别送入两个送粉器中，在喷涂了粘结层的基体表面进行热喷涂得到耐高温陶瓷涂层；本发明的耐高温陶瓷涂层在使用过程中高熔点金属构成多孔的涂层主体，承载负荷和冲击，孔内填充低熔点金属；该涂层在高温下工作时，低熔点金属蒸发吸热，从而冷却涂层，使该涂层使用寿命得到延长且能在更高的温度下工作。

Description

一种热喷涂耐高温陶瓷涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种热喷涂耐高温陶瓷涂层的制备方法，属于热喷涂技术领域。
背景技术
火箭发动机工作时，推进剂燃烧产生高温燃气流，温度高达3000K以上，一般的镍基和钴基高温合金、甚至陶瓷涂层也无法完全承受这么高的温度。发动机喷注器面板、燃烧推力室内衬等部分的材料无法承受这么高的温度，从而影响了整个发动机的服役寿命，造成资源的极大浪费。
针对该问题现阶段在高温合金的基础上采取有效的冷却措施，包括再生冷却、膜冷却、辐射冷却、烧蚀冷却等，但是该类冷却技术工艺改进较大、操作难度较高，资源循环利用率较差，没能达到绿色环保的解决该问题的初衷。
因此针对上述的问题，需要一种低成本、工艺简单的方法来提高发动机关键部位材料的耐热性、延长发动机的服役寿命。
发明内容
本发明要解决的问题是：陶瓷涂层在使用过程中因温度过高，发生高温相变或者高温蠕变，无法达到使用要求，严重缩短陶瓷涂层的高温服役寿命的问题。
本发明的目的在于提供一种热喷涂耐高温陶瓷涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）对基体表面进行粗化、清洁处理，然后将粘结剂送入送粉器内在基体的待喷涂表面喷涂粘结层；
（2）将高温强化剂与冷却剂混合均匀得到混合粉末，将所得混合粉末和温度控制剂分别送入两个送粉器中，在喷涂了粘结层的基体表面进行热喷涂得到耐高温陶瓷涂层；
步骤（1）和（2）中各原料的重量份数为：高温强化剂50~60重量份，粘结剂20~30重量份，温度控制剂5~20重量份，冷却剂5~10重量份。
优选的，本发明所述高温强化剂为B4C、TiC、TiN、AlN粉末中的一种、两种或多种按任意比例混合得到的混合粉末，粉末过325目机械振动筛。
优选的，本发明所述粘结剂为NiAl、NiCr、CoCr粉末中的一种，，粉末过325目机械振动筛。
优选的，本发明所述温度控制剂为SnO2、Cu、In2O3粉末中的一种，粉末过325目机械振动筛。
优选的，本发明所述冷却剂均为表面铜包裹的Ti、Sn、Ni、In粉末中的一种，粉末过325目机械振动筛。
本发明所述方法中：基体表面的粗化、清洁处理（将基材表面进行喷砂粗糙处理，然后利用干燥空气对喷砂表面进行清洁处理，喷砂粗糙过程中所使用的的沙粒材料为：锆刚玉、白刚玉或棕刚玉，其粒度为15~30μm），在基体的待喷涂表面利用超音速火焰喷涂技术喷涂粘结层，热喷涂（等离子喷涂、超音速火焰喷涂等）技术均为本领域的常规技术。
本发明的有益效果：
（1）本发明利用热喷涂技术和特定原料使陶瓷涂层能在更高温度的环境下服役，最大限度的延长陶瓷涂层的高温服役寿命。
（2）本发明所述陶瓷涂层冷却效果可靠，只需要较少的温度控制剂就能实现良好的冷却效果；温度控制剂在壁面挥发速率较慢，不会对涂层性能影响较小；制备成本较低、工艺简单、能最大限度的提高陶瓷涂层的服役温度。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例所述方法中所用原料及质量分数为：高温强化剂60重量份，粘结剂20重量份，温度控制剂10重量份，冷却剂10重量份，其中高温强化剂为B4C，粘结剂为NiAl，温度控制剂为SnO2，冷却剂为Ni。
一种热喷涂耐高温陶瓷涂层的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）基材表面进行喷砂粗糙处理，然后利用干燥空气对喷砂表面进行清洁处理，喷砂粗糙过程中所使用的的沙粒材料为锆刚玉，其粒度为15~30μm。
（2）称取60gB4C粉，20gNiAl粉，10gSnO2，10g 铜包Ni粉。利用机械球磨法将物料进行破碎，过325目机械振动筛。
（3）把步骤（2）中制得的60gB4C粉末，10g 铜包Ni粉末进行充分混合。
（4）将（2）中得到的NiAl粉末送入送粉器内利用超音速火焰喷涂在（1）得到的基材表面进行粘结层的喷涂。
（5）设置等离子喷涂设备参数，将步骤（2）中得到的10g SnO2粉末放入一个送粉器，将步骤（3）中制得的的粉末放入另一个送粉器，设置等离子喷涂设备参数（喷涂距离为18mm；功率12kW；Ar流量100L/min；N2流量200L/min；H2流量10L/min，送粉电压为18V），利用等离子喷涂设备在步骤（4）所得基体表面进行涂层喷涂，基体表面获得热喷涂耐高温陶瓷涂层。
实施例2
本实施例所述方法中所用原料及质量分数为：高温强化剂50重量份，粘结剂30重量份，温度控制剂12重量份，冷却剂8重量份，其中高温强化剂为TIC，粘结剂为NiCr，温度控制剂为Cu，冷却剂为Sn。
本实施例热喷涂技术制备耐高温陶瓷涂层的制备及使用方法，具体方法为：
（1）基材表面进行喷砂粗糙处理，然后利用干燥空气对喷砂表面进行清洁处理，喷砂粗糙过程中所使用的的沙粒材料为锆刚玉，其粒度为15~30μm。
（2）称取50gTIC粉末、30g NiCr粉末、12gCu粉末、8g 铜包Sn粉末。利用机械球磨法将物料进行破碎，过325目机械振动筛。
（3）把步骤（2）中制得的50gTIC粉末与8g铜包Sn粉末进行充分混合。
（4）将（2）中得到的NiCr粉末送入送粉器内利用超音速火焰喷涂在（1）得到的基材表面进行粘结层的喷涂。
（5）设置等离子喷涂设备参数，将步骤（2）中得到的12g Cu粉末放入一个送粉器，将步骤（3）中制得的的粉末放入另一个送粉器，设置等离子喷涂设备参数（喷涂距离为22mm；功率180kW；Ar流量150L/min；N2流量300L/min；H2流量20L/min，送粉电压为18V），利用等离子喷涂设备在步骤（4）所得基体表面进行涂层喷涂，基体表面获得热喷涂耐高温陶瓷涂层。
实施例3
本实施例所述方法中所用原料及质量分数为：高温强化剂50重量份，粘结剂25重量份，温度控制剂20重量份，冷却剂5重量份，其中高温强化剂为TiN粉末，粘结剂为CoCr粉末，温度控制剂为In2O3粉末，冷却剂为铜包Ti粉末。
本实施例热喷涂耐高温陶瓷涂层的制备及使用方法，具体方法为：
（1）基材表面进行喷砂粗糙处理，然后利用干燥空气对喷砂表面进行清洁处理，喷砂粗糙过程中所使用的沙粒材料为锆刚玉，其粒度为15~30μm。
（2）称取50gTiN粉末、25gCoCr粉末，20gIn2O3粉末，5g 铜包Ti粉末。利用机械球磨法将物料进行破碎，过325目机械振动筛。
（3）把步骤（2）中制得的50g TiN粉末与5g 铜包Ti粉末进行充分混合。
（4）将（2）中得到的CoCr粉末送入送粉器内利用超音速火焰喷涂在（1）得到的基材表面进行粘结层的喷涂。
（5）设置等离子喷涂设备参数，将步骤（2）中得到的20gIn2O3粉末放入一个送粉器，将步骤（3）中制得的的粉末放入另一个送粉器，设置等离子喷涂设备参数（喷涂距离为19mm；功率170kW；Ar流量140L/min；N2流量260L/min；H2流量18L/min，送粉电压为18V），利用等离子喷涂设备在步骤（4）所得基体表面进行涂层喷涂，基体表面获得热喷涂耐高温陶瓷涂层。
实施例4
本实施例所述方法中所用原料及质量分数为：高温强化剂55重量份，粘结剂30重量份，温度控制剂5重量份，冷却剂10重量份，其中高温强化剂为AlN粉末，粘结剂为CoCr粉末，温度控制剂为Cu粉末，冷却剂为铜包In粉末。
本实施例热喷涂耐高温陶瓷涂层的制备及使用方法，具体方法为：
（1）基材表面进行喷砂粗糙处理，然后利用干燥空气对喷砂表面进行清洁处理，喷砂粗糙过程中所使用的沙粒材料为锆刚玉，其粒度为15~30μm。
（2）称取55g AlN粉末、30g CoCr粉末，5g Cu粉末，10g 铜包In粉末。利用机械球磨法将物料进行破碎，过325目机械振动筛。
（3）把步骤（2）中制得的55g AlN粉末与10g 铜包In粉末进行充分混合。
（4）将（2）中得到的CoCr粉末送入送粉器内利用超音速火焰喷涂在（1）得到的基材表面进行粘结层的喷涂。
（5）设置等离子喷涂设备参数，将步骤（2）中得到的5g Cu粉末放入一个送粉器，将步骤（3）中制得的粉末放入另一个送粉器，设置等离子喷涂设备参数（喷涂距离为20mm；功率150kW；Ar流量130L/min；N2流量240L/min；H2流量17L/min，送粉电压为18V），利用等离子喷涂设备在步骤（4）所得基体表面进行涂层喷涂，基体表面获得热喷涂耐高温陶瓷涂层。
表1为实施例1-4所得耐高温陶瓷涂层与对应的传统方法所制备的陶瓷涂层进行承受的最高温度、硬度等指标测试的数据，从表中可知，热喷涂耐高温陶瓷涂层比传统方法制备的陶瓷涂层虽硬度稍有下降，但所能承受的服役温度具有较大的提升。陶瓷涂层在使用过程中因温度过高，发生高温相变或者高温蠕变，无法达到使用要求，严重缩短陶瓷涂层的高温服役寿命的问题得到一定程度的解决。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE001
以上举例只是本发明的部分运用举例，但是本发明不只限于实施例，只要其以任何相同或相似方法、工艺流程达到本发明的技术效果，都应落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种热喷涂耐高温陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）对基体表面进行粗化、清洁处理，然后将粘结剂送入送粉器内在基体的待喷涂表面喷涂粘结层；
（2）将高温强化剂与冷却剂混合均匀得到混合粉末，将所得混合粉末和温度控制剂分别送入两个送粉器中，在喷涂了粘结层的基体表面进行热喷涂得到耐高温陶瓷涂层；
步骤（1）和（2）中各原料的重量份数为：高温强化剂50~60重量份，粘结剂20~30重量份，温度控制剂5~20重量份，冷却剂5~10重量份；
所述高温强化剂为B4C、TiC、TiN、AlN粉末中的一种、两种或多种按任意比例混合得到的混合粉末，粉末过325目机械振动筛；
所述温度控制剂为SnO2、Cu、In2O3粉末中的一种，粉末过325目机械振动筛；
所述冷却剂均为表面铜包裹的Ti、Sn、Ni、In粉末中的一种，粉末过325目机械振动筛。
2.根据权利要求1所述热喷涂耐高温陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述粘结剂为NiAl、NiCr、CoCr粉末中的一种，粉末过325目机械振动筛。
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