CN110093579A - 一种耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的制备方法。它依次包括以下步骤：（1）工件预处理；（2）采用冷喷涂将MCrAlY合金粉末喷涂至工件表面形成粘结底层；（3）采用等离子喷涂将8YSZ陶瓷粉末喷涂至粘结底层表面形成陶瓷层；（4）采用冷喷涂将Ta难熔金属粉末喷涂至陶瓷层表面形成耐蚀金属层；（5）重复步骤（3）和（4）交替制备陶瓷层和耐蚀金属层。本制备方法易于操作，其所得复合涂层结合强度高，不易脱落，稳定性好，兼具优异的隔热性能和耐腐蚀性能，能同时满足于中高温的高温环境和腐蚀性物质较多如海洋等易腐蚀环境中的应用，且其隔热抗烧蚀性能和耐腐蚀性能显著优于传统金属陶瓷双层隔热抗烧蚀涂层。

Description

一种耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及表面涂层技术领域，具体涉及一种耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的制备方法。
背景技术
隔热抗烧蚀涂层能够防止所涂覆的金属部件遭受高温腐蚀和高温氧化，被广泛应用于航空、航天、舰船、交通等领域，以解决航空发动机涡轮叶片及壳体、航天飞行器翼片、舰船活塞等高温部件的高温氧化和腐蚀问题。目前，应用于中高温（约2000℃）环境中的现有的隔热抗烧蚀涂层一般为由基体表面底层的高温合金层（粘结层）和粘结层上部的陶瓷层（隔热层）组成的经典复合涂层结构，其高温合金粘结层一般采用MCrAlY（其中，M代表Co或Ni，或者两者均有；Cr为金属Cr，Al为金属Al，Y为稀土元素Y）等材料，陶瓷层一般采用Y2O3部分稳定ZrO2（YSZ）等稀土氧化物掺杂氧化锆等材料。
随着我国大力推进和实施海洋战略，隔热抗烧蚀涂层越来越多的在海洋装备上得到应用。这些涂层部件在海上长时间运输、贮存或长期工作于海洋大气环境中时极易发生腐蚀、加速涂层的失效，严重影响了装备的使用寿命。
目前，等离子喷涂是制备隔热抗烧蚀涂层的重要工艺，其所得隔热抗烧蚀涂层中的陶瓷层通常具有一定的孔隙率（隔热层需要满足一定孔隙率要求如5～20%，才能起到有效隔热作用），具有良好的隔热性能，但是孔隙结构大大提高了易腐蚀环境中腐蚀成分如腐蚀性气体向涂层内部扩散进入，既大幅降低了涂层的耐腐蚀性能，也导致涂层结合强度降低，容易脱落、失效。因此，具有更高结合强度、更强隔热性能和更优耐腐蚀性能的隔热抗烧蚀涂层需求迫切。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的制备方法，该制备方法易于操作，且能保证所得复合涂层结合强度高，兼具优异的隔热性能和耐腐蚀性能。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
（1）将工件进行预处理；
（2）采用冷喷涂将MCrAlY合金粉末喷涂至工件表面，形成厚度为50μm～150μm的粘结底层；其中，所述MCrAlY中，M代表Co或Ni，或者两者均有；
（3）采用等离子喷涂将8YSZ陶瓷粉末喷涂至粘结底层表面，形成厚度为40μm～200μm的陶瓷层；其中，所述8YSZ陶瓷粉末具体是指8wt% Y2O3稳定的ZrO2陶瓷粉末；
（4）采用冷喷涂将Ta难熔金属粉末喷涂至陶瓷层表面，形成厚度为25μm～200μm的耐蚀金属层；
（5）重复步骤（3）和（4）交替制备陶瓷层和耐蚀金属层；当复合涂层整体为一次性使用时，最后以耐蚀金属层结束沉积，当复合涂层整体为多次反复使用时，最后以陶瓷层结束沉积，制备出呈多层结构的MCrAlY+8YSZ/Ta复合涂层，即所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层。
针对现有的隔热抗烧蚀涂层，同时在中高温（约2000℃）环境和腐蚀性物质较多如海洋等易腐蚀环境中应用时，因受到外界腐蚀性物质的影响，其涂层的耐腐蚀性能大幅降低，涂层的结合强度也降低，容易脱落、失效的情形，发明人经过了长久研究发现，虽然研究出可以采用常规的制备方法在现有的隔热抗烧蚀涂层的表面，再制备一层金属钽涂层来隔绝腐蚀成分与隔热抗烧蚀涂层表面接触，从而增加其耐腐蚀性能，但是因受到各涂层结构的喷涂制备方法、各涂层材质的选择和设定参数指标等等因素综合影响，其所得的复合有金属钽涂层的隔热抗烧蚀涂层，仍然存在应力大、结合强度低，容易脱落，稳定性不好等问题。而本发明结合设定了特定的喷涂制备方法、各涂层材质的选择和设定参数指标等，从而实现了保证所得复合涂层结合强度高，不易脱落，稳定性好，兼具优异的隔热性能和耐腐蚀性能。
作为进一步明确，上述步骤（2）和（4）中所述的冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂温度为300℃～800℃，工作压力为1.5MPa～4.5MPa，送粉速率为15g/min～90g/min，喷涂速度为20mm/s～1000mm/s，喷涂距离为5mm～100mm。
作为进一步明确，上述步骤（3）中所述的等离子喷涂操作中，功率为40kW～120kW，送粉速率为10g/min～100g/min，喷涂速度为10mm/s～500mm/s，喷涂距离为60mm～150mm。
作为进一步明确，上述步骤（5）中所制备得到的上述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的总层数大于等于四层，小于等于十层。具体举例来说，当所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层共有四层时，它由沿着工件表面至所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层表面的方向，依次排布的粘结底层-陶瓷层-耐蚀金属层-陶瓷层组成；又如，当所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层共有五层时，它由沿着工件表面至所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层表面的方向，依次排布的粘结底层-陶瓷层-耐蚀金属层-陶瓷层-耐蚀金属层组成。
作为进一步优化，上述步骤（1）中所述的预处理操作为将工件先除油除锈，再喷砂粗化处理。
作为进一步优化，上述MCrAlY合金粉末的粒径范围为15μm～75μm，上述8YSZ陶瓷粉末的粒径范围为45μm～75μm，上述Ta难熔金属粉末的粒径范围为15μm～45μm。
更为具体地说，上述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
（1）将工件先除油除锈，再喷砂粗化处理；
（2）采用冷喷涂将粒径范围为15μm～75μm的MCrAlY合金粉末喷涂至工件表面，形成厚度为50μm～150μm的粘结底层；其中，所述冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂温度为300℃～800℃，工作压力为1.5MPa～4.5MPa，送粉速率为15g/min～90g/min，喷涂速度为20mm/s～1000mm/s，喷涂距离为5mm～100mm；
（3）采用等离子喷涂将粒径范围为45μm～75μm的8YSZ陶瓷粉末喷涂至粘结底层表面，形成厚度为40μm～200μm的陶瓷层；所述等离子喷涂操作中，功率为40kW～120kW，送粉速率为10g/min～100g/min，喷涂速度为10mm/s～500mm/s，喷涂距离为60mm～150mm；
（4）采用冷喷涂将粒径范围为15μm～45μm的Ta难熔金属粉末喷涂至陶瓷层表面，形成厚度为25μm～200μm的耐蚀金属层；其中，所述冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂温度为300℃～800℃，工作压力为1.5MPa～4.5MPa，送粉速率为15g/min～90g/min，喷涂速度为20mm/s～1000mm/s，喷涂距离为5mm～100mm；
（5）重复步骤（3）和（4）交替制备陶瓷层和耐蚀金属层；当复合涂层整体为一次性使用时，最后以耐蚀金属层结束沉积，当复合涂层整体为多次反复使用时，最后以陶瓷层结束沉积，制备出MCrAlY+8YSZ/Ta多层复合涂层。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的制备方法，该制备方法易于操作，其所得复合涂层结合强度高，不易脱落，稳定性好，兼具优异的隔热性能和耐腐蚀性能，能同时满足于中高温（约2000℃）的高温环境和腐蚀性物质较多如海洋等易腐蚀环境中的应用，且其隔热抗烧蚀性能和耐腐蚀性能显著优于传统金属陶瓷双层隔热抗烧蚀涂层，在航空、航天、兵器以及车辆等领域应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明实施例2中所制备得到的所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的横截面结构示意图。
图2是本发明实施例5中所制备得到的所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的横截面结构示意图。
图3是本发明实施例3中所采用的所述对称双工位冷/热喷涂系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之内。
实施例 1
一种耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的制备方法，依次包括以下步骤：
（1）将H13钢构件基体进行除油除锈处理，再采用棕刚玉或白刚玉喷砂粗化处理；
（2）采用冷喷涂将粒径范围为15μm～75μm的NiCoCrAlY合金粉末喷涂至工件表面，形成厚度约为132μm的粘结底层；其中，所述冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂温度为700℃，工作压力为4.0MPa，送粉速率为30g/min，喷涂速度为340mm/s，喷涂距离为50mm；
（3）采用等离子喷涂将粒径范围为45μm～75μm的8YSZ陶瓷粉末喷涂至粘结底层表面，形成厚度约为145μm的陶瓷层；所述等离子喷涂操作中，功率为120kW，送粉速率为75g/min，喷涂速度为200mm/s，喷涂距离为70mm；
（4）采用冷喷涂将粒径范围为15μm～45μm的Ta难熔金属粉末喷涂至陶瓷层表面，形成厚度约为113μm的耐蚀金属层；其中，所述冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂温度为800℃，工作压力为4.3MPa，送粉速率为62g/min，喷涂速度为280mm/s，喷涂距离为50mm，并以该耐蚀金属层结束，最终共制得总层数为3层、总厚度约为390μm的耐腐蚀抗烧蚀复合涂层。
取本例中所制得的所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层进行常规的实验验证，得知：所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的结合强度为30MPa；在1200℃加热15分钟，然后迅速放入冷水中进行热震试验，反复13次后涂层开裂；热导率为1.15W·m-1·K-1；中性盐雾腐蚀750h，基体无锈蚀。
实施例 2
一种耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的制备方法，依次包括以下步骤：
（1）将H13钢构件基体进行除油除锈处理，再采用棕刚玉或白刚玉喷砂粗化处理；
（2）采用冷喷涂将粒径范围为15μm～75μm的NiCrAlY合金粉末喷涂至工件表面，形成厚度约为85μm的粘结底层；其中，所述冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂温度为500℃，工作压力为3.5MPa，送粉速率为27g/min，喷涂速度为500mm/s，喷涂距离为50mm；
（3）采用等离子喷涂将粒径范围为45μm～75μm的8YSZ陶瓷粉末喷涂至粘结底层表面，形成厚度约为72μm的陶瓷层；所述等离子喷涂操作中，功率为70kW，送粉速率为80g/min，喷涂速度为180mm/s，喷涂距离为70mm；
（4）采用冷喷涂将粒径范围为15μm～45μm的Ta难熔金属粉末喷涂至陶瓷层表面，形成厚度约为43μm的耐蚀金属层；其中，所述冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂温度为600℃，工作压力为4.0MPa，送粉速率为50g/min，喷涂速度为400mm/s，喷涂距离为50mm；
（5）依次重复步骤（3）和（4）各一次，最后以耐蚀金属层结束，即制得共有5层、总厚度约为315μm的耐腐蚀抗烧蚀复合涂层。
取本例中所制得的所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层进行常规的实验验证，得知：所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的结合强度为36MPa；在1200℃加热15分钟，然后迅速放入冷水中进行热震试验，反复18次后涂层开裂；热导率为1.08W·m-1·K-1；中性盐雾腐蚀1000h，基体无锈蚀。
实施例 3
一种耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的制备方法，它是采用图3所示结构的对称双工位冷/热喷涂系统，该系统由冷喷涂机器人1，冷喷涂系统2，工作台滑轨3，工作台转台4，等离子喷涂系统5，等离子喷涂机器人6，控制系统7等多个常规的部件组成；并依次按照以下步骤进行制备：
（1）将H13钢构件基体进行除油除锈处理，再采用棕刚玉或白刚玉喷砂粗化处理，后将构件固定在对称双工位冷/热喷涂系统的工作台冷喷涂工位上；
（2）将粒径范围为15μm～75μm的NiCoCrAlY合金粉末装入冷喷涂送粉筒A，采用冷喷涂喷涂至工件表面，形成厚度约为106μm的粘结底层；其中，所述冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂温度为600℃，工作压力为3.8MPa，送粉速率为30g/min，喷涂速度为500mm/s，喷涂距离为50mm；
（3）将粒径范围为45μm～75μm的8YSZ陶瓷粉末装入等离子喷涂送粉筒，采用等离子喷涂喷涂至粘结底层表面，形成厚度约为94μm的陶瓷层；所述等离子喷涂操作中，功率为80kW，送粉速率为80g/min，喷涂速度为150mm/s，喷涂距离为70mm；
（4）将粒径范围为15μm～45μm的Ta难熔金属粉末装入冷喷涂送粉筒B，采用冷喷涂喷涂至陶瓷层表面，形成厚度约为35μm的耐蚀金属层；其中，所述冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂温度为600℃，工作压力为4.0MPa，送粉速率为45g/min，喷涂速度为500mm/s，喷涂距离为50mm；
（5）设置冷喷涂机器人、等离子喷涂机器人和转台联动程序，确定涂层层数，重复步骤（3）和（4）交替逐层制备陶瓷层和耐蚀金属层，最后以耐蚀金属层结束，最终共制得总层数为7层、总厚度约为493μm的耐腐蚀抗烧蚀复合涂层。
取本例中所制得的所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层进行常规的实验验证，得知：所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的结合强度37MPa；在1200℃加热15分钟，然后迅速放入冷水中进行热震试验，反复36次后涂层开裂；热导率为0.85W·m-1·K-1；中性盐雾腐蚀2000h，基体无锈蚀。
实施例 4
一种耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的制备方法，依次包括以下步骤：
（1）将高温合金钢构件基体进行除油除锈处理，再采用棕刚玉或白刚玉喷砂粗化处理；
（2）采用冷喷涂将粒径范围为15μm～75μm的NiCoCrAlY合金粉末喷涂至工件表面，形成厚度约为143μm的粘结底层；其中，所述冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂温度为800℃，工作压力为4.0MPa，送粉速率为35g/min，喷涂速度为400mm/s，喷涂距离为50mm；
（3）采用等离子喷涂将粒径范围为45μm～75μm的8YSZ陶瓷粉末喷涂至粘结底层表面，形成厚度约为155μm的陶瓷层；所述等离子喷涂操作中，功率为120kW，送粉速率为90g/min，喷涂速度为250mm/s，喷涂距离为70mm；
（4）采用冷喷涂将粒径范围为15μm～45μm的Ta难熔金属粉末喷涂至陶瓷层表面，形成厚度约为134μm的耐蚀金属层；其中，所述冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂温度为800℃，工作压力为4.3MPa，送粉速率为70g/min，喷涂速度为350mm/s，喷涂距离为50mm；
（5）重复步骤（3）制备陶瓷层，并以陶瓷层结束，最终共制得总层数为4层、总厚度约为587μm的耐腐蚀抗烧蚀复合涂层。
取本例中所制得的所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层进行常规的实验验证，得知：所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的结合强度33MPa；在1200℃加热15分钟，然后迅速放入冷水中进行热震试验，反复15次后涂层开裂；热导率为1.11W·m-1·K-1；涂层热腐蚀性能比传统双层结构涂层提高约3倍。
实施例 5
一种耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的制备方法，依次包括以下步骤：
（1）将高温合金钢构件基体进行除油除锈处理，再采用棕刚玉或白刚玉喷砂粗化处理；
（2）采用冷喷涂将粒径范围为15μm～75μm的NiCrAlY合金粉末喷涂至工件表面，形成厚度约为66μm的粘结底层；其中，所述冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂温度为800℃，工作压力为4.0MPa，送粉速率为35g/min，喷涂速度为400mm/s，喷涂距离为50mm；
（3）采用等离子喷涂将粒径范围为45μm～75μm的8YSZ陶瓷粉末喷涂至粘结底层表面，形成厚度约为61μm的陶瓷层；所述等离子喷涂操作中，功率为70kW，送粉速率为60g/min，喷涂速度为200mm/s，喷涂距离为70mm；
（4）采用冷喷涂将粒径范围为15μm～45μm的Ta难熔金属粉末喷涂至陶瓷层表面，形成厚度约为32μm的耐蚀金属层；其中，所述冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂温度为600℃，工作压力为4.0MPa，送粉速率为30g/min，喷涂速度为500mm/s，喷涂距离为50mm；
（5）重复步骤（3）和（4）交替逐层制备陶瓷层和耐蚀金属层，最后以陶瓷层结束，最终共制得总层数为8层、总厚度约为406μm的耐腐蚀抗烧蚀复合涂层。
取本例中所制得的所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层进行常规的实验验证，得知：所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的结合强度35MPa；在1200℃加热15分钟，然后迅速放入冷水中进行热震试验，反复43次后涂层开裂；热导率为0.69W·m-1·K-1；涂层热腐蚀性能比传统双层结构涂层提高约5倍。

Claims (7)

1.一种耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
（1）将工件进行预处理；
（2）采用冷喷涂将MCrAlY合金粉末喷涂至工件表面，形成厚度为50μm～150μm的粘结底层；
（3）采用等离子喷涂将8YSZ陶瓷粉末喷涂至粘结底层表面，形成厚度为40μm～200μm的陶瓷层；
（4）采用冷喷涂将Ta难熔金属粉末喷涂至陶瓷层表面，形成厚度为25μm～200μm的耐蚀金属层；
（5）重复步骤（3）和（4）交替制备陶瓷层和耐蚀金属层；当复合涂层整体为一次性使用时，最后以耐蚀金属层结束沉积，当复合涂层整体为多次反复使用时，最后以陶瓷层结束沉积。
2.如权利要求1所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）和（4）中所述的冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂温度为300℃～800℃，工作压力为1.5MPa～4.5MPa，送粉速率为15g/min～90g/min，喷涂速度为20mm/s～1000mm/s，喷涂距离为5mm～100mm。
3.如权利要求1或2所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中所述的等离子喷涂操作中，功率为40kW～120kW，送粉速率为10g/min～100g/min，喷涂速度为10mm/s～500mm/s，喷涂距离为60mm～150mm。
4.如权利要求1-3任一所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中所制备得到的耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的总层数大于等于四层，小于等于十层。
5.如权利要求1-4任一所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中所述的预处理操作为将工件先除油除锈，再喷砂粗化处理。
6.如权利要求1-5任一所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的制备方法，其特征在于：所述MCrAlY合金粉末的粒径范围为15μm～75μm，所述8YSZ陶瓷粉末的粒径范围为45μm～75μm，所述Ta难熔金属粉末的粒径范围为15μm～45μm。
7.如权利要求1所述耐腐蚀抗烧蚀复合涂层的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
（1）将工件先除油除锈，再喷砂粗化处理；
（2）采用冷喷涂将粒径范围为15μm～75μm的MCrAlY合金粉末喷涂至工件表面，形成厚度为50μm～150μm的粘结底层；其中，所述冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂温度为300℃～800℃，工作压力为1.5MPa～4.5MPa，送粉速率为15g/min～90g/min，喷涂速度为20mm/s～1000mm/s，喷涂距离为5mm～100mm；
（3）采用等离子喷涂将粒径范围为45μm～75μm的8YSZ陶瓷粉末喷涂至粘结底层表面，形成厚度为40μm～200μm的陶瓷层；所述等离子喷涂操作中，功率为40kW～120kW，送粉速率为10g/min～100g/min，喷涂速度为10mm/s～500mm/s，喷涂距离为60mm～150mm；
（4）采用冷喷涂将粒径范围为15μm～45μm的Ta难熔金属粉末喷涂至陶瓷层表面，形成厚度为25μm～200μm的耐蚀金属层；其中，所述冷喷涂操作中，工作气体为氮气，喷涂温度为300℃～800℃，工作压力为1.5MPa～4.5MPa，送粉速率为15g/min～90g/min，喷涂速度为20mm/s～1000mm/s，喷涂距离为5mm～100mm；
（5）重复步骤（3）和（4）交替制备陶瓷层和耐蚀金属层；当复合涂层整体为一次性使用时，最后以耐蚀金属层结束沉积，当复合涂层整体为多次反复使用时，最后以陶瓷层结束沉积。
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