CN110846642A - 一种室温手工制备金属表面陶瓷热障涂层方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种室温手工制备金属表面陶瓷热障涂层方法。本方法主要是在室温用碱性硅溶胶、包含碱金属锂或钾的硅酸盐或/和锂或钾的氢氧化物的固体或水溶液两者混合溶液作为隔热陶瓷粉的粘接剂将隔热陶瓷粉手工涂在金属表面，再将涂层干燥和高温热处理制得金属热障涂层。相比于传统的等离子体喷涂(Plasma Spraying简称PS)和电子束物理气相沉积(Electron‑Beam Physical Vapor Deposition简称EB‑PVD)，本发明方法有以下优点：(1)能用于熔点特别高的热障涂层陶瓷粉；(2)能用于制备具有空心球颗粒的陶瓷热障涂层；(3)能用于制备具有纳米颗粒的陶瓷热障涂层；(4)应急时热障涂层的快速修补；(5)对于实验室制备一小块热障涂层，本方法能大大降低实验成本；(6)相比于耗能的大型热喷涂设备，涂层制作成本大大降低。

Description

一种室温手工制备金属表面陶瓷热障涂层方法
技术领域
本发明涉及一种金属表面陶瓷热障涂层手工制备方法。本发明所述金属表面陶瓷热障涂层是指涂在金属表面起隔热作用的陶瓷涂层。
本发明只是以镍基高温合金GH4169作为一个典型的金属来举例说明，本领域专业人员清楚，除了镍基高温合金需要陶瓷热障涂层外，其它易高温氧化的金属材料如钴基高温合金、镍钴铝钇等多元粘接合金、铁基金属(高强钢、普通碳钢、不锈钢等)、铝合金、镁合金、铜合金、单晶或多晶金属硅、钛合金、钨合金、钼合金等金属做成的金属构件等都有可能需要陶瓷热障涂层，这样能降低这些金属材料的受热温度，从而避免它们力学性能因受热温度过高而衰减。本发明的热障涂层同样能用在上述金属材料表面。
本发明只是以Gd2O3、Yb2O3、Y2O3、ZrO2组成的复合物Gd-Yb-YSZ陶瓷粉作为一个典型的起隔热作用的陶瓷粉来举例说明，本领域专业人员清楚，除了Gd-Yb-YSZ陶瓷粉外，其它化学组成的陶瓷粉如YSZ、Gd-Sc-YSZ、LaZr2O7等锆基陶瓷粉都有可能用作陶瓷热障涂层。本发明同样能用上述陶瓷材料作为热障涂层的原料。
背景技术
随着当今高推重比航空发动机的使用，发动机叶片的工作温度提高到了1600℃左右，而通常制造发动机叶片所用的镍基高温合金材料长期使用温度在900℃左右。尽管先进的气膜冷却技术可以将发动机叶片工作温度进一步提高近400℃，但仍需在叶片表面覆盖一隔热的陶瓷热障涂层(Thermal Barrier Coatings简称TBC)，以进一步降低高温合金受热温度。目前主要用等离子体喷涂(Plasma Spraying简称PS)和电子束物理气相沉积(Electron-Beam Physical Vapor Deposition简称EB-PVD)在高温合金表面制备陶瓷热障涂层。传统的陶瓷热障涂层材料是含7-8wt％Y2O3的ZrO2陶瓷粉(简称YSZ)，它的使用温度不超过1100℃，温度再高Y2O3不能起稳定ZrO2相的作用，因此在1600℃左右，ZrO2在冷热交替过程会发生相变，从而导致YSZ陶瓷涂层开裂和脱落。人们研究发现，在YSZ中加入Gd2O3、Yb2O3、Sc2O3等稀土元素氧化物能进一步稳定ZrO2相，使它在1600℃左右也不发生相变，同时能提高热障涂层隔热温度。这样制得的复合物有Gd-Yb-YSZ、Gd-Sc-YSZ等。
我们将自已制得的Gd-Yb-YSZ试用于等离子体喷涂，令人惊讶的是，Gd-Yb-YSZ陶瓷粉不能用。原因是Gd2O3、Yb2O3的加入使得Gd-Yb-YSZ复合物粉末熔点大大高于传统的YSZ，结果在等离子体喷涂中Gd-Yb-YSZ粉末不熔化。这使我们不得不设法采用室温手工方法来制备Gd-Yb-YSZ热障涂层，方法特点是用碱性硅溶胶和包含碱金属M(锂或钾)硅酸盐(M2SiO3)或/和氢氧化物(MOH)的固体或水溶液复合物作为Gd-Yb-YSZ粉的粘接剂将Gd-Yb-YSZ粉涂在高温合金GH4169表面。常温制得的涂层粘接强度不高，为此我们将涂层先干燥，然后将干燥的涂层置于700-1200℃的氩气气氛中做热处理，以提高涂层的粘接强度。
室温手工制备涂层的方法还有以下好处：
(1)研究报道，陶瓷粉颗粒如果是空心球，它有利于提高涂层性能，如提高涂层隔热温度。但是如果用等离子体喷涂和电子束物理气相沉积的喷涂方法，这些空心球都将熔化成实心球，无法得到空心球颗粒涂层；而用室温手工制备涂层的方法就可实现这一点。
(2)研究报道，热障涂层表面陶瓷粉颗粒越细，得到的涂层性能越好，因此人们设法制备纳米颗粒热障涂层。如果用常规等离子体喷涂和电子束物理气相沉积的喷涂方法，这些纳米颗粒原料在超高温度下熔化成液体，喷到高温合金表面也不再是纳米颗粒；而用室温手工制备涂层的方法就可实现这一点。
(3)在许多工业过程，热障涂层需做在很长和狭小管道的内部，如100多米长的炼铁高炉的热风管内部，这些地方无法用等离子体喷涂、电子束物理气相沉积等热喷涂方法，而用室温手工制备涂层的方法就可实现这一点。
(4)室温手工制备涂层的方法可用于工业过程应急时热障涂层的快速修补。
(5)对于实验室制备一小块热障涂层，室温手工制备涂层的方法所需陶瓷粉的量远远小于等离子体喷涂和电子束物理气相沉积所需量，大大降低实验成本。
(6)相比于耗能的大型热喷涂设备，涂层制作成本大大降低。
发明内容
本发明提供一种室温手工制备金属表面陶瓷热障涂层方法。和传统的等离子体喷涂和电子束物理气相沉积的喷涂方法相比，本发明方法有以下优点：(1)能用于熔点特别高的热障涂层陶瓷粉；(2)能用于制备具有空心球颗粒的陶瓷热障涂层；(3)能用于制备具有纳米颗粒的陶瓷热障涂层；(4)应急时热障涂层的快速修补；(5)对于实验室制备一小块热障涂层，室温手工制备涂层的方法能大大降低实验成本；(6)相比于耗能的大型热喷涂设备，涂层制作成本大大降低。
本发明所述一种室温手工制备金属表面陶瓷热障涂层方法，其包括以下步骤：
1)将碱性硅溶胶液体、包含碱金属锂或钾的硅酸盐或/和锂或钾的氢氧化物的固体或水溶液两者按一定比例混均，以获得水溶液A；
2)将步骤1)中的水溶液A和隔热陶瓷粉按一定比例混均，得到水性浆料B；
3)将步骤2)获得的水性涂料B通过手工刷涂或雾化喷涂或将金属件在液体涂料中浸泡再取出的涂覆方法室温涂在金属件表面，将有涂层的金属件在30℃-300℃烘干，得到有热障涂层的金属件C。
进一步地，其特征在于，将步骤3)中有热障涂层的金属件C由室温逐渐加热到700℃-1200℃，加热过程升温速率不超过5℃/min。加热过程中金属件C置于氩气等惰性气氛或燃烧的天然气等非强氧化性气氛中。
进一步地，其特征在于，步骤1)的水溶液A中来自于碱性硅溶胶液体的二氧化硅SiO2重量百分含量占总重的7-11％。
进一步地，其特征在于，步骤1)的水溶液A中SiO2/M2O摩尔比在0.50-1.30。
进一步地，其特征在于，步骤2)的水性浆料B中优化的隔热陶瓷粉的重量百分含量占总重的35-50％。
进一步地，其特征在于，步骤1)或步骤2)中所述混匀包括超声振荡混匀、手工或机械搅拌混匀、加热混匀三种方式。
进一步地，其特征在于，步骤3)中所述金属件包括：镍基和钴基高温合金、镍钴铝钇等多元粘接合金、高强钢、各类碳钢、不锈钢、铝合金、镁合金、铜合金、单晶或多晶金属硅、钛合金、钨合金、钼合金等金属做成的构件。
进一步地，其特征在于，步骤2)中所述隔热陶瓷粉包括能起隔热作用的所有陶瓷粉。
进一步地，其特征在于，步骤2)中所述隔热陶瓷粉粒度在100μm以下。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
本部分将详细地阐明本发明的方法，其中以Gd-Yb-YSZ隔热陶瓷粉和高温合金GH4169为例说明室温手工制备热障涂层的方法，然而，本领域技术人员应当理解，本发明的方法并不仅限于上述隔热陶瓷粉和金属，也可用于其它隔热陶瓷粉和金属材料。
实施例1
将直径为30mm，厚度为10mm的GH4169高温合金圆柱体垂直于直径方向的两平面端进行打磨、抛光、乙醇清洗、烘干、称重，然后放在干燥器中备用。在一个塑料小烧杯中加入10.0g无色几乎透明的碱性硅溶胶溶液，9.0g含有硅酸钾和氢氧化钾的固体粉末，超声振荡混匀使得固体全部溶解，获得水溶液A。水溶液A中来自于碱性硅溶胶液体的二氧化硅SiO2重量百分含量占总重的8.4％，水溶液A中SiO2/K2O摩尔比为0.63。然后将20.0g平均粒径为8μm的No.4 Gd-Yb-YSZ隔热陶瓷粉(其中Gd2O3，Yb2O3，Y2O3，ZrO2含量分别为0.98wt％，7.67wt％，0.73wt％，90.62wt％)加入到水溶液A中，手工搅拌混匀使得陶瓷粉均匀分散于溶液中，获得水性浆料B。将水性浆料B装入一高压喷枪的小型塑料储液罐中，然后通过高压喷枪将水性浆料B喷涂在上述GH4169高温合金圆柱体的一个平面端，通过控制喷涂工艺条件，可得到不同厚度的涂层。然后将某一有涂层的高温合金块在50℃烘4小时，150℃烘4小时，然后放入一通有氩气的卧式管式炉石英管中加热到920℃，并保温1h，管式炉升温速率为5℃/min。然后将炉子降至室温，取出样品，这样就制得一端有热障涂层的高温合金样品C。用扫描电镜观察，涂层的平均厚度为73μm，涂层表面无裂纹。用拉拔法测得涂层粘接强度为34MPa。
将直径为30mm，厚度为10mm的GH4169高温合金圆柱体垂直于直径方向的两平面端进行打磨、抛光、乙醇清洗、烘干、称重，然后放在干燥器中备用。先用等离子喷涂方法先将NiCrAlY合金粉喷涂在上述高温合金表面，制得粘接合金层。再用等离子喷涂方法先将一商业的YSZ(Metco 6700)陶瓷粉喷涂在粘接合金表面，制得一端有热障涂层的高温合金样品D。用扫描电镜观察，粘接合金层和YSZ陶瓷层厚度分别为167μm和270μm，涂层表面无裂纹。用拉拔法测得涂层粘接强度为21MPa。
用我公司研制的热障涂层隔热温度测量装置和测量方法(专利申请号：201710983649.3)测定表明热源温度为1040℃时高温合金样品C和高温合金样品D的隔热温度分别为66℃和44℃，见说明书附图1。图中No.4样品即是高温合金样品C。这说明尽管等离子喷涂得到的YSZ陶瓷层厚度(270μm)是手工制得的Gd-Yb-YSZ陶瓷层厚度(73μm)的近4倍，但是图1中No4 Gd-Yb-YSZ陶瓷层隔热温度比YSZ陶瓷层高22℃，并且粘接强度前者也比后者大13MPa。
实施例2
实施例1中其余涂层制备条件不变，只是将No.4 Gd-Yb-YSZ隔热陶瓷粉(其中Gd2O3，Yb2O3，Y2O3，ZrO2含量分别为0.98wt％，7.67wt％，0.73wt％，90.62wt％)改成No.7Gd-Yb-YSZ隔热陶瓷粉(其中Gd2O3，Yb2O3，Y2O3，ZrO2含量分别为5.46wt％，2.38wt％，0.76wt％，91.41wt％)，结果测得No7 Gd-Yb-YSZ陶瓷层和YSZ陶瓷层隔热温度分别为60℃和45℃，见说明书附图2。NO.7 Gd-Yb-YSZ陶瓷层隔热温度还是比YSZ陶瓷层高15℃。

Claims (10)

1.一种室温手工制备金属表面陶瓷热障涂层方法，其包括以下步骤：
1)将碱性硅溶胶液体、包含碱金属锂或钾的硅酸盐或/和锂或钾的氢氧化物的固体或水溶液两者按一定比例混均，以获得水溶液A；
2)将步骤1)中的水溶液A和隔热陶瓷粉按一定比例混均，得到水性浆料B；
3)将步骤2)获得的水性涂料B通过手工刷涂或雾化喷涂或将金属件在液体涂料中浸泡再取出的涂覆方法室温涂在金属件表面，将有涂层的金属件在30℃-300℃烘干，得到有热障涂层的金属件C。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将步骤3)中有热障涂层的金属件C由室温逐渐加热到700℃-1200℃，加热过程升温速率不超过5℃/min。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，加热过程中有热障涂层的金属件C置于氩气等惰性气氛或燃烧的天然气等非强氧化性气氛中。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)的水溶液A中来自于碱性硅溶胶液体的二氧化硅SiO2重量百分含量占总重的7-11％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)的水溶液A中SiO2/M2O摩尔比在0.50-1.30。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)的水性浆料B中优化的隔热陶瓷粉的重量百分含量占总重的35-50％。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤1)或步骤2)中所述混匀包括超声振荡混匀、手工或机械搅拌混匀、加热混匀三种方式。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤3)中所述金属件包括：镍基和钴基高温合金、镍钴铝钇等多元粘接合金、高强钢、各类碳钢、不锈钢、铝合金、镁合金、铜合金、单晶或多晶金属硅、钛合金、钨合金、钼合金等金属做成的构件。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤2)中所述隔热陶瓷粉包括能起隔热作用的所有陶瓷粉。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中步骤2)中所述隔热陶瓷粉粒度在100μm以下。
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