CN111763905A - 抗剥落复合结构隔热涂层的制备方法 - Google Patents

抗剥落复合结构隔热涂层的制备方法 Download PDF

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李勇
王博
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Abstract

一种抗剥落复合结构隔热涂层的制备方法，小粒径熔炼破碎陶瓷粉末和大粒径纳米团聚结构陶瓷粉末按比例混合制备而成，涂层制备前，基材表面喷砂后，预制金属层或者金属陶瓷混合层作为隔热涂层的打底层；其中小粒径熔炼破碎陶瓷粉末制备过程中完全融化沉积形成常规层状结构涂层；团聚粉末纳米颗粒之间导热较差，因此，大粒径纳米团聚结构陶瓷粉末在涂层制备过程中为半融化态，最终保留在了层状结构涂层中；从而获得层状结构与残余团聚粉末结合的复合结构。在常规层状结构陶瓷层中引入半熔化团聚烧结粉末，通过半熔化团聚烧结粉末对层状结构的钉扎作用起到层间裂纹止裂的效果，最终实现陶瓷层抗剥落能力的提高。

Description

抗剥落复合结构隔热涂层的制备方法
技术领域
本发明属于表面工程技术领域，具体涉及一种抗剥落复合结构隔热涂层的制备方法。
背景技术
随着机组频繁调峰乃至深度调峰运行，超(超)临界锅炉水冷壁横向开裂问题正逐步加剧。超(超)临界锅炉水冷壁横向开裂主要原因为水冷壁管向火侧在交变热应力、高温腐蚀介质联合作用下产生的热腐蚀疲劳开裂。水冷壁横向开裂，不仅导致机组检修过程中的大面积换管、大幅增加检修费用，而且容易发生泄漏、导致非计划停机，已经成为影响超(超)临界机组长期安全运行的重要隐患。
我国火电机组水冷壁横向裂纹主要治理措施是逢停必检，一旦发现裂纹，立即更换新管。针对温度变化是引起水冷壁管横向开裂的重要原因，部分电厂尝试常规热障涂层隔热的策略，采用超音速火焰喷涂(HVOF)与大气等离子喷涂(APS)在水冷壁表面制备常规结构MCrAlY/YSZ热障涂层，以期减弱由表面温度变化引起的应力幅值，进而防止或延缓裂纹的产生及扩展。但实践证明超超临界燃煤锅炉水冷壁内外极高的温度梯度和表面温度波动会使常规层状结构的热障涂层在短时服役内便发生剥落。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种抗剥落复合结构隔热涂层的制备方法，制备的涂层减缓超(超)临界机组水冷壁表面温度变化引起的应力幅值，防止或延缓水冷壁横向裂纹的产生及扩展。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种抗剥落复合结构隔热涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将小粒径熔炼破碎陶瓷粉末和大粒径纳米团聚结构陶瓷粉末按比例混合均匀；
步骤2：涂层制备前，基材表面喷砂后，预制金属层或者金属陶瓷混合层作为隔热涂层的打底层；
步骤3：在步骤2中预制好打底层的基材表面喷涂步骤1中混合好的粉末；
喷涂过程中，其中小粒径熔炼破碎陶瓷粉末在喷涂中完全融化沉积形成层状结构涂层；由于团聚粉末纳米颗粒之间导热差，因此，大粒径纳米团聚结构陶瓷粉末在喷涂过程中为半融化态，最终保留在了层状结构涂层中，从而获得层状结构与残余团聚粉末结合的复合结构；在层状结构陶瓷层中引入半熔化团聚烧结粉末，通过半熔化团聚烧结粉末对层状结构的钉扎作用起到层间裂纹止裂的效果，最终实现陶瓷层抗剥落能力的提高。
所述小粒径熔炼破碎陶瓷粉末和大粒径纳米团聚结构陶瓷粉末混合的重量比为8:2。
所述小粒径熔炼破碎陶瓷粉末和大粒径纳米团聚结构陶瓷粉末采用机械混合。
所述小粒径熔炼破碎陶瓷粉末粒径为10-30μm；所述大粒径纳米团聚结构陶瓷粉末粒径约为45-75μm。
所述小粒径熔炼破碎陶瓷粉末和大粒径纳米团聚结构陶瓷粉末可为氧化钇稳定氧化锆、氧化铝等；
所述复合结构隔热涂层的喷涂可选大气等离子喷涂、高能离子束喷涂等。
本发明具有如下优点：
1)本发明中涂层复合结构通过不同粉末结构实现，工艺简单。
2)同层状结构涂层相比，复合结构陶瓷涂层的弹性模量和热导率均未发生明显变化，涂层出现20％剥落的平均寿命从19.7次提高到72.1，抗剥落能力提高约为2.6倍。
附图说明
图1为本发明抗剥落复合结构隔热涂层结构示意图。
图2a为本发明实施例采用大气等离子喷涂制备的抗剥落复合结构涂层形貌。
图2b为图2a多孔区域的放大图。
图3为本发明实施例采用大气等离子喷涂制备的抗剥落复合结构涂层和传统层状隔热涂层热导率。
图4为本发明实施例采用大气等离子喷涂制备的抗剥落复合结构涂层和传统层状隔热涂层抗剥落次数。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明一种抗剥落复合结构隔热涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将小粒径熔炼破碎陶瓷粉末和大粒径纳米团聚结构陶瓷粉末按8:2重量比机械混合均匀；
步骤2：涂层制备前，基材表面喷砂后，预制金属层或者金属陶瓷混合层作为本发明中复合结构隔热涂层的打底层；
步骤3：采用大气等离子喷涂、高能离子束喷涂等方法，在步骤2中预制好打底层的基材表面喷涂步骤1中混合好的粉末，喷涂涂层厚度280-320μm。复合结构隔热涂层结构如图1所示，从图中可以看出：其中陶瓷层中呈现出两种典型的特征，相对致密的组织中存在如图1中所示的多孔区域，其中多孔区域是由未熔化或半融化的大粒径纳米团聚烧结粉末保留在涂层中形成。在层状结构陶瓷层中引入半熔化团聚烧结粉末，通过半熔化团聚烧结粉末对层状结构的钉扎作用起到层间裂纹止裂的效果，最终实现陶瓷层抗剥落能力的提高。
实施例
采用JP-8000煤油HVOF喷涂系统在如表1所示的优化喷涂参数条件下在喷砂后的15CrMo耐热不锈钢表面制备厚度约为100μm的NiCoCrAlTaY打底层1。采用如表2所示的参数通过APS制备NiCoCrAlTaY/8YSZ打底层2。选用熔炼破碎8YSZ粉末与团聚烧结8YSZ粉末作为制备复合结构8YSZ陶瓷隔热层原料，喷涂前将两种粉末按照8:2的重量比进行充分机械混合后作为喷涂粉末。采用APS喷涂技术采用混合YSZ粉末在如表2所示的喷涂参数条件下制备复合结构陶瓷隔热层。为了与常规结构热障涂层进行对比，在如表1所示的HVOF参数和表2所示的APS优化参数下制备了具有致密NiCoCrAlTaY过渡层和层状结构8YSZ的常规隔热涂层。
表1 NiCoCrAlTaY打底层的HVOF喷涂参数
Figure BDA0002579144610000051
表2复合结构打底层与陶瓷隔热层的APS喷涂参数
Figure BDA0002579144610000052
所制备复合结构隔热层结构特征为相对致密的组织中存在如图2a中的圆圈所框的多孔区域以及图2b所示多孔区域的放大组织。其中多孔区域是由未熔化的团聚粉末保留在涂层中形成，统计结果表明，多孔区域的面积约占整个YSZ陶瓷截面的11.6％，低于混合粉末中团聚粉末的比例。主要是由于等离子喷涂过程中，团聚YSZ粉末的表层发生熔化所致。
采用激光脉冲法测试对比了常规层状结构与复合结构隔热层的热导率，测试结果如图3所示。复合结构隔热层在不同测试温度下的热导率与常规层状结构隔热层变化趋势完全一致，基本没变化。
采用750℃马弗炉加热，水淬冷却的循环热冲击试验测试了涂层的抗剥落能力，当涂层剥落面积达到整个表面积约20％时，判断涂层失效，测试结果如图4所示。与常规结构热障涂层相比，本发明复合结构设计可使隔热涂层的平均寿命从19.7次提高到72.1，提高幅度约为2.6倍，抗剥落能力显著提升。试验过程中同时发现，涂层首次出现肉眼可见裂纹的次数也从7.4次提高到48.3次，提高幅度达5.5倍。

Claims (6)

1.一种抗剥落复合结构隔热涂层的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：将小粒径熔炼破碎陶瓷粉末和大粒径纳米团聚结构陶瓷粉末按比例混合均匀；
步骤2：涂层制备前，基材表面喷砂后，预制金属层或者金属陶瓷混合层作为隔热涂层的打底层；
步骤3：在步骤2中预制好打底层的基材表面喷涂步骤1中混合好的粉末；
喷涂过程中，其中小粒径熔炼破碎陶瓷粉末喷涂中完全融化沉积形成层状结构涂层；由于团聚粉末纳米颗粒之间导热差，因此，大粒径纳米团聚结构陶瓷粉末在喷涂过程中为半融化态，最终保留在了层状结构涂层中，从而获得层状结构与残余团聚粉末结合的复合结构；在层状结构陶瓷层中引入半熔化团聚烧结粉末，通过半熔化团聚烧结粉末对层状结构的钉扎作用起到层间裂纹止裂的效果，最终实现陶瓷层抗剥落能力的提高。
2.根据权利要求1所述的一种抗剥落复合结构隔热涂层的制备方法，其特征在于：所述小粒径熔炼破碎陶瓷粉末和大粒径纳米团聚结构陶瓷粉末混合的重量比为8:2。
3.根据权利要求1所述的一种抗剥落复合结构隔热涂层的制备方法，其特征在于：所述小粒径熔炼破碎陶瓷粉末和大粒径纳米团聚结构陶瓷粉末采用机械混合。
4.根据权利要求1所述的一种抗剥落复合结构隔热涂层的制备方法，其特征在于：所述小粒径熔炼破碎陶瓷粉末粒径为10-30μm；所述大粒径纳米团聚结构陶瓷粉末粒径为45-75μm。
5.根据权利要求1所述的一种抗剥落复合结构隔热涂层的制备方法，其特征在于：所述小粒径熔炼破碎陶瓷粉末和大粒径纳米团聚结构陶瓷粉末为氧化钇稳定氧化锆粉末或氧化铝粉末。
6.根据权利要求1所述的一种抗剥落复合结构隔热涂层的制备方法，其特征在于：所述的喷涂采用大气等离子喷涂或高能离子束喷涂。
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