CN112521150A - 一种类钙钛矿结构陶瓷涂层的制备方法 - Google Patents

一种类钙钛矿结构陶瓷涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种类钙钛矿结构陶瓷涂层的制备方法，具体涉及陶瓷涂层制备技术领域，所使用原料(按重量份数计)包括Al2O3 8‑11份、SiO2 10‑25份、Sm2ZrO7 20‑35份、BaCeO3 30‑45份、BaUO3 40‑42份、La2Ce2O7 30‑40份、无水乙醇90‑120份、丙酮10‑25份。本发明通过向涂层原料中加入高温条件(1500℃)下不会分解的Sm2ZrO7、BaCeO3、BaUO3和La2Ce2O7代替容易分解的原料，从而能够提高陶瓷涂层的热稳定性，使得该陶瓷涂层在高温的条件下仍然能够为基材隔热，以保护基材，从而能够保障陶瓷涂层的热稳定性不受影响。

Description

一种类钙钛矿结构陶瓷涂层的制备方法
技术领域
本发明实施例涉及陶瓷涂层制备技术领域，具体涉及一种类钙钛矿结构陶瓷涂层的制备方法。
背景技术
陶瓷涂层是涂覆在基体表面上的无机保护层或膜的总称，它能改变基体外表面的形貌、结构及其化学组成，赋予基底材料新的性能。现代科学技术，特别是宇航、航空、电子及军工等尖端科学技术高速发展对材料提出新的要求,尤其是宇航工业对材料的要求更为苛刻。首先是要求材料性能稳定，同时具有重量轻、耐高温、耐冲刷、抗辐射等综合的优良性能。高性能陶瓷涂层由此应运而生。陶瓷涂层是在传统的陶瓷材料基础上发展起来的新型的厚度通常都在一毫米之内，大大地减少了零件的消极重量，其抗热冲击性能优于整体陶瓷。现代航空发动机不断向大推力、高效率、低油耗和长寿命方向发展，因而提高涡轮进口温度，是提高发动机推力的重要途径。目前国外的涡轮发动机进口温度已达1400～1500℃，随着温度的提高，伴随而来的困难是，涡轮发动机热端高温部件金属材料的耐热性能不能满足在高温下长期稳定工作的要求。为克服这一难题，可以采用热喷涂技术，在涡轮高温部件的表面制备热障涂层以降低高温部件的工作温度。
但是现有技术在制备陶瓷涂层的过程中使用到的部分涂层材料容易在高温条件下分解，如碳酸钡，可见其热稳定性较差，从而容易影响到陶瓷涂层的性能。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种类钙钛矿结构陶瓷涂层的制备方法，通过向涂层原料中加入高温条件(1500℃)下不会分解的Sm2ZrO7、BaCeO3、BaUO3和La2Ce2O7代替容易分解的原料，从而能够提高陶瓷涂层的热稳定性，使得该陶瓷涂层在高温的条件下仍然能够为基材隔热，以保护基材，从而能够保障陶瓷涂层的热稳定性不受影响。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种类钙钛矿结构陶瓷涂层，所使用原料(按重量份数计)包括Al2O38-11份、SiO210-25份、Sm2ZrO720-35份、BaCeO330-45份、BaUO340-42份、La2Ce2O730-40份、无水乙醇90-120份、丙酮10-25份。
进一步地，所使用原料(按重量份数计)包括Al2O38份、SiO210份、Sm2ZrO720份、BaCeO330份、无水乙醇90份、丙酮10份。
进一步地，所使用原料(按重量份数计)包括Al2O39份、SiO215份、Sm2ZrO725份、BaCeO335份、无水乙醇100份、丙酮15份。
进一步地，所使用原料(按重量份数计)包括Al2O310份、SiO220份、Sm2ZrO730份、BaCeO340份、无水乙醇110份、丙酮20份。
进一步地，所使用原料(按重量份数计)包括Al2O311份、SiO225份、Sm2ZrO735份、BaCeO345份、无水乙醇120份、丙酮25份。
一种类钙钛矿结构陶瓷涂层的制备方法，具体步骤如下：
步骤一、将Al2O3、SiO2、Sm2ZrO7、BaCeO3、BaUO3、La2Ce2O7和无水乙醇加入球磨罐中，并将其磨碎成粉末状，得到混合粉末；
步骤二、对混合后的粉末进行烘干处理，使得混合粉末在1200-1500℃保温5-12小时，然后再随炉冷却；
步骤三、筛选冷却后的混合粉末，挑选出粒径小于50微米的混合粉末a；
步骤四、将混合粉末a导入球磨罐中，并将球磨罐内部加入丙酮，并使二者充分混合，然后再进行研磨、烘干和筛选，从而能够得到粒径范围在30-80微米之间的混合粉末b；
步骤五、利用无水乙醇对步骤四中的混合粉末b进行清洗，以去除混合粉末b中多余的丙酮，然后再对其进行干燥和筛选，以得到最终的喷涂粉末；
步骤六、清理工件表面，以保证工件待喷涂表面的洁净；
步骤七、采用等离子喷涂技术将喷涂粉末喷涂到工件的表面上，利用送粉器将喷涂粉末输送至喷枪的位置，然后喷涂粉末由送粉气送入喷枪火焰中被熔化，并由焰流加速得到高于150m/s的速度，经过喷嘴喷射到基工件表面上形成陶瓷涂层。
进一步地，在步骤七中等离子喷涂所使用的喷枪中的介质是水。
本发明实施例具有如下优点：
1、本发明通过向陶瓷涂层中添加具有高温稳定性的La2Ce2O7，使得制备的陶瓷涂层具有较高的热稳定性，并利用具有类钙钛矿结构的BaCeO3、BaUO3代替高温条件下容易分解的的碳酸钡，从而能够提高制备的陶瓷涂层的热稳定性，使得所制备的陶瓷涂层不会在1500℃的高温条件下产生分解，从而能够保障所制备的陶瓷涂层的性能不受影响，而且所添加的Sm2ZrO7具有较高的隔热性能，能够使制备的陶瓷涂层具有较高的隔热性能，从而能够保护陶瓷涂层内部的工件和基材不受高温的影响，进而能够提高所制备的陶瓷涂层的性能；
2、本发明通过利用水作为等离子喷涂的工作介质，并通过向喷枪内通入高压水流，使其在枪筒内壁形成涡流，这时，在枪体后部的阴极和枪体前部的旋转阳极间产生直流电弧，使枪筒内壁表面的一部分蒸发、分解，变成等离子态，产生连续的等离子弧，由于旋转涡流水的聚束作用，其能量密度提高，燃烧稳定，从而能够有效的提高喷涂效率，而且利用水代替价格昂贵的氩气，还能够有效的降低生产成本。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本发明实施例提供如下技术方案：一种类钙钛矿结构陶瓷涂层，所使用原料(按重量份数计)包括Al2O38-11份、SiO210-25份、Sm2ZrO720-35份、BaCeO330-45份、BaUO340-42份、La2Ce2O730-40份、无水乙醇90-120份、丙酮10-25份。
具体到本实施例中：所使用原料(按重量份数计)包括Al2O38份、SiO210份、Sm2ZrO720份、BaCeO330份、无水乙醇90份、丙酮10份。
一种类钙钛矿结构陶瓷涂层的制备方法，具体步骤如下：
步骤一、将Al2O3、SiO2、Sm2ZrO7、BaCeO3、BaUO3、La2Ce2O7和无水乙醇加入球磨罐中，并将其磨碎成粉末状，得到混合粉末，球磨介质为氧化铝球磨珠，球磨机旋转速率优选400r/min，球磨时间优选6h；
步骤二、对混合后的粉末进行烘干处理，烘干的具体过程是将混合粉体于1000-1300℃预煅烧6h，升温至1200℃高温焙烧，然后使混合粉末在1200℃保温5小时，冷却至18℃，其中，升温速率优选3℃/min；所述冷却优选采用随炉冷却；
步骤三、筛选冷却后的混合粉末，挑选出粒径小于50微米的混合粉末a；
步骤四、将混合粉末a导入球磨罐中，并将球磨罐内部加入丙酮，并使二者充分混合，然后再进行研磨、烘干和筛选，从而能够得到粒径范围在30-80微米之间的混合粉末b；
步骤五、利用无水乙醇对步骤四中的混合粉末b进行清洗，以去除混合粉末b中多余的丙酮，然后再对其进行干燥和筛选，以得到最终的喷涂粉末；
步骤六、清理工件表面，以保证工件待喷涂表面的洁净；
步骤七、采用等离子喷涂技术将喷涂粉末喷涂到工件的表面上，利用送粉器将喷涂粉末输送至喷枪的位置，然后喷涂粉末由送粉气送入喷枪火焰中被熔化，并由焰流加速得到高于150m/s的速度，经过喷嘴喷射到基工件表面上形成陶瓷涂层。
实施例2：
本发明提供一种类钙钛矿结构陶瓷涂层，所使用原料(按重量份数计)包括Al2O38-11份、SiO210-25份、Sm2ZrO720-35份、BaCeO330-45份、BaUO340-42份、La2Ce2O730-40份、无水乙醇90-120份、丙酮10-25份所使用原料(按重量份数计)包括Al2O39份、SiO215份、Sm2ZrO725份、BaCeO335份、无水乙醇100份、丙酮15份。
具体到本实施例中：所使用原料(按重量份数计)包括Al2O39份、SiO215份、Sm2ZrO725份、BaCeO335份、无水乙醇100份、丙酮15份。
一种类钙钛矿结构陶瓷涂层的制备方法，具体步骤如下：
步骤一、将Al2O3、SiO2、Sm2ZrO7、BaCeO3、BaUO3、La2Ce2O7和无水乙醇加入球磨罐中，并将其磨碎成粉末状，得到混合粉末，球磨介质为氧化铝球磨珠，球磨机旋转速率优选400r/min，球磨时间优选6h；
步骤二、对混合后的粉末进行烘干处理，烘干的具体过程是将混合粉体于1000-1300℃预煅烧8h，升温至1300℃高温焙烧，然后使混合粉末在1300℃保温7小时，冷却至21℃，其中，升温速率优选4℃/min；所述冷却优选采用随炉冷却；
步骤三、筛选冷却后的混合粉末，挑选出粒径小于50微米的混合粉末a；
步骤四、将混合粉末a导入球磨罐中，并将球磨罐内部加入丙酮，并使二者充分混合，然后再进行研磨、烘干和筛选，从而能够得到粒径范围在30-80微米之间的混合粉末b；
步骤五、利用无水乙醇对步骤四中的混合粉末b进行清洗，以去除混合粉末b中多余的丙酮，然后再对其进行干燥和筛选，以得到最终的喷涂粉末；
步骤六、清理工件表面，以保证工件待喷涂表面的洁净；
步骤七、采用等离子喷涂技术将喷涂粉末喷涂到工件的表面上，利用送粉器将喷涂粉末输送至喷枪的位置，然后喷涂粉末由送粉气送入喷枪火焰中被熔化，并由焰流加速得到高于150m/s的速度，经过喷嘴喷射到基工件表面上形成陶瓷涂层。
实施例3：
本发明提供一种类钙钛矿结构陶瓷涂层，所使用原料(按重量份数计)包括Al2O38-11份、SiO210-25份、Sm2ZrO720-35份、BaCeO330-45份、BaUO340-42份、La2Ce2O730-40份、无水乙醇90-120份、丙酮10-25份所使用原料(按重量份数计)包括Al2O39份、SiO215份、Sm2ZrO725份、BaCeO335份、无水乙醇100份、丙酮15份。
具体到本实施例中：所使用原料(按重量份数计)包括Al2O310份、SiO220份、Sm2ZrO730份、BaCeO340份、无水乙醇110份、丙酮20份。
一种类钙钛矿结构陶瓷涂层的制备方法，具体步骤如下：
步骤一、将Al2O3、SiO2、Sm2ZrO7、BaCeO3、BaUO3、La2Ce2O7和无水乙醇加入球磨罐中，并将其磨碎成粉末状，得到混合粉末，球磨介质为氧化铝球磨珠，球磨机旋转速率优选400r/min，球磨时间优选6h；
步骤二、对混合后的粉末进行烘干处理，烘干的具体过程是将混合粉体于1000-1300℃预煅烧10h，升温至1400℃高温焙烧，然后使混合粉末在1400℃保温9小时，冷却至24℃，其中，升温速率优选5℃/min；所述冷却优选采用随炉冷却；
步骤三、筛选冷却后的混合粉末，挑选出粒径小于50微米的混合粉末a；
步骤四、将混合粉末a导入球磨罐中，并将球磨罐内部加入丙酮，并使二者充分混合，然后再进行研磨、烘干和筛选，从而能够得到粒径范围在30-80微米之间的混合粉末b；
步骤五、利用无水乙醇对步骤四中的混合粉末b进行清洗，以去除混合粉末b中多余的丙酮，然后再对其进行干燥和筛选，以得到最终的喷涂粉末；
步骤六、清理工件表面，以保证工件待喷涂表面的洁净；
步骤七、采用等离子喷涂技术将喷涂粉末喷涂到工件的表面上，利用送粉器将喷涂粉末输送至喷枪的位置，然后喷涂粉末由送粉气送入喷枪火焰中被熔化，并由焰流加速得到高于150m/s的速度，经过喷嘴喷射到基工件表面上形成陶瓷涂层。
实施例4：
本发明提供一种类钙钛矿结构陶瓷涂层，所使用原料(按重量份数计)包括Al2O38-11份、SiO210-25份、Sm2ZrO720-35份、BaCeO330-45份、BaUO340-42份、La2Ce2O730-40份、无水乙醇90-120份、丙酮10-25份所使用原料(按重量份数计)包括Al2O39份、SiO215份、Sm2ZrO725份、BaCeO335份、无水乙醇100份、丙酮15份。
具体到本实施例中：所使用原料(按重量份数计)所使用原料(按重量份数计)包括Al2O311份、SiO225份、Sm2ZrO735份、BaCeO345份、无水乙醇120份、丙酮25份。
一种类钙钛矿结构陶瓷涂层的制备方法，具体步骤如下：
步骤一、将Al2O3、SiO2、Sm2ZrO7、BaCeO3、BaUO3、La2Ce2O7和无水乙醇加入球磨罐中，并将其磨碎成粉末状，得到混合粉末，球磨介质为氧化铝球磨珠，球磨机旋转速率优选400r/min，球磨时间优选6h；
步骤二、对混合后的粉末进行烘干处理，烘干的具体过程是将混合粉体于1000-1300℃预煅烧12h，升温至1500℃高温焙烧，然后使混合粉末在1500℃保温10小时，冷却至27℃，其中，升温速率优选6℃/min；所述冷却优选采用随炉冷却；
步骤三、筛选冷却后的混合粉末，挑选出粒径小于50微米的混合粉末a；
步骤四、将混合粉末a导入球磨罐中，并将球磨罐内部加入丙酮，并使二者充分混合，然后再进行研磨、烘干和筛选，从而能够得到粒径范围在30-80微米之间的混合粉末b；
步骤五、利用无水乙醇对步骤四中的混合粉末b进行清洗，以去除混合粉末b中多余的丙酮，然后再对其进行干燥和筛选，以得到最终的喷涂粉末；
步骤六、清理工件表面，以保证工件待喷涂表面的洁净；
步骤七、采用等离子喷涂技术将喷涂粉末喷涂到工件的表面上，利用送粉器将喷涂粉末输送至喷枪的位置，然后喷涂粉末由送粉气送入喷枪火焰中被熔化，并由焰流加速得到高于150m/s的速度，经过喷嘴喷射到基工件表面上形成陶瓷涂层。
实施例5：
分别取上述实施例1-4所制得的120个陶瓷涂层，每30个分为一组，测量其热稳定性和生产成本，可以得到以下数据：
Figure BDA0002756582900000081
由上表可知，实施例1-4中原料新添加的La2Ce2O7、BaCeO3、BaUO3能够有效的提高所制备的陶瓷涂层的热稳定性能，而添加的Sm2ZrO7还能够有效的提高所制备的陶瓷涂层的隔热性能，但是实施例3所制备的陶瓷涂层的性能最好，不仅能够保证所制备的陶瓷涂层在高温条件下的性能不会受到改变，还能够通过改变等离子喷涂的介质种类降低生产成本。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种类钙钛矿结构陶瓷涂层，其特征在于：所使用原料(按重量份数计)包括Al2O38-11份、SiO210-25份、Sm2ZrO720-35份、BaCeO330-45份、BaUO340-42份、La2Ce2O730-40份、无水乙醇90-120份、丙酮10-25份。
2.根据权利要求1所述的一种类钙钛矿结构陶瓷涂层，其特征在于：所使用原料(按重量份数计)包括Al2O38份、SiO210份、Sm2ZrO720份、BaCeO330份、无水乙醇90份、丙酮10份。
3.根据权利要求1所述的一种类钙钛矿结构陶瓷涂层，其特征在于：所使用原料(按重量份数计)包括Al2O39份、SiO215份、Sm2ZrO725份、BaCeO335份、无水乙醇100份、丙酮15份。
4.根据权利要求1所述的一种类钙钛矿结构陶瓷涂层，其特征在于：所使用原料(按重量份数计)包括Al2O310份、SiO220份、Sm2ZrO730份、BaCeO340份、无水乙醇110份、丙酮20份。
5.根据权利要求1所述的一种类钙钛矿结构陶瓷涂层，其特征在于：所使用原料(按重量份数计)包括Al2O311份、SiO225份、Sm2ZrO735份、BaCeO345份、无水乙醇120份、丙酮25份。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种类钙钛矿结构陶瓷涂层，其特征在于：还包括该类钙钛矿结构陶瓷涂层的制备方法，具体步骤如下：
步骤一、将Al2O3、SiO2、Sm2ZrO7、BaCeO3、BaUO3、La2Ce2O7和无水乙醇加入球磨罐中，并将其磨碎成粉末状，得到混合粉末；
步骤二、对混合后的粉末进行烘干处理，使得混合粉末在1200-1500℃保温5-12小时，然后再随炉冷却；
步骤三、筛选冷却后的混合粉末，挑选出粒径小于50微米的混合粉末a；
步骤四、将混合粉末a导入球磨罐中，并将球磨罐内部加入丙酮，并使二者充分混合，然后再进行研磨、烘干和筛选，从而能够得到粒径范围在30-80微米之间的混合粉末b；
步骤五、利用无水乙醇对步骤四中的混合粉末b进行清洗，以去除混合粉末b中多余的丙酮，然后再对其进行干燥和筛选，以得到最终的喷涂粉末；
步骤六、清理工件表面，以保证工件待喷涂表面的洁净；
步骤七、采用等离子喷涂技术将喷涂粉末喷涂到工件的表面上，利用送粉器将喷涂粉末输送至喷枪的位置，然后喷涂粉末由送粉气送入喷枪火焰中被熔化，并由焰流加速得到高于150m/s的速度，经过喷嘴喷射到基工件表面上形成陶瓷涂层。
7.根据权利要求6所述的一种类钙钛矿结构陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：在步骤七中等离子喷涂所使用的喷枪中的介质是水，通过向喷枪内通入高压水流，使其在枪筒内壁形成涡流，这时，在枪体后部的阴极和枪体前部的旋转阳极间产生直流电弧，使枪筒内壁表面的一部分蒸发、分解，变成等离子态，产生连续的等离子弧，由于旋转涡流水的聚束作用，其能量密度提高，燃烧稳定，从而能够有效的提高喷涂效率。
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