CN113005387A - 一种微纳梯度结构隔热涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于隔热涂层领域，公布了一种晶粒尺寸沿着涂层厚度方向呈梯度分布的微纳梯度结构涂层及其制备方法。该涂层可用于高温结构的隔热阻热层。涂层由高温合金防氧化层，纳米耐热陶瓷层和微米耐热陶瓷层组成。本发明还公开了该隔热涂层的制备方法，采用等离子喷涂设备按照设定路线进行移动进行喷涂，从而获得厚度均匀、微米‑纳米陶瓷交替排布的涂层。该隔热涂层，既可以充分利用不同晶粒尺度涂层本征的隔热属性，也可以通过梯度变化最大程度降低涂层内外应力差异效应，最大程度避免因应力分布不均而造成的涂层脱落问题，从而大大提高涂层使用寿命。

Description

一种微纳梯度结构隔热涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及热障涂层技术领域，具体为一种微纳梯度结构隔热涂层及其制备方法。
背景技术
隔热涂层在高温领域的应用已经相对普遍并受到重视，尤其是在航空航天燃气轮机的不同热端部件上的应用更是重中之重。复杂高温工况下金属结构材料的服役是目前最大的亟待突破的高科技核心技术之一，高温蠕变、腐蚀介质、热循环、热烧结、热冲击等等均会对相关服役部件产生严重影响。目前解决的方法手段主要围绕着两个方向进行，一是高温合金结构材料的性能优化，一是隔热涂层的研发。高温合金的研究时间比较长，叶比较系统，但是通过高温合金性能优化与提升的难度相对比隔热涂层的研究要困难的多。所以，对于隔热涂层在高温领域的研究与应用效果会更加明显，时间成本、资金成本及人力成本相对投入较少。目前主流应用的隔热涂层均为微米级陶瓷涂层或者类陶瓷涂层，不仅热导率较低，拥有优异的隔热效果，同时热循环寿命也有了较大地提升。但是由于涂层两侧温度场的差异，使得涂层由外到内的热应力差异非常明显，使得涂层容易开裂，造成脱落失效，同时涂层的厚度只能控制在一定范围之内(如300微米之内)，严重限制了厚涂层的优异隔热效果的应用。另外，家庭烹饪过程中，在明火燃气的加热作用下，如果锅具长时间温度过高，一方面会对食物本身的化学成分造成不可逆的破坏甚至恶化，另一方面会大大降低锅具的使用寿命。
目前隔热涂层最主流的方法是通过热喷涂的方式在材料结构表面涂覆一层金属粘结层(MCrAlY，M为Ni或者NiCo)和一层微米级的耐热非金属陶瓷，例如氧化锆-氧化钇、氧化锆-氧化钙、氧化锆-氧化镁、莫来石、锆英石等。金属粘结层一方面是由于其热膨胀系数与金属基体和陶瓷层的匹配性优异，另一方面由于服役过程生成的TGO层，能够阻碍基体金属的氧化。而隔热陶瓷层更多的是降低热导率，使温度形成梯度场，降低金属基体的温度，从而保护金属基体的稳定运行。目前主流应用的8YSZ涂层综合性能优异，已广泛应用于高温隔热涂层领域。但是一方面由于YSZ高温下是氧的良导体，无法阻碍氧的进入对基体的氧化，造成TGO层的增厚与最终失效，另一方面由于热应力场的突变，使得涂层容易脱落，且厚度有限。
纳米材料，因其拥有特殊的物理特性，如表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。由于晶界面增多，晶界缺陷增多，是得纳米材料的电导率降低，能达到降低1～2个数量级。高温下，YSZ是氧离子的优良导体，氧气透过YSZ涂层扩散到基底而将基底氧化。因此，纳米YSZ的氧离子电导率降低，有利于提高基底的抗氧化性。另外，如果能够将纳米陶瓷材料和微米陶瓷材料结合，形成化学成分梯度过度的新型涂层，这样对改善涂层热应力的分布有着重大积极作用。这样势必会大幅度提高涂层的服役寿命。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种微纳梯度结构隔热涂层，该隔热涂层在充分纳米涂层的抗氧化作用的同时，将化学成分梯度化以使降低热应力恶化的效果最大化，在明火加热燃烧的情况下，能够保持优异阻热效果的同时大大提高涂层服役寿命。
本发明的目的之二在于提供上述微纳梯度结构隔热涂层的制备方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种微纳梯度结构隔热涂层，所述涂层作为与燃气明火直接接触的高温结构的表层，由内向外依次包括高温合金防氧化过渡层，微米级耐热陶瓷层和纳米级耐热陶瓷层。其中涂层总厚度为100-800微米，高温合金防氧化过渡层单层厚度为30-100微米，微米级耐热陶瓷层单层厚度为50-200微米，纳米级耐热陶瓷层厚度为20-200微米，微米级耐热陶瓷层和纳米级耐热陶瓷层交替设置，且陶瓷层总层数为2-10层。
优选的，所述与燃气明火直接接触的高温结构为300系列奥氏体不锈钢、镍基高温合金、铝合金、钴基高温合金、9-12Cr耐热钢。
优选的，所述的高温合金防氧化过渡层的材料选用MCrAlY高温合金粉体，其中M为Ni或者NiCo，高温合金防氧化过渡层的材料粒径为40-80微米。
优选的，所述的微米级耐热陶瓷层的材料选用微米级的氧化锆基陶瓷粉体、微米级的稀土氧化物粉体、微米级的稀土锆酸盐粉体及微米级的六铝酸盐粉体等中的任意一种，微米级耐热陶瓷层的材料粒径为40-120微米。
优选的，所述的纳米级耐热陶瓷层的材料选用纳米级的氧化锆基陶瓷粉体、纳米级的稀土氧化物粉体、纳米级的稀土锆酸盐粉体及或纳米级的六铝酸盐粉体的团聚粉体中的任意一种等，纳米级耐热陶瓷层的材料团聚粉体粒径为40-100微米。
优选的，所述的隔热涂层的制备包括如下步骤：
S0：预处理：用150#-1000#砂纸对欲喷涂的与燃气明火直接接触的高温结构表面进行打磨，使表面平整；之后用95％酒精对高温结构表面进行浸泡、清洗，并烘干；
S1：喷砂处理：对预喷涂的高温结构表面进行喷砂；
S2：烘干处理：将高温合金防氧化过渡层的材料粉体、微米级耐热陶瓷层的材料粉体和纳米级耐热陶瓷层的材料粉体烘干；
S3：喷涂：先用单路进行高温合金防氧化过渡层的材料粉体喷涂，再用多路等离子喷涂设备分别进行微米级耐热陶瓷层的材料粉体和纳米级耐热陶瓷层的材料粉体喷涂，微米级耐热陶瓷层的材料粉体和纳米级耐热陶瓷层的材料粉体的喷涂交替进行，喷涂路径为直线，最终获得微纳梯度结构隔热涂层。
优选的，所述步骤S1中，喷砂工艺参数设定如下，空气压力0.1-0.6MPa，距离100-300mm，角度60-75°，喷嘴直径5-15mm，喷枪速度无严格要求，只需均匀即可。
优选的，所述步骤S2中，粉体的烘干温度为200℃，烘干时间为2h。
具体地，本发明选用的粉体粒度分别为MCrAlY粉体(40-80微米)，微米陶瓷粉体(40-120微米)，纳米陶瓷团聚粉体(40-100微米)。
优选的，所述步骤S3中，喷涂工艺：电压为40-100V，电流为200-1000A，主气为20-100L/min，次气为0.5-10L/min，送粉气为0-10L/min，送粉速度为0-100g/min，喷涂距离为50-200mm，喷涂速度为10-100mm/s。
优选的，所述步骤S3中，喷涂后，纳米级耐热陶瓷层位于最外侧，高温结构表面外涂层顺序依次为高温合金防氧化层/微米级耐热陶瓷层/纳米级耐热陶瓷层/…/微米级耐热陶瓷层/纳米级耐热陶瓷层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明所述的微纳梯度结构涂层在拥有优异隔热效果地同时具有优异的抗氧化防脱落效果，与单一微米结构涂层相比，在明火长时间加热或者热循环的情况下，大幅度降低涂层厚度过厚易脱落的倾向，极大提高使用寿命。
2.本发明的微纳梯度结构隔热涂层的制备方法能够高效地制备出微纳梯度结构。
附图说明
图1为微纳结构隔热涂层结构示意图；
图2为升温测试点分布示意图；
图3为对比实施例非接触明火侧的升温曲线；
图4为实施例1非接触明火侧的升温曲线；
图5为对比例、实施例1和实施例2的热循环次数对比图；
图6为实施例2非接触明火侧的升温曲线；
图7为实施例3非接触明火侧的升温曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
如图1所示，一种微纳梯度结构隔热涂层，其作为与燃气明火直接接触的高温结构的表层，由内向外依次包括高温合金防氧化过渡层，一层微米级耐热陶瓷层和一层纳米级耐热陶瓷层。
对以下实施例获得的微纳梯度结构隔热涂层及对比实施例进行以下测试：
1、热循环测试：
将隔热涂层样品放置于燃气灶具上方，涂层面向火焰，火力调至最大，每加热10min后迅速放入自来水水槽中，记为一个热循环；等样品充分冷却后，多次重复，直到观察到涂层脱落现象停止，并记录总热循环次数H。
2、隔热测试：
将隔热涂层样品置于燃气灶具上方，火力调至最大，通过热电偶测温仪测试非接触明火一侧的温度随时间变化，每隔30s记录一次温度，记录时间为5min。测试结果取不同测试点的平均值，温度测试点的分布示意图如图2所示。
对比实施例
1、预处理：基体选择316不锈钢，尺寸为直径Φ300mm*1.5mm。采用150-1000#砂纸依次打磨，并采用酒精清洗、烘干，烘干温度150℃，烘干时间1min。
2、喷砂处理：对基体待喷涂表面进行喷砂处理，空压0.3MPa，距离80mm，角度60°，喷嘴直径8mm；
3、将MCrAlY粉体(40-80微米)，8YSZ(40-120微米)微米陶瓷粉体烘干，烘干条件是200℃温度下处理2h；
4、参数设定：喷涂电压为80V，电流为200A，主气为60L/min，次气为2L/min，送粉气为2L/min，送粉速度为30g/min，喷涂距离为100mm，喷涂速度为20mm/s；
5、喷涂：先喷涂NiCrAlY层，厚度为60微米，再喷涂8％YSZ，总厚度300微米；
6、热循环测试：将带有隔热涂层样品放置于燃气灶具上方，涂层一侧朝下，火力调至最大，加热10min后，迅速放入自来水水槽中，当热循环次数H为210次时，观察到了涂层脱落现象，停止记录。
7、将隔热涂层样品置于燃气灶具上方，涂层侧朝下，火力调至最大，通过热电偶测温仪测试非接触明火侧的温度随时间变化，记录时间为5min，如图3所示。
实施例1
1、预处理：基体选择316不锈钢，尺寸为直径Φ300mm*1.5mm。采用150-1000#砂纸依次打磨，之后采用去酒精进行清洗、烘干，烘干温度150℃，烘干时间1min。
2、喷砂处理：对基体待喷涂表面进行喷砂处理，空压0.3MPa，距离80mm，角度60°，喷嘴直径8mm；
3、将MCrAlY粉体(40-80微米)，8YSZ微米陶瓷粉体(40-120微米)，8YSZ纳米陶瓷团聚粉体(40-100微米)烘干，200℃/2h；
4、参数设定：喷涂电压为80V，电流为200A，主气为60L/min，次气为2L/min，送粉气为2L/min，送粉速度为30g/min，喷涂距离为100mm，喷涂速度为20mm/s；
5、喷涂：先喷涂NiCrAlY层，厚度为60微米，再依次喷涂微米8％YSZ粉体和纳米8％YSZ团聚粉体，陶瓷层总层数为2层，总厚度300微米；
6、热循环测试：将带有隔热涂层样品放置于燃气灶具上方，涂层一侧朝下，火力调至最大，加热10min后，迅速放入自来水水槽中，当热循环次数H为320次时，观察到了涂层脱落现象，停止记录。
7、将隔热涂层样品置于燃气灶具上方，涂层侧朝下，火力调至最大，通过热电偶测温仪测试非接触明火侧的温度随时间变化，记录时间为5min，如图4所示。
实施例2
1、预处理：基体选择316不锈钢，尺寸为直径Φ300mm*1.5mm。采用150-1000#砂纸依次打磨，之后采用去酒精进行清洗、烘干，烘干温度150℃，烘干时间1min。
2、喷砂处理：对基板待喷涂表面进行喷砂处理，空压0.3MPa，距离80mm，角度60°，喷嘴直径8mm；
3、将MCrAlY粉体(40-80微米)，8YSZ微米陶瓷粉体(40-120微米)，8YSZ纳米陶瓷团聚粉体(40-100微米)烘干，烘干条件是200℃温度下处理2h；
4、参数设定：喷涂电压为80V，电流为200A，主气为60L/min，次气为2L/min，送粉气为2L/min，送粉速度为30g/min，喷涂距离为100mm，喷涂速度为20mm/s；
5、喷涂：先喷涂NiCrAlY层，厚度为60微米，再依次喷涂微米8％YSZ粉体和纳米8％YSZ团聚粉体，陶瓷层总层数为6层，最外层为纳米陶瓷层，总厚度800微米；
6、热循环测试：将带有隔热涂层样品放置于燃气灶具上方，涂层一侧朝下，火力调至最大，加热10min后，迅速放入自来水水槽中，当热循环次数H为230次时，观察到了涂层脱落现象，停止记录，如图5所示。图5为对比实施例、实施例1和实施例2的热循环次数对比图。
7、将隔热涂层样品置于燃气灶具上方，涂层侧朝下，火力调至最大，通过热电偶测温仪测试非接触明火侧的温度随时间变化，记录时间为5min，如图6所示。
实施例3
1、预处理：基体选择1050铝合金，尺寸为直径Φ300mm*1.5mm。采用150-1000#砂纸依次打磨，之后采用酒精进行清洗，并烘干，烘干温度150℃，烘干时间1min。
2、喷砂处理：对基体进行喷砂处理，空压0.3MPa，距离200mm，角度60°，喷嘴直径10mm；
3、将MCrAlY粉体(40-80微米)，8YSZ微米陶瓷粉体(40-120微米)，8YSZ纳米陶瓷团聚粉体(40-100微米)烘干，烘干条件是200℃温度下处理2h；
4、参数设定：喷涂电压为80V，电流为200A，主气为60L/min，次气为2L/min，送粉气为2L/min，送粉速度为30g/min，喷涂距离为100mm，喷涂速度为20mm/s；
5、喷涂：先喷涂NiCrAlY层，厚度为60微米，再依次喷涂微米La2Zr2O7稀土锆酸盐粉体和纳米La2Zr2O7稀土锆酸盐团聚粉体，陶瓷层总层数为4层，最外层为纳米陶瓷层，总厚度550微米；
6、热循环测试：将带有隔热涂层样品放置于燃气灶具上方，涂层一侧朝下，火力调至最大，加热10min后，迅速放入自来水水槽中，当热循环次数H为305次时，观察到了涂层脱落现象，停止记录，如图5所示。
7、将隔热涂层样品置于燃气灶具上方，涂层侧朝下，火力调至最大，通过热电偶测温仪测试非接触明火侧的温度随时间变化，记录时间为5min，如图7所示。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微纳梯度结构隔热涂层，其特征在于：所述涂层作为与燃气明火直接接触的高温结构的表层，由内向外依次包括高温合金防氧化过渡层、微米级耐热陶瓷层和纳米级耐热陶瓷层，所述涂层总厚度为100-800微米；其中，
所述高温合金防氧化过渡层单层厚度为30-100微米，微米级耐热陶瓷层单层厚度为50-200微米，纳米级耐热陶瓷层厚度为20-200微米，微米级耐热陶瓷层和纳米级耐热陶瓷层交替设置，陶瓷层总层数为2-10层。
2.根据权利要求1所述的一种微纳梯度结构隔热涂层，其特征在于：所述与燃气明火直接接触的高温结构为300系列奥氏体不锈钢、镍基高温合金、铝合金、钴基高温合金、9-12Cr耐热钢。
3.根据权利要求1所述的一种微纳梯度结构隔热涂层，其特征在于：所述的高温合金防氧化过渡层的材料选用MCrAlY合金粉体，其中M为Ni或者NiCo，高温合金防氧化过渡层的材料粒径为40-80微米。
4.根据权利要求1所述的一种微纳梯度结构隔热涂层，其特征在于：所述的微米级耐热陶瓷层的材料可选用微米级的氧化锆基陶瓷粉体、微米级的稀土氧化物粉体、微米级的稀土锆酸盐粉体、微米级的六铝酸盐粉体中的任意一种，微米级耐热陶瓷层的材料粒径为40-120微米。
5.根据权利要求1所述的一种微纳梯度结构隔热涂层，其特征在于：所述的纳米级耐热陶瓷层的材料可选用纳米级的氧化锆基陶瓷粉体、纳米级的稀土氧化物粉体、纳米级的稀土锆酸盐粉体及纳米级的六铝酸盐粉体的团聚粉体中的任意一种，纳米级耐热陶瓷层的材料团聚粉体粒径为40-100微米。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的微纳梯度结构隔热涂层的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S0：预处理：对欲喷涂的与燃气明火直接接触的高温结构表面进行打磨，之后用95%的酒精对高温结构表面进行浸泡、清洗，并烘干；
S1：喷砂处理：对预喷涂的高温结构表面进行喷砂；
S2：烘干处理：将高温合金防氧化过渡层的材料粉体、微米级耐热陶瓷层的材料粉体和纳米级耐热陶瓷层的材料粉体烘干；
S3：喷涂：先用单路进行高温合金防氧化过渡层的材料粉体喷涂，再用多路等离子喷涂设备分别进行微米级耐热陶瓷层的材料粉体和纳米级耐热陶瓷层的材料粉体喷涂，微米级耐热陶瓷层的材料粉体和纳米级耐热陶瓷层的材料粉体的喷涂交替进行，喷涂路径为直线，最终获得微纳梯度结构隔热涂层。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，喷砂处理的工艺参数设定如下：空气压力0.1-0.6MPa，距离100-300mm，角度60-75°，喷嘴直径5-15mm。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，粉体的烘干温度为200℃，烘干时间为2h粉体。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，喷涂处理的工艺参数如下：电压为40-100V，电流为200-1000A，主气为20-100L/min，次气为0.5-10L/min，送粉气为0-10L/min，送粉速度为0-100g/min，喷涂距离为50-200mm，喷涂速度为10-100mm/s。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，喷涂后，纳米级耐热陶瓷层位于最外侧，高温结构表面外涂层顺序依次为高温合金防氧化层/微米级耐热陶瓷层/纳米级耐热陶瓷层/…/微米级耐热陶瓷层/纳米级耐热陶瓷层。
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