CN113046678A - 一种双陶瓷层叠加新结构热障涂层及其制备方法 - Google Patents

一种双陶瓷层叠加新结构热障涂层及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113046678A
CN113046678A CN202110278836.8A CN202110278836A CN113046678A CN 113046678 A CN113046678 A CN 113046678A CN 202110278836 A CN202110278836 A CN 202110278836A CN 113046678 A CN113046678 A CN 113046678A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ceramic
powder
layer
double
spraying
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110278836.8A
Other languages
English (en)
Inventor
邹兵林
蔡晓龙
王盈
曹学强
张洪杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changchun Institute of Applied Chemistry of CAS
Original Assignee
Changchun Institute of Applied Chemistry of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changchun Institute of Applied Chemistry of CAS filed Critical Changchun Institute of Applied Chemistry of CAS
Priority to CN202110278836.8A priority Critical patent/CN113046678A/zh
Publication of CN113046678A publication Critical patent/CN113046678A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134—Plasma spraying
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
    • C23C4/073—Metallic material containing MCrAl or MCrAlY alloys, where M is nickel, cobalt or iron, with or without non-metal elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/10—Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
    • C23C4/11—Oxides

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Abstract

本发明提供一种双陶瓷层叠加新结构热障涂层及其制备方法，该热障涂层是由MCrAlY(M＝Ni、Co、NiCo)粘结层，和由YSZ与新型陶瓷材料La2Zr2O7、La2Ce2O7、La2(Zr0.7Ce0.3)2O7或LaMgAl11O19等组成的双陶瓷层基元叠加而成的陶瓷面层组成；本发明的制备方法采用大气等离子喷涂技术制备热障涂层，通过3个送粉器送粉并且由计算机编程控制，制备工艺简单。本发明的双陶瓷层叠加新结构热障涂层特点是，与双陶瓷层结构相比，叠加结构从仿生学角度有利于提高涂层的断裂韧性；另外，叠加结构由于陶瓷层界面数量增加，不仅界面残余热应力减小而且分布更均匀，有利于提高涂层的热循环寿命。双陶瓷层叠加结构在抗高温火焰冲涮、烧蚀和隔热方面，具有显著优势，应用前景广阔。

Description

一种双陶瓷层叠加新结构热障涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于表面热防护领域，具体涉及一种双陶瓷层叠加新结构热障涂层及其制备方法。
背景技术
热障涂层(Thermal Barrier Coatings,TBC)通常由金属粘结层和陶瓷面层组成，利用粘结层的抗氧化、抗腐蚀和陶瓷面层的抗高温、低热导率对热端构件表面进行热防护，从而提高服役温度和寿命。TBC对航空、航天、武器装备等动力热端构件表面热防护具有广泛的应用前景。传统TBC由MCrAlY(M＝Ni、Co、NiCo)粘结层和YSZ(Y2O3部分稳定的ZrO2)陶瓷面层组成。1200℃以上YSZ会发生相变、烧结和透氧，导致TBC容易脱落。随着高推重比发动机和超音速武器的发展，MCrAlY(M＝Ni、Co、NiCo)/YSZ TBC难以满足现代武器日益发展的热防护需求。
目前国际上报道的新型耐高温(≥1250℃)、低热导率TBC陶瓷层材料主要有La2Zr2O7、La2Ce2O7、La2(Zr0.7Ce0.3)2O7和LaMgAl11O19等。然而，新型陶瓷层材料与MCrAlY粘结层的相容性往往不如YSZ，导致新材料的优势难以发挥。将新材料和YSZ组成双陶瓷层结构TBC，是发挥新材料优势的一种有效途径。文献报道[Surface&Coatings Technology,2010,204:3366-3370]，采用大气等离子喷涂(Atmospheric plasma spraying,APS)制备的YSZ/La2Ce2O7双陶瓷层结构TBC，其1250℃的热循环寿命均高于La2Ce2O7、YSZ单陶瓷层结构。CN102127738专利公开了一种多层热障涂层及其制备方法，该多层热障涂层实际上是由YSZ与La2Zr2O7等新材料组成的双陶瓷层结构，差别仅是在双陶瓷层表面设置了一薄层Al2O3封闭层以提高涂层的抗熔盐腐蚀，双陶瓷层结构热冲击寿命相比单陶瓷层明显提高。尽管双陶瓷层结构在一定程度上提高了热障涂层的服役温度和寿命，但是在热载冲击下，由于不同材料的热膨胀差异，双陶瓷层的界面容易发生残余热应力集中的现象，导致TBC仍然容易脱落，其高温热循环寿命等性能仍有待进一步提高。
发明内容
本发明要解决由传统的YSZ和新型陶瓷材料La2Zr2O7、La2Ce2O7、La2(Zr0.7Ce0.3)2O7、LaMgAl11O19等组成的双陶瓷层结构TBC，由于材料热膨胀差异，其单陶瓷层界面形成较大的残余热应力以及应力集中现象，导致TBC易产生裂纹、鼓包或脱落，TBC的热循环温度和寿命不高的技术问题，提供一种双陶瓷层叠加新结构热障涂层及其制备方法。本发明的双陶瓷层叠加结构由于陶瓷层界面增加并且在陶瓷层内部均匀分布，与双陶瓷层结构相比，较好地克服了界面应力大、应力集中和应力分布不均的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
本发明提供一种双陶瓷层叠加新结构热障涂层，该热障涂层是由MCrAlY(M＝Ni、Co、NiCo)粘结层，及YSZ与新型陶瓷材料La2Zr2O7、La2Ce2O7、La2(Zr0.7Ce0.3)2O7或者LaMgAl11O19等组成的双陶瓷层基元叠加而成的陶瓷面层组成，双陶瓷层基元的叠加次数在2次以上。
在上述技术方案中，所述MCrAlY粘结层为NiCrAlY粘结层，粘结层的厚度为50-150μm；所述新型陶瓷材料为LaMgAl11O19，YSZ/LaMgAl11O19双陶瓷层基元的厚度为80-120μm，所述双陶瓷层基元中YSZ陶瓷层与LaMgAl11O19陶瓷层的厚度比为0.5-1，所述双陶瓷层基元的叠加次数为2-5次。
在上述技术方案中，所述NiCrAlY粘结层的厚度为100μm，所述YSZ/LaMgAl11O19双陶瓷层基元的厚度为100μm，所述双陶瓷层基元中YSZ陶瓷层与LaMgAl11O19陶瓷层的厚度比为1，所述双陶瓷层基元的叠加次数为3次。
本发明还提供一种双陶瓷层叠加新结构热障涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：对镍基高温合金基体进行预处理，得到预处理后的高温合金基体；
步骤二：采用大气等离子喷涂技术制备涂层，分别在1#、2#、3#送粉器中装入MCrAlY粉末、YSZ粉末和新型陶瓷材料粉末，编制计算机喷涂程序，由喷涂程序启停等离子喷枪、送粉器、喷涂遍数以及双陶瓷层基元叠加次数；
步骤三：在步骤一得到的预处理后的高温合金基体上，由步骤二编制的喷涂程序，进行等离子喷枪点火，启动1#送粉器送粉，喷涂MCrAlY粉末，达到喷涂遍数停止1#送粉器送粉，制备出满足厚度要求的MCrAlY粘结层；
步骤四：在步骤三制备的MCrAlY粘结层表面，由步骤二编制的喷涂程序，首先启动2#送粉器送粉，喷涂YSZ粉末，达到喷涂遍数停止2#送粉器送粉，然后启动3#送粉器送粉，喷涂新型陶瓷材料粉末，达到喷涂遍数停止3#送粉器送粉，制备出满足陶瓷层厚度要求的双陶瓷层基元；
步骤五：由步骤二编制的喷涂程序，在步骤四制备出的双陶瓷层基元表面重复步骤四，如此往复直到双陶瓷层基元的叠加次数，等离子喷枪熄火，制备出满足厚度要求的陶瓷面层。
在上述制备方法中，步骤三、步骤四和步骤五由喷涂程序自动执行相应子程序，连续喷涂，不存在间歇。
在上述技术方案中，步骤一具体步骤为：
用无水乙醇超声清洗镍基高温合金基体5-10min，自然风干后对样品喷涂表面用1000目砂纸进行打磨，然后用36目刚玉砂对样品喷涂表面进行喷砂处理，再用干净压缩空气吹掉粘附在基体表面的尘埃或磨料，得到预处理后的高温合金基体。
在上述技术方案中，步骤二编制计算机喷涂程序涉及的粘结层的喷涂遍数、每个陶瓷层的喷涂遍数及双陶瓷层基元叠加次数的计算方法为：
NiCrAlY粘结层的喷涂遍数：用NiCrAlY粘结层厚度除以单位遍数所沉积的厚度；
YSZ陶瓷层的喷涂遍数：用YSZ陶瓷层厚度除以单位遍数所沉积的厚度；
新型陶瓷材料陶瓷层的喷涂遍数：用新型陶瓷材料陶瓷层厚度除以单位遍数所沉积的厚度；
双陶瓷层基元叠加次数：用最终的陶瓷面层的厚度除以双陶瓷层基元的厚度。
在上述技术方案中，步骤三中喷涂MCrAlY粉末的等离子喷涂参数为：喷涂电流550-650A，氩气流量44-48SLPM、氢气流量7-9SLPM，喷涂距离90-110mm，喷枪移动速度900-1100mm/s。
在上述技术方案中，步骤三中喷涂MCrAlY粉末的等离子喷涂参数为：喷涂电流650A，氩气流量46SLPM、氢气流量8SLPM，喷涂距离100mm，喷枪移动速度1000mm/s。
在上述技术方案中，步骤四中喷涂YSZ粉末、新型陶瓷材料粉末的等离子喷涂参数为：喷涂电流550～650A，氩气流量33～37SLPM、氢气流量10～14SLPM，喷涂距离90～110mm，喷枪移动速度900-1100mm/s。
在上述技术方案中，步骤四中喷涂YSZ粉末、新型陶瓷材料粉末的等离子喷涂参数为：喷涂电流600A，氩气流量35SLPM、氢气流量12SLPM，喷涂距离100mm，喷枪移动速度1000mm/s。
本发明的有益效果是：
本发明提供的一种双陶瓷层叠加新结构热障涂层，是由MCrAlY(M＝Ni、Co、NiCo)粘结层、及YSZ与新型陶瓷材料La2Zr2O7、La2Ce2O7、La2(Zr0.7Ce0.3)2O7或者LaMgAl11O19等组成的双陶瓷层基元叠加而成的陶瓷面层组成的新结构热障涂层。本发明通过设置陶瓷面层采用双陶瓷层叠加结构，增加陶瓷层界面数量和界面均匀分布，较好地克服了界面应力大、应力集中的问题，显著地提高了热障涂层的热循环寿命和隔热性能。
本发明的双陶瓷层叠加新结构热障涂层的特点是，与双陶瓷层结构相比，叠加结构从仿生学角度有利于提高涂层的断裂韧性；另外，叠加结构由于陶瓷层界面数量增加，不仅界面残余热应力减小而且分布更均匀，有利于提高涂层的热循环寿命。双陶瓷层叠加结构在抗高温火焰冲涮、烧蚀和隔热方面，具有显著优势，应用前景广阔。
本发明提供的双陶瓷层叠加新结构热障涂层的制备方法，采用大气等离子喷涂技术制备热障涂层，通过3个送粉器送粉并且由计算机编程控制，制备工艺简单。本发明的制备方法首先启用MCrAlY粉末送粉器喷涂粘结层；然后交替启用YSZ和新型陶瓷材料粉末送粉器在粘结层表面喷涂若干个YSZ/新型陶瓷材料双陶瓷层基元，通过双陶瓷层基元叠加达到热障涂层所需的厚度。本发明的制备方法通过采用3个送粉器，编制程序启停送粉器、喷涂遍数和叠加次数，从而解决了涂层制备过程中由于双陶瓷层基元叠加需要频繁地进行喷枪点火熄火、更换送粉器粉末、喷涂间歇，从而导致TBC制备工艺复杂、效率低的难题，从而使双陶瓷层叠加结构的等离子喷涂制备工程简单易控，制备效率高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1本发明实施例1制备得到的YSZ/LaMgAl11O19双陶瓷层三次叠加结构TBC的截面SEM图。
图2本发明实施例1制备得到的YSZ/LaMgAl11O19双陶瓷层三次叠加结构(a)和双陶瓷层结构(b)在热震炉1000℃水淬热震失效前、后的宏观照片对比。
图3本发明实施例1制备得到的YSZ/LaMgAl11O19双陶瓷层三次叠加结构(a)和双陶瓷层结构(b)火焰灼烧涂层表面1350-1400℃热循环失效前、后的宏观照片对比。
图4本发明实施例2制备得到的YSZ/LaMgAl11O19双陶瓷层五次叠加结构TBC的截面SEM图。
具体实施方式
本发明提供了一种双陶瓷层叠加新结构热障涂层，该热障涂层是由MCrAlY(M＝Ni、Co、NiCo)粘结层，及YSZ与新型陶瓷材料La2Zr2O7、La2Ce2O7、La2(Zr0.7Ce0.3)2O7或LaMgAl11O19等组成的双陶瓷层基元叠加而成的陶瓷面层组成。
优选的是所述MCrAlY粘结层为NiCrAlY粘结层，粘结层的厚度为50-150μm，所述新型陶瓷材料为LaMgAl11O19，YSZ/LaMgAl11O19双陶瓷层基元的厚度为80-120μm，所述双陶瓷层基元中YSZ陶瓷层与LaMgAl11O19陶瓷层的厚度比为0.5-1，所述双陶瓷层基元的叠加次数为2-5次。
最优选的是所述NiCrAlY粘结层，粘结层的厚度为100μm，所述新型陶瓷材料为LaMgAl11O19，所述YSZ/LaMgAl11O19双陶瓷层基元的厚度为100μm，所述双陶瓷层基元中YSZ陶瓷层与LaMgAl11O19陶瓷层的厚度比为1，所述双陶瓷层基元的叠加次数为3次。
本发明还提供一种双陶瓷层叠加新结构热障涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：对镍基高温合金基体进行预处理，得到预处理后的高温合金基体；具体包括以下步骤：
用无水乙醇超声清洗高温合金基体5-10min，自然风干后对样品喷涂表面用1000目砂纸进行打磨，然后用36目刚玉砂对样品喷涂表面进行喷砂处理，再用干净压缩空气吹掉粘附在基体表面的尘埃或磨料，得到预处理后的高温合金基体。
步骤二：采用大气等离子喷涂技术制备涂层，分别在1#、2#、3#送粉器中装入MCrAlY粉末、YSZ粉末和新型陶瓷材料粉末，编制计算机喷涂程序，由喷涂程序启停等离子喷枪、送粉器、喷涂遍数以及双陶瓷层基元叠加次数；
编制计算机喷涂程序涉及的粘结层的喷涂遍数、每个陶瓷层的喷涂遍数及双陶瓷层基元叠加次数的计算方法为：
NiCrAlY粘结层的喷涂遍数：用NiCrAlY粘结层厚度除以单位遍数所沉积的厚度；
YSZ陶瓷层的喷涂遍数：用YSZ陶瓷层厚度除以单位遍数所沉积的厚度；
新型陶瓷材料陶瓷层的喷涂遍数：用新型陶瓷材料陶瓷层厚度除以单位遍数所沉积的厚度；
双陶瓷层基元叠加次数：用最终的陶瓷面层的厚度除以双陶瓷层基元的厚度。
步骤三：在步骤一得到的预处理后的高温合金基体上，由步骤二编制的喷涂程序，进行等离子喷枪点火，启动1#送粉器送粉，喷涂MCrAlY粉末，达到喷涂遍数停止1#送粉器送粉，制备出满足厚度要求的MCrAlY粘结层；
优选的是喷涂MCrAlY粉末的等离子喷涂参数为：喷涂电流550-650A，氩气流量44-48SLPM、氢气流量7-9SLPM，喷涂距离90-110mm，喷枪移动速度900-1100mm/s。
最优选的是MCrAlY粉末的等离子喷涂参数为：喷涂电流650A，氩气流量46SLPM、氢气流量8SLPM，喷涂距离100mm，喷枪移动速度1000mm/s。
步骤四：在步骤三制备的MCrAlY粘结层表面，由步骤二编制的喷涂程序，首先启动2#送粉器送粉，喷涂YSZ粉末，达到喷涂遍数停止2#送粉器送粉，然后启动3#送粉器送粉，喷涂新型陶瓷材料粉末，达到喷涂遍数停止3#送粉器送粉，制备出满足陶瓷层厚度要求的双陶瓷层基元；
优选的是喷涂YSZ粉末、新型陶瓷材料粉末的等离子喷涂参数为:喷涂电流550～650A，氩气流量33～37SLPM、氢气流量10～14SLPM，喷涂距离90～110mm，喷枪移动速度900-1100mm/s。
最优选的是YSZ粉末、新型陶瓷材料粉末的等离子喷涂参数为:喷涂电流600A，氩气流量35SLPM、氢气流量12SLPM，喷涂距离100mm，喷枪移动速度1000mm/s。
步骤五：由步骤二编制的喷涂程序，在步骤四制备出的双陶瓷层基元表面重复步骤四，如此往复直到双陶瓷层基元的叠加次数，等离子喷枪熄火，制备出满足厚度要求的陶瓷面层。
在上述制备方法中，步骤三、步骤四和步骤五由喷涂程序自动执行相应子程序，连续喷涂，不存在间歇。
实施例1：
将DZ125高温合金用电火花线切割机切成25mm×15mm×3mm大小矩形样品和φ30mm×3mm大小圆形样品，用无水乙醇超声清洗样品5min，然后用1000目砂纸将欲喷涂涂层的表面打磨至表面平整，再用36目刚玉砂将打磨表面进行喷砂处理，最后用干净压缩空气吹掉粘附在基体表面的尘埃或磨料。将样品安装到喷涂夹具上，待制备热障涂层。
热障涂层中NiCrAlY粘结层的厚度为100μm，新型陶瓷材料为LaMgAl11O19，YSZ/LaMgAl11O19双陶瓷层基元的厚度为100μm，双陶瓷层基元中YSZ陶瓷层与LaMgAl11O19陶瓷层的厚度比为1，即厚度均为50μm，双陶瓷层基元的叠加次数为3次。
采用SulzerMetco Unicoat大气等离子喷涂系统(F4-MB喷枪)制备热障涂层。分别在1#、2#、3#送粉器中装入NiCrAlY粉末、YSZ粉末和LaMgAl11O19粉末。NiCrAlY粉末的等离子喷涂参数为：喷涂电流650A，氩气流量46SLPM、氢气流量8SLPM，喷涂距离100mm，喷枪移动速度1000mm/s，该参数下NiCrAlY粉末单位喷涂遍数的沉积厚度约为4μm。YSZ粉末与LaMgAl11O19粉末的等离子喷涂参数为：喷涂电流600A，氩气流量35SLPM、氢气流量12SLPM，喷涂距离100mm，喷枪移动速度1000mm/s，该参数下YSZ粉末与LaMgAl11O19粉末单位喷涂遍数沉积的厚度分别约为5μm和6μm。编制计算机喷涂程序，在喷涂程序中设置NiCrAlY粉末、YSZ粉末和LaMgAl11O19粉末的喷涂遍数分别为25遍、10遍和8遍，设置双陶瓷层叠加次数3次，设置程序启停等离子喷枪、送粉器、喷涂遍数以及叠加次数。
在样品表面开始制备热障涂层，启动大气等离子喷涂设备，运行喷涂程序，等离子喷枪点火，启动1#送粉器送NiCrAlY粉末，喷涂粉25遍后停止送粉，制备出NiCrAlY粘结层，然后交替3次启动2#和3#送粉器分别送YSZ粉和LaMgAl11O19粉，每次分别喷涂10遍和8遍后停止送粉，等离子喷枪熄火，制备出由YSZ/LaMgAl11O19双陶瓷层基元3次叠加的陶瓷面层。
图1为本发明实施例1在镍基高温合金表面制备得到的YSZ/LaMgAl11O19双陶瓷层基元3次叠加结构TBC的截面SEM图，图1说明，双陶瓷层界面清晰、结合紧密、分布均匀，陶瓷层界面增加能够降低TBC服役时陶瓷层界面应力及应力集中，从而提高TBC的使用寿命。
根据实施例1制备得到的镍基高温合金表面YSZ/LaMgAl11O19双陶瓷层3次叠加结构进行热震炉热震和高温火焰灼烧热循环测试，并与双陶瓷层结构涂层进行对比。热震炉热震试验：在1000℃条件下加热5min，然后迅速于冷水中冷却，冷风吹干后再次放入热震炉中，如此循环，直至TBC失效；火焰灼烧热循环试验：采用丙烷和氧气燃气，调整燃气流量使火焰灼烧涂层表面在2min内升到1350-1400℃，灼烧6min，灼烧期间基体背部无冷却，然后涂层空冷6min降到100℃以下，如此循环，直至TBC失效。比较两种结构TBC的热震炉热震寿命和火焰灼烧热循环寿命，结果如表1所示。图2和图3分别是两种结构在热震炉热震失效前、后和火焰灼烧热循环失效前、后的宏观照片对比。显然，双陶瓷层叠加新结构的热震炉热震寿命和火焰灼烧热循环寿命均明显延长。此外双陶瓷层叠加新结构TBC的热导率(见表1)也明显降低，表明隔热性能更好。
表1 YSZ/LaMgAl11O19双陶瓷层结构和双陶瓷层3次叠加结构的热震炉热震寿命(1000℃)、火焰灼烧热循环寿命(1350-1400℃)和热导率(1000℃)的比较
Figure BDA0002977540390000101
实施例2：
将DZ125高温合金用电火花线切割机切成25mm×15mm×3mm大小矩形样品和φ30mm×3mm大小圆形样品，用无水乙醇超声清洗样品5min，然后用1000目砂纸将欲喷涂涂层的表面打磨至表面平整，再用36目刚玉砂将打磨表面进行喷砂处理，最后用干净压缩空气吹掉粘附在基体表面的尘埃或磨料。将样品安装到喷涂夹具上，待制备热障涂层。
热障涂层中NiCrAlY粘结层的厚度为150μm，新型陶瓷材料为LaMgAl11O19，YSZ/LaMgAl11O19双陶瓷层基元的厚度为80μm，双陶瓷层基元中YSZ陶瓷层与LaMgAl11O19陶瓷层的厚度比为0.5，即YSZ陶瓷层厚度约为27μm、LaMgAl11O19陶瓷层的厚度约为53μm，双陶瓷层基元的叠加次数为5次。
采用SulzerMetco Unicoat大气等离子喷涂系统(F4-MB喷枪)制备热障涂层。分别在1#、2#、3#送粉器中装入NiCrAlY粉末、YSZ粉末和LaMgAl11O19粉末。NiCrAlY粉末的等离子喷涂参数为：喷涂电流650A，氩气流量46SLPM、氢气流量8SLPM，喷涂距离100mm，喷枪移动速度1000mm/s，该参数下NiCrAlY粉末单位喷涂遍数的沉积厚度约为4μm。YSZ粉末与LaMgAl11O19粉末的等离子喷涂参数为：喷涂电流600A，氩气流量35SLPM、氢气流量12SLPM，喷涂距离100mm，喷枪移动速度1000mm/s，该参数下YSZ粉末与LaMgAl11O19粉末单位喷涂遍数沉积的厚度分别约为5μm和6μm。编制计算机喷涂程序，在喷涂程序中设置NiCrAlY粉末、YSZ粉末和LaMgAl11O19粉末的喷涂遍数分别为38遍、6遍和9遍，设置双陶瓷层叠加次数5次，设置程序启停等离子喷枪、送粉器、喷涂遍数以及叠加次数。
在样品表面开始制备热障涂层，启动大气等离子喷涂设备，运行喷涂程序，等离子喷枪点火，启动1#送粉器送NiCrAlY粉末，喷涂粉38遍后停止送粉，制备出NiCrAlY粘结层，然后交替5次启动2#和3#送粉器分别送YSZ粉和LaMgAl11O19粉，每次分别喷涂6遍和9遍后停止送粉，等离子喷枪熄火，制备出由YSZ/LaMgAl11O19双陶瓷层基元5次叠加的陶瓷面层，其截面SEM图参见图4。
本实施例在DZ125高温合金表面制备厚度较厚的热障涂层即粘结层150μm、陶瓷面层400μm，通过在陶瓷面层中设置较多的叠加次数，即双陶瓷层5次叠加，TBC不易脱落，显著地提高了TBC的热震炉热震寿命和火焰灼烧热循环寿命。
实施例3：
将DZ125高温合金用电火花线切割机切成25mm×15mm×3mm大小矩形样品和φ30mm×3mm大小圆形样品，用无水乙醇超声清洗样品5min，然后用1000目砂纸将欲喷涂涂层的表面打磨至表面平整，再用36目刚玉砂将打磨表面进行喷砂处理，最后用干净压缩空气吹掉粘附在基体表面的尘埃或磨料。将样品安装到喷涂夹具上，待制备热障涂层。
热障涂层中NiCrAlY粘结层的厚度为50μm，新型陶瓷材料为LaMgAl11O19，YSZ/LaMgAl11O19双陶瓷层基元的厚度为120μm，双陶瓷层基元中YSZ陶瓷层与LaMgAl11O19陶瓷层的厚度比为0.75，即YSZ陶瓷层厚度约为51μm、LaMgAl11O19陶瓷层的厚度约为69μm，双陶瓷层基元的叠加次数为2次。
采用SulzerMetco Unicoat大气等离子喷涂系统(F4-MB喷枪)制备热障涂层。分别在1#、2#、3#送粉器中装入NiCrAlY粉末、YSZ粉末和LaMgAl11O19粉末。NiCrAlY粉末的等离子喷涂参数为：喷涂电流650A，氩气流量46SLPM、氢气流量8SLPM，喷涂距离100mm，喷枪移动速度1000mm/s，该参数下NiCrAlY粉末单位喷涂遍数的沉积厚度约为4μm。YSZ粉末与LaMgAl11O19粉末的等离子喷涂参数为：喷涂电流600A，氩气流量35SLPM、氢气流量12SLPM，喷涂距离100mm，喷枪移动速度1000mm/s，该参数下YSZ粉末与LaMgAl11O19粉末单位喷涂遍数沉积的厚度分别约为5μm和6μm。编制计算机喷涂程序，在喷涂程序中设置NiCrAlY粉末、YSZ粉末和LaMgAl11O19粉末的喷涂遍数分别为13遍、10遍和12遍，设置双陶瓷层叠加次数2次，设置程序启停等离子喷枪、送粉器、喷涂遍数以及叠加次数。
在样品表面开始制备热障涂层，启动大气等离子喷涂设备，运行喷涂程序，等离子喷枪点火，启动1#送粉器送NiCrAlY粉末，喷涂粉13遍后停止送粉，制备出NiCrAlY粘结层，然后交替2次启动2#和3#送粉器分别送YSZ粉和LaMgAl11O19粉，每次分别喷涂10遍和12遍后停止送粉，等离子喷枪熄火，制备出由YSZ/LaMgAl11O19双陶瓷层基元2次叠加的陶瓷面层。
本实施例在DZ125高温合金表面制备厚度较薄的热障涂层即粘结层50μm、陶瓷面层240μm，通过在陶瓷面层中设置较少的叠加次数，即双陶瓷层2次叠加，TBC不易脱落，显著地提高了TBC的热震炉热震寿命和火焰灼烧热循环寿命。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种双陶瓷层叠加新结构热障涂层，其特征在于，该热障涂层是由MCrAlY粘结层，及YSZ与新型陶瓷材料La2Zr2O7、La2Ce2O7、La2(Zr0.7Ce0.3)2O7或者LaMgAl11O19组成的双陶瓷层基元叠加而成的陶瓷面层组成；双陶瓷层基元的叠加次数在2次以上；所述MCrAlY粘结层中M为Ni、Co、或NiCo。
2.根据权利要求1所述的双陶瓷层叠加新结构热障涂层，其特征在于，所述MCrAlY粘结层为NiCrAlY粘结层，粘结层的厚度为50-150μm；所述新型陶瓷材料为LaMgAl11O19，YSZ/LaMgAl11O19双陶瓷层基元的厚度为80-120μm，所述双陶瓷层基元中YSZ陶瓷层与LaMgAl11O19陶瓷层的厚度比为0.5-1，所述双陶瓷层基元的叠加次数为2-5次。
3.根据权利要求2所述的双陶瓷层叠加新结构热障涂层，其特征在于，所述NiCrAlY粘结层的厚度为100μm，所述YSZ/LaMgAl11O19双陶瓷层基元的厚度为100μm，所述双陶瓷层基元中YSZ陶瓷层与LaMgAl11O19陶瓷层的厚度比为1，所述双陶瓷层基元的叠加次数为3次。
4.一种权利要求1-3任意一项所述的双陶瓷层叠加新结构热障涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对镍基高温合金基体进行预处理，得到预处理后的高温合金基体；
步骤二：采用大气等离子喷涂技术制备涂层，分别在1#、2#、3#送粉器中装入MCrAlY粉末、YSZ粉末和新型陶瓷材料粉末，编制计算机喷涂程序，由喷涂程序启停等离子喷枪、送粉器、喷涂遍数以及双陶瓷层基元叠加次数；
步骤三：在步骤一得到的预处理后的高温合金基体上，由步骤二编制的喷涂程序，进行等离子喷枪点火，启动1#送粉器送粉，喷涂MCrAlY粉末，达到喷涂遍数停止1#送粉器送粉，制备出满足厚度要求的MCrAlY粘结层；
步骤四：在步骤三制备的MCrAlY粘结层表面，由步骤二编制的喷涂程序，首先启动2#送粉器送粉，喷涂YSZ粉末，达到喷涂遍数停止2#送粉器送粉，然后启动3#送粉器送粉，喷涂新型陶瓷材料粉末，达到喷涂遍数停止3#送粉器送粉，制备出满足陶瓷层厚度要求的双陶瓷层基元；
步骤五：由步骤二编制的喷涂程序，在步骤四制备出的双陶瓷层基元表面重复步骤四，如此往复直到双陶瓷层基元的叠加次数，等离子喷枪熄火，制备出满足厚度要求的陶瓷面层。
5.根据权利要求4所述的双陶瓷层叠加新结构热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤一具体步骤为：
用无水乙醇超声清洗镍基高温合金基体5-10min，自然风干后对样品喷涂表面用1000目砂纸进行打磨，然后用36目刚玉砂对样品喷涂表面进行喷砂处理，再用干净压缩空气吹掉粘附在基体表面的尘埃或磨料，得到预处理后的高温合金基体。
6.根据权利要求4所述的双陶瓷层叠加新结构热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤二编制计算机喷涂程序涉及的粘结层的喷涂遍数、每个陶瓷层的喷涂遍数及双陶瓷层基元叠加次数的计算方法为：
NiCrAlY粘结层的喷涂遍数：用NiCrAlY粘结层厚度除以单位遍数所沉积的厚度；
YSZ陶瓷层的喷涂遍数：用YSZ陶瓷层厚度除以单位遍数所沉积的厚度；
新型陶瓷材料陶瓷层的喷涂遍数：用新型陶瓷材料陶瓷层厚度除以单位遍数所沉积的厚度；
双陶瓷层基元叠加次数：用最终的陶瓷面层的厚度除以双陶瓷层基元的厚度。
7.根据权利要求4所述的双陶瓷层叠加新结构热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤三中喷涂MCrAlY粉末的等离子喷涂参数为：喷涂电流550-650A，氩气流量44-48SLPM、氢气流量7-9SLPM，喷涂距离90-110mm，喷枪移动速度900-1100mm/s。
8.根据权利要求7所述的双陶瓷层叠加新结构热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤三中喷涂MCrAlY粉末的等离子喷涂参数为：喷涂电流650A，氩气流量46SLPM、氢气流量8SLPM，喷涂距离100mm，喷枪移动速度1000mm/s。
9.根据权利要求4所述的双陶瓷层叠加新结构热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤四中喷涂YSZ粉末、新型陶瓷材料粉末的等离子喷涂参数为：喷涂电流550～650A，氩气流量33～37SLPM、氢气流量10～14SLPM，喷涂距离90～110mm，喷枪移动速度900-1100mm/s。
10.根据权利要求9所述的双陶瓷层叠加新结构热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤四中喷涂YSZ粉末、新型陶瓷材料粉末的等离子喷涂参数为：喷涂电流600A，氩气流量35SLPM、氢气流量12SLPM，喷涂距离100mm，喷枪移动速度1000mm/s。
CN202110278836.8A 2021-03-16 2021-03-16 一种双陶瓷层叠加新结构热障涂层及其制备方法 Pending CN113046678A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110278836.8A CN113046678A (zh) 2021-03-16 2021-03-16 一种双陶瓷层叠加新结构热障涂层及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110278836.8A CN113046678A (zh) 2021-03-16 2021-03-16 一种双陶瓷层叠加新结构热障涂层及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113046678A true CN113046678A (zh) 2021-06-29

Family

ID=76512709

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110278836.8A Pending CN113046678A (zh) 2021-03-16 2021-03-16 一种双陶瓷层叠加新结构热障涂层及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113046678A (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113862598A (zh) * 2021-09-01 2021-12-31 暨南大学 一种用于TBCs或EBCs的抗CMAS防护层及其制备方法以及由此得到的防护结构
CN113913730A (zh) * 2021-10-31 2022-01-11 中国人民解放军国防科技大学 一种高热循环寿命的厚热障涂层及其制备方法
CN114000089A (zh) * 2021-10-11 2022-02-01 上海交通大学 一种利用aps技术制备的高熵氧化物超高温热障涂层及其方法
CN114059001A (zh) * 2021-12-07 2022-02-18 西安工业大学 一种新型高隔热性能热障涂层及其制备工艺
CN116288176A (zh) * 2023-03-20 2023-06-23 北京金轮坤天特种机械有限公司 热障涂层的制备方法和热障涂层

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101004142A (zh) * 2006-01-20 2007-07-25 联合工艺公司 Cmas抗性热障涂层
CN102127738A (zh) * 2010-11-25 2011-07-20 北京航空航天大学 一种多层热障涂层及其制备方法
CN109161889A (zh) * 2018-07-19 2019-01-08 西安交通大学 一种抗烧结双模复合结构热障涂层及其制备工艺
CN109763091A (zh) * 2019-01-30 2019-05-17 西安交通大学 一种抗烧结长寿命双层柱状结构热障涂层及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101004142A (zh) * 2006-01-20 2007-07-25 联合工艺公司 Cmas抗性热障涂层
CN102127738A (zh) * 2010-11-25 2011-07-20 北京航空航天大学 一种多层热障涂层及其制备方法
CN109161889A (zh) * 2018-07-19 2019-01-08 西安交通大学 一种抗烧结双模复合结构热障涂层及其制备工艺
CN109763091A (zh) * 2019-01-30 2019-05-17 西安交通大学 一种抗烧结长寿命双层柱状结构热障涂层及其制备方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SYSTEMSUMEI ZHAO等: ""The application of Eu3+photoluminescence piezo-spectroscopy in theLaMgAl11O19/8YSZ:Eu double-ceramic-layer coating system"", 《JOURNAL OF THE EUROPEAN CERAMIC SOCIETY》 *
XIAOLONG CHEN等: ""Thermal cycling failure of the multilayer thermal barrier coatings based on LaMgAl11O19/YSZ"", 《JOURNAL OF THE EUROPEAN CERAMIC SOCIETY》 *
张彦飞等: ""一种长寿命热障涂层——LaMgAl11O19/YSZ双陶瓷层介绍"", 《中国新技术新产品》 *
汪超等: ""重型燃气轮机用La2(Zr0.7Ce0.3)2O7/YSZ双层热障涂层热循环性能研究"", 《热喷涂技术》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113862598A (zh) * 2021-09-01 2021-12-31 暨南大学 一种用于TBCs或EBCs的抗CMAS防护层及其制备方法以及由此得到的防护结构
CN114000089A (zh) * 2021-10-11 2022-02-01 上海交通大学 一种利用aps技术制备的高熵氧化物超高温热障涂层及其方法
CN113913730A (zh) * 2021-10-31 2022-01-11 中国人民解放军国防科技大学 一种高热循环寿命的厚热障涂层及其制备方法
CN114059001A (zh) * 2021-12-07 2022-02-18 西安工业大学 一种新型高隔热性能热障涂层及其制备工艺
CN114059001B (zh) * 2021-12-07 2023-12-22 西安工业大学 一种高隔热性能热障涂层及其制备工艺
CN116288176A (zh) * 2023-03-20 2023-06-23 北京金轮坤天特种机械有限公司 热障涂层的制备方法和热障涂层

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113046678A (zh) 一种双陶瓷层叠加新结构热障涂层及其制备方法
CN102127738B (zh) 一种多层热障涂层及其制备方法
CN101356302B (zh) 含两个烧绿石相的层体系
US6447854B1 (en) Method of forming a thermal barrier coating system
CN102356182A (zh) 具有烧绿石相的双层多孔层体系
CA2760005A1 (en) Method for the manufacture of a thermal barrier coating structure
CN104630686A (zh) 一种含有长寿命抗氧化粘结层的热障涂层的制备方法
CN101793195B (zh) 用于增强涡轮发动机部件的热传递的方法和系统
Sankar Thermal barrier coatings material selection, method of preparation and applications-Review
US11852078B2 (en) Reflective coating and coating process therefor
CN104674217A (zh) 一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法
CN112176275B (zh) 一种热障涂层及其制备方法和应用
EP2322686B1 (en) Thermal spray method for producing vertically segmented thermal barrier coatings
US20110086163A1 (en) Method for producing a crack-free abradable coating with enhanced adhesion
CN106011721B (zh) 一种采用热喷涂法制备多层涂层的方法
CN108642435B (zh) 一种涡轮外环内壁大厚度高温防护涂层及其制备方法
CN101301800A (zh) 具有烧绿石相和氧化物的双层体系
US9862002B2 (en) Process for producing a layer system
CA2569946A1 (en) Smooth outer coating for combustor components and coating method therefor
CN102925871A (zh) 一种复合热障涂层及其制备方法
EP2535645A2 (en) Cell structure thermal barrier coating
US6342278B1 (en) Method for forming a thermal barrier coating by electron beam physical vapor deposition
US20050123785A1 (en) High temperature clearance coating
CN102925841A (zh) 具有富铝扩散层粘结层的陶瓷热障涂层及制备方法
US10260141B2 (en) Method of forming a thermal barrier coating with improved adhesion

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination