CN114351080B - 能提高沉积率的等离子喷涂ysz陶瓷基封严涂层制备方法 - Google Patents

能提高沉积率的等离子喷涂ysz陶瓷基封严涂层制备方法 Download PDF

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Abstract

一种能提高沉积率的等离子喷涂YSZ陶瓷基封严涂层制备方法。其包括含钇铝石榴石的YSZ陶瓷基原材料制备、含钇铝石榴石的YSZ陶瓷基团聚粉末制备、等离子喷涂金属粘结层、等离子喷涂YSZ陶瓷面层等步骤。本发明优点:工艺流程简单,操作容易,只需要在制备YSZ陶瓷基团聚粉末的过程中加入钇铝石榴石黏结相就可以实现沉积率的显著提高。不需要大幅度改动YSZ陶瓷基封严涂层的等离子喷涂工艺,在显著提高沉积率的同时,适当提高了涂层的热循环性能。

Description

能提高沉积率的等离子喷涂YSZ陶瓷基封严涂层制备方法
技术领域
本发明属于等离子喷涂陶瓷基涂层优化技术领域,特别是涉及一种能提高沉积率的等离子喷涂YSZ(Y2O3部分稳定的ZrO2)陶瓷基封严涂层制备方法。
背景技术
由于陶瓷材料的熔点高、韧性差,从而导致陶瓷基封严涂层的沉积率非常低,一般为10%~15%左右,远远低于热喷涂涂层30%~50%沉积率的平均水平,从而造成严重的资源浪费,增加了涂层的制造成本,限制了这类涂层的推广应用。经分析,陶瓷基封严涂层沉积率低的原因如下:(1)陶瓷熔点高(如常用的YSZ陶瓷熔点为2700℃左右),在等离子射流中停留的时间为10-4~10-5S左右,极高的熔点和极短的加热时间,造成了粉末不能够被充分熔融,从而直接降低了涂层的沉积率。(2)等离子喷涂过程中相邻两个粒子碰撞基体所间隔的时间远远大于粒子铺展后完全凝固所需要的时间,也就是说,被撞击的陶瓷层片存在的状态一直是固态。而陶瓷材料具有硬脆的属性,韧性基本为零,等离子射流中部分未熔融或半熔融状态的粒子,在撞击固态的陶瓷层片时,无法嵌入陶瓷层片中,也几乎无法通过粒子本身的塑性变形产生的抛锚作用来进行结合,从而导致涂层的沉积率很低。(3)团聚颗粒中常用有机造孔相(聚苯酯)的热稳定温度为300℃,因此,有机造孔相在等离子射流中,不可避免地会发生烧损,结果降低了涂层的沉积率。
研究人员通常采用优化工艺参数和原材料粒度的方法来改善等离子喷涂陶瓷涂层的沉积率。但是,制备工艺和原材料的粒度同样是影响热喷涂涂层性能的关键因素,通过优化陶瓷涂层制备工艺的方法虽然在一定程度上提高了沉积率,然而选择过高的喷涂功率或粒度较大的粉末往往会牺牲陶瓷涂层其它方面的性能。
发明内容
为了解决上述问题,本发明的目的在于提供一种能提高沉积率的等离子喷涂YSZ陶瓷基封严涂层制备方法。
为了达到上述目的,本发明提供的能提高沉积率的等离子喷涂YSZ陶瓷基封严涂层制备方法包括按顺序进行的下列步骤:
1)将由无水乙醇、YSZ粉末、钇铝石榴石粉末、聚苯酯粉末、六偏磷酸钠、PEG和PVA组成的YSZ陶瓷基原材料利用球磨机进行破碎并混合均匀,获得含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基复合材料粉末;其中无水乙醇、YSZ粉末、钇铝石榴石粉末、聚苯酯粉末、六偏磷酸钠、PEG和PVA的用量比为200~300ml∶80~120g∶15~25g∶20~25g∶3~5g∶3~5g∶3~5g;
2)将含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基复合材料粉末利用喷雾造粒机制备成含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末;
3)利用等离子喷枪将NiCoCrAlY金属粘结层粉末喷涂在镍基合金基体上而制备出金属粘结层;
4)利用等离子喷枪将上述含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末喷涂在金属粘结层上而制备出含钇铝石榴石黏结相的YSZ基陶瓷面层,最终获得高沉积率的等离子喷涂YSZ陶瓷基封严涂层。
在步骤1)中,所述球磨机的转速为600~800r/min,ZrO2磨球为300~500g,球磨时间为10~12h。
在步骤2)中,所述喷雾造粒机的进口温度为180~220℃,出口温度为100~120℃,雾化转速为6000~6500r/min,料浆固含量为50%~60%,蠕动泵流速为30~35mm/min。
在步骤3)中,所述等离子喷枪的电压为40~41V,电流为780~800A,送粉速率为30~35g/min,喷涂距离为100~120mm,金属粘结层的厚度为100~150μm。
在步骤4)中,所述等离子喷枪的电压为41~42V,电流为830~840A,送粉速率为30~35g/min,喷涂距离为80~90mm,含钇铝石榴石黏结相的陶瓷面层的厚度为500~600μm。
本发明提供的能提高沉积率的等离子喷涂YSZ陶瓷基封严涂层制备方法具有如下优点:
(1)工艺流程简单,操作容易,只需要在制备YSZ陶瓷基团聚粉末的过程中加入钇铝石榴石黏结相就可以实现沉积率的显著提高。
(2)在不需要大幅度改动YSZ陶瓷基封严涂层的等离子喷涂工艺的条件下,含钇铝石榴石黏结相的等离子喷涂YSZ陶瓷基封严涂层的沉积率提高了181.49%,同时,热循环寿命提高了43.68%。
附图说明
图1(a)、(b)分别为100和5000放大倍数的利用喷雾造粒技术制备的含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末显微形貌。
图2(a)、(b)分别为传统YSZ陶瓷基团聚粉末和本发明中含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末的等离子喷涂铺展显微形貌。
图3为传统YSZ陶瓷基团聚粉末和本发明中含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末的等离子喷涂沉积率条形图。
图4为利用传统YSZ陶瓷基团聚粉末制备的涂层和本发明中含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末制备的涂层热循环寿命条形图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
实施例1:
本实施例提供的能提高沉积率的等离子喷涂YSZ陶瓷基封严涂层制备方法包括按顺序进行的下列步骤:
1)将由无水乙醇200ml、YSZ粉末80g、钇铝石榴石粉末15g、聚苯酯粉末20g、六偏磷酸钠(Na6O18P6)3g、PEG3g和PVA3g组成的YSZ陶瓷基原材料利用球磨机进行破碎并混合均匀,获得含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基复合材料粉末;球磨机的转速为600r/min,ZrO2磨球为300g,球磨时间为10h。
2)将上述含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基复合材料粉末利用喷雾造粒机制备成含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末;喷雾造粒机的进口温度为180℃,出口温度为100℃,雾化转速为6000r/min,料浆固含量为50%,蠕动泵流速为30mm/min。
3)利用等离子喷枪将NiCoCrAlY金属粘结层粉末(牌号为CO110)喷涂在镍基合金基体上而制备出金属粘结层;等离子喷枪的电压为40V,电流为780A,送粉速率为30g/min,喷涂距离为100mm,金属粘结层的厚度为100μm。
4)利用等离子喷枪将上述含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末喷涂在金属粘结层上而制备出YSZ基陶瓷面层,最终获得高沉积率的等离子喷涂YSZ陶瓷基封严涂层;等离子喷枪的电压为41V,电流为830A,送粉速率为30g/min,喷涂距离为80mm,陶瓷面层的厚度为500μm。
实施例2:
本实施例提供的能提高沉积率的等离子喷涂YSZ陶瓷基封严涂层制备方法包括按顺序进行的下列步骤:
1)将由无水乙醇300ml、YSZ粉末120g、钇铝石榴石粉末25g、聚苯酯粉末25g、六偏磷酸钠(Na6O18P6)5g、PEG5g和PVA5g组成的YSZ陶瓷基原材料利用球磨机进行破碎并混合均匀,获得含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基复合材料粉末;球磨机的转速为800r/min,ZrO2磨球为500g,球磨时间为12h。
2)将上述含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基复合材料粉末利用喷雾造粒机制备成含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末;喷雾造粒机的进口温度为220℃,出口温度为120℃,雾化转速为6500r/min,料浆固含量为60%,蠕动泵流速为35mm/min。
3)利用等离子喷枪将NiCoCrAlY金属粘结层粉末(牌号为CO110)喷涂在镍基合金基体上而制备出金属粘结层;等离子喷枪的电压为41V,电流为800A,送粉速率为35g/min,喷涂距离为120mm,金属粘结层的厚度为150μm。
4)利用等离子喷枪将上述含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末喷涂在金属粘结层上而制备出YSZ基陶瓷面层,最终获得高沉积率的等离子喷涂YSZ陶瓷基封严涂层;等离子喷枪的电压为42V,电流为840A,送粉速率为35g/min,喷涂距离为90mm,陶瓷面层的厚度为600μm。
实施例3:
本实施例提供的能提高沉积率的等离子喷涂YSZ陶瓷基封严涂层制备方法包括按顺序进行的下列步骤:
1)将由无水乙醇250ml、YSZ粉末100g、钇铝石榴石粉末20g、聚苯酯粉末22g、六偏磷酸钠(Na6O18P6)4g、PEG4g和PVA4g组成的YSZ陶瓷基原材料利用球磨机进行破碎并混合均匀,获得含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基复合材料粉末;球磨机的转速为700r/min,ZrO2磨球为400g,球磨时间为11h。
2)将上述含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基复合材料粉末利用喷雾造粒机制备成含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末;喷雾造粒机的进口温度为200℃,出口温度为110℃,雾化转速为6300r/min,料浆固含量为55%,蠕动泵流速为32mm/min。
3)利用等离子喷枪将NiCoCrAlY金属粘结层粉末(牌号为CO110)喷涂在镍基合金基体上而制备出金属粘结层;等离子喷枪的电压为41V,电流为790A,送粉速率为32g/min,喷涂距离为110mm,金属粘结层的厚度为130μm。
4)利用等离子喷枪将上述含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末喷涂在金属粘结层上而制备出YSZ基陶瓷面层,最终获得高沉积率的等离子喷涂YSZ陶瓷基封严涂层;等离子喷枪的电压为41V,电流为835A,送粉速率为33g/min,喷涂距离为85mm,陶瓷面层的厚度为550μm。
如上所述,传统陶瓷基封严涂层的沉积率非常低,一般为10%~15%左右,远远低于热喷涂涂层30%~50%沉积率的平均水平,从而造成严重的资源浪费,增加了涂层的制造成本,限制了该类涂层的推广应用。本发明选择熔点较低的钇铝石榴石,并通过喷雾造粒的方法加入到陶瓷基团聚粉末中,基于钇铝石榴石的黏附和包裹机理,从而提高了等离子喷涂YSZ陶瓷基封严涂层的沉积率。
图1为利用喷雾造粒技术制备的含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末显微形貌。从图1(a)中可以看出,含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末呈团聚球状,整体球形度均较好,从图1(b)中可以看出,经过球磨机混合后的钇铝石榴石粒子在团聚颗粒中均匀分布。
图2(a)、(b)分别为传统YSZ陶瓷基团聚粉末和本发明中含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末的等离子喷涂铺展显微形貌。从图2(a)中可以看出,传统YSZ陶瓷基团聚粉末经过等离子射流加热加速后,主要呈现出面积较小的不规则层片,层片表面比较光滑,几乎没有黏附和包裹其它的未熔融和未烧损粒子。从图2(b)中可以看出,与传统YSZ陶瓷基团聚粉末的铺展形貌相比,含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末的铺展形貌主要表现出如下特征:①层片面积明显增大;②铺展层片表面均不再光滑,层片表面不同程度地黏附或包裹着未熔融和未烧损的粒子。
图3为传统YSZ陶瓷基团聚粉末和本发明中含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末的等离子喷涂沉积率条形图。从图中可以看出,传统YSZ陶瓷基团聚粉末和含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末的等离子喷涂沉积率分别为10.37%和29.19%,与传统YSZ陶瓷基团聚粉末相比,含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末的等离子喷涂沉积率提高了181.49%。
图4为利用传统YSZ陶瓷基团聚粉末制备的涂层和本发明中利用含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末制备的涂层热循环寿命条形图。从图中可以看出,传统YSZ陶瓷基团聚粉末制备的涂层和含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末制备的涂层热循环平均寿命分别为67.3次和96.7次,与传统YSZ陶瓷基团聚粉末制备的涂层相比,含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末制备的涂层热循环寿命提高了43.68%。
本发明中利用含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末来显著提高等离子喷涂YSZ陶瓷基封严涂层沉积率的原因主要在于钇铝石榴石粒子的黏附和包裹作用。这是因为,在等离子射流中,熔点较低的钇铝石榴石粒子(钇铝石榴石熔点在1950℃左右,YSZ熔点在2700℃左右)更容易达到熔融状态,而熔融状态的钇铝石榴石在后续的撞击基体和铺展的过程中,均会对YSZ陶瓷基团聚粉末中未熔融和未烧损的其它粒子产生不同程度地黏附和包裹作用(如图2所示),从而提高了等离子喷涂YSZ陶瓷基封严涂层的沉积率。

Claims (2)

1.一种能提高沉积率的等离子喷涂YSZ陶瓷基封严涂层制备方法,其特征在于:所述制备方法包括按顺序进行的下列步骤:
1)将由无水乙醇、YSZ粉末、钇铝石榴石粉末、聚苯酯粉末、六偏磷酸钠、PEG和PVA组成的YSZ陶瓷基原材料利用球磨机进行破碎并混合均匀,获得含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基复合材料粉末;其中无水乙醇、YSZ粉末、钇铝石榴石粉末、聚苯酯粉末、六偏磷酸钠、PEG和PVA的用量比为200~300ml∶80~120g∶15~25g∶20~25g∶3~5g∶3~5g∶3~5g;
2)将含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基复合材料粉末利用喷雾造粒机制备成含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末;
3)利用等离子喷枪将NiCoCrAlY金属粘结层粉末喷涂在镍基合金基体上而制备出金属粘结层;
4)利用等离子喷枪将上述含钇铝石榴石黏结相的YSZ陶瓷基团聚粉末喷涂在金属粘结层上而制备出含钇铝石榴石黏结相的YSZ基陶瓷面层,最终获得高沉积率的等离子喷涂YSZ陶瓷基封严涂层;
在步骤2)中,所述喷雾造粒机的进口温度为180~220℃,出口温度为100~120℃,雾化转速为6000~6500r/min,料浆固含量为50%~60%,蠕动泵流速为30~35mm/min;
在步骤3)中,所述等离子喷枪的电压为40~41V,电流为780~800A,送粉速率为30~35g/min,喷涂距离为100~120mm,金属粘结层的厚度为100~150μm;
在步骤4)中,所述等离子喷枪的电压为41~42V,电流为830~840A,送粉速率为30~35g/min,喷涂距离为80~90mm,含钇铝石榴石黏结相的陶瓷面层的厚度为500~600μm。
2.根据权利要求1所述的能提高沉积率的等离子喷涂YSZ陶瓷基封严涂层制备方法,其特征在于:在步骤1)中,所述球磨机的转速为600~800r/min,ZrO2磨球为300~500g,球磨时间为10~12h。
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