CN114411082B - 热障涂层、耐热材料及其制备方法和发动机 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种热障涂层、耐热材料及其制备方法和发动机。热障涂层,包括层叠设置的粘接底层、粘接面层、陶瓷底层和陶瓷面层;粘接底层和粘接面层的材料各自独立的包括NiCoCrAlY和/或NiCoCrAlYX;陶瓷底层的材料包括氧化钇稳定氧化锆;陶瓷面层的材料包括多元稀土掺杂氧化锆和/或稀土锆酸盐。耐热材料,包括金属基材和热障涂层,热障涂层设置在金属基材的表面且粘接底层与金属基材的表面邻接。耐热材料的制备方法,包括:将金属基材进行预处理,然后在金属基材的表面依次设置粘接底层、粘接面层、陶瓷底层和陶瓷面层。发动机,其原料包括所述的耐热材料。本申请提供的热障涂层,具有界面结合牢固和抗热循环性能优异的优点。
Description
技术领域
本申请涉及材料领域,尤其涉及一种热障涂层、耐热材料及其制备方法和发动机。
背景技术
热障涂层技术是将耐高温、低导热、抗腐蚀的陶瓷材料以涂层方式复合到金属基体表面,以降低金属表面温度的一种热防护技术,广泛应用于航空发动机和燃气轮机的热端部件,起到提升性能、延长寿命、降低能耗的作用。
经典的热障涂层体系由金属粘结层和陶瓷层双层结构组成。然而,伴随航空发动机工作温度不断提高,传统的双层结构热障涂层面临严峻挑战,在1200℃以上高温工况经常发生提前失效,其原因可归结为粘接层抗氧化性较差、陶瓷层隔热能力不足,层间界面结合较弱等问题,难以满足严苛工况对新一代高性能热障涂层的需求。针对上述问题,国内外学者主要提出以下两种策略:(1)开发新型陶瓷层材料,取代或部分取代传统材料氧化钇稳定氧化锆(YSZ);(2)开展热障涂层结构设计,尤其是具有多层结构的热障涂层体系设计。
多层结构热障涂层可以通过逐一设计每层结构,综合发挥各层设定作用从而大幅提升涂层的性能。如广为研究的YSZ陶瓷底层结合稀土锆酸盐陶瓷面层结构,该体系中,YSZ层韧性好,稀土锆酸盐层隔热能力强、抗腐蚀性优异,两者的结合可以显著提升涂层的综合性能。尽管多层结构热障涂层在诸多考核指标表现优异,但其抗热循环性能往往不甚理想,易发生界面开裂而引发提前失效。这是因为多层结构涂层体系势必会引入多个层间界面,而层间热物理性能的不匹配会导致界面在热循环过程中成为最易失效的薄弱环节。因此,如何在采用多层结构涂层体系、结合各层优势性能的基础上最大限度地提升界面结合力、延长涂层寿命成为了当下热障涂层领域研究的热点和难点。
发明内容
本申请的目的在于提供一种热障涂层、耐热材料及其制备方法和发动机,以解决上述问题。
为实现以上目的,本申请采用以下技术方案:
一种热障涂层,包括层叠设置的粘接底层、粘接面层、陶瓷底层和陶瓷面层;
所述粘接底层和所述粘接面层的材料各自独立的包括NiCoCrAlY和/或NiCoCrAlYX,其中,X选自Hf、Si和Ta中的一种或多种;
所述陶瓷底层的材料包括氧化钇稳定氧化锆;
所述陶瓷面层的材料包括多元稀土掺杂氧化锆和/或稀土锆酸盐。
优选地,所述粘接底层的厚度为0.05mm-0.1mm,孔隙率小于等于1%;
优选地,所述粘接面层的厚度为0.05mm-0.1mm,孔隙率小于等于5%。
优选地,所述陶瓷底层的厚度为0.1mm-0.2mm,孔隙率为10%-20%;
优选地,所述陶瓷面层的厚度为0.1mm-0.2mm,孔隙率为10%-20%。
本申请还提供一种耐热材料,包括金属基材和所述的热障涂层,所述热障涂层设置在所述金属基材的表面且所述粘接底层与所述金属基材的表面邻接。
优选地,所述金属基材包括镍基高温合金。
本申请还提供一种所述的耐热材料的制备方法,包括:
将所述金属基材进行预处理,然后在所述金属基材的表面依次设置所述粘接底层、所述粘接面层、所述陶瓷底层和所述陶瓷面层,得到所述耐热材料。
优选地,采用超音速火焰喷涂法制备所述粘接底层,采用大气等离子喷涂法制备所述粘接面层、所述陶瓷底层和所述陶瓷面层。
优选地,制备所述粘接面层之后、制备所述陶瓷底层之前,对所述粘接面层进行真空等离子表面处理和微区气流冲击;
制备所述陶瓷底层之后、制备所述陶瓷面层之前,对所述陶瓷底层进行真空等离子表面处理和微区气流冲击。
优选地,所述预处理包括清洗、干燥和吹砂处理。
本申请还提供一种发动机,其原料包括所述的耐热材料。
与现有技术相比,本申请的有益效果包括:
本申请提供的热障涂层,包括粘接底层、粘接面层、陶瓷底层和陶瓷面层,各层依次起到抗氧化、强界面、高韧性和强隔热的作用,各层综合作用下具有界面结合牢固和抗热循环性能优异的优点。
本申请提供的耐热材料,在金属基材表面设置上述热障涂层,可以获得界面结合牢固和抗热循环性能优异的优势。
本申请提供的耐热材料的制备方法,工艺可靠,获得的耐热材料具有界面结合牢固和抗热循环性能优异的优势。
本申请提供的发动机,采用上述耐热材料作为原料之一,可以获得优异的耐热性能,使用寿命长。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本申请的某些实施例,因此不应被看作是对本申请范围的限定。
图1为本申请实施例提供的耐热材料的结构示意图。
附图标记:
1-粘接底层;2-粘接面层;3-陶瓷底层;4-陶瓷面层;5-金属基材。
具体实施方式
如本文所用之术语:
“由……制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形,意在覆盖非排它性的包括。例如,包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素,而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
连接词“由……组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中,此短语将使权利要求为封闭式,使其不包含除那些描述的材料以外的材料,但与其相关的常规杂质除外。当短语“由……组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时,其仅限定在该子句中描述的要素;其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。
当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时,这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围,而不论该范围是否单独公开了。例如,当公开了范围“1~5”时,所描述的范围应被解释为包括范围“1~4”、“1~3”、“1~2”、“1~2和4~5”、“1~3和5”等。当数值范围在本文中被描述时,除非另外说明,否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
在这些实施例中,除非另有指明,所述的份和百分比均按质量计。
“质量份”指表示多个组分的质量比例关系的基本计量单位,1份可表示任意的单位质量,如可以表示为1g,也可表示2.689g等。假如我们说A组分的质量份为a份,B组分的质量份为b份,则表示A组分的质量和B组分的质量之比a:b。或者,表示A组分的质量为aK,B组分的质量为bK(K为任意数,表示倍数因子)。不可误解的是,与质量份数不同的是,所有组分的质量份之和并不受限于100份之限制。
“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生,例如,A和/或B包括(A和B)和(A或B)。
一种热障涂层,包括层叠设置的粘接底层、粘接面层、陶瓷底层和陶瓷面层;
所述粘接底层和所述粘接面层的材料各自独立的包括NiCoCrAlY和/或NiCoCrAlYX,其中,X选自Hf、Si和Ta中的一种或多种;
所述陶瓷底层的材料包括氧化钇稳定氧化锆;
所述陶瓷面层的材料包括多元稀土掺杂氧化锆和/或稀土锆酸盐。
在一个可选的实施方式中,所述粘接底层的厚度为0.05mm-0.1mm,孔隙率小于等于1%;
在一个可选的实施方式中,所述粘接面层的厚度为0.05mm-0.1mm,孔隙率小于等于5%。
可选的,所述粘接底层的厚度可以为0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm、0.09mm、0.1mm或者0.05mm-0.1mm之间的任一值,孔隙率可以为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1%或者小于等于1%的任一值;所述粘接面层的厚度可以为0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm、0.09mm、0.1mm或者0.05mm-0.1mm之间的任一值,孔隙率可以为0.1%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%或者小于等于5%的任一值。
在一个可选的实施方式中,所述陶瓷底层的厚度为0.1mm-0.2mm,孔隙率为10%-20%;
在一个可选的实施方式中,所述陶瓷面层的厚度为0.1mm-0.2mm,孔隙率为10%-20%。
可选的,所述陶瓷底层的厚度可以为0.1mm、0.11mm、0.12mm、0.13mm、0.14mm、0.15mm、0.16mm、0.17mm、0.18mm、0.19mm、0.2mm或者0.1mm-0.2mm之间的任一值,孔隙率可以为10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%、19%、20%或者10%-20%之间的任一值;所述陶瓷面层的厚度可以为0.1mm、0.11mm、0.12mm、0.13mm、0.14mm、0.15mm、0.16mm、0.17mm、0.18mm、0.19mm、0.2mm或者0.1mm-0.2mm之间的任一值,孔隙率可以为10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%、19%、20%或者10%-20%之间的任一值。
本申请还提供一种耐热材料,包括金属基材和所述的热障涂层,所述热障涂层设置在所述金属基材的表面且所述粘接底层与所述金属基材的表面邻接。
在一个可选的实施方式中,所述金属基材包括镍基高温合金。
本申请还提供一种所述的耐热材料的制备方法,包括:
将所述金属基材进行预处理,然后在所述金属基材的表面依次设置所述粘接底层、所述粘接面层、所述陶瓷底层和所述陶瓷面层,得到所述耐热材料。
在一个可选的实施方式中,采用超音速火焰喷涂法制备所述粘接底层,采用大气等离子喷涂法制备所述粘接面层、所述陶瓷底层和所述陶瓷面层。
在一个可选的实施方式中,制备所述粘接面层之后、制备所述陶瓷底层之前,对所述粘接面层进行真空等离子表面处理和微区气流冲击;
制备所述陶瓷底层之后、制备所述陶瓷面层之前,对所述陶瓷底层进行真空等离子表面处理和微区气流冲击。
在一个可选的实施方式中,所述预处理包括清洗、干燥和吹砂处理。
本申请还提供一种发动机,其原料包括所述的耐热材料。
下面将结合具体实施例对本申请的实施方案进行详细描述,但是本领域技术人员将会理解,下列实施例仅用于说明本申请,而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例提供一种热障涂层,包括层叠设置的粘接底层1、粘接面层2、陶瓷底层3和陶瓷面层4。其中,粘接底层1和粘接面层2的原料均使用NiCoCrAlYHfSi(产自OerlikonMetco公司,商品牌号为Amdry386),陶瓷底层3为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ),陶瓷面层4为氧化钆-氧化镱-氧化钇稳定的氧化锆(YGYZ)。
如图1所示,本实施例还提供一种耐热材料,包括金属基材5和设置在其表面的上述热障涂层,粘接底层1与金属基材5邻接。
该耐热材料的制备方法如下:
第一步:准备镍基高温合金作为金属基材5,经过清洗、干燥和吹砂处理,待用;
第二步:采用超音速火焰喷涂法在基体上制备NiCoCrAlYHfSi的粘接底层1。主要工艺参数为:基材预热温度为600℃,煤油24L/min,氧气900L/min,喷涂距离360mm,送粉速率为双送粉40g/min,载气7L/min。喷涂粉末为采用真空雾化技术制备的NiCoCrAlYHfSi球性粉末,喷涂前经过烘干处理。通过控制喷涂遍数得到厚度为0.08mm的NiCoCrAlYHfSi的粘接底层1;
第三步:采用大气等离子喷涂法在粘接底层1上制备NiCoCrAlYHfSi的粘接面层2。主要工艺参数为:Ar流量50L/min,H2流量10L/min,功率42kW,喷距140mm,送粉速率为单送粉40g/min,载气4.5L/min。通过控制喷涂遍数得到厚度0.07mm的NiCoCrAlYHfSi的粘接面层2;
第四步:采用真空等离子和微区气流冲击对粘接面层2进行表面处理。真空等离子工艺参数为:真空度30mba,功率45kW,枪嘴至样品表面距离为4m,点枪后喷枪摆动,对样品表面处理1min。气流冲击参数为:氩气,枪嘴面积为10mm2,气体流量5L/min;
第五步:采用大气等离子喷涂法在粘接面层2上制备YSZ的陶瓷底层3。主要工艺参数为:Ar流量40L/min,H2流量15L/min,功率46kW,喷距140mm,送粉速率为单送粉35g/min,载气4.5L/min。通过控制喷涂遍数得到厚度0.2mm的YSZ的陶瓷底层3;
第六步:采用大气等离子和微区气流冲击对陶瓷底层3进行表面处理。大气等离子工艺参数为:功率45kW,枪嘴至样品表面距离为80mm,点枪后喷枪摆动,对样品表面处理1min。气流冲击参数为:氩气,枪嘴面积为10mm2,气体流量4L/min;
第七步:采用大气等离子喷涂法在陶瓷底层3上制备YGYZ的陶瓷面层4。主要工艺参数为:Ar流量38L/min,H2流量13L/min,功率45kW,喷距195mm,送粉速率为单送粉40g/min,载气4.5L/min。通过控制喷涂遍数得到厚度0.1mm的YGYZ的陶瓷面层4。
对上述热障涂层进行微观结构分析和抗热冲击考核:自下而上的四层结构分别为:0.08mm厚、孔隙率为0.5%的粘接底层1,0.07mm厚、具有层片状结构和表面粗糙的粘接面层2(3%孔隙率),0.2mm厚、孔隙率为10%和表面粗糙的YSZ的陶瓷底层3,0.15mm厚、具有15%孔隙率的YGYZ的陶瓷面层4。对样品进行1300℃火焰热冲击考核,涂层经2200次热循环不剥落,说明本申请提出的涂层制备方法实现了牢固的界面结合,涂层具备优异的抗热循环性能。
实施例2
本实施例提供一种热障涂层,包括层叠设置的粘接底层1、粘接面层2、陶瓷底层3和陶瓷面层4。其中,粘接底层1和粘接面层2的原料均使用NiCoCrAlY产自Metco公司,牌号Amdry365),陶瓷底层3为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ),陶瓷面层4为锆酸钆(GZO)。
本实施例还提供一种耐热材料,包括金属基材5和设置在其表面的上述热障涂层,粘接底层1与金属基材5邻接。
上述耐热材料的制备方法包括:
第一步:准备镍基高温合金作为金属基材5,经过清洗、干燥和吹砂处理,待用;
第二步:采用超音速火焰喷涂法在基体上制备NiCoCrAlY的粘接底层1。主要工艺参数为:基材预热温度为600℃,煤油30L/min,氧气950L/min,喷涂距离360mm,送粉速率为双送粉40g/min,载气6L/min。喷涂粉末为采用真空雾化技术制备的NiCoCrAlY球性粉末,喷涂前经过烘干处理。通过控制喷涂遍数得到厚度为0.1mm的NiCoCrAlY的粘接底层1;
第三步:采用大气等离子喷涂法在粘接底层1上制备NiCoCrAlY的粘接面层2。主要工艺参数为:Ar流量50L/min,H2流量10L/min,功率46kW,喷距130mm,送粉速率为单送粉40g/min,载气4L/min。通过控制喷涂遍数得到厚度0.1mm的NiCoCrAlY的粘接面层2;
第四步:采用真空等离子和微区气流冲击对粘接面层2进行表面处理。真空等离子工艺参数为:真空度25mba,功率42kW,枪嘴至样品表面距离为4.5m,点枪后喷枪摆动,对样品表面处理1min。气流冲击参数为:氩气,枪嘴面积为10mm2,气体流量4.5L/min;
第五步:采用大气等离子喷涂法在粘接面层2上制备YSZ的陶瓷底层3。主要工艺参数为:Ar流量38L/min,H2流量13L/min,功率45kW,喷距145mm,送粉速率为单送粉40g/min,载气4.5L/min。通过控制喷涂遍数得到厚度0.16mm的YSZ的陶瓷底层3;
第六步:采用大气等离子和微区气流冲击对陶瓷底层3进行表面处理。大气等离子工艺参数为:功率44kW,枪嘴至样品表面距离为90mm,点枪后喷枪摆动,对样品表面处理1min。气流冲击参数为:氩气,枪嘴面积为10mm2,气体流量5L/min;
第七步:采用大气等离子喷涂法在陶瓷底层3上制备GZO的陶瓷面层4。主要工艺参数为:Ar流量38L/min,H2流量13L/min,功率45kW,喷距145mm,送粉速率为单送粉40g/min,载气4.5L/min。通过控制喷涂遍数得到厚度0.15mm的GZO的陶瓷面层4。
对上述热障涂层进行微观结构分析和抗热冲击考核:自下而上的四层结构分别为:0.1mm厚、孔隙率为0.1%的粘接底层1,0.1mm厚、具有层片状结构和表面粗糙的粘接面层2(1.5%孔隙率),0.16mm厚、孔隙率为14%和表面粗糙的YSZ的陶瓷底层3,0.15mm厚、具有15%孔隙率的GZO的陶瓷面层4。对样品进行1300℃火焰热冲击考核,涂层经2500次热循环不剥落,说明本申请提出的涂层制备方法实现了牢固的界面结合,涂层具备优异的抗热循环性能。
实施例3
本实施例提供一种热障涂层,包括层叠设置的粘接底层1、粘接面层2、陶瓷底层3和陶瓷面层4。其中,粘接底层1和粘接面层2的原料均使用NiCoCrAlYTa(产自Metco公司,牌号Amdry997),陶瓷底层3为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ),陶瓷面层4为锆酸镧(LZO)。
本实施例还提供一种耐热材料,包括金属基材5和设置在其表面的上述热障涂层,粘接底层1与金属基材5邻接。
上述耐热材料的制备方法包括:
第一步:准备镍基高温合金作为金属基材5,经过清洗、干燥和吹砂处理,待用;
第二步:采用超音速火焰喷涂法在基体上制备NiCoCrAlYTa的粘接底层1。主要工艺参数为:基材预热温度为600℃,煤油20L/min,氧气800L/min,喷涂距离360mm,送粉速率为双送粉40g/min,载气7L/min。喷涂粉末为采用真空雾化技术制备的NiCoCrAlYTa球性粉末,喷涂前经过烘干处理。通过控制喷涂遍数得到厚度为0.05mm的NiCoCrAlYTa的粘接底层1;
第三步:采用大气等离子喷涂法在粘接底层1上制备NiCoCrAlYTa的粘接面层2。主要工艺参数为:Ar流量44L/min,H2流量8L/min,功率42kW,喷距150mm,送粉速率为单送粉40g/min,载气5L/min。通过控制喷涂遍数得到厚度0.05mm的NiCoCrAlYTa的粘接面层2;
第四步:采用真空等离子和微区气流冲击对粘接面层2进行表面处理。真空等离子工艺参数为:真空度28mba,功率43kW,枪嘴至样品表面距离为4.2m,点枪后喷枪摆动,对样品表面处理1min。气流冲击参数为:氩气,枪嘴面积为10mm2,气体流量4.5L/min;
第五步:采用大气等离子喷涂法在粘接面层2上制备YSZ的陶瓷底层3。主要工艺参数为:Ar流量38L/min,H2流量13L/min,功率42kW,喷距150mm,送粉速率为单送粉30g/min,载气4.5L/min。通过控制喷涂遍数得到厚度0.1mm的YSZ的陶瓷底层3;
第六步:采用大气等离子和微区气流冲击对陶瓷底层3进行表面处理。大气等离子工艺参数为:功率46kW,枪嘴至样品表面距离为95mm,点枪后喷枪摆动,对样品表面处理1min。气流冲击参数为:氩气,枪嘴面积为10mm2,气体流量5L/min;
第七步:采用大气等离子喷涂法在陶瓷底层3上制备LZO的陶瓷面层4。主要工艺参数为:Ar流量40L/min,H2流量15L/min,功率47kW,喷距140mm,送粉速率为单送粉30g/min,载气5L/min。通过控制喷涂遍数得到厚度0.2mm的LZO的陶瓷面层4。
对上述热障涂层进行微观结构分析和抗热冲击考核:自下而上的四层结构分别为:0.05mm厚、孔隙率为1%的粘接底层1,0.05mm厚、具有层片状结构和表面粗糙的粘接面层2(5%孔隙率),0.1mm厚、孔隙率为20%和表面粗糙的YSZ的陶瓷底层3,0.2mm厚、具有10%孔隙率的LZO的陶瓷面层4。对样品进行1300℃火焰热冲击考核,涂层经2050次热循环不剥落,说明本申请提出的涂层制备方法实现了牢固的界面结合,涂层具备优异的抗热循环性能。
对比例1
以实施例1为基准,去除粘接底层1,作对比例1:本对比例提供一种热障涂层,包括层叠设置的粘接面层2、陶瓷底层3和陶瓷面层4。其中,粘接面层2为NiCoCrAlYHfSi,陶瓷底层3为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ),陶瓷面层4为氧化钆-氧化镱-氧化钇稳定的氧化锆(YGYZ)。其中,制备工艺及参数条件均同实施例1。
对上述热障涂层进行微观结构分析和抗热冲击考核:自下而上的三层结构分别为:0.07mm厚、具有层片状结构和表面粗糙的粘接面层2(3%孔隙率),0.2mm厚、孔隙率为10%和表面粗糙的YSZ的陶瓷底层3,0.15mm厚、具有15%孔隙率的YGYZ的陶瓷面层4。对样品进行1300℃火焰热冲击考核,涂层经1530次热循环发生失效,热循环寿命显著低于实施例1的涂层系统(2200次未失效);失效分析显示粘接面层2内发生严重内氧化,说明粘接底层1可以有效提升涂层的抗氧化性从而延长涂层体系的热循环寿命。
对比例2
以实施例1为基准,去除粘接面层2,作对比例2:本对比例提供一种热障涂层,包括层叠设置的粘接底层1、陶瓷底层3和陶瓷面层4。其中,粘接底层1为NiCoCrAlYHfSi,陶瓷底层3为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ),陶瓷面层4为氧化钆-氧化镱-氧化钇稳定的氧化锆(YGYZ)。其中,制备工艺及参数条件均同实施例1。
对上述热障涂层进行微观结构分析和抗热冲击考核:自下而上的三层结构分别为:0.08mm厚、孔隙率为0.5%的粘接底层1,0.2mm厚、孔隙率为10%和表面粗糙的YSZ的陶瓷底层3,0.15mm厚、具有15%孔隙率的YGYZ的陶瓷面层4。对样品进行1300℃火焰热冲击考核,涂层经1460次热循环发生失效,热循环寿命显著低于实施例1的涂层系统(2200次未失效);失效分析表明失效发生于底层/面层结合处,说明粘接面层2可以有效提升底层/面层粗糙度和结合力从而延长涂层体系的热循环寿命。
对比例3
以实施例1为基准,去除陶瓷底层3,作对比例3:本对比例提供一种热障涂层,包括层叠设置的粘接底层1、粘接面层2和陶瓷面层4。其中,粘接底层1和粘接面层2均为NiCoCrAlYHfSi,陶瓷面层4为氧化钆-氧化镱-氧化钇稳定的氧化锆(YGYZ)。其中,制备工艺及参数条件均同实施例1。
对上述热障涂层进行微观结构分析和抗热冲击考核:自下而上的三层结构分别为:0.08mm厚、孔隙率为0.5%的粘接底层1,0.07mm厚、具有层片状结构和表面粗糙的粘接面层2(3%孔隙率)和0.15mm厚、具有15%孔隙率的YGYZ的陶瓷面层4。对样品进行1300℃火焰热冲击考核,涂层经650次热循环发生失效,热循环寿命显著低于实施例1的涂层系统(2200次未失效);失效分析表明失效发生于底层/面层界面处,说明陶瓷底层3可以有效调和陶瓷面层和粘接层的热物理不匹配性从而延长涂层体系的热循环寿命。
对比例4
以实施例1为基准,去除陶瓷面层4,作对比例4:本对比例提供一种热障涂层,包括层叠设置的粘接底层1、粘接面层2和陶瓷底层3。其中,粘接底层1和粘接面层2均为NiCoCrAlYHfSi,陶瓷底层3为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。其中,制备工艺及参数条件均同实施例1。
对上述热障涂层进行微观结构分析和抗热冲击考核:自下而上的三层结构分别为:0.08mm厚、孔隙率为0.5%的粘接底层1,0.07mm厚、具有层片状结构和表面粗糙的粘接面层2(3%孔隙率)和0.2mm厚、孔隙率为10%和表面粗糙的YSZ的陶瓷底层3。对样品进行1300℃火焰热冲击考核,涂层经940次热循环发生失效,热循环寿命显著低于实施例1的涂层系统(2200次未失效);失效分析表明失效发生于陶瓷层内部,说明陶瓷面层4可以有效提升涂层的隔热性能从而延长涂层体系的热循环寿命。
对比例5
以实施例1为基准,撤除对粘接面层2进行等离子表面处理和微区气流冲击,作对比例5:本对比例提供一种热障涂层,包括层叠设置的粘接底层1、粘接面层2、陶瓷底层3和陶瓷面层4。其中,粘接底层1和粘接面层2均为NiCoCrAlYHfSi,陶瓷底层3为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ),陶瓷面层4为氧化钆-氧化镱-氧化钇稳定的氧化锆(YGYZ)。其中,制备工艺及参数条件均同实施例1。
对上述热障涂层进行微观结构分析和抗热冲击考核:自下而上的四层结构分别为:0.08mm厚、孔隙率为0.5%的粘接底层1,0.07mm厚、具有层片状结构的粘接面层2(3%孔隙率),0.2mm厚、孔隙率为10%和表面粗糙的YSZ陶瓷底层3和0.15mm厚、具有15%孔隙率的YGYZ的陶瓷面层4。对样品进行1300℃火焰热冲击考核,涂层经2070次热循环发生失效,热循环寿命略低于实施例1的涂层系统(2200次未失效),说明对粘接面层2进行等离子表面处理和微区气流冲击可以有效提升粘接层和陶瓷层之间的结合力从而延长涂层体系的热循环寿命。
对比例6
以实施例1为基准,撤除对粘陶瓷底层3进行等离子表面处理和微区气流冲击,作对比例6:本对比例提供一种热障涂层,包括层叠设置的粘接底层1、粘接面层2、陶瓷底层3和陶瓷面层4。其中,粘接底层1和粘接面层2均为NiCoCrAlYHfSi,陶瓷底层3为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ),陶瓷面层4为氧化钆-氧化镱-氧化钇稳定的氧化锆(YGYZ)。其中,制备工艺及参数条件均同实施例1。
对上述热障涂层进行微观结构分析和抗热冲击考核:自下而上的四层结构分别为:0.08mm厚、孔隙率为0.5%的粘接底层1,0.07mm厚、具有层片状结构和表面粗糙的粘接面层2(3%孔隙率),0.2mm厚、孔隙率为10%的YSZ陶瓷底层3和0.15mm厚、具有15%孔隙率的YGYZ的陶瓷面层4。对样品进行1300℃火焰热冲击考核,涂层经1750次热循环发生失效,热循环寿命显著低于实施例1的涂层系统(2200次未失效),失效分析表明失效位于陶瓷层之间,说明对陶瓷底层3进行等离子表面处理和微区气流冲击可以有效提升陶瓷层之间的结合力从而延长涂层体系的热循环寿命。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
此外,本领域的技术人员能够理解,尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征,但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如,在上面的权利要求书中,所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请的总体背景技术的理解,而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
Claims (2)
1.一种耐热材料,其特征在于,包括金属基材和热障涂层,所述热障涂层包括层叠设置的粘接底层、粘接面层、陶瓷底层和陶瓷面层;所述热障涂层设置在所述金属基材的表面且所述粘接底层与所述金属基材的表面邻接;
所述粘接底层和所述粘接面层的材料均为NiCoCrAlYHfSi;
所述陶瓷底层的材料为氧化钇稳定氧化锆;
所述陶瓷面层的材料为氧化钆-氧化镱-氧化钇稳定的氧化锆;
所述粘接底层的厚度为0.05mm-0.1mm,孔隙率小于等于1%;
所述粘接面层的厚度为0.05mm-0.1mm,孔隙率小于等于5%;
所述陶瓷底层的厚度为0.1mm-0.2mm,孔隙率为10%-20%;
所述陶瓷面层的厚度为0.1mm-0.2mm,孔隙率为10%-20%;
所述耐热材料的制备方法包括:
第一步:准备镍基高温合金作为金属基材,经过清洗、干燥和吹砂处理,待用;
第二步:采用超音速火焰喷涂法在基体上制备NiCoCrAlYHfSi的粘接底层;工艺参数为:基材预热温度为600℃,煤油24L/min,氧气900L/min,喷涂距离360mm,送粉速率为双送粉40g/min,载气7L/min;喷涂粉末为采用真空雾化技术制备的NiCoCrAlYHfSi球性粉末,喷涂前经过烘干处理;通过控制喷涂遍数得到NiCoCrAlYHfSi的粘接底层;
第三步:采用大气等离子喷涂法在粘接底层上制备NiCoCrAlYHfSi的粘接面层;工艺参数为:Ar流量50L/min,H2流量10L/min,功率42kW,喷距140mm,送粉速率为单送粉40g/min,载气4.5L/min;通过控制喷涂遍数得到NiCoCrAlYHfSi的粘接面层;
第四步:采用真空等离子和微区气流冲击对粘接面层进行表面处理;真空等离子工艺参数为:真空度30mba,功率45kW,枪嘴至样品表面距离为4m,点枪后喷枪摆动,对样品表面处理1min;气流冲击参数为:氩气,枪嘴面积为10mm2,气体流量5L/min;
第五步:采用大气等离子喷涂法在粘接面层上制备YSZ的陶瓷底层;工艺参数为:Ar流量40L/min,H2流量15L/min,功率46kW,喷距140mm,送粉速率为单送粉35g/min,载气4.5L/min;通过控制喷涂遍数得到YSZ的陶瓷底层;
第六步:采用大气等离子和微区气流冲击对陶瓷底层进行表面处理;大气等离子工艺参数为:功率45kW,枪嘴至样品表面距离为80mm,点枪后喷枪摆动,对样品表面处理1min;气流冲击参数为:氩气,枪嘴面积为10mm2,气体流量4L/min;
第七步:采用大气等离子喷涂法在陶瓷底层上制备YGYZ的陶瓷面层;工艺参数为:Ar流量38L/min,H2流量13L/min,功率45kW,喷距195mm,送粉速率为单送粉40g/min,载气4.5L/min;通过控制喷涂遍数得到YGYZ的陶瓷面层。
2.一种发动机,其特征在于,其原料包括权利要求1所述的耐热材料。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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