CN114411085A

CN114411085A - 一种致密厚热障涂层的制备方法

Info

Publication number: CN114411085A
Application number: CN202111414306.8A
Authority: CN
Inventors: 卢晓亮; 黄松涛; 夏春阳; 章德铭; 冀晓鹃; 王旭; 侯伟骜; 彭浩然
Original assignee: Bgrimm Advanced Materials Science & Technology Co ltd; BGRIMM Technology Group Co Ltd
Current assignee: Bgrimm Advanced Materials Science & Technology Co ltd; BGRIMM Technology Group Co Ltd
Priority date: 2021-11-25
Filing date: 2021-11-25
Publication date: 2022-04-29

Abstract

本发明提供了一种致密厚热障涂层的制备方法，采用单峰粒度级配的纳米陶瓷粉末为原料，通过高能等离子喷涂工艺制备出低孔隙率的高结合强度的陶瓷热障涂层，有效的提高涂层的抗热震性能及隔热性能，进而提高涂层使用温度，延长涂层使用寿命。

Description

一种致密厚热障涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及材料制备领域，特别是一种致密厚热障涂层的制备方法。

背景技术

陶瓷基热障涂层由于其具有耐高温、耐腐蚀和隔热的优点，广泛的应用于在航空发动机和地面燃气轮机的中动叶片及高压涡轮外环部位，应用温度可达1100℃以上，是目前应用温度最高的一类陶瓷热障涂层，从而有效提高发动机效率和运行安全性。随着航空工业的发展，对陶瓷热障涂层的性能提出了更高的需求。要求陶瓷热障涂层的长时服役温度超过1100℃，并具备较小的孔隙、较高的结合强度及抗CMAS腐蚀。

常规陶瓷基热障涂层的制备通常采用微米粉末为原料，与此同时，材料中Fe₂O₃、SiO₂、Al₂O₃、CaO等杂质含量≥0.5％。在涂层制备的过程中，由于粉末的粒径较大且分布并不均匀，最终导致涂层内部存在大量连通孔隙缺陷，涂层的结合强度与服役寿命较低。并且涂层中Fe₂O₃、SiO₂、Al₂O₃、CaO等杂质的存在造成涂层在1100℃以上的服役工况下长时间工作时，极易发生相变、烧结问题，导致涂层开裂失效。此外常规的等离子喷涂工艺由于能量密度低，不能保证粉末完全熔化以便形成致密的涂层，制备的陶瓷热障涂层孔隙尺寸难以控制、涂层夹渣生粉、裂纹生长方向不确定性、结合强度低。

发明内容

本发明的目的是提供一种致密厚热障涂层的制备方法，并保持涂层较少的孔隙、较高的结合强度特性的制备方法，从而有效提升陶瓷热障涂层的应用性能。

本发明提供了一种致密厚热障涂层的制备方法，包括：

S1获取纳米原料制备的陶瓷粉末作为原料粉末；

S2将所述陶瓷粉末进行造粒，并对造粒后的陶瓷粉末进行等离子烧结，得到涂层原料；

S3对经过等离子烧结后得到的涂层原料粉进行粒度级配，以实现粉末的细粒度搭配；

S4采用涂层在线监测系统选取高能等离子喷涂工艺；

S5在已制备好粘结底层的工件上，以步骤S4获得的涂层原料通过高能等离子喷涂工艺制备致密厚热障涂层。

可选地，步骤S1中，所采用的陶瓷粉末纯度≥99.5％，杂质含量≤0.5％。

可选地，步骤S1中，所采用的陶瓷粉末纯度≥99.5％，杂质含量≤0.1％。

可选地，步骤S1中，所采用的陶瓷粉末一次颗粒度1～100nm。

可选地，步骤S1中，所采用的陶瓷粉末颗粒度为5～60nm。

可选地，步骤S2中，所采用陶瓷粉末经过等离子体加热对粉末进行烧结，等离子体温度在10000-30000℃，粉末在等离子体中经过加热熔化及快速冷却成型，其烧结时间控制在0.5S内。

可选地，所述陶瓷粉末的成分包括氧化锆、氧化钇、氧化镝、氧化镱、氧化钆、氧化镧、氧化铈、氧化镁中的一种或多种。本发明采用上述成分的陶瓷粉末，可以使得最终得到的热障涂层可以有效提升涂层高温服役稳定性。

可选地，步骤S3中，所述粉末粒度级配，其中中等粒径峰值为5～38μm，典型粒度搭配比例为中等粒径粉占比70％～90wt％，细粉及粗粉占比10～30wt％。

可选地，步骤S4中，所述高能等离子喷涂工艺为采用高功率或级联式等离子喷枪在大气、低压或惰气保护环境中进行喷涂。

可选地，步骤S4中，所述致密厚热障涂层的孔隙率为1～5％，涂层厚度为0.4mm～1.5mm。

本发明采用了纳米陶瓷粉末作为原料，有效的提升涂层高温服役稳定性。并通过材料的高纯超细特性提高涂层的使用温度及韧性。通过高能等离子喷涂工艺可高效稳定制备较少的孔隙、较高结合强度的陶瓷热障涂层。本发明提供的制备方法相对于传统采用常规大气等离子喷涂的制备工艺，能够保证粉末完全熔化以便形成致密的涂层，并且具有涂层孔隙尺寸均匀可控、结合强度高、工艺简单等特点。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的陶瓷粉末粒度分布示意图；

图2示出了根据本发明实施例制备的致密厚热障涂层截面形貌示意图；

图3示出了根据本发明实施例制备的致密厚热障涂层涂层截面局部示意图。

具体实施方式

下面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，都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种致密厚热障涂层的制备方法，包括：

S1获取纳米原料制备的陶瓷粉末作为原料粉末。

本实施例中采用纳米结构的陶瓷粉末作为致密厚热障陶瓷涂层的原料粉末，其中，所采用的陶瓷粉末纯度≥99.5％，杂质含量≤0.5％，优选地，陶瓷粉末纯度度≥99.9％，杂质含量≤0.1％。所采用的陶瓷粉末一次颗粒度1～100nm，优选地，颗粒度为5～60nm。

本实施例中，陶瓷粉末的成分包括氧化锆、氧化钇、氧化镝、氧化镱、氧化钆、氧化镧、氧化铈、氧化镁中的一种或多种。

S2将所述陶瓷粉末进行造粒，并对造粒后的陶瓷粉末进行等离子烧结，得到涂层原料。

对于上述步骤S1的涂层原料粉末，可按照指定的粒度比例进行造粒，获得球形度良好的原始粉末。造粒工艺是将磨细的粉料，经过干燥、加胶黏剂，制成流动性好的颗粒，本实施例中，可以将造地后的原始粉末的粒度控制在75μm以下。

进一步地，采用等离子球化工艺对S2造粒后得到的原始粉末进行等离子烧结，以使原始粉末在等离子体中经过加热熔化及冷却成型。所采用陶瓷粉末经过等离子体加热对粉末进行烧结，等离子体温度在10000-30000℃，粉末在等离子体中经过加热熔化及快速冷却成型，其烧结时间控制在0.5S内，焰流粒子飞行速度在200-300m/s，喷涂距离控制在200-400mm。

S3对经过等离子烧结后得到的涂层原料粉进行粒度级配，以实现粉末的细粒度搭配。

粉末粒度级配，其中中等粒径峰值为5～38μm，优选地粒度搭配比例为中等粒径粉占比70％～90wt％，细粉及粗粉占比10～30wt％。

S4采用涂层在线监测系统选取高能等离子喷涂工艺。

本实施例在进行喷涂之前，还可以涂层应力检测，其中涂层沉积应力控制在25-45Mpa，优选出最优喷涂工艺。

S5在已制备好粘结底层的工件上，以步骤S4获得的涂层原料通过高能等离子喷涂工艺制备致密厚热障涂层。具体地，可以通过三阳极高能等离子、三阴极高能等离子或低压高能等离子喷涂工艺，采用高功率或级联式等离子喷枪在大气、低压或惰气保护环境中进行喷涂以制备致密厚热障涂层，致密厚热障涂层的孔隙率为1～5％，涂层厚度0.4mm～1.5mm。

本发明实施例提供的一种致密厚热障涂层的制备方法，相对于传统采用常规大气等离子喷涂的制备工艺，具有涂层孔隙尺寸均匀可控、结合强度高、工艺简单等特点。

下面将结合具体实施例对本发明的具体实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

步骤S1，采用高纯氧化钇掺杂稳定氧化锆粉末作为致密热障涂层的原料粉末。其中，陶瓷粉末纯度≥99.9％，陶瓷粉末一次颗粒度为15～53nm。

步骤S2，将涂层原料粉末进行造粒，得到原始粉末后进行等离子烧结。

步骤S3，将陶瓷粉末按照特定的粒度比例进行级配，并充分均匀混合，获得单峰粒度级配特性的陶瓷热障涂层粉末原料。其中中等粒径峰值为5-38μm占比80wt％，细粉及粗粉占比20wt％。

步骤S4，以步骤S3中获得的粉末为原料，通过调节喷涂距离、喷涂功率、送粉量等，使得该工艺下沉积压力控制在28-35Mpa，最优喷涂工艺为喷涂功率50-60Kw、喷涂距离80-100mm、送粉量为30-50g/min。

步骤S5，在已制备好粘结底层的工件上，以步骤S3中获得的粉末为原料，步骤S4获得的喷涂工艺，通过三阳极高能等离子喷涂工艺在大气气氛中制备陶瓷热障涂层。

完成陶瓷热障涂层制备后，分别获取三个试样，并采用SEM标尺测量方法测量涂层厚度，采用压汞法测取层孔隙率，采用GB8642标准对三个试样的结合强度进行测量，分别如下表所示。

	涂层厚度	孔隙率	结合强度
				试样1a	1.5mm	4％	20.8MPa
试样1b	1.5mm	3.82％	21.5MPa
				试样1c	1.5mm	4.15％	21.0MPa

实施例2

步骤S1，采用高纯氧化镱，氧化铈，氧化钆掺杂稳定氧化锆作为致密热障涂层的原料粉末。其中，陶瓷粉末纯度≥99.9％，陶瓷粉末一次颗粒度为25～50nm。

步骤S3，将陶瓷粉末按照特定的粒度比例进行级配，并充分均匀混合，获得单峰粒度级配特性的陶瓷热障涂层粉末原料。其中，中等粒径峰值为5-38μm占比70wt％，细粉及粗粉占比30wt％。

步骤S4，以步骤S3中获得的粉末为原料，通过调节喷涂距离、喷涂功率、送粉量等，使得该工艺下沉积压力控制在30-45Mpa，最优喷涂工艺为喷涂功率50-60Kw、喷涂距离80-100mm、送粉量为30-50g/min

	涂层厚度	孔隙率	结合强度
				试样2a	1.4mm	2.9％	23.0MPa
试样2b	1.4mm	3.2％	21.5MPa
				试样2c	1.4mm	2.95％	22.0MPa

实施例3

步骤S1，采用高纯氧化钆掺杂稳定氧化锆作为致密热障涂层的原料粉末。其中，陶瓷粉末纯度≥99.9％，陶瓷粉末一次颗粒度为35～45nm。

步骤S3，将陶瓷粉末按照特定的粒度比例进行级配，并充分均匀混合，获得单峰粒度级配特性的陶瓷热障涂层粉末原料。其中，中等粒径峰值为15～38μm占比75wt％，细粉及粗粉占比25wt％。

	涂层厚度	孔隙率	结合强度
				试样3a	1.5mm	4.8％	20.2MPa
试样3b	1.5mm	5.1％	20.1MPa
				试样3c	1.5mm	5.3％	19.8MPa

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：在本发明的精神和原则之内，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脱离本发明的保护范围。

Claims

1.一种致密厚热障涂层的制备方法，其特征在于，包括：

S1获取纳米原料制备的陶瓷粉末作为原料粉末；

S4采用涂层在线监测系统选取高能等离子喷涂工艺；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所采用的陶瓷粉末纯度≥99.5％，杂质含量≤0.5％。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所采用的陶瓷粉末纯度≥99.9％，杂质含量≤0.1％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所采用的陶瓷粉末一次颗粒度1～100nm。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所采用的陶瓷粉末颗粒度为5～60nm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所采用陶瓷粉末经过等离子体加热对粉末进行烧结，等离子体温度在10000-30000℃，粉末在等离子体中经过加热熔化及冷却成型，其烧结时间控制在0.5S内。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷粉末的成分包括氧化锆、氧化钇、氧化镝、氧化镱、氧化钆、氧化镧、氧化铈、氧化镁中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，中等粒径峰值为5～38μm，典型粒度搭配比例为中等粒径粉占比70％～90wt％，细粉及粗粉占比10～30wt％。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，所述高能等离子喷涂工艺为采用高功率或级联式等离子喷枪在大气、低压或惰气保护环境中进行喷涂。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，所述致密厚热障涂层的孔隙率为1～5％，涂层厚度为0.4mm～1.5mm。