CN114438435B - 一种热障涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热障涂层，由基体向外依次包括金属粘结层、金属陶瓷层和表面陶瓷层，金属粘结层为MCrAlY合金涂层，金属陶瓷层为Al‑Al2O3复合涂层，表面陶瓷层为YSZ涂层、La2Zr2O7涂层、La2Ce2O7涂层中的任一种。本发明热障涂层通过选用适当成分或梯度铝‑氧化铝金属陶瓷层优化该金属陶瓷层的热膨胀系数，能够实现对金属粘结层和表面陶瓷层的有效联接，保证涂层的结构强度；在热障涂层服役过程中，铝‑氧化铝金属陶瓷层表面将形成致密的氧化铝层阻止氧气的进入，同时由于金属陶瓷层中氧化铝的存在，能够有效抑制涂层中铝的进一步氧化，有效延长了热障涂层的服役寿命。

Description

一种热障涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于表面涂层技术领域，更具体的说是涉及一种热障涂层及其制备方法。
背景技术
热障涂层是一种由金属粘结层(通常由镍基合金组成，如NiAl、NiCrAlY、NiCoCrAlY等)和隔热陶瓷层(通常为低热导率高热膨胀系数的陶瓷组成，如氧化锆、氧化钇稳定的氧化锆、锆酸盐等)组成的涂层系统。其中，隔热陶瓷层能够有效降低金属基体的服役温度，而金属粘结层则能够有效阻止基体材料的氧化，热障涂层系统在高温环境下的服役过程中，隔热陶瓷层和金属粘结层的界面处由于金属粘结层被氧化而形成热生长氧化层(TGO层)，随着高温氧化的不断进行，TGO层不断生长导致涂层系统由于其内部的应力累积而脱落失效。
因此，研发一种适用于高温合金表面隔热的热障涂层是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种适用于高温合金表面隔热的热障涂层。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种热障涂层，由基体向外依次包括金属粘结层、金属陶瓷层和表面陶瓷层，金属粘结层为MCrAlY合金涂层，金属陶瓷层为Al-Al2O3复合涂层，表面陶瓷层为YSZ涂层、La2Zr2O7涂层、La2Ce2O7涂层中的任一种。
本发明的有益效果：本发明热障涂层通过选用适当成分或梯度铝-氧化铝金属陶瓷层优化该金属陶瓷层的热膨胀系数，能够实现对金属粘结层和表面陶瓷层的有效联接，保证涂层的结构强度；在热障涂层服役过程中，铝-氧化铝金属陶瓷层表面将形成致密的氧化铝层阻止氧气的进入，同时由于金属陶瓷层中氧化铝的存在，能够有效抑制涂层中铝的进一步氧化，有效延长了热障涂层的服役寿命，在1150℃的氧化环境下氧化100h，加入金属陶瓷层的涂层的氧化增重量为未加入金属陶瓷层增重量的63％。
进一步，上述金属粘结层的厚度为100-150μm，金属陶瓷层的厚度为50-80μm，表面陶瓷层的厚度为150-300μm。
采用上述进一步技术方案的技术效果：涂层在具备良好隔热性能的基础上由于各层间的厚度比适中，各层间的结合强度更强。
进一步，上述MCrAlY合金涂层由下述质量百分比的成分组成：Cr14-31％，Al 6-12％，Y 0.5-1％，Ta 0-4％，Co 0-23％，Ni余量。
采用上述进一步技术方案的技术效果：热膨胀系数适中能够与金属-陶瓷层形成良好结合。
进一步，上述Al-Al2O3金属陶瓷涂层由下述质量百分比的成分组成：Al10-35％，Al2O3余量。
采用上述进一步技术方案的技术效果：高温下Al2O3能有效阻止Al的氧化，Al-Al2O3金属陶瓷涂层的热膨胀系数适中能够同时与金属粘结层和表面陶瓷层形成良好结合。
进一步，上述金属陶瓷层呈均匀分布或金属陶瓷层中Al2O3沿垂直且远离金属粘结层方向呈梯度递增分布。
采用上述进一步技术方案的技术效果：成分的梯度分布能够有效诱导涂层内部的应力呈梯度分布使各层之间的结合强度更好。
进一步，上述YSZ涂层由下述质量百分比的成分组成：Y2O35-10％，ZrO2余量。
采用上述进一步技术方案的技术效果：Y2O3能够有效稳定ZrO2，使其在高温服役环境中物相保持稳定。
本发明还提供一种热障涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照上述一种热障涂层称取各原料；
(2)对基体表面进行粗化、去污除油处理；
(3)在处理后的基体表面沉积金属粘结层；
(4)在金属粘结层表面沉积金属陶瓷层；
(5)在金属陶瓷层表面沉积表面陶瓷层。
本发明的有益效果：本发明制备方法步骤简单，操作便利，适合大规模生产和应用。
进一步，步骤(3)上述沉积方法采用等离子喷涂法喷涂MCrAlY合金粉，喷涂功率20-60kw，喷涂距离80-150mm，氩气流量1800-4200L/h，氢气流量180-1800L/h，送粉量10-40g/min，送粉气流量180-360L/h，喷枪扫描速度150-800mm/s。
采用上述进一步技术方案的技术效果：金属粘结层的孔隙率较低，同时又不至于累积更大的残余应力而恶化涂层与基体和金属陶瓷层间的结合。
进一步，步骤(4)上述沉积方法采用等离子喷涂法喷涂Al粉和Al2O3粉的混合物，喷涂功率20-60kW，氩气流量1800-3000L/h，氢气流量180-1800L/h，喷枪扫描速度200-600mm/s，喷涂距离80-120mm，送粉量10-35g/min，送粉气流量180-300L/h；
或，采用等离子喷涂法，喷涂功率20-40kW，氩气流量1800-3600L/h，氢气流量180-1800L/h，喷枪扫描速度50-600mm/s；Al粉送粉方向垂直于地面向上进入等离子束流，送粉孔距基体距离即喷涂距离80-150mm，送粉量10-30g/min，送粉气流量240-360L/h；Al2O3粉送粉方向垂直于地面向下进入等离子束流，送粉孔距基体距离即喷涂距离60-100mm，送粉量15-25g/min，送粉气流量180-240L/h。
采用上述进一步技术方案的技术效果：Al2O3在Al中分散良好，涂层内部结构致密。
进一步，步骤(5)上述沉积方法采用等离子喷涂法喷涂YSZ粉、La2Zr2O7粉、La2Ce2O7粉中的任一种，喷涂功率30-80kW，喷涂距离80-120mm，氩气流量1800-4200L/h，氢气流量180-1800L/h，送粉量10-25g/min，送粉气流量180-400L/h，喷枪扫描速度200-1000mm/s。
采用上述进一步技术方案的技术效果：YSZ涂层、La2Zr2O7涂层、La2Ce2O7涂层在金属陶瓷层表面的沉积效率较高，有效促进YSZ涂层、La2Zr2O7涂层、La2Ce2O7涂层内部孔隙和裂纹的形成而具有更好的隔热效果。
具体实施方式
下面将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。
实施例1-3中MCrAlY合金粉的粒径为20-120μm，Al粉粒径为0.1-20μm，Al2O3粉粒径为0.025-40μm，Al粉和Al2O3粉的混合物粒径为43-75μm，YSZ粉粒径为20-60μm。
实施例1
热障涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)金属粘结层为MCrAlY合金涂层，金属陶瓷层为Al-Al2O3复合涂层，表面陶瓷层为YSZ涂层；
MCrAlY合金涂层由下述质量百分比的成分组成：Cr 22％，Al 10％，Y1％，Ni67％；
Al-Al2O3复合涂层由下述质量百分比的成分组成：Al 35％，Al2O365％，YSZ涂层由下述质量百分比的成分组成：Y2O38％，ZrO292％；
(2)使用粒径范围为40-60μm的刚玉砂对GH3128高温合金基体表面进行粗化处理，喷砂压力为0.5MPa，之后对基体表面进行无水乙醇环境下的超声波去污除油处理；
(3)在处理后的基体表面沉积厚度为100μm金属粘结层，采用等离子喷涂法喷涂MCrAlY合金粉，喷涂功率35kw，喷涂距离100mm，氩气流量1800L/h，氢气流量200L/h，送粉量25g/min，送粉气流量180L/h，喷枪扫描速度150mm/s；
(4)在金属粘结层表面沉积厚度为60μm金属陶瓷层，采用等离子喷涂法，喷涂功率40kw，氩气流量1800L/h，氢气流量300L/h，喷枪扫描速度200mm/s；Al粉送粉方向垂直于地面向上进入等离子束流，送粉孔距基体距离即喷涂距离120mm，送粉量15g/min，送粉气流量300L/h；Al2O3粉送粉方向垂直于地面向下进入等离子束流，送粉孔距基体距离即喷涂距离60mm，送粉量20g/min，送粉气流量200L/h；
(5)在金属陶瓷层表面沉积厚度为200μm表面陶瓷层，采用等离子喷涂法喷涂YSZ粉，喷涂功率60kW，喷涂距离90mm，氩气流量3600L/h，氢气流量600L/h，送粉量20g/min，送粉气流量360L/h，喷枪扫描速度500mm/s。
与未沉积金属陶瓷层的同成分热障涂层相比，在1150℃的氧化环境下，氧化100h加入金属陶瓷层的涂层的氧化增重量下降了37％。
实施例2
热障涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)金属粘结层为MCrAlY合金涂层，金属陶瓷层为Al-Al2O3复合涂层，表面陶瓷层为La2Zr2O7涂层；
MCrAlY合金涂层由下述质量百分比的成分组成：Co23％，Cr 17％，Al12％，Y0.5％，Ni47.5％；
Al-Al2O3复合涂层由下述质量百分比的成分组成：Al 15％，Al2O385％；
(2)使用粒径范围为40-80μm的刚玉砂对MA956高温合金基体表面进行粗化处理，喷砂压力为0.6MPa，之后对基体表面进行无水乙醇环境下的超声波去污除油处理；
(3)在处理后的基体表面沉积厚度为120μm金属粘结层，采用等离子喷涂法喷涂MCrAlY合金粉，喷涂功率40kW，喷涂距离100mm，氩气流量2400L/h，氢气流量240L/h，送粉量20g/min，送粉气流量240L/h，喷枪扫描速度300mm/s；
(4)在金属粘结层表面沉积厚度为80μm金属陶瓷层，采用等离子喷涂法喷涂Al粉和Al2O3粉的混合物，喷涂功率40kW，氩气流量2400L/h，氢气流量240L/h，喷枪扫描速度400mm/s，喷涂距离120mm，送粉量20g/min，送粉气流量300L/h；
Al粉和Al2O3粉的混合物的制备方法为：将Al粉和Al2O3粉混合，与5wt％的PVB粘结剂混合成浆料，将浆料喷雾干燥制备成粒径为30-45μm的粉末，在500℃的真空环境下烧结6h，获得产品；
(5)在金属陶瓷层表面沉积厚度为300μm表面陶瓷层，采用等离子喷涂法喷涂La2Zr2O7粉，喷涂功率80kW，喷涂距离100mm，氩气流量3600L/h，氢气流量1200L/h，送粉量25g/min，送粉气流量400L/h，喷枪扫描速度800mm/s。
与未沉积金属陶瓷层的同成分热障涂层相比，在1200℃的氧化环境下，氧化120h加入金属陶瓷层的涂层的氧化增重量下降了24％。
实施例3
热障涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)金属粘结层为MCrAlY合金涂层，金属陶瓷层为Al-Al2O3复合涂层，表面陶瓷层为La2Ce2O7涂层；
MCrAlY合金涂层由下述质量百分比的成分组成：Co23％，Cr 20％，Al8.5％，Y0.5％，Ta4％，Ni44％；
Al-Al2O3复合涂层由下述质量百分比的成分组成：Al 20％，Al2O380％；
(2)使用粒径范围为40μm-60μm的刚玉砂对MA956高温合金基体表面进行粗化处理，喷砂压力为0.5MPa，之后对基体表面进行无水乙醇环境下的超声波去污除油处理；
(3)在处理后的基体表面沉积厚度为150μm金属粘结层，采用等离子喷涂法喷涂MCrAlY合金粉，喷涂功率35kW，喷涂距离100mm，氩气流量1800L/h，氢气流量200L/h，送粉量25g/min，送粉气流量180L/h，喷枪扫描速度150mm/s；
(4)在金属粘结层表面沉积厚度为80μm金属陶瓷层，采用等离子喷涂法，喷涂功率35kw，氩气流量2400L/h，氢气流量280L/h，喷枪扫描速度300mm/s；Al粉送粉方向垂直于地面向上进入等离子束流，送粉孔距基体距离即喷涂距离150mm，送粉量30g/min，送粉气流量300L/h；Al2O3粉送粉方向垂直于地面向下进入等离子束流，送粉孔距基体距离即喷涂距离70mm，送粉量20g/min，送粉气流量240L/h；
(5)在金属陶瓷层表面沉积厚度为300μm表面陶瓷层，采用等离子喷涂法喷涂La2Ce2O7粉，喷涂功率70kW，喷涂距离120mm，氩气流量3000L/h，氢气流量500L/h，送粉量25g/min，送粉气流量300L/h，喷枪扫描速度500mm/s；
与未沉积金属陶瓷层的同成分热障涂层相比，在1000℃的氧化环境下，氧化60h加入金属陶瓷层的涂层的氧化增重量下降了35％。
对所公开的实施例的说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种热障涂层，其特征在于，由基体向外依次包括金属粘结层、金属陶瓷层和表面陶瓷层，金属粘结层为MCrAlY合金涂层，金属陶瓷层为Al-Al2O3复合涂层，表面陶瓷层为YSZ涂层、La2Zr2O7涂层、La2Ce2O7涂层中的任一种；
所述MCrAlY合金涂层由下述质量百分比的成分组成：Cr14-31％，Al6-12％，Y0.5-1％，Ta0-4％，Co0-23％，Ni余量；
所述Al-Al2O3复合涂层由下述质量百分比的成分组成：Al10-35％，Al2O3余量；
所述YSZ涂层由下述质量百分比的成分组成：Y2O35-10％，ZrO2余量；
所述热障涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照所述一种热障涂层称取各原料；
(2)对基体表面进行粗化、去污除油处理；
(3)在处理后的基体表面沉积金属粘结层；
(4)在金属粘结层表面沉积金属陶瓷层；
(5)在金属陶瓷层表面沉积表面陶瓷层；
步骤(3)所述沉积方法采用等离子喷涂法喷涂MCrAlY合金粉，喷涂功率20-60kW，喷涂距离80-150mm，氩气流量1800-4200L/h，氢气流量180-1800L/h，送粉量10-40g/min，送粉气流量180-360L/h，喷枪扫描速度150-800mm/s；
步骤(4)所述沉积方法采用等离子喷涂法喷涂Al粉和Al2O3粉的混合物，喷涂功率20-60kW，氩气流量1800-3000L/h，氢气流量180-1800L/h，喷枪扫描速度200-600mm/s，喷涂距离80-120mm，送粉量10-35g/min，送粉气流量180-300L/h；
或，采用等离子喷涂法，喷涂功率20-40kW，氩气流量1800-3600L/h，氢气流量180-1800L/h，喷枪扫描速度50-600mm/s；Al粉送粉方向垂直于地面向上进入等离子束流，送粉孔距基体距离即喷涂距离80-150mm，送粉量10-30g/min，送粉气流量240-360L/h；Al2O3粉送粉方向垂直于地面向下进入等离子束流，送粉孔距基体距离即喷涂距离60-100mm，送粉量15-25g/min，送粉气流量180-240L/h；
步骤(5)所述沉积方法采用等离子喷涂法喷涂YSZ粉、La2Zr2O7粉、La2Ce2O7粉中的任一种，喷涂功率30-80kW，喷涂距离80-120mm，氩气流量1800-4200L/h，氢气流量180-1800L/h，送粉量10-25g/min，送粉气流量180-400L/h，喷枪扫描速度200-1000mm/s。
2.根据权利要求1所述一种热障涂层，其特征在于，所述金属粘结层的厚度为100-150μm，金属陶瓷层的厚度为50-80μm，表面陶瓷层的厚度为150-300μm。
3.根据权利要求1所述一种热障涂层，其特征在于，所述金属陶瓷层呈均匀分布或金属陶瓷层中Al2O3沿垂直且远离金属粘结层方向呈梯度递增分布。
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