CN114525048A - 稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料、涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属表面高温防护技术领域，具体涉及稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料、涂层及其制备方法。为了解决现有技术的不足，本发明提供了稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料、涂层及其制备方法，该稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料组成采用水性磷酸盐作为粘结剂，以稀土为增强剂，氧化锆为填料。该涂料施工工艺简单，制备的涂层结合强度优异，且通过稀土改性增强，可进一步提升涂料的高温抗氧化性能、涂层的韧性，提高涂层的耐高低温循环冲击性能，延缓了涂层的开裂、剥落。

Description

稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料、涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于金属表面高温防护技术领域，具体涉及稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料、涂层及其制备方法。
背景技术
由于氧化锆具有化学稳定性较好、硬度高、抗高温氧化等优点，广泛用于航空发动机及民用燃气轮机高温部件的隔热及高温抗氧化。
目前制备氧化锆高温涂层的方法包括：等离子喷涂和电子束物理气相沉积(EB-PVD)。如：专利CN113025946A公开了一种氧化锆热障涂层的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)基体表面设置粘结层；(2)步骤(1)所述粘结层表面等离子喷涂球形空心纳米氧化钇稳定氧化锆粉末，得到所述氧化锆热障涂层；所述空心纳米氧化钇稳定氧化锆粉末的外部为致密的壳体，内部为空心结构。
另外，专利CN104775087A公开了一种金属复合陶瓷热障涂层的制备方法，其步骤包括：(1)对高温合金基体表面进行清洁处理；(2)对清洁后的表面进行喷砂粗化处理；(3)对喷砂粗化处理后的表面采用等离子喷涂镍铬铝钴钇粉末作为底层；(4)在镍铬铝钻钇底层上采用等离子喷涂材料喷涂金属复合陶瓷热障涂层，该等离子喷涂材料的成分为Ni 25～27％，Cr 5～7％，Al 0.5～2％，ZrO2·Y2O3 64～66％。
再比如专利CN103956312A公开了一种场发射电子源发射体表面涂层处理装置及其处理方法，该发明采用反应室连接真空抽气系统、真空度测量系统和供氧系统，能够对氧化环境、真空度、温度和处理时间的精密控制；实现在单晶钨丝的表面形成均匀的氧化锆涂层，显著的降低了单晶钨丝作为发射体的攻函数，有利于发射体中电子的场致发射，也降低了发射体尖端需加载的电场强度的要求，减少了发射体尖端放电的危险。
以上制备氧化锆高温涂层的方法都具有需要专业昂贵设备，才能完成涂层的制备的技术缺陷，且操作较复杂，成本较高。因此，开发一种成本低廉的涂料，只需通过简单的操作工艺即可完成氧化锆高温抗氧化涂层的制备，这对于航空发动机及民用燃气轮机高温部件的隔热及高温抗氧化的应用具有重要的意义。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料、涂层及其制备方法，该稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料组成采用水性磷酸盐作为粘结剂，以稀土为增强剂，氧化锆为填料。该涂料施工工艺简单，制备的涂层结合强度优异，且通过稀土改性增强，可进一步提升涂料的高温抗氧化性能、涂层的韧性，提高涂层的耐高低温循环冲击性能，延缓了涂层的开裂、剥落。
本发明首先提供了稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料，其组分按重量百分比计，包括：粘结剂50～75％，稀土增强剂5～15％，氧化锆20～35％；其中，所述粘结剂的组成按占整个稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料组分质量百分比计，包括：磷酸6～15％、氢氧化铝2～5％、固化剂1.5～3％、铬酐1～3％、余量为水。
优选地，所述稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料，其组分按重量百分比计，包括：粘结剂60％，稀土增强剂5～10％，氧化锆30～35％；其中，所述粘结剂的组成按占整个稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料组分质量百分比计，包括：磷酸10％、氢氧化铝3％、固化剂2％、铬酐3％、余量为水。
其中，所述涂料pH值为2～5。
其中，所述稀土增强剂为镧、钇、钐的氧化物或氢氧化物溶胶中至少一种。
其中，所述涂料中，氧化锆为球形。
优选地，所述氧化锆粒径为1～8微米。
其中，所述固化剂为氧化镁、氧化铜、氧化钙中的至少一种。
优选地，所述粘结剂中的水为去离子水。
本发明还提供了上述稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料的制备方法，包括以下步骤：
按重量配方比将磷酸、氢氧化铝、铬酐、水混合后，搅拌反应，再添加配方量的固化剂并分散均匀，再加入稀土增强剂，溶解搅拌、分散均匀后，加入氧化锆继续搅拌均匀后，即得。
本发明还进一步提供了上述稀土增强氧化锆高温抗氧化涂层的制备方法，包括以下步骤：通过传统喷漆的方式，将稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料涂覆到基材上，经过60～100℃低温热处理15～30分钟，随后300～500℃高温热处理30～60分钟，冷却，即得。
其中，所述的基材为高温合金、碳钢或不锈钢。
其中，所述涂料涂覆厚度10～150微米。
优选为20～80微米。
本发明还进一步提供了上述稀土增强氧化锆高温抗氧化涂层。
有益效果：
本发明提供的稀土增强氧化锆高温抗氧化涂层，大幅改善了现有氧化锆高温涂层的抗氧化性能、涂层耐高低温循环冲击性能；通过稀土溶胶的加入，在涂层固化阶段，稀土溶胶与氧化锆发生反应，对氧化锆进行局部掺杂，从而有利于提高氧化锆的高温稳定性；同时，稀土溶胶在粘结剂固化过程中，通过稀土金属离子取代局部P离子，则有益于提升粘结剂固化后的涂层韧性，以及氧化锆与粘结剂之间的结合性能。
具体实施方式
本发明首先提供了稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料，其组分按重量百分比计，包括：粘结剂50～75％，稀土增强剂5～15％，氧化锆20～35％；其中，所述粘结剂的组成按占整个稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料组分质量百分比计，包括：磷酸6～15％、氢氧化铝2～5％、固化剂1.5～3％、铬酐1～3％、余量为水。
优选地，所述稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料，其组分按重量百分比计，包括：粘结剂60％，稀土增强剂5～10％，氧化锆30～35％；其中，所述粘结剂的组成按占整个稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料组分质量百分比计，包括：磷酸10％、氢氧化铝3％、固化剂2％、铬酐3％、余量为水。
其中，所述涂料pH值为2～5。
其中，所述稀土增强剂为镧、钇、钐的氧化物或氢氧化物溶胶中至少一种。
其中，所述涂料中，氧化锆为球形。
优选地，所述氧化锆粒径为1～8微米。
其中，所述固化剂为氧化镁、氧化铜、氧化钙中的至少一种。
优选地，所述粘结剂中的水为去离子水。
本发明采用的粘结剂优势在于：磷酸盐水性不含有机挥发成分，其制备的涂料耐高温性能优异，结合力强。
相比于其他稀土材料，本发明创造性的选用镧、钇、钐作为稀土增强剂，使得涂料固化中，镧、钇、钐可以局部替代粘结剂磷酸根，从而有益于进一步提升粘结剂固化后的涂层韧性，以及结合力；而且镧、钇、钐可以和氧化锆发生反应，对氧化锆进行局部掺杂，从而有利于提高氧化锆的高温稳定性。
本发明氧化锆粒径优选为1～8微米目的在于：粒径小于1微米时，涂层相对粘度较大，易于团聚，不利于施工，且制备的涂层耐磨性能相对较差；粒径＞8微米，涂层表面粗糙度相对较高。
本发明还提供了上述稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料的制备方法，包括以下步骤：
按重量配方比将磷酸、氢氧化铝、铬酐、水混合后，搅拌反应，再添加配方量的固化剂并分散均匀，再加入稀土增强剂，溶解搅拌分散均匀后，加入氧化锆继续搅拌均匀后，即得。
本发明还进一步提供了上述稀土增强氧化锆高温抗氧化涂层的制备方法，包括以下步骤：通过传统喷漆的方式，将稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料涂覆到基材上，在高温炉下，经过60～100℃低温热处理15～30分钟，随后300～500℃高温热处理30～60分钟，随炉冷却，即得稀土增强氧化锆高温抗氧化涂层。
其中，所述的基材为高温合金、碳钢或不锈钢。
本发明分两段进行热处理，低温加热是为了将涂层水分蒸发，高温是粘结剂固化过程。分两个阶段，有利于避免水分快速蒸发导致涂层结合力、致密性降低。
本发明制备涂层时，涂覆厚度为10～150微米，这是由于涂层太薄，防护效果降低，涂层太厚结合力相对降低。因此，选择涂覆厚度10～150微米，优选为20～80微米。
本发明通过加入稀土溶胶，在涂层固化阶段，稀土溶胶与氧化锆发生反应，对氧化锆进行局部掺杂，从而有利于提高氧化锆的高温稳定性；同时，稀土溶胶在粘结剂固化过程中，通过稀土金属离子取代局部P离子，则有益于提升粘结剂固化后的涂层韧性，以及氧化锆与粘结剂之间的结合性能。
下面将通过具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步的解释说明，但不表示将本发明的保护范围限制在实施例所述范围内。
实施例
实施例1～4和对比例1均为制备稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料。原料及重量百分含量如表1所示；
表1稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料组成
Figure BDA0003543484060000041
按表1中的配方量称取磷酸、氢氧化铝、铬酐、去离子水混合，搅拌反应制得无机磷酸盐成膜剂，再将配方量的氧化镁、稀土增强剂缓慢加入粘结剂中，分散均匀，后加入氧化锆继续搅拌均匀，分别得到稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料实施例1～4、对比例1。即可进行涂层制备。
采用喷漆的方式，在高温合金试片上涂敷稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料，厚度40～80微米，低温100℃固化30min，后加热至300℃，保温30min，制备得到稀土增强氧化锆高温抗氧化涂层。
对实施例和对比例制备得到的涂层进行性能测试，结果如下表2所示。
表2制备的涂层性能表
Figure BDA0003543484060000051
由实施例1～4、对比例1结果可知，涂层加稀土1000h无脱落，不加稀土300h脱落，可见本发明的涂层抗氧化性能更优；而且涂层高低温循环过程中，加稀土500次无脱落，不加200次脱落；最后，加稀土涂层结合力最高能达到35MPa，不加只有15MPa。
由此可见，本发明的涂层具有800℃、1000℃耐高温热腐蚀性能，优异的高低温热循环性能，以及良好的涂层结合力。且施工成本较低、施工效率高。具有重要的工业应用意义。

Claims (10)

1.稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料，其特征在于：其组分按重量百分比计，包括：粘结剂50～75％，稀土增强剂5～15％，氧化锆20～35％；其中，所述粘结剂的组成按占整个稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料组分质量百分比计，包括：磷酸6～15％、氢氧化铝2～5％、固化剂1.5～3％、铬酐1～3％、余量为水。
2.根据权利要求1所述的稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料，其特征在于：其组分按重量百分比计，包括：粘结剂60％，稀土增强剂5～10％，氧化锆30～35％；其中，所述粘结剂的组成按占整个稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料组分质量百分比计，包括：磷酸10％、氢氧化铝3％、固化剂2％、铬酐3％、余量为水。
3.根据权利要求1或2所述的稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料，其特征在于：满足以下至少一项：
所述涂料pH值为2～5；
所述粘结剂中的水为去离子水。
4.根据权利要求1～3任一项所述的稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料，其特征在于：所述稀土增强剂为镧、钇、钐的氧化物或氢氧化物溶胶中至少一种。
5.根据权利要求1～4任一项所述的稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料，其特征在于：氧化锆为球形；优选地，所述氧化锆粒径为1～8微米。
6.根据权利要求1～5任一项所述的稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料，其特征在于：所述固化剂为氧化镁、氧化铜、氧化钙中的至少一种。
7.稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
按重量配方比将磷酸、氢氧化铝、铬酐、水混合后，搅拌反应，再添加配方量的固化剂并分散均匀，再加入稀土增强剂，溶解搅拌、分散均匀后，加入氧化锆继续搅拌均匀后，即得。
8.稀土增强氧化锆高温抗氧化涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：通过传统喷漆的方式，将权利要求1～7任一项所述的稀土增强氧化锆高温抗氧化涂料涂覆到基材上，经过60～100℃低温热处理15～30分钟，随后300～500℃高温热处理30～60分钟，冷却，即得。
9.根据权利要求8所述的稀土增强氧化锆高温抗氧化涂层的制备方法，其特征在于：满足以下至少一项：
所述的基材为高温合金、碳钢或不锈钢；
所述涂料涂覆厚度10～150微米；优选为20～80微米。
10.权利要求8或9所述的稀土增强氧化锆高温抗氧化涂层。
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