CN117362030B - 一种强蓄热、抗热冲蚀微纳米复相陶瓷粉末及其涂层、涂层制备方法和应用 - Google Patents

一种强蓄热、抗热冲蚀微纳米复相陶瓷粉末及其涂层、涂层制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种强蓄热、抗热冲蚀微纳米复相陶瓷粉末及其涂层、涂层制备方法和应用，属于陶瓷涂层技术领域。微纳米复相陶瓷粉末，按质量百分比包括ZrO2 72.5％～87％，Y2O3 3％～7％，Al2O3 8％～16％，TiO2 1％～2.5％和HfO21％～2％。采用本发明的微纳米复相陶瓷粉末制备获得的涂层，涂层孔隙率＜3.5％，涂层结合强度＞35MPa，涂层中陶瓷相尺寸在200～800nm，涂层的厚度为50～300μm，涂层导热率为1.35～1.49W/(m·K)，涂层850℃膨胀系数为10.86×10‑6～12.35×10‑6/K。本发明的涂层具有优异的耐高温、强蓄热及抗冲蚀特性。

Description

一种强蓄热、抗热冲蚀微纳米复相陶瓷粉末及其涂层、涂层制 备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种强蓄热、抗热冲蚀微纳米复相陶瓷粉末及其涂层、涂层制备方法和应用，属于陶瓷涂层技术领域。
背景技术
近年来，随着经济社会快速发展，我国航空航天、石油化工、交通运输等重大工程用大型装备国产化水平不断提升。重大装备关键零部件在焰流或高温高压气流冲蚀等苛刻工况下，容易发生热变形、热冲蚀和烧蚀损伤，导致服役性能下降影响设备正常运行，引发安全事故。
为了减少热变形、热冲蚀和烧蚀损伤的危害和损失，许多国家一直致力于焰流或高温高压气流冲蚀服役工况下工件材料及表面防护技术的研究。陶瓷材料具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、耐摩擦等特性，因此，陶瓷涂层已广泛应用于烧蚀或高温气流冲蚀环境，显著提升工件服役性能和使用寿命。但是，传统陶瓷涂层使用过程中容易产生热生长氧化物及高温相变，导致涂层内部应力较大，进而导致涂层开裂剥落，涂层耐热、蓄热能力差。公开号为CN 115558321A的发明专利公开了一种柔性纳米陶瓷阻热涂层新材料，其组成成分及重量比例为碳化硅30-50份，氮化钛5-8份，氮化硅7-12份，纳米氧化铝8-15份，纳米氧化镁5-10份，纳米氧化锆8-10份，纳米氧化镍5-8份，无机酸2-5份，偶联剂1-5份，采用大气等离子喷涂工艺或超音速火焰喷涂工艺喷涂混合，制备出柔性纳米陶瓷阻热涂层。该发明制备的纳米陶瓷涂层主要为碳化硅陶瓷，脆性大、导热率高、蓄热能力差，且其与金属热膨胀系数相差较大，在焰流或高温高压气流冲蚀工况下容易剥落失效。公开号为CN 111548133 A的发明专利公开了一种稀土复合高温纳米陶瓷涂层的制造方法，该方法将烧结制得的陶瓷颗粒与纳米浆料混合，利用喷料枪喷涂至锅炉受热面获得高温纳米陶瓷涂层。该发明制得的纳米陶瓷涂层与基体附着力差，仅适用于高温炉受热面，在焰流或高温高压气流冲蚀工况下容易剥落失效，导致涂层耐热、蓄热能力下降。因此，发展面向焰流或高温高压气流冲蚀工况下强蓄热、抗热冲蚀、长寿命的新型微纳米复相陶瓷涂层材料及其制备技术已迫在眉睫。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种强蓄热、抗热冲蚀微纳米复相陶瓷粉末，该陶瓷粉末通过微纳米尺度ZrO2、Y2O3、Al2O3、TiO2及HfO2陶瓷相复合，使得涂层材料具有优异的高温相结构稳定及高韧性特征，确保涂层具有优异的耐高温、强蓄热及抗冲蚀特性。
同时，本发明提供一种强蓄热、抗热冲蚀微纳米复相陶瓷涂层，该涂层孔隙率＜3.5％，结合强度＞35MPa，陶瓷相尺寸在200～800nm，弥散分布的纳米陶瓷相显著提升陶瓷涂层的断裂韧性。
同时，本发明提供一种强蓄热、抗热冲蚀微纳米复相陶瓷涂层的制备方法，该法在恒温喷涂及高压风冷条件下，较低过冷度确保60～70％的陶瓷粉末以半熔融状态沉积，部分熔融的陶瓷相仍保留微纳米尺寸形态，并促进TiO2相包覆纳米Al2O3陶瓷颗粒(喷涂工艺中，60～70％半熔融粒子沉积能够促进TiO2相对纳米Al2O3相进行包覆)，显著提升涂层的抗热冲蚀性和断裂韧性。同时，基板400℃～600℃恒温状态，能够有效提升熔融陶瓷颗粒沉积过程的润湿性和延展性，同时防止热应力过大导致涂层产生裂纹，进而显著提升涂层结合力及涂层质量。
同时，本发明提供一种强蓄热、抗热冲蚀微纳米复相陶瓷涂层在耐火焰或热流冲蚀件中的应用，工件的使用环境优选为火焰炉炉膛、高温高压油气管道。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种强蓄热、抗热冲蚀微纳米复相陶瓷粉末，按质量百分比包括ZrO272.5％～87％，Y2O3 3％～7％，Al2O3 8％～16％，TiO2 1％～2.5％和HfO2 1％～2％。
ZrO2，Y2O3，Al2O3，TiO2和HfO2陶瓷相粒径均为50～200nm，纯度均高于99.9％，采用离心喷雾造粒制备150～800目复相陶瓷粉末。
离心喷雾造粒的方法为：将质量分数为50～60％的ZrO2，Y2O3，Al2O3，TiO2和HfO2陶瓷相粉末和质量分数为40～50％的去离子水混成浆料加入磨罐中，再加入相当于浆料3～5wt％的聚乙烯亚胺和相当于浆料0.5～0.6wt％的柠檬酸铵，再加入氧化铝陶瓷球，球磨3～6小时，之后将混合均匀的浆料送入喷雾造粒机中，将进风温度设置为200℃～230℃、出风温度调整为105℃～115℃，蠕动泵进料速率设为(25±5)r/min，离心机转速200～300Hz，喷头速率调至30～40r/min，通过烘干和过筛后得到粒径为150～800目、球形度高、流动性好的微纳米复相陶瓷粉末。
采用本发明的一种强蓄热、抗热冲蚀微纳米复相陶瓷粉末制备获得的涂层，涂层孔隙率＜3.5％，涂层结合强度＞35MPa，涂层中陶瓷相尺寸在200～800nm，涂层的厚度为50～300μm，涂层导热率为1.35～1.49W/(m·K)，涂层850℃膨胀系数为10.86×10-6～12.35×10-6/K。
本发明的涂层的制备方法，包括以下步骤，
S01，基材的前处理：选用铁基或镍基合金作为基材，预处理，备用；
S02，将微纳米复相陶瓷粉末置于至少80℃真空烘箱中烘干至少1h，备用；
S03，使基材表面保持温度为400～600℃；
S04，将NiCrAlY喷涂粉末装入送粉器中，采用等离子喷涂设备制备NiCrAlY粘结层；NiCrAlY粘结层的工艺参数为：喷涂电流500～550A；喷涂电压60～65V，送粉量30～35g/min，Ar气流量为150～160SCFH，H2流量10～11SCFH，喷涂距离90～95mm，喷枪移动速度1000～1050mm/s；
S05，将S02中的微纳米复相陶瓷粉末装入送粉器中，采用等离子喷涂设备制备涂层，工艺参数为：喷涂电流600～850A；喷涂电压70～75V，送粉量30～40g/min，Ar气流量为150～170SCFH，H2流量10～12SCFH，喷涂距离75～80mm，喷枪移动速度1000～1010mm/s；喷涂过程中采用压缩空气冷却，压缩空气压力为1～1.5MPa，确保基材温度处于400℃～600℃范围。
NiCrAlY粘结层厚度为40～60μm。
NiCrAlY粘结层的粉料为NiCrAlY，其成分为25.0wt％的Cr、8.0wt％的Al、0.5wt％的Y、0.2wt％的Si和余量的Ni。
预处理包括去氧化物和表面清洗；其中去氧化物为采用砂轮打磨+表面喷砂处理；表面清洗为使用酒精或丙酮进行冲洗，清洗完毕后热风烘干，备用。
基材包括铁基或镍基合金。
本发明的涂层在受火焰或热流冲蚀工件中的应用，受火焰或热流冲蚀工件包括火焰炉炉膛热板、高温高压油气管道。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明基于复相陶瓷设计准则，在耐高温ZrO2陶瓷和Al2O3陶瓷基础上设计Y2O3、TiO2及HfO2掺杂微纳米复相陶瓷涂层，通过稀土氧化物Y2O3对ZrO2相稳定作用、TiO2相对纳米Al2O3陶瓷颗粒包覆作用及超高温微纳米HfO2陶瓷相的添加使得涂层材料一方面满足沉积过程中微纳米陶瓷相稳定遗传特性，另一方面在火焰或高温高压气流工况下涂层陶瓷相具有高稳定特性，即HfO2陶瓷相提高喷涂过程中复相微纳米陶瓷颗粒熔融或半熔融状态粒子的稳定性，确保该类型涂层材料具有更优异的蓄热、抗热流冲蚀特性。
(2)本发明的陶瓷涂层中均为氧化物陶瓷，具有优异的抗高温氧化特性及高温相稳定特性，能够进一步提高涂层的蓄热、抗热流冲蚀性能。
(3)本发明制备的微纳米复相陶瓷涂层，基板恒温喷涂及高压风冷条件下，较低过冷度确保陶瓷粉末以半熔融状态沉积，部分熔融的陶瓷相仍保留微纳米尺寸形态，显著提升涂层的抗热冲蚀性和断裂韧性。同时，基板400℃～600℃恒温状态，能够有效提升熔融陶瓷颗粒沉积过程的润湿性和延展性，同时防止热应力过大导致涂层产生裂纹，进而显著提升涂层结合力及涂层质量。
附图说明
图1为本发明强蓄热、抗热冲蚀陶瓷粉末的形貌图；
图2为本发明强蓄热、抗热冲蚀陶瓷涂层的截面形貌图；
图3为本发明陶瓷涂层中TiO2相包覆Al2O3陶瓷相高倍组织结构图；
图4为本发明陶瓷涂层中TiO2相包覆Al2O3陶瓷相的元素面分布图；
图5为本发明强蓄热、抗热冲蚀陶瓷涂层乙炔焰烧蚀前后XRD图谱；
图6为实施例1烧蚀后涂层截面图；
图7为对比例1烧蚀后涂层截面图；
图8为对比例2涂层截面形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
一种强蓄热、抗热冲蚀微纳米复相陶瓷粉末，按质量百分比包括ZrO2 75％，Y2O36％，Al2O3 15％，TiO2 2％，HfO2 2％，各陶瓷相粒径为50～100nm，纯度高于99.9％，称重配料。离心喷雾造粒是将质量分数为55％微纳米复相陶瓷粉末和质量分数为45％的去离子水混成浆料加入磨罐中，再加入相当于浆料4wt％的聚乙烯亚胺(PEI)和相当于浆料0.6wt％的柠檬酸铵，再加入氧化铝陶瓷球，球磨5小时，之后将混合均匀的浆料送入喷雾造粒机中，将进风温度设置为210℃、出风温度调整为110℃，蠕动泵进料速率设为25r/min，离心机转速200Hz，喷头速率调至30r/min，通过烘干和过筛后得到粒径为150～800目、球形度高、流动性好的微纳米复相陶瓷粉末。经离心喷雾造粒制备成微纳米复相陶瓷粉末，获得粒度为150～800目的合金粉末，利用筛粉机筛出150～300目、300～400目、400～800目三种粒径等级的粉末。
采用上述强蓄热、抗热冲蚀陶瓷粉末制备的涂层。
微纳米复相陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤，
S01，基材的前处理：将厚度为10mm的316L钢板用砂轮打磨表面，并选用粒度为40目的白刚玉砂对表面进行喷砂处理，喷砂压力为0.7MPa，喷砂后将316L钢板用酒精溶液冲洗，冲洗完毕后用热风吹干，备用；
S02，将粒度为150～300目的微纳米复相陶瓷粉末置于80℃真空烘箱中烘干1h，备用；
S03，使用等离子弧吹扫基板表面至600℃，使用高精度红外测温枪检测基板温度；
S04，将NiCrAlY喷涂粉末装入送粉器中，采用等离子喷涂设备制备粘结层，粘结层厚度50μm；NiCrAlY粘结层具体的工艺参数为：喷涂电流500A；喷涂电压60V，送粉量30g/min，Ar气流量为150SCFH，H2流量10SCFH，喷涂距离90mm，喷枪移动速度1000mm/s。NiCrAlY粘结层的粉料为NiCrAlY，其成分为25.0wt％的Cr、8.0wt％的Al、0.5wt％的Y、0.2wt％的Si和余量的Ni；
S05，将S02中的粉末装入送粉器中，采用等离子喷涂设备制备涂层，具体的工艺参数为：喷涂电流600A；喷涂电压70V，送粉量30g/min，Ar气流量为150SCFH，H2流量10SCFH，喷涂距离75mm，喷枪移动速度1000mm/s；喷涂过程中采用压缩空气冷却，压缩空气压力为1MPa，确保基材温度处于400℃～600℃范围。
本实施例的微纳米复相陶瓷涂层在受火焰或热流冲蚀工件中应用。
受火焰或热流冲蚀工件包括火焰炉炉膛热板、高温高压油气管道。
结合强度的测试标准：GB 8642-1988热喷涂层结合强度的测定。
孔隙率的测试方法：根据涂层表面形貌利用面积法测得。
实施例1制备的微纳米复相陶瓷粉末及涂层截面形貌如图1和图2所示。可以看出采用离心喷雾造粒法制备的微纳米复相陶瓷粉末具有优异的球形度，涂层组织致密，涂层孔隙率约为3.5％，涂层结合强度约为35.6MPa，涂层厚度约为200μm。采用激光热导仪测得涂层热导率为1.46W/(m·K)，微纳米陶瓷涂层850℃膨胀系数为11.71×10-6/K，与NiCrAlY粘结层相近(约(12～15)×10-6/K)。图3为涂层的高倍扫描电子显微镜照片，从图中可以看到复相陶瓷涂层中存在纳米尺度陶瓷相，陶瓷相的尺寸约200～500nm。图3颗粒之间白色区域为TiO2相，包裹氧化铝陶瓷球，呈三维网状结构，图4的元素面分布图反应各个元素的分布，其中Ti元素可以看出网状分布状态，与Al和O元素的分布图就能对比出来包覆结构。图2可以看到部分区域是呈现颗粒感的区域，其他区域为平整区域，根据呈现颗粒感的区域与平整区域的面积比算出来半熔融陶瓷相的含量，即面积法。孔隙率与之类似，孔隙是黑色的，根据黑色区域面积比计算的。图4为本发明陶瓷涂层中TiO2相包覆Al2O3陶瓷相的元素面分布图，由图可知，TiO2相包覆Al2O3纳米陶瓷颗粒；图5为涂层在乙炔焰850℃烧蚀5min前后的XRD图谱，乙炔焰烧蚀过程包含热冲蚀特征，图谱中ZrO2和Al2O3的衍射峰在烧损前后未发生明显变化，表明制备的涂层在高温焰流烧蚀过程中保持优异的相稳定特性；图6为本实施例的烧蚀后涂层截面图，由图6可知，本实施例的涂层经乙炔焰850℃烧蚀5min后，涂层不开裂。
下表为本实施例图3不同位置(位置1和位置2)的EDS能谱元素分析表。
表1 EDS能谱元素分析表
由此可见，本实施例在恒温喷涂及高压风冷条件下，较低过冷度确保约60％的陶瓷粉末以半熔融状态沉积，部分熔融的陶瓷相仍保留微纳米尺寸形态，并促进TiO2相包覆纳米Al2O3陶瓷颗粒(喷涂工艺中，60％半熔融粒子沉积能够促进TiO2相对纳米Al2O3相进行包覆)。
从图2中，通过面积法计算半熔融含量，可以得到，部分熔融陶瓷相的质量百分比是60％，即陶瓷相熔融的质量百分比是60％，半熔融粒子(半熔融粒子即为部分熔融的陶瓷相，即陶瓷粒子部分熔化)沉积后在涂层里呈微纳米形态。本实施例通过控制半熔融含量，促进了TiO2相对纳米Al2O3相进行包覆。
实施例2
一种强蓄热、抗热冲蚀微纳米复相陶瓷粉末，按质量百分比包括ZrO272.5％，Y2O37％，Al2O3 16％，TiO2 2.5％，HfO2 2％，各陶瓷相粒径为100～200nm，纯度高于99.9％，称重配料。离心喷雾造粒是将质量分数为50％微纳米复相陶瓷粉末和质量分数为50％的去离子水混成浆料加入罐磨中，再加入相当于浆料3wt％的聚乙烯亚胺(PEI)和相当于浆料0.5wt％的柠檬酸铵，再加入氧化铝陶瓷球，球磨3小时，之后将混合均匀的浆料送入喷雾造粒机中，将进风温度设置为200℃、出风温度调整为105℃，蠕动泵进料速率设为20r/min，离心机转速300Hz，喷头速率调至40r/min，通过烘干和过筛后得到粒径为150～800目、球形度高、流动性好的微纳米复相陶瓷粉末。经离心喷雾造粒制备成微纳米复相陶瓷粉末，获得粒度为150～800目的合金粉末，利用筛粉机筛出150～300目、300～400目、400～800目三种粒径等级的粉末。
采用上述强蓄热、抗热冲蚀陶瓷粉末制备的涂层。
微纳米复相陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤，
S01，基材的前处理：将厚度为10mm的316L钢板用砂轮打磨表面，并选用粒度为50目的白刚玉砂对表面进行喷砂处理，喷砂压力为1.0MPa，喷砂后将316L钢板用丙酮溶液冲洗，冲洗完毕后用热风吹干，备用；
S02，将粒度为300～400目的微纳米复相陶瓷粉末置于85℃真空烘箱中烘干2h，备用；
S03，使用等离子弧吹扫基板表面至400℃，使用高精度红外测温枪检测基板温度；
S04，将NiCrAlY喷涂粉末装入送粉器中，采用等离子喷涂设备制备粘结层，粘结层厚度40μm；NiCrAlY粘结层具体的工艺参数为：喷涂电流550A；喷涂电压65V，送粉量35g/min，Ar气流量为160SCFH，H2流量11SCFH，喷涂距离95mm，喷枪移动速度1050mm/s。NiCrAlY粘结层的粉料为NiCrAlY，其成分为25.0wt％的Cr、8.0wt％的Al、0.5wt％的Y、0.2wt％的Si和余量的Ni；
S05，将S02中的粉末装入送粉器中，采用等离子喷涂设备制备涂层，具体的工艺参数为：喷涂电流850A；喷涂电压75V，送粉量40g/min，Ar气流量为170SCFH，H2流量12SCFH，喷涂距离80mm，喷枪移动速度1010mm/s；喷涂过程中采用压缩空气冷却，压缩空气压力为1.5MPa，确保基材温度处于400℃～600℃范围。
本实施例的微纳米复相陶瓷涂层在受火焰或热流冲蚀工件中应用。
受火焰或热流冲蚀工件包括火焰炉炉膛热板、高温高压油气管道。
本实施例获得的涂层，离心喷雾造粒法制备的微纳米复相陶瓷粉末具有优异的球形度，涂层组织致密，涂层孔隙率约为3.3％，涂层结合强度约为36.3MPa，涂层厚度约为300μm，复相陶瓷涂层中存在纳米尺度陶瓷相，陶瓷相的尺寸约400～700nm。采用激光热导仪测得涂层热导率为1.49W/(m·K)，微纳米陶瓷涂层850℃膨胀系数为10.86×10-6/K，与NiCrAlY粘结层相近(约(12～15)×10-6/K)。通过面积法计算本实施例的半熔融含量，可以得到，部分熔融陶瓷相的质量百分比是70％，本实施例通过控制半熔融含量，促进了TiO2相对纳米Al2O3相进行包覆。现有技术中，半熔融状态沉积比例一般很难超过70％，半熔融越多，微纳米相越多，性能越优异。
实施例3
一种强蓄热、抗热冲蚀微纳米复相陶瓷粉末，按质量百分比包括ZrO2 87％，Y2O33％，Al2O3 8％，TiO2 1％，HfO2 1％，各陶瓷相粒径为50～200nm，纯度高于99.9％，称重配料。离心喷雾造粒是将质量分数为60％微纳米复相陶瓷粉末和质量分数为40％的去离子水混成浆料加入罐磨中，再加入相当于浆料5wt％的聚乙烯亚胺(PEI)和相当于浆料0.6wt％的柠檬酸铵，再加入氧化铝陶瓷球，球磨6小时，之后将混合均匀的浆料送入喷雾造粒机中，将进风温度设置为230℃、出风温度调整为115℃，蠕动泵进料速率设为30r/min，离心机转速200Hz，喷头速率调至30r/min，通过烘干和过筛后得到粒径为150～800目、球形度高、流动性好的微纳米复相陶瓷粉末。经离心喷雾造粒制备成微纳米复相陶瓷粉末，获得粒度为150～800目的合金粉末，利用筛粉机筛出150～300目、300～400目、400～800目三种粒径等级的粉末。
采用上述强蓄热、抗热冲蚀陶瓷粉末制备的涂层。
微纳米复相陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤，
S01，基材的前处理：将厚度为15mm的镍基合金Inconel600板用砂轮打磨表面，并选用粒度为40目的白刚玉砂对表面进行喷砂处理，喷砂压力为0.7MPa，喷砂后将镍基合金Inconel600板用酒精溶液冲洗，冲洗完毕后用热风吹干，备用；
S02，将粒度为400～800目的微纳米复相陶瓷粉末置于80℃真空烘箱中烘干1h，备用；
S03，使用等离子弧吹扫基板表面至500℃，使用高精度红外测温枪检测基板温度；
S04，将NiCrAlY喷涂粉末装入送粉器中，采用等离子喷涂设备制备粘结层，粘结层厚度60μm；NiCrAlY粘结层具体的工艺参数为：喷涂电流500A；喷涂电压60V，送粉量30g/min，Ar气流量为150SCFH，H2流量10SCFH，喷涂距离90mm，喷枪移动速度1000mm/s。NiCrAlY粘结层的粉料为NiCrAlY，其成分为25.0wt％的Cr、8.0wt％的Al、0.5wt％的Y、0.2wt％的Si和余量的Ni；
S05，将S02中的粉末装入送粉器中，采用等离子喷涂设备制备涂层，具体的工艺参数为：喷涂电流700A；喷涂电压70V，送粉量30g/min，Ar气流量为160SCFH，H2流量11SCFH，喷涂距离75mm，喷枪移动速度1000mm/s；喷涂过程中采用压缩空气冷却，压缩空气压力为1.2MPa，确保基材温度处于400℃～600℃范围。
本实施例的微纳米复相陶瓷涂层在受火焰或热流冲蚀工件中应用。
受火焰或热流冲蚀工件包括火焰炉炉膛热板、高温高压油气管道。
本实施例获得的涂层，离心喷雾造粒法制备的微纳米复相陶瓷粉末具有优异的球形度，涂层组织致密，涂层孔隙率约为2.8％，涂层结合强度约为36.8MPa，涂层厚度约为50μm，复相陶瓷涂层中存在纳米尺度陶瓷相，陶瓷相的尺寸约400～800nm。采用激光热导仪测得涂层热导率为1.35W/(m·K)，微纳米陶瓷涂层850℃膨胀系数为12.35×10-6/K，与NiCrAlY粘结层相近(约(12～15)×10-6/K)。通过面积法计算本实施例的半熔融含量，可以得到，部分熔融陶瓷相的质量百分比是68％，本实施例通过控制半熔融含量，促进了TiO2相对纳米Al2O3相进行包覆。
对比例1
本对比例与实施例1的区别仅在于：S05喷涂过程中采用压缩空气冷却，压缩空气压力为1.6MPa，约57％的陶瓷粉末以半熔融状态沉积，涂层耐烧蚀性能下降，烧蚀后涂层开裂。如图7所示，为本对比例烧蚀后涂层截面图，涂层经乙炔焰850℃烧蚀5min后，涂层开裂。
现有技术中，正常等离子喷涂涂层结合强度25MPa左右，由本对比例亦可看出，本对比例的涂层结合强度约为25.3MPa，显著低于本发明的涂层结合强度。
对比例2
本对比例与实施例1的区别仅在于：一种微纳米复相陶瓷粉末，按质量百分比包括ZrO2 75％，Y2O3 7％，Al2O3 16％和TiO2 2％。即本对比例中不含有HfO2相。
如图8所示，本对比例获得的涂层中，半熔融区域占比15％，粒状陶瓷区域少，约15％，由此可见，HfO2陶瓷相可显著提高喷涂过程中复相微纳米陶瓷颗粒熔融或半熔融状态粒子的稳定性。
下表2为性能对比结果。
将实施例1-实施例3和对比例1-对比例2的性能表，检测结果如下：
表2性能表
编号 结合强度(MPa) 孔隙率(％) 热导率W/(m·K) 850℃膨胀系数/K
实施例1 35.6 3.5 1.46 11.71×10-6
实施例2 36.3 3.3 1.49 10.86×10-6
实施例3 36.8 2.8 1.35 12.35×10-6
对比例1 25.3 4.8 1.30 9.63×10-6
对比例2 25.8 5.3 1.39 9.33×10-6
应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种强蓄热、抗热冲蚀微纳米复相陶瓷粉末制备获得的涂层的制备方法，其特征在于，微纳米复相陶瓷粉末按质量百分比由ZrO2 72.5%~87%，Y2O3 3%~7%，Al2O3 8%~16%，TiO21%~2.5%和HfO2 1%~2%组成；
涂层的制备方法包括以下步骤，
S01，基材的前处理：选用铁基或镍基合金作为基材，预处理，备用；
S02，将微纳米复相陶瓷粉末置于至少80℃真空烘箱中烘干至少1h，备用；
S03，使基材表面保持温度为400~600℃；
S04，将NiCrAlY喷涂粉末装入送粉器中，采用等离子喷涂设备制备NiCrAlY粘结层；NiCrAlY粘结层的工艺参数为：喷涂电流500~550A；喷涂电压60~65V，送粉量30~35g/min，Ar气流量为150~160 SCFH，H2流量10~11 SCFH，喷涂距离90~95mm，喷枪移动速度1000~1050mm/s；
S05，将S02中的微纳米复相陶瓷粉末装入送粉器中，采用等离子喷涂设备制备涂层，工艺参数为：喷涂电流600~850A；喷涂电压70~75V，送粉量30~40g/min，Ar气流量为150~170SCFH，H2流量10~12 SCFH，喷涂距离75~80mm，喷枪移动速度1000~1010mm/s；喷涂过程中采用压缩空气冷却，压缩空气压力为1~1.5MPa，确保基材温度处于400℃~600℃范围；
在恒温喷涂及高压风冷条件下，确保60～70％的陶瓷粉末以半熔融状态沉积，部分熔融的陶瓷相保留微纳米尺寸形态，并促进TiO2相包覆纳米Al2O3陶瓷颗粒，提升涂层的抗热冲蚀性和断裂韧性；同时，基材400℃～600℃恒温状态，有效提升熔融陶瓷颗粒沉积过程的润湿性和延展性，同时防止热应力过大导致涂层产生裂纹，进而显著提升涂层结合力及涂层质量；
ZrO2，Y2O3，Al2O3，TiO2和HfO2陶瓷相粒径均为50~200nm，纯度均高于99.9%，采用离心喷雾造粒制备150~800目复相陶瓷粉末。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，离心喷雾造粒的方法为：将质量分数为50~60%的ZrO2，Y2O3，Al2O3，TiO2和HfO2陶瓷相粉末和质量分数为40~50%的去离子水混成浆料加入磨罐中，再加入相当于浆料3~5wt%的聚乙烯亚胺和相当于浆料0.5~0.6wt%的柠檬酸铵，再加入氧化铝陶瓷球，球磨3~6小时，之后将混合均匀的浆料送入喷雾造粒机中，将进风温度设置为200℃~230℃、出风温度调整为105℃~115℃，蠕动泵进料速率设为（25±5）r/min，离心机转速200~300Hz，喷头速率调至30~40r/min，通过烘干和过筛后得到粒径为150～800目、球形度高、流动性好的微纳米复相陶瓷粉末。
3.采用权利要求1~2任意一项所述的制备方法获得的涂层，其特征在于，涂层孔隙率＜3.5%，涂层结合强度＞35MPa，涂层中陶瓷相尺寸在200~800nm，涂层的厚度为50~300μm，涂层导热率为1.35~1.49W/(m·K)，涂层850℃膨胀系数为10.86×10-6~12.35×10-6/K。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，NiCrAlY粘结层厚度为40~60μm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，NiCrAlY粘结层的粉料为NiCrAlY，其成分为25.0wt%的Cr、8.0wt%的Al、0.5wt%的Y、0.2wt%的Si和余量的Ni。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，预处理包括去氧化物和表面清洗；其中去氧化物为采用砂轮打磨+表面喷砂处理；表面清洗为使用酒精或丙酮进行冲洗，清洗完毕后热风烘干，备用。
7.根据权利要求3所述的涂层在受火焰或热流冲蚀工件中的应用，其特征在于，受火焰或热流冲蚀工件包括火焰炉炉膛热板、高温高压油气管道。
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