專利名稱：一種納米柱狀晶熱障涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米柱狀晶熱障涂層及其制備方法。
背景技術(shù)：
氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯由于具有較低的熱導(dǎo)率和與高溫合金基體相近的熱膨脹系數(shù)而成為熱障涂層的最佳選擇，并已成功地應(yīng)用于燃氣發(fā)動機的渦輪機葉片和燃燒室。目前對熱障涂層的研究主要集中于對陶瓷層和基體的熱膨脹系數(shù)不匹配而引起的熱應(yīng)力及熱生長氧化膜(TGO)的研究。為此不少學(xué)者通過改變噴涂工藝參 數(shù)來改善涂層微觀組織及結(jié)構(gòu)，也有學(xué)者通過添加少量的Al2O3和利用納米尺度的YSZ粉體對涂層進行了改性研究。但是，利用機械合金化方法對噴涂前驅(qū)體進行改性，并對其形成的熱障涂層性能進行深入研究目前很少有報導(dǎo)。中國專利局公布了利用反應(yīng)噴涂制備氧化鋁基陶瓷涂層的方法(申請?zhí)朇N00100504. 9)，此法采用一水硬鋁石粉末作為噴涂材料，或是以一水硬鋁石為主要成分加以二氧化鈦、二氧化鈰、磷酸鋁中的一種或多種為配料的混合粉末作為噴涂材料，利用火焰粉末噴涂的方法，在金屬及其合金表面制備氧化鋁基陶瓷涂層。采用主要成分為一水硬鋁石的混合粉末作為噴涂材料，在金屬基體上制備氧化鋁基陶瓷涂層。具有噴涂設(shè)備及工藝相對簡單，噴涂成本低，涂層性能優(yōu)良，噴涂材料來源廣泛，價格低廉的優(yōu)點。但其涂層的柱狀晶粒度較大，且涂層與基體的粘結(jié)性較差，易脫落。中國專利局公布了一種納米氧化鋯熱障涂層及制備方法，(申請?zhí)朇N200910220776)，其特點是納米氧化鋯熱障涂層有粘結(jié)層和陶瓷層，其中粘結(jié)層采用超音速火焰噴涂制備NiCrAlY,成分為Cr 20 % 30 %，Al 4. O % 10 %，Y O. 3 % O. 7 %，Ni余量；陶瓷層采用等離子噴涂制備Zr02/Y203層，陶瓷層為含有5% 8%氧化釔的部分穩(wěn)定的納米氧化鋯，氧化鋯粉末為納米級。該發(fā)明采用超音速火焰噴涂與等離子噴涂相結(jié)合，在金屬表面制備抗氧化熱障涂層，具有涂層與基體結(jié)合能力更好、抗熱震性能和隔熱性能均優(yōu)于普通Zr02/Y203熱障涂層的特點，但該納米氧化鋯熱障涂層噴涂前驅(qū)體顆粒為納米級顆粒，其獲取成本較高，且其制備工藝復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是為了解決上述的噴涂前驅(qū)體顆粒原材料的成本高，制備工藝復(fù)雜等問題，而提供一種納米柱狀晶熱障涂層，該納米柱狀晶熱障涂層具有原材料成本低，涂層的彈性模量較大，孔隙率較大，制備工藝簡單的特點。本發(fā)明的目的之二是提供上述的一種納米柱狀晶熱障涂層的制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案
一種納米柱狀晶熱障涂層，為雙層結(jié)構(gòu)，即包括平均厚度為140微米的粘結(jié)層和平均厚度為220微米的陶瓷層；
所述的粘結(jié)層為采用大氣等離子噴涂的方法對NiCrC0AH粉體進行噴涂而得；所述的NiCrCoAlY粉體中，按質(zhì)量百分比計算，Cr+Al Ni+Co :Y為22. 81:75. 88:1. 31 ；所述的陶瓷層為將氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯粉末和氧化鋁粉末按其質(zhì)量比10 20:1混合均勻后在氬氣保護的條件下經(jīng)輥壓振動磨研磨后得到復(fù)合粉體用大氣等離子噴涂的方法在粘結(jié)層上進行噴涂后而得；
所述的氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯粉末的粒徑大小為45 75微米，氧化鋁粉末的粒徑大小為2 10微米。上述的一種納米柱狀晶熱障涂層的制備方法，即將氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯粉末和氧化鋁粉末按其質(zhì)量比10 20:1混合均勻后，置于輥壓振動磨中，在氬氣保護的條件下研磨40 45h得到復(fù)合粉體；然后用大氣等離子噴涂的方法先后對NiCrCoAlY粉體和上述所得的復(fù)合粉體進行噴涂，在INC0625合金鋼板上制得雙層結(jié)構(gòu)的熱障涂層。其具體包括以下步驟
(1)、將氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯粉末和氧化鋁粉末按其質(zhì)量比10 20:1混合均勻后，放置于振動研磨機中，在干法室溫、氬氣保護條件下進行研磨得到復(fù)合粉體；
輥壓振動磨運行時，電機功率為O. 12kW，激振頻率16Hz，振幅5mm ;研磨方式為間歇運行方式，研磨40 45h后得到混合的復(fù)合粉體，取出待用；
(2)、將NiCrCoAlY粉體和步驟(I)中所得的復(fù)合粉體分別使用80目尼龍檢驗篩過篩，然后在50 55°C的電熱恒溫干燥箱中干燥2 3h ;
(3)、將INC0625合金鋼板基體表面進行凈化處理；
凈化的條件為機械打磨INC0625合金鋼板基體表面后，依次用丙酮和無水乙醇對INC0625合金鋼板基體超聲沖洗各30 40min,然后置于100°C的電熱恒溫干燥箱中干燥30 40min ；
(4)、將步驟(3)中凈化處理后的INC0625合金鋼板基體的表面進行噴砂處理，噴砂后使用無水乙醇繼續(xù)超聲清洗30 40min，置于100°C的電熱恒溫干燥箱中干燥30 40min ；
(5 )、首先采用大氣等離子噴涂方法對步驟(2 )處理后的NiCrCoAlY粉體在步驟(4 )中處理過的INC0625合金鋼板基體表面進行噴涂成平均厚度為140微米的粘結(jié)層；
然后再采用大氣等離子噴涂方法對步驟(2)處理后的復(fù)合粉體在上述所得的粘結(jié)層上進行噴涂成平均厚度為220微米的陶瓷層，即得雙層結(jié)構(gòu)納米柱狀晶熱障涂層。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明的一種納米柱狀晶熱障涂層，由于采用了微米級的普通商用NiCrC0AH粉體，因此具有原材料來源廣、成本低的特點。進一步，本發(fā)明的一種納米柱狀晶熱障涂層，涂層的彈性模量為91GPa，孔隙率為8. 294%，其值相對于前驅(qū)體沒有進行機械研磨而采用相同噴涂工藝參數(shù)制得的涂層的彈性模量值提高了 18. 2%，孔隙率值增大了 35. 4%，因此本發(fā)明的一種納米柱狀晶熱障涂層具有彈性模量大，孔隙率大的特點。進一步，本發(fā)明的一種納米柱狀晶熱障涂層的制備方法，由于采用的是微米級粉末，符合熱噴涂所需的顆粒標準，不再需要進行噴霧造粒工序，因此具有制備工藝簡單，操作方便，適于工業(yè)化生產(chǎn)的特點。


圖I、實施例I所制備的納米柱狀晶熱障涂層的XRD衍射 圖2A、實施例I制備的納米柱狀晶熱障涂層橫截面的SEM 圖2B、實施例I制備的納米柱狀晶熱障涂層表面的SEM 圖2C、實施例I制備的納米柱狀晶熱障涂層表面的SEM圖的局部放大圖。
具體實施例方式下面通過具體實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步闡述，但并不限制本發(fā)明。
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名稱I型號 I生產(chǎn)廠家
大氣等離子噴涂系統(tǒng) A-2000型瑞士 SulzerMetcoAG公司_實施例I
一種納米柱狀晶熱障涂層，為雙層結(jié)構(gòu)，包括平均厚度為140微米的粘結(jié)層和平均厚度為220微米的陶瓷層；
所述的粘結(jié)層為采用大氣等離子噴涂的方法對NiCrC0AH粉體進行噴涂而得；
所述的NiCrCoAlY粉體中，按質(zhì)量百分比計算，Cr+Al Ni+Co :Y為22. 81:75. 88:1. 31 ；所述的陶瓷層為將氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯粉末和氧化鋁粉末按其質(zhì)量比15. 7:1混合均勻后在氬氣保護的條件下經(jīng)輥壓振動磨研磨后得到復(fù)合粉體用大氣等離子噴涂的方法在粘結(jié)層上進行噴涂后而得；
所述的氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯粉末的粒徑大小為45 75微米，氧化鋁粉末的粒徑大小為2 10微米。上述的一種納米柱狀晶熱障涂層的制備方法，具體包括如下步驟
(1)、稱取141克氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯粉末和9克氧化鋁粉末,攪拌混合均勻,將其放置于振動研磨機中進行振動研磨，振動研磨過程在干法室溫、氬氣保護條件下進行，控制電機功率為O. 12kW，激振頻率16Hz，振幅5mm ;研磨方式為間歇運行方式，具體間歇流程為
開機運行O. 5h后停止30min,然后再開動2h,停機Ih;
之后再依次開機2h停機lh，4次；
開機3h停機lh，4次；
開機4h停機lh，2次；
開機5h停機lh，3次；
總計研磨時間為45小時；
研磨45小時后取出待用；
重復(fù)上述步驟3次，共制得600g復(fù)合粉體；
(2)、將NiCrC0AH粉體和上述步驟(I)中制得的復(fù)合粉體分別使用80目尼龍檢驗篩過篩，然后在50 55°C的電熱恒溫干燥箱中干燥2 3h ;(3)、將INC0625合金鋼板基體表面進行凈化處理；凈化的條件為機械打磨INC0625合金鋼板基體表面后，用丙酮和無水乙醇對INC0625合金鋼板基體超聲沖洗各30 40min，然后置于100°C的電熱恒溫干燥箱中干燥30 40min ；
(4)、上述步驟(3)中凈化處理過的INC0625合金鋼板基體的表面進行噴砂處理；噴砂后使用無水乙醇超聲清洗30 40min，置于100°C的電熱恒溫干燥箱中干燥30 40min ；
(5)、首先采用大氣等離子噴涂方法對步驟(2)中得到的NiCrCoAlY粉體在步驟(4)中處理過的INC0625合金鋼板基體表面進行噴涂成平均厚度為140微米的粘結(jié)層；
然后再采用大氣等離子噴涂方法在上述所得的粘結(jié)層的表面進行噴涂成平均厚度為220微米的陶瓷層，即得雙層結(jié)構(gòu)納米柱狀晶熱障涂層；
上述的噴涂過程控制工藝參數(shù)具體如下
權(quán)利要求
1.一種納米柱狀晶熱障涂層，為雙層結(jié)構(gòu)，包括粘結(jié)層和陶瓷層，其特征在于所述的粘結(jié)層為采用大氣等離子噴涂的方法對NiCrCoAlY粉體進行噴涂而得； 所述的陶瓷層為將氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯粉末和氧化鋁粉末按其質(zhì)量比10 20:1混合均勻后在氬氣保護的條件下經(jīng)輥壓振動磨研磨后得到復(fù)合粉體用大氣等離子噴涂的方法在粘結(jié)層上進行噴涂后而得。
2.如權(quán)利要求I所述的一種納米柱狀晶熱障涂層，其特征在于所述的粘結(jié)層中所用的NiCrCoAlY 粉體按質(zhì)量百分比計算，Cr+Al Ni+Co Y 為 22. 81:75. 88:1. 31。
3.如權(quán)利要求2所述的一種納米柱狀晶熱障涂層，其特征在于所述的陶瓷層中所用的氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯粉末的粒徑大小為45 75微米，所用的氧化鋁粉末的粒徑大小為2 10微米。
4.如權(quán)利要求3所述的一種納米柱狀晶熱障涂層，其特征在于所述的粘結(jié)層平均厚度為140微米，所述的陶瓷層平均厚度為220微米。
5.如權(quán)利要求1、2、3或4所述的一種納米柱狀晶熱障涂層的制備方法，其特征在于首先將氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯粉末和氧化鋁粉末按其質(zhì)量比10 20:1混合均勻后，置于輥壓振動磨中，在氬氣保護的條件下研磨40 45h得到復(fù)合粉體； 然后用大氣等離子噴涂的方法在INC0625合金鋼板上先后對NiCrCoAH粉體和上述所得的復(fù)合粉體進行噴涂，即得雙層結(jié)構(gòu)的納米柱狀晶熱障涂層。
6.如權(quán)利要求5所述的一種納米柱狀晶熱障涂層的制備方法，其特征在于所述的研磨，即在室溫條件下，輥壓振動磨運行時，電機功率為O. 12kW，激振頻率16Hz，振幅5mm，研磨方式為間歇運行方式。
7.如權(quán)利要求5所述的一種納米柱狀晶熱障涂層的制備方法，其特征在于所述的NiCrCoAH粉體和復(fù)合粉體在大氣等離子噴涂前均使用80目尼龍檢驗篩過篩，然后在50 55°C的電熱恒溫干燥箱中干燥2 3h。
8.如權(quán)利要求5所述的一種納米柱狀晶熱障涂層的制備方法，其特征在于所述的INC0625合金鋼板在大氣等離子噴涂之前進行凈化處理； 凈化的條件為首先機械打磨INC0625合金鋼板表面，打磨后用丙酮和無水乙醇對其超聲沖洗各30 40min，然后置于100°C的電熱恒溫干燥箱中干燥30 40min。
9.如權(quán)利要求8所述的一種納米柱狀晶熱障涂層的制備方法，其特征在于所述的INC0625合金鋼板在凈化處理后、大氣等離子噴涂之前進行噴砂處理，噴砂后使用無水乙醇超聲清洗30 40min,置于100O的電熱恒溫干燥箱中干燥30 40min。
10.如權(quán)利要求5所述的一種納米柱狀晶熱障涂層的制備方法，其特征在于所述的用大氣等離子噴涂，即在大氣等離子噴涂NiCrCoAH粉體過程控制功率為75kW，電流600A，噴涂距離120mm, Ar的氣速為65L/min, H2的氣速為為14L/min,送粉速度為20rpm ;在大氣等離子噴涂復(fù)合粉體的過程中控制功率為69kW，電流650A，噴涂距離140臟，41*的氣速為3517min, H2的氣速為12L/min,送粉速度為25rpm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米柱狀晶熱障涂層及其制備方法，所述的一種納米柱狀晶熱障涂層，為雙層結(jié)構(gòu)，包括粘結(jié)層和陶瓷層，所述的粘結(jié)層為采用大氣等離子噴涂的方法對NiCrCoAlY粉體進行噴涂而得；所述的陶瓷層為將氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯粉末和氧化鋁粉末按其質(zhì)量比10～20:1混合均勻后在氬氣保護的條件下經(jīng)輥壓振動磨研磨后得到復(fù)合粉體用大氣等離子噴涂的方法在粘結(jié)層上進行噴涂后而得。本發(fā)明制備的雙層結(jié)構(gòu)的納米柱狀晶熱障涂層具有原材料成本低，涂層的彈性模量較大，孔隙率較大，且制備工藝簡單，操作方便，適于工業(yè)化生產(chǎn)的特點。
文檔編號C23C4/12GK102963061SQ20121050504
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月3日
發(fā)明者唐宏志, 趙立峰, 張永剛 申請人:上海理工大學(xué)