本發(fā)明涉及一種自愈合熱障陶瓷涂層材料及其制備方法，屬于熱障陶瓷涂層材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著燃?xì)廨啓C(jī)推重比的不斷提升，極端高溫環(huán)境對(duì)于熱端部件材料提出了更加苛刻的要求，通過(guò)熱障涂層系統(tǒng)來(lái)保護(hù)高溫合金基底抵御環(huán)境的沖擊是一種行之有效的方法。傳統(tǒng)的熱障涂層ysz（y2o3stabilizedzro2，即y2o3穩(wěn)定的zro2）陶瓷熱障涂層具有高熔點(diǎn)（2680℃）、低熱傳導(dǎo)系數(shù)（塊體材料熱傳導(dǎo)系數(shù)約為2w/m·k～3w/m·k）、高熱膨脹系數(shù)（9×10^-6k^-1～11×10^-6k^-1）等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于飛機(jī)，火箭燃?xì)廨啓C(jī)渦輪高溫部件，特別是進(jìn)氣口鎳基高溫合金葉片上。其實(shí)際的使用效果可以使渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的使用溫度提高180℃左右。

盡管ysz陶瓷有較高的熱膨脹系數(shù)，是比較理想的熱障涂層材料，但在實(shí)際使用過(guò)程中還面臨著一些問(wèn)題。其熱膨脹系數(shù)與高溫鎳基合金還存在一定程度的不匹配，所以在噴涂熱障涂層時(shí)通常在陶瓷層與基底之間噴涂一層金屬粘結(jié)層作為過(guò)渡層。過(guò)渡層的引進(jìn)雖然解決了上述問(wèn)題，但同時(shí)也帶來(lái)了新的問(wèn)題。由于ysz陶瓷的孔隙率較大，幾乎對(duì)空氣是“透明的”，因此很容易在陶瓷層與金屬粘結(jié)層之間形成一層熱生長(zhǎng)氧化物（thermallygrownoxide，tgo）。tgo過(guò)度氧化產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)使陶瓷層脫落，導(dǎo)致熱障涂層的失效，進(jìn)而損害基底使基底失效。

tgo的過(guò)度氧化造成的裂紋不可控?cái)U(kuò)展是熱障涂層失效的主要原因，因此如何防止陶瓷層剝落從而提高熱障涂層使用壽命是目前亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。目前普遍的方法是通過(guò)改變陶瓷層組分、微觀結(jié)構(gòu)方式來(lái)改善陶瓷層的熱學(xué)、力學(xué)性能。其中，通過(guò)在ysz主相中摻入第二相組分使涂層具有高溫自愈合能力的方法是一種有效的解決途徑。而在自愈合劑的選擇上，不但要求其要有極好的抗高溫能力，還需要自愈合劑在高溫氧化生成氧化物后有體積膨脹和流動(dòng)性。目前已有對(duì)tic，sic，mosi2的研究(如公開(kāi)號(hào)為cn1178204a和cn105695917a.的專利)。然而tic作為自愈合劑的研究結(jié)果顯示雖然氧化前后有體積的增長(zhǎng)，但產(chǎn)生的氧化物在熱障涂層工作溫度下沒(méi)有流動(dòng)性，沒(méi)法達(dá)到自愈合效果。其次sic氧化過(guò)程中伴有氣體的產(chǎn)生不利于自愈合的進(jìn)行。而mosi2材料，具有極好的高溫抗氧化性，但卻存在低溫粉化現(xiàn)象，此外在使用過(guò)程中還要克服mosi2提前氧化的問(wèn)題。

因此，急需制備一種具有優(yōu)良性能的自愈合熱障陶瓷涂層。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于金屬表面自愈合熱障陶瓷涂層。該涂層采用ti3alc2或ti3sic2作為自愈合劑，利用其在高溫條件下氧化生成氧化物造成的體積膨脹來(lái)填充愈合裂紋，防止裂紋的擴(kuò)散，阻止tgo的過(guò)度氧化，提高熱障涂層的服役壽命和可靠性。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明一種用于金屬表面的自愈合熱障陶瓷涂層材料采用如下的技術(shù)方案是，其特征在于，其組成成分及質(zhì)量百分比為：ysz陶瓷70%~90%，所述的ysz（y2o3穩(wěn)定的zro2）陶瓷中，y2o3含量為8%，zro2含量為92~94%；ti3alc2或ti3sic210%~30%。

本發(fā)明所述的一種自愈合熱障陶瓷涂層材料，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的成分組成：ysz陶瓷90%，ti3alc210%。

本發(fā)明所述的一種自愈合熱障陶瓷涂層材料，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的成分組成：ysz陶瓷90%，ti3sic210%。

本發(fā)明所述的一種自愈合熱障陶瓷涂層材料，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的成分組成：ysz陶瓷70%，ti3alc230%。

本發(fā)明所述的一種自愈合熱障陶瓷涂層材料，其特征在于，由以下質(zhì)量百分比的成分組成：ysz陶瓷70%，ti3sic230%。

本發(fā)明一種用于用于金屬表面的自愈合熱障陶瓷涂層材料的制備方法。其特征在于，具體有如下過(guò)程和步驟：

步驟一：將ti3alc2或ti3sic2粉體，ysz陶瓷粉體，乙醇以及適當(dāng)?shù)膒va粘結(jié)劑（每10g粉體1ml），混合后放入球磨機(jī)中球磨4h至均勻，所述粉體直徑不大于5μm，純度不小于99.9%，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為500r/min；

步驟二：將步驟一得到的混合漿料取出，干燥去水，燒除有機(jī)物，并將干燥粉研磨，過(guò)篩后取得造粒粉；

步驟三：將步驟二得到的造粒粉通過(guò)熱噴涂的方式進(jìn)行噴涂。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明采用ti3alc2或ti3sic2作為熱障陶瓷涂層材料的自愈合相，在高溫環(huán)境中，al會(huì)氧化生成al2o3，si則會(huì)氧化生成sio2。al2o3，sio2都是非常良好的自愈合材料，al2o3具有很好的致密性，能阻止氧氣擴(kuò)散，sio2在熱障涂層服役溫度下具有良好的流動(dòng)性，能夠愈合裂紋，氧化物產(chǎn)物熔點(diǎn)高，蒸發(fā)慢，可以良好的改善熱障涂層的性能，提高其熱障涂層的使用壽命。

2.在高溫環(huán)境中ti會(huì)氧化生成tio2，在此氧化過(guò)程中，伴隨著體積的變化，則能過(guò)進(jìn)一步的愈合裂紋，改善涂層性能。阻止tgo的進(jìn)一步氧化。

3.ti3sic2的陶瓷熱障涂層材料且主相為ysz的情況下，在氧化過(guò)程中生成的sio2會(huì)進(jìn)一步與主項(xiàng)ysz中的zro2反應(yīng)生成自愈合性能更好的zrsio4，且體積進(jìn)一步增大，對(duì)自愈合性能起到促進(jìn)作用。

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

圖1為ysz+10wt%ti3alc2自愈合熱障涂層在1050℃下處理4小時(shí)后的表面sem圖片，由圖可見(jiàn)裂紋處已被生成的氧化物填滿。

圖2為ysz+10wt%ti3alc2自愈合熱障涂層在1050℃下處理4小時(shí)后自愈合區(qū)域的eds能譜圖，由圖可知裂紋處的氧化物為al2o3和tio2。

圖3為ysz+30wt%ti3alc2自愈合熱障涂層在1050℃下處理4小時(shí)后的表面sem圖片，由圖可見(jiàn)裂紋處已被生成的氧化物填滿。

圖4為ysz+10wt%ti3sic2自愈合熱障涂層在1050℃下處理4小時(shí)后的表面sem圖片，由圖可見(jiàn)裂紋處已被生成的氧化物填滿。

圖5為ysz+10wt%ti3sic2自愈合熱障涂層在1050℃下處理4小時(shí)后自愈合區(qū)域的eds能譜圖，由圖可知裂紋處的氧化物為sio2和tio2。。

圖6為ysz+30wt%ti3sic2自愈合熱障涂層在1050℃下處理4小時(shí)后的表面sem圖片，由圖可見(jiàn)裂紋處已被生成的氧化物填滿。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1

本實(shí)施例自愈合熱障陶瓷涂層，由以下質(zhì)量百分比的成分組成：ysz陶瓷90%，ti3alc210%，所述ysz陶瓷中y2o3的質(zhì)量百分含量為8%，zro2含量為92%。

本實(shí)施例自愈合熱障陶瓷涂層材料的制備方法：

步驟一：將ti3alc2，ysz粉加入酒精和pva粘結(jié)劑（每10g粉體1ml）混合后放入球磨機(jī)中球磨均勻；

步驟二：將步驟一得到混合漿料取出，干燥去水，研磨過(guò)篩取得造粒粉；

步驟三：將步驟二得到的造粒粉通過(guò)熱噴涂的方式進(jìn)行噴涂。

將本實(shí)施例自愈合熱障陶瓷涂層進(jìn)行自愈合性能試驗(yàn)，具體過(guò)程為：首先，在自愈合熱障陶瓷涂層材料上預(yù)制裂紋，然后同時(shí)放入馬弗爐中，在溫度為1050℃的條件下保溫4h進(jìn)行熱處理，在熱處理前后均采用掃描電鏡觀察表面裂紋的微觀形貌。

將本實(shí)驗(yàn)例ysz+10wt%ti3alc2自愈合熱障陶瓷涂層在1050℃下進(jìn)行4小時(shí)的熱處理，熱處理的sem形貌圖如圖1所示，從圖中可見(jiàn)在本實(shí)驗(yàn)例自愈合熱障陶瓷涂層在高溫下反應(yīng)有氧化物生成，特別在裂紋區(qū)域有氧化物的聚集，且從圖中發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)例上制造的預(yù)制裂紋內(nèi)已基本被填充，可見(jiàn)ysz+10wt%ti3alc2自愈合熱障陶瓷涂層具備自愈合性能，在1050℃下進(jìn)行4小時(shí)的熱處理后裂紋已基本愈合。

對(duì)于本實(shí)施例ysz+10wt%ti3alc2自愈合熱障陶瓷涂層在1050℃下進(jìn)行4小時(shí)后的自愈合區(qū)域進(jìn)行eds能譜分析，結(jié)果如圖2所示，發(fā)現(xiàn)其自愈合產(chǎn)物為al2o3和tio2。這兩種氧化物相互混合并在裂紋區(qū)域富集，達(dá)到填補(bǔ)空隙，愈合裂紋的作用。

實(shí)施例2

本實(shí)施例自愈合熱障陶瓷涂層，由以下質(zhì)量百分比的成分組成：ysz陶瓷90%，ti3sic210%，所述ysz陶瓷中y2o3的質(zhì)量百分含量為8%，zro2含量為92%。

本實(shí)施例自愈合ysz陶瓷熱障涂層材料的制備方法與實(shí)施例1相同

將本實(shí)施例自愈合熱障陶瓷涂層進(jìn)行自愈合性能試驗(yàn)，具體過(guò)程為：首先，在自愈合熱障陶瓷涂層材料上預(yù)制裂紋，然后同時(shí)放入馬弗爐中，在溫度為1050℃的條件下保溫4h進(jìn)行熱處理，在熱處理前后均采用掃描電鏡觀察表面裂紋的微觀形貌。

將本實(shí)驗(yàn)例ysz+10wt%ti3sic2自愈合熱障陶瓷涂層在1050℃下進(jìn)行4小時(shí)的熱處理，熱處理的sem形貌圖如圖4所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)例的預(yù)制裂紋在4小時(shí)熱處理后已不明顯，在裂紋區(qū)域有明顯氧化物生成，氧化物聚集愈合了裂紋，且從圖中發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)例上制造的預(yù)制裂紋內(nèi)已基本被填充?？梢?jiàn)ysz+10wt%ti3sic2自愈合熱障陶瓷涂層具有明顯愈合性能，且在1050℃下進(jìn)行4小時(shí)的熱處理后裂紋已能基本愈合。

對(duì)于本實(shí)驗(yàn)例ysz+10wt%ti3sic2自愈合熱障陶瓷涂層在1050℃下進(jìn)行4小時(shí)后的自愈合區(qū)域進(jìn)行eds能譜分析，結(jié)果如圖5所示，發(fā)現(xiàn)其自愈合產(chǎn)物為sio2和tio2。這兩種氧化物相互混合并在裂紋區(qū)域富集，達(dá)到填補(bǔ)空隙，愈合裂紋的作用。

實(shí)施例3

本實(shí)施例自愈合熱障陶瓷涂層，由以下質(zhì)量百分比的成分組成：ysz陶瓷70%，ti3alc230%，所述ysz陶瓷中y2o3的質(zhì)量百分含量為8%，其余為zro2含量為92%。

本實(shí)施例自愈合ysz陶瓷熱障涂層材料的制備方法與實(shí)施例1相同

將本實(shí)施例自愈合熱障陶瓷涂層進(jìn)行自愈合性能試驗(yàn)，具體過(guò)程為：首先，在自愈合熱障陶瓷涂層材料上預(yù)制裂紋，然后同時(shí)放入馬弗爐中，在溫度為1050℃的條件下保溫4h進(jìn)行熱處理，在熱處理前后均采用掃描電鏡觀察表面裂紋的微觀形貌，熱處理后形貌如圖3所示。

通過(guò)sem照片分析可知，本實(shí)施例自愈合熱障陶瓷涂層材料表面的裂紋在溫度為1050℃的條件下經(jīng)4h的熱處理后，表面裂紋進(jìn)行了自我愈合，裂紋附近生成了明顯的氧化物tio2和al2o3。這些氧化物起到了填補(bǔ)裂紋的作用從而達(dá)到了自愈合的效果。

實(shí)施例4

本實(shí)施例自愈合熱障陶瓷涂層，由以下質(zhì)量百分比的成分組成：ysz陶瓷70%，ti3sic230%，所述ysz陶瓷中y2o3的質(zhì)量百分含量為8%，其余為zro2含量為92%。

本實(shí)施例自愈合ysz陶瓷熱障涂層材料的制備方法與實(shí)施例1相同

將本實(shí)施例自愈合熱障陶瓷涂層進(jìn)行自愈合性能試驗(yàn)，具體過(guò)程為：首先，在自愈合熱障陶瓷涂層材料上預(yù)制裂紋，然后同時(shí)放入馬弗爐中，在溫度為1050℃的條件下保溫4h進(jìn)行熱處理，在熱處理前后均采用掃描電鏡觀察表面裂紋的微觀形貌，熱處理后形貌如圖6所示。

通過(guò)sem照片分析可知，本實(shí)施例自愈合熱障陶瓷涂層材料表面的裂紋在溫度為1050℃的條件下經(jīng)4h的熱處理后，表面裂紋進(jìn)行了自我愈合，裂紋附近生成了明顯的氧化物tio2和sio2。這些氧化物起到了填補(bǔ)裂紋的作用從而達(dá)到了自愈合的效果。