一種制備梯度熱障涂層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于熱障涂層制備領(lǐng)域，更具體地，涉及一種在金屬基體表面制備梯度熱障涂層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在耐高溫金屬表面沉積一層陶瓷涂層，可以起到隔熱作用，可有效降低合金基體的溫度，使得用其制成的器件，如發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片，能在高溫下運(yùn)行。但是，由于部件的工作環(huán)境十分惡劣，陶瓷涂層處于交變的熱循環(huán)條件，受到高溫燃?jí)m的沖刷，加上涂層組成成分的不連續(xù)變化以及金屬與陶瓷之間的熱膨脹系數(shù)差異，這將在陶瓷涂層中產(chǎn)生很高的應(yīng)力，引起越來(lái)越多的應(yīng)力集中，導(dǎo)致微裂紋的擴(kuò)散和網(wǎng)狀裂紋的形成，這嚴(yán)重削弱了陶瓷層和粘結(jié)層的界面結(jié)合力最終導(dǎo)致陶瓷涂層和粘結(jié)層發(fā)生剝離，因此其使用壽命不長(zhǎng)。
[0003]梯度熱障涂層技術(shù)被認(rèn)為是解決這一問(wèn)題的有效辦法，它將金屬的高強(qiáng)度、高韌性與陶瓷耐高溫的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，使產(chǎn)品具有隔熱、抗氧化、防腐蝕的功能。但是，目前梯度熱障涂層方法不成熟，其過(guò)程影響因素多，各個(gè)因素的相互影響機(jī)理不明白，無(wú)成熟的技術(shù)方案，造成該方法無(wú)法成功應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種制備梯度熱障涂層的方法，其目的在于通過(guò)在對(duì)陶瓷顆粒進(jìn)行摻雜和表面包覆，并將該經(jīng)過(guò)摻雜和包覆的陶瓷顆粒結(jié)合在金屬基體表面，以成功制備獲得梯度熱障涂層。
[0005]本發(fā)明提供一種制備梯度熱障涂層的方法，用于在金屬基體表面制備獲得熱障涂層，其特征在于，采用熱噴涂或者激光熔覆方法使40?80 μπι的陶瓷顆粒結(jié)合在金屬基體表面，制備獲得納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的熱障涂層，所述納米陶瓷顆粒均勻分散且粒徑為100?500nm，所述40?80 μ m的陶瓷顆粒由初始納米顆粒團(tuán)聚獲得，該陶瓷顆粒包括Al2O3顆粒、ZrO2顆粒、稀土鋯酸鹽類(lèi)顆粒，所述稀土鋯酸鹽類(lèi)顆粒成分為A 2Zr207，其中A為L(zhǎng)n、La、Gd、Nd的一種或多種。
[0006]進(jìn)一步的，所述陶瓷顆粒的表面被合金粉末包覆，所述合金粉末為鎳基合金粉末和鈦合金粉末中的一種或多種。表面包覆有合金粉末用于提高納米陶瓷顆粒與金屬基體的結(jié)合力，用于緩和應(yīng)用時(shí)候的熱應(yīng)力。
[0007]進(jìn)一步的，所述陶瓷顆粒經(jīng)過(guò)低價(jià)金屬氧化物摻雜，所述低價(jià)金屬氧化物包括Y2O3? CaO，MgO，Nd2O3O
[0008]進(jìn)一步的，所述陶瓷顆粒是由25nm?40nm的初始納米顆粒經(jīng)噴霧干燥時(shí)發(fā)生團(tuán)聚而制得。25nm?40nm的初始納米顆粒團(tuán)聚后有利于獲得40?80 μπι的陶瓷顆粒，40?80 μm的陶瓷顆粒有利于獲得100?500nm的納米陶瓷顆粒。
[0009]進(jìn)一步的，所述低價(jià)金屬氧化物的質(zhì)量占所述陶瓷顆粒總質(zhì)量的5%?10%。
[0010]進(jìn)一步的，采用電鍍或化學(xué)鍍方法在所述陶瓷顆粒表面包覆合金粉末。
[0011]進(jìn)一步的，所述合金粉末的包覆厚度為100?300nm。
[0012]本發(fā)明的構(gòu)思和有益效果如下:
[0013]先將初始納米顆粒團(tuán)聚獲得微米級(jí)別的陶瓷顆粒，將微米級(jí)別的陶瓷顆粒通過(guò)熱噴涂或者激光熔覆方法結(jié)合在金屬基體表面，利用金屬基體熔化時(shí)候熔池中的溫度，使得微米級(jí)別的陶瓷顆粒再次離散成納米陶瓷顆粒并進(jìn)一步長(zhǎng)大，通過(guò)控制初始納米顆粒的粒徑，保證納米陶瓷顆粒即便長(zhǎng)大也還是在納米級(jí)別，從而制備獲得納米顆粒增強(qiáng)的熱障涂層。
[0014](I)納米陶瓷顆粒尺寸大小影響熱障涂層中載熱粒子的非諧性散射作用，也對(duì)熱障涂層的力學(xué)性能，如抗蠕變外加載荷下的應(yīng)力場(chǎng)分布有一定的影響，因此，納米陶瓷顆粒需要綜合平衡隔熱性能與力學(xué)性能，考慮到以上兩點(diǎn)，納米陶瓷顆粒的的尺寸控制在10nm ?500nm。
[0015](2)在陶瓷顆粒中摻雜低價(jià)金屬氧化物目的在于提高陶瓷顆粒的空位及晶格畸變，增強(qiáng)載熱粒子的界面散射作用，有利于提高熱障涂層的隔熱性能，陶瓷顆粒中摻雜低價(jià)金屬氧化物的類(lèi)型取決于陶瓷與金屬基體具體的成分，Y2O3, CaO, MgO以及Nd2O3是隔熱性比較好的低價(jià)金屬氧化物。
[0016](3)在陶瓷顆粒中摻雜低價(jià)金屬氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)考慮到氧化物對(duì)陶瓷顆粒的穩(wěn)定化率，以及造成晶格畸變的大小，選用摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%?10%能綜合平衡穩(wěn)定化率和晶格畸變的大小，摻雜效果好。
[0017](4)在陶瓷表面鍍上合金粉末可用于改善陶瓷顆粒與金屬基體的潤(rùn)濕性，用于提高陶瓷顆粒與金屬基體的結(jié)合力，可以緩和熱應(yīng)力。
[0018]通過(guò)對(duì)以上影響因素的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采取熱噴涂或激光熔覆等工藝在金屬表面制得梯度熱障涂層，該梯度熱障涂層和金屬基體結(jié)合牢固且并且隔熱效果良好，由此解決了目前梯度熱障涂層無(wú)法成功或者是容易在熱循環(huán)條件下脫落失效的技術(shù)問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的載熱粒子在金屬/陶瓷界面處的微觀傳導(dǎo)示意圖。圖中(1(^是流進(jìn)界面處的熱量，ClQrat是流出界面處的熱量，陶瓷中的小球代表聲子，金屬中的小球代表電子，箭頭代表載熱粒子瞬時(shí)熱傳導(dǎo)方向，在界面處存在載熱粒子之間的非諧性耦合作用。
[0020]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的金屬/陶瓷界面處的具有“斷崖式”溫降的效果示意圖。由于界面處載熱粒子的非諧性耦合作用，界面處存在“斷崖式”溫度降效果，這正式熱障涂層的降溫效果示意圖。
[0021]圖3是采用同軸送粉激光熔覆工藝在鈦合金表面制得的梯度熱障涂層的SEM顯微圖片。圖中白色的顆粒為彌散分布的納米尺寸的氧化鋯顆粒。
【具體實(shí)施方式】
[0022]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)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0023]實(shí)施例1:
[0024]在鈦合金TC4表面制備ZrO2梯度熱障涂層，具體如下:
[0025]第一步驟，將切割好的鈦合金基板浸泡在丙酮中5?8分鐘以去除油污，將鈦合金從丙酮中取出后經(jīng)清水清洗、干燥，最后進(jìn)行噴砂處理，以增強(qiáng)基材與熱障涂層的接觸面積。
[0026]第二步驟，將25nm的ZrO2初始納米顆粒摻雜微米級(jí)別Y 203粉末，獲得摻雜陶瓷顆粒，Y2O3粉末質(zhì)量占摻雜陶瓷顆粒質(zhì)量的5%，將摻雜陶瓷顆粒經(jīng)噴霧干燥制備獲得40?70 μ m的微米級(jí)陶瓷顆粒，噴霧干燥的主要工藝參數(shù)為干燥空氣溫度270°C，霧化器頻率150Hz，進(jìn)料泵轉(zhuǎn)速為30r/min，出風(fēng)口溫度為110°C。最后進(jìn)行陶瓷顆粒的表面包覆，采用電鍍的方式在摻雜陶瓷顆粒表面包覆鎳基合金粉末，包覆的厚度是lOOnm，得到包覆的陶瓷顆粒。
[0027]第三步驟，采用等離子噴涂的熱噴涂方式將包覆的陶瓷顆粒噴涂在鈦合金TC4表面，其工藝參數(shù)為電流570A，電壓55V，送粉速度30g/min，噴嘴距離60mm，噴涂速度30mm/s，制備獲得700 μ m厚度的梯度熱障涂層，其中的ZrO2的均勻分散，粒徑為10nm?300nm，即制備獲得了納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的梯度熱障涂層。
[0028]經(jīng)試驗(yàn)檢驗(yàn)證明，制備的納米梯度熱障涂層致密性好，消除了傳統(tǒng)雙層的成分躍變現(xiàn)象和由此造成的宏觀界面，涂層的結(jié)合強(qiáng)度提高了 50%?80%，使用壽命增強(qiáng)。
[0029]實(shí)施例2
[0030]在Q235鋼表面制備Al2O3梯度熱障涂層，具體如下:
[0031]第一步驟，將切割好的Q235鋼基板浸泡在丙酮中5?8分鐘以去除油污，將鈦合金從丙酮中取出后經(jīng)清水清洗、干燥，最后進(jìn)行噴砂處理，以增強(qiáng)基材與涂層的接觸面積。
[0032]第二步驟，將40nm的Al2O3初始納米顆粒摻雜微米級(jí)別CaO粉末，獲得摻雜陶瓷顆粒，CaO粉末質(zhì)量占摻雜陶瓷顆粒質(zhì)量的7%，將摻雜陶瓷顆粒經(jīng)噴霧干燥制備獲得50?80 μ