專利名稱：用電子束物理氣相沉積多孔樹枝晶陶瓷層的熱障涂層方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用電子束物理氣相沉積多孔樹枝晶陶瓷層的熱障涂層方法，所制備得到的熱障涂層的陶瓷層為多孔樹枝晶結構。
背景技術：
隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展，特別是在燃氣渦輪發(fā)動機的高溫環(huán)境下，現(xiàn)有金屬材料的單獨使用已經(jīng)不能滿足設計及使用要求。熱障涂層是二十世紀六十年代開發(fā)出來的一種表面熱防護技術，其設計思想是利用陶瓷材料優(yōu)越的耐高溫、抗腐蝕和低導熱等性能，以涂層的方式將陶瓷與金屬基體相復合，在提高金屬熱端部件抗高溫腐蝕能力的同時，使其能承受更高的使用溫度，并具有提高發(fā)動機的工作溫度、延長熱端部件使用壽命的效果。
目前熱障涂層一般由陶瓷層(YSZ7-8wt％Y2O3-ZrO2)與粘結層(Ni、Co、Cr、Al、Y)所構成的雙層結構，粘結層制備在基體與陶瓷層之間(如圖1所示)。其制備方法主要有電子束物理氣相沉積與等離子噴涂。
采用等離子噴涂制備陶瓷層為層狀結構，其優(yōu)點是層與層之間有空隙，并且空隙與熱流方向垂直有利于提高涂層的隔熱效果；但是，此涂層容易剝落，壽命較短。
采用電子束物理氣相沉積制備陶瓷層為柱狀晶結構，可以提高陶瓷層的應變?nèi)菹?，從而提高涂層的壽命；但是，電子束物理氣相沉積熱障涂層陶瓷層的密度高于等離子噴涂熱障涂層陶瓷層，因此，其涂層導熱系數(shù)較高，且柱狀晶結構在高溫環(huán)境下易產(chǎn)生燒結。因此，制備具有微孔多孔陶瓷柱狀晶結構的熱障涂層陶瓷層，提高涂層的抗高溫燒結能力，對于提高熱障涂層的隔熱效果以至于提高涂層的工作溫度及涂層的使用壽命具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種用電子束物理氣相沉積多孔樹枝晶陶瓷層的熱障涂層方法，該方法通過在通用陶瓷層材料YSZ中添加稀土氧化物，利用電子束蒸發(fā)沉積過程中自陰影效果的特點，制備出具有微孔多孔樹枝晶結構的熱障涂層，利用樹枝晶結構中數(shù)量極多的微孔，降低涂層的導熱系數(shù)，提高涂層的隔熱效果。
本發(fā)明是一種用電子束物理氣相沉積多孔樹枝晶陶瓷層的熱障涂層方法，包含下列步驟(1)準備粘結層料棒，備用粘結層材料為鎳、鈷、鉻、鋁、釔，其重量百分比組份為40～60％的鎳，18～22％的鈷、19～25％的鉻、6～8％的鋁、0.07～1.5％的釔，上述各成分總量為100％；(2)準備陶瓷層用的料棒A和料棒B，料棒A化學成分由50.0～90.0wt％YSZ+10.0～50.0wt％稀土氧化物組成；稱取YSZ、稀土氧化物，采用高能球磨機充分混合1～72hrs，然后在高溫1300～1500℃下焙燒24～120hrs；然后采用模壓成型工藝制成棒材，并將棒材在高溫1200～1300℃下焙燒2～6hrs；料棒B化學成分由90.5～99.0wt％YSZ+0.5～9.5wt％稀土氧化物組成；稱取YSZ、稀土氧化物，采用高能球磨機充分混合1～72hrs，然后在高溫1200～1400℃下焙燒24～120hrs；然后采用模壓成型工藝制成棒材，并將棒材在高溫1200～1300℃下焙燒2～6hrs；(3)準備基體材料，并將基體安裝在電子束物理氣相沉積設備的旋轉基板架上；(4)將(1)步驟中的粘結層料棒放置在電子束物理氣相沉積設備的坩堝中；抽真空室真空度至5×10～4Pa；設定旋轉基板架所需旋轉的速度10～20rpm，并用電子束加熱基板600～1000℃，電子束電壓17～19kV；預蒸發(fā)粘結層料棒，并調(diào)節(jié)電子束流1.4～1.8A、料棒上升速率0.8～1.0mm/min，控制蒸發(fā)量；拉開擋板，進行蒸發(fā)沉積粘結層，電子束電流為1.4～1.8A，料棒上升速率1.2～1.6mm/min；粘結層沉積結束，對粘結層進行真空熱處理溫度1000～1100℃，時間2～6hrs；(5)將(2)步驟中的料棒A、料棒B分別放置在電子束物理氣相沉積設備的坩堝中；抽真空室真空度至5×10～4Pa；設定旋轉基板架所需旋轉的速度10～20rpm，并用電子束加熱基板600～1000℃，電子束電壓17～19kV；
預蒸發(fā)料棒A和料棒B，采用雙電子束，電子束流1.4～1.8A、料棒上升速率0.8～1.0mm/min，控制蒸發(fā)量；拉開擋板，進行蒸發(fā)沉積陶瓷層，充入氧氣0.001～0.5L/min；適用于料棒A的電子束電流為1.0～1.8A，且電流變化速率為0.01～0.3A/min，料棒上升速率1.0～3.0mm/min；適用于料棒B的電子束電流為0.8～1.8A，且電流變化速率為0.01～0.3A/min，料棒上升速率1.0～5.0mm/min；(6)關閉設備，制備結束。
所述的用電子束物理氣相沉積多孔樹枝晶陶瓷層的熱障涂層的方法，制備得到的陶瓷層為微孔多孔的樹枝晶結構。
本發(fā)明用電子束物理氣相沉積多孔樹枝晶陶瓷層的熱障涂層方法的優(yōu)點(1)制備得到的稀土參雜的YSZ陶瓷層與傳統(tǒng)YSZ陶瓷層相比具有更好的抗燒結能力，在相同燒結時間條件下，燒結溫度提高了50℃～100℃；(2)制備得到的稀土參雜的YSZ陶瓷層與傳統(tǒng)YSZ陶瓷層相比導熱系數(shù)降低了30～50％；(3)具有多孔樹枝晶陶瓷層的熱障涂層密度較低，隔熱效果比傳統(tǒng)YSZ陶瓷層的熱障涂層提高了30～100％，粘結力強，使用壽命較長。


圖1是傳統(tǒng)熱障涂層的結構示意圖。
圖2是電子束物理氣相沉積設備示意圖。
圖3是本發(fā)明陶瓷層截面的SEM照片。
圖中1.真空室 2.第一坩堝 3.第二坩堝4.擋板 5.旋轉基板架 6.左電子槍 7.右電子槍 8.基板具體實施方式
下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
本發(fā)明的熱障涂層，它是在高溫合金基體表面依次沉積一層粘結層和具有多孔樹枝晶結構的陶瓷層，所述陶瓷層所使用的兩個蒸發(fā)源材料的稀土組份不同。
本發(fā)明是一種用電子束物理氣相沉積多孔樹枝晶陶瓷層的熱障涂層方法，包含下列步驟
(1)準備粘結層料棒，備用粘結層材料為鎳、鈷、鉻、鋁、釔，其重量百分比組份為40～60％的鎳，18～22％的鈷、19～25％的鉻、6～8％的鋁、0.07～1.5％的釔，上述各成分總量為100％；(2)準備陶瓷層用的料棒A和料棒B，料棒A化學成分由50.0～90.0wt％YSZ+10.0～50.0wt％稀土氧化物組成；稱取YSZ、稀土氧化物，采用高能球磨機充分混合1～72hrs，然后在高溫1300～1500℃下焙燒24～120hrs；然后采用模壓成型工藝制成棒材，并將棒材在高溫1200～1300℃下焙燒2～6hrs；料棒B化學成分由90.5～99.0wt％YSZ+0.5～9.5wt％稀土氧化物組成；稱取YSZ、稀土氧化物，采用高能球磨機充分混合1～72hrs，然后在高溫1200～1400℃下焙燒24～120hrs；然后采用模壓成型工藝制成棒材，并將棒材在高溫1200～1300℃下焙燒2～6hrs；(3)準備基體材料，并將基體安裝在電子束物理氣相沉積設備的旋轉基板架5上；(4)將(1)步驟中的粘結層料棒放置在電子束物理氣相沉積設備的第一坩堝2中；抽真空室1真空度至5×10～4Pa；設定旋轉基板架5所需旋轉的速度10～20rpm，并用電子束(由左電子槍6提供)加熱基板8至溫度600～1000℃，電子束電壓17～19kV；預蒸發(fā)粘結層料棒(第一坩堝2)，并調(diào)節(jié)電子束流1.4～1.8A、粘結層料棒上升速率0.8～1.0mm/min，控制蒸發(fā)量；拉開擋板4，進行蒸發(fā)沉積粘結層，電子束電流為1.4～1.8A，粘結層料棒上升速率1.2～1.6mm/min；粘結層沉積結束，對粘結層進行真空熱處理溫度1000～1100℃，時間2～6hrs；(5)將(2)步驟中的料棒A放置在電子束物理氣相沉積設備的第一坩堝2中，料棒B放置在電子束物理氣相沉積設備的第二坩堝3中；抽真空室1真空度至10～4Pa；設定旋轉基板架5所需旋轉的速度10～20rpm，并用電子束(由左電子槍6或者右電子槍7提供)加熱基板8至溫度600～1000℃，電子束電壓17～19kV；
預蒸發(fā)料棒A(第一坩堝2)和料棒B(第二坩堝3)，采用雙電子束(同時打開左電子槍6、右電子槍7)，電子束流1.4～1.8A、料棒上升速率0.8～1.0mm/min，控制蒸發(fā)量；拉開擋板，進行蒸發(fā)沉積陶瓷層，充入氧氣0.001～0.5L/min；適用于料棒A的電子束(左電子槍6提供)電流為1.0～1.8A，且電流變化速率為0.01～0.3A/min，料棒上升速率1.0～3.0mm/min；適用于料棒B的電子束(右電子槍7提供)電流為0.8～1.8A，且電流變化速率為0.01～0.3A/min，料棒上升速率1.0～5.0mm/min；(6)關閉設備，制備結束。
下面將通過表一和表二中列舉的具體實施例組分對本發(fā)明制備方法獲得的陶瓷層結構進行對比說明。電子束物理氣相沉積設備結構如圖2所示，用J8M-5800型掃描電鏡觀察陶瓷層截面形貌。
選取表一和表二中實施例1的組分采用電子束物理氣相沉積多孔樹枝晶陶瓷層的步驟有(1)取鎳鈷鉻鋁釔(Ni，Co，Cr，Al，Y)合金料棒直徑70mm，長200mm放入真空室1的料棒蒸發(fā)源第一坩堝2中；并在鎳鈷鉻鋁釔(Ni，Co，Cr，Al，Y)合金料棒表面添加70g鈮，在蒸發(fā)沉積時使此料棒表面形成“熱池”；抽真空室1真空度至5×10～4Pa；將鎳基高溫合金基體安裝在旋轉基板架5上，設定旋轉基板架5所需旋轉的速度15rpm，并用電子束(選取左電子槍6)加熱基板650℃，電子束電壓18kV；預蒸發(fā)粘結層料棒，并調(diào)節(jié)電子束流1.6A、料棒上升速率0.8mm/min，控制蒸發(fā)量；拉開擋板，進行蒸發(fā)沉積粘結層厚度30μm，電子束電流為1.6A，料棒上升速率1.2mm/min，沉積時間15min；(2)取料棒A直徑70mm，長200mm；料棒B直徑70mm，長200mm分別放入真空室1的料棒蒸發(fā)源第一坩堝2和料棒蒸發(fā)源第二坩堝3中；抽真空室1真空度至5×10～4Pa；將經(jīng)上述處理后的鎳基高溫合金基體安裝在旋轉基板架5上，設定旋轉基板架5所需旋轉的速度15rpm，并用電子束(選取左電子槍6)加熱基板750℃，電子束電壓18kV；
預蒸發(fā)料棒A(第一坩堝2中)和料棒B(第二坩堝3中)，采用雙電子束(打開設備上的左電子槍6和右電子槍7)，電子束流1.5A、料棒上升速率0.8mm/min，控制蒸發(fā)量；拉開擋板，進行蒸發(fā)沉積陶瓷層，充入氧氣0.02L/min；適用于料棒A的電子束(左電子槍6提供)電流為1.0A，且電流變化速率為0.05A/min，料棒上升速率1.0mm/min；適用于料棒B的電子束(右電子槍7提供)電流為0.8A，且電流變化速率為0.1A/min，料棒上升速率2.0mm/min；制備陶瓷層厚度50μm，沉積時間30min。
制備完成后，關閉設備，取出制備有熱障涂層的鎳基高溫合金基體，并對陶瓷層觀察組織結構為微孔多孔樹枝晶(截面形貌如圖3所示)，孔徑為100納米～2微米。采用火焰法對本發(fā)明制備的熱障涂層進行隔熱性能測試在氣體壓強為0.2MPa，流量為2m3/h下，陶瓷層表面溫度為1100℃時，測得基體的溫度為967℃。在相同條件下，傳統(tǒng)熱障涂層中陶瓷層表面溫度為1100℃時，測得基體的溫度為1002℃。制備過程中由于電子束蒸發(fā)沉積自陰影效果的特點，陶瓷層中的數(shù)量極多的微孔有效地阻止了熱流的傳播，從而降低了陶瓷層的導熱系數(shù)，提高了基體的服役壽命。
對表一和表二中其它的實施例的制備步驟與實施例1相似，不同之處在于對電流大小及其變化速率大小的控制、相應的料棒上升速率的控制。其遵循原則一般為料棒組分為多種組合時，電流適當加大、電流變化速率快。
表一陶瓷層蒸發(fā)源材料的料棒A組分(單位g)(料棒A直徑70mm，長200mm)

注基體選取鎳基高溫合金；粘結層選取鎳鈷鉻鋁釔合金。
表二陶瓷層蒸發(fā)源材料的料棒B組分(單位g)(料棒B直徑70mm，長200mm)

注基體選取鎳基高溫合金；粘結層選取鎳鈷鉻鋁釔合金。
權利要求
1.一種用電子束物理氣相沉積多孔樹枝晶陶瓷層的熱障涂層方法，其特征在于包含下列步驟，(1)準備粘結層料棒，備用粘結層材料為鎳、鈷、鉻、鋁、釔，其重量百分比組份為40～60％的鎳，18～22％的鈷、19～25％的鉻、6～8％的鋁、0.07～1.5％的釔，上述各成分總量為100％；(2)準備陶瓷層用的料棒A和料棒B，料棒A化學成分由50.0～90.0wt％YSZ+10.0～50.0wt％稀土氧化物組成；稱取YSZ、稀土氧化物，采用高能球磨機充分混合1～72hrs，然后在高溫1300～1500℃下焙燒24～120hrs；然后采用模壓成型工藝制成棒材，并將棒材在高溫1200～1300℃下焙燒2～6hrs；料棒B化學成分由90.5～99.0wt％YSZ+0.5～9.5wt％稀土氧化物組成；稱取YSZ、稀土氧化物，采用高能球磨機充分混合1～72hrs，然后在高溫1200～1400℃下焙燒24～120hrs；然后采用模壓成型工藝制成棒材，并將棒材在高溫1200～1300℃下焙燒2～6hrs；(3)準備基體材料，并將基體安裝在電子束物理氣相沉積設備的旋轉基板架上；(4)將(1)步驟中的粘結層料棒放置在電子束物理氣相沉積設備的坩堝中；抽真空室真空度至5×10～4Pa；設定旋轉基板架所需旋轉的速度10～20rpm，并用電子束加熱基板600～1000℃，電子束電壓17～19kV；預蒸發(fā)粘結層料棒，并調(diào)節(jié)電子束流1.4～1.8A、料棒上升速率0.8～1.0mm/min，控制蒸發(fā)量；拉開擋板，進行蒸發(fā)沉積粘結層，電子束電流為1.4～1.8A，料棒上升速率1.2～1.6mm/min；粘結層沉積結束，對粘結層進行真空熱處理溫度1000～1100℃，時間2～6hrs；(5)將(2)步驟中的料棒A、料棒B分別放置在電子束物理氣相沉積設備的坩堝中；抽真空室真空度至5×10～4Pa；設定旋轉基板架所需旋轉的速度10～20rpm，并用電子束加熱基板600～1000℃，電子束電壓17～19kV；預蒸發(fā)料棒A和料棒B，采用雙電子束，電子束流1.4～1.8A、料棒上升速率0.8～1.0mm/min，控制蒸發(fā)量；拉開擋板，進行蒸發(fā)沉積陶瓷層，充入氧氣0.001～0.5L/min；適用于料棒A的電子束電流為1.0～1.8A，且電流變化速率為0.01～0.3A/min，料棒上升速率1.0～3.0mm/min；適用于料棒B的電子束電流為0.8～1.8A，且電流變化速率為0.01～0.3A/min，料棒上升速率1.0～5.0mm/min；(6)關閉設備，制備結束。
2.根據(jù)權利要求1所述的用電子束物理氣相沉積多孔樹枝晶陶瓷層的熱障涂層的方法，其特征在于所述稀土氧化物為Sc2O3、La2O3、Nd2O3、Yb2O3、Gd2O3、Sm2O3、CeO2、Er2O3、Dy2O3、Pr2O3、Tb2O3或Tm2O3中的兩種或兩種以上組合。
3.根據(jù)權利要求2所述的用電子束物理氣相沉積多孔樹枝晶陶瓷層的熱障涂層的方法，其特征在于所述稀土氧化物為25～75wt％的Nd2O3+25～75wt％的Yb2O3或者25～75wt％的Yb2O3+25～75wt％的Gd2O3或者25～75wt％的La2O3+25～75wt％的Yb2O3組合。
4.根據(jù)權利要求2所述的用電子束物理氣相沉積多孔樹枝晶陶瓷層的熱障涂層的方法，其特征在于所述稀土氧化物為20～60wt％的Nd2O3+20～60wt％的Yb2O3+20～60wt％的La2O3或者20～60wt％的Yb2O3+20～60wt％的Gd2O3+20～60wt％的Nd2O3或者20～60wt％的La2O3+20～60wt％的Yb2O3+20～60wt％的Sm2O3組合。
5.根據(jù)權利要求1所述的用電子束物理氣相沉積多孔樹枝晶陶瓷層的熱障涂層的方法，其特征在于制備得到的陶瓷層為微孔多孔的樹枝晶結構。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用電子束物理氣相沉積多孔樹枝晶陶瓷層的熱障涂層方法，它是在鎳基高溫合金基體表面依次沉積一層粘結層材料和具有微孔多孔樹枝晶結構的陶瓷層材料。該制備方法通過控制兩個不同組分料棒A和料棒B的蒸發(fā)沉積工藝參數(shù)使陶瓷層具有較低的導熱系數(shù)，有效地提高了在高溫環(huán)境下熱障涂層服役壽命。
文檔編號C23C14/54GK1844445SQ20061007874
公開日2006年10月11日 申請日期2006年5月11日 優(yōu)先權日2006年5月11日
發(fā)明者宮聲凱, 魏秋利, 徐惠彬 申請人:北京航空航天大學