專(zhuān)利名稱：：熱膨脹匹配復(fù)合熱障涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及表面涂層材料領(lǐng)域，特指一種熱膨脹匹配復(fù)合熱障涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
：熱障涂層早在20世紀(jì)50年代初就被提出，其作用主要是降低金屬表面的工作溫度，通常是具有優(yōu)異隔熱性能的氧化物陶瓷，目前廣泛應(yīng)用于航空航天、燃?xì)廨啓C(jī)等領(lǐng)域。&02陶瓷由于熔點(diǎn)高，熱導(dǎo)率低，抗熱震性能好，熱膨脹系數(shù)與金屬基體相差較小而成為理想的熱障涂層材料，也是研究和應(yīng)用最早的熱障涂層材料。為了克服&02高溫下相轉(zhuǎn)變降低其使用壽命的缺點(diǎn)，需添加MgO、CaO,Y2O3等氧化物進(jìn)行穩(wěn)定化處理，目前最穩(wěn)定的與應(yīng)用最多的熱障涂層材料為68wt%Y2O3部分穩(wěn)定的&02陶瓷(YPSZ)。隨著熱障涂層材料研究的不斷深入，其得到顯著地發(fā)展，種類(lèi)不斷增多。熱障涂層的制備方法很多，而應(yīng)用最多的主要是等離子噴涂(PS)和電子束物理氣相沉積(EB-PVD)兩種。等離子噴涂由于設(shè)備投資小、工藝簡(jiǎn)單、效率高、涂層成分和厚度易于控制、對(duì)被噴零件尺寸和形狀要求小等而得到廣泛的應(yīng)用。作為涂層，最重要的性能指標(biāo)是涂層與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度，因?yàn)檫@決定了涂層能否起到應(yīng)有的作用。等離子噴涂的熱障涂層與基體之間是機(jī)械咬合，目前主要采用噴涂前基體表面的粗化處理來(lái)提高界面接觸面積，以提高界面結(jié)合強(qiáng)度。界面結(jié)合強(qiáng)度除與界面接觸面積有關(guān)外，界面應(yīng)力分布具有更重要的影響。由于熱障涂層與金屬基體的熱膨脹系數(shù)不匹配，所以界面將產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，使界面結(jié)合強(qiáng)度降低，涂層易于脫落。為了緩和熱障涂層與金屬基體熱膨脹系數(shù)的差異，通常在其中間加一過(guò)渡層，稱為金屬粘結(jié)層。金屬粘結(jié)層為MCrAlY系合金，其中，M為Co、Ni、Fe等。雖然金屬粘結(jié)層可以緩解涂層與基體的熱膨脹系數(shù)失配，但是不能有效消除，而且使制備工藝更加繁瑣。因此，尋求新的方法來(lái)解決這一問(wèn)題是非常必要的。針對(duì)上面存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出通過(guò)熱障涂層與負(fù)熱膨脹材料的復(fù)合來(lái)調(diào)控?zé)嵴贤繉拥臒崤蛎浵禂?shù)，以使涂層與金屬基體的熱膨脹系數(shù)近匹配，甚至完全匹配，從而有效消除界面熱應(yīng)力，提高界面結(jié)合強(qiáng)度。本發(fā)明主要是根據(jù)基體的熱膨脹系數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)熱膨脹材料的添加量來(lái)調(diào)控涂層的熱膨脹系數(shù)，使涂層與基體的熱膨脹系數(shù)達(dá)到一致，消除界面熱應(yīng)力，延長(zhǎng)涂層使用壽命。由于負(fù)熱膨脹材料具有更低的熱導(dǎo)率，所以復(fù)合熱障涂層的熱導(dǎo)率得到顯著降低，隔熱效果顯著增強(qiáng)。此外，涂層的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)有利于提高涂層的抗熱震性能和力學(xué)性能。因此，通過(guò)本發(fā)明可以制備出高性能的界面結(jié)合牢固的復(fù)合熱障涂層。
發(fā)明內(nèi)容熱障涂層與金屬基體的界面結(jié)合強(qiáng)度是決定涂層能否實(shí)現(xiàn)其應(yīng)有作用的重要性能指標(biāo)，因此，提高涂層與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度具有非常重要的工程實(shí)際意義。消除界面熱應(yīng)力是提高界面結(jié)合強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命的有效途徑，但現(xiàn)在采取的通過(guò)添加中間粘結(jié)層來(lái)緩解涂層與基體熱膨脹系數(shù)失配的方法，不能有效消除界面熱應(yīng)力，無(wú)法有效延長(zhǎng)使用壽命。本發(fā)明的目的是為解決上面的問(wèn)題，提供一種熱膨脹匹配復(fù)合熱障涂層的制備方法，其通過(guò)熱障涂層與負(fù)熱膨脹材料的復(fù)合來(lái)調(diào)控?zé)嵴贤繉拥臒崤蛎浵禂?shù)，使涂層與金屬基體的熱膨脹系數(shù)匹配，消除界面熱應(yīng)力，從而有效提高涂層與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度，延長(zhǎng)涂層的使用壽命。本發(fā)明解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案是采用激光輔助微納復(fù)合與等離子噴涂相結(jié)合的復(fù)合工藝制備熱膨脹匹配的復(fù)合熱障涂層，消除涂層與基體界面的熱應(yīng)力，提高界面結(jié)合強(qiáng)度，延長(zhǎng)涂層的使用壽命。其步驟為1)將基體合金切割成一定尺寸；2)根據(jù)熱膨脹匹配原則，配比熱障涂層材料納米粉末與負(fù)熱膨脹材料微米粉末；3)將配好的兩種粉末進(jìn)行微納復(fù)合重構(gòu)；4)將重構(gòu)的復(fù)合顆粒進(jìn)行激光輻照，增加復(fù)合顆粒的結(jié)合強(qiáng)度；5)將復(fù)合顆粒裝入送粉器中，通過(guò)真空等離子噴涂工藝制備復(fù)合熱障涂層。所述的熱障涂層材料與負(fù)熱膨脹材料分別為Zr^yHfxREyO2v2與ZivyREyWhMozCVyZ2,其中，0.01彡χ彡1，0.01彡y彡0.05，0.3彡ζ彡1，RE為L(zhǎng)a、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、Y中的一種或幾種。所述的熱障涂層材料粉末的平均粒度為20lOOnm，負(fù)熱膨脹材料粉末的平均粒度為20100μm。所述的微納復(fù)合工藝為包覆法。所述的激光輻照采用連續(xù)CO2激光器，輻照參數(shù)為功率20200W，光斑直徑310mm，離焦量-55mm，掃描速度18mm/s，搭接率10%90%。所述的等離子噴涂工藝參數(shù)為電弧電流500600A，電弧電壓5080V，噴涂距離7090mm，噴涂速度2535mm/s，主氣Ar流量5080dm7min，次氣H2流量58dm7min，送粉氣Ar流量2.53.5dm3/min,送粉速度2540g/min。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于將熱障涂層材料與負(fù)熱膨脹材料復(fù)合，可以實(shí)現(xiàn)涂層與基體的良好匹配，有效消除界面熱應(yīng)力，提高界面結(jié)合強(qiáng)度，最大限度地克服中間過(guò)渡層匹配性差，不能完全消除界面熱應(yīng)力的缺點(diǎn)。此外，微納復(fù)合顆粒的重構(gòu)不僅減少熱障涂層材料與負(fù)熱膨脹材料因熔點(diǎn)相差較大而造成的低熔點(diǎn)負(fù)熱膨脹材料的嚴(yán)重?fù)p失，而且顯著提高了涂層的綜合性能。本發(fā)明既延長(zhǎng)了涂層的使用壽命，又提高了涂層的抗熱震性能與力學(xué)性能，推動(dòng)了其在工程實(shí)際中的應(yīng)用。此工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，適合于大規(guī)模批量化生產(chǎn)。因此，通過(guò)本發(fā)明可以制備出高性能高界面結(jié)合的復(fù)合熱障涂層。具體實(shí)施例方式本發(fā)明中熱膨脹匹配復(fù)合熱障涂層是通過(guò)激光輔助微納復(fù)合與等離子噴涂相結(jié)合的復(fù)合工藝制備而成。首先根據(jù)基體的熱膨脹系數(shù)，配比熱障涂層材料納米粉末與負(fù)熱膨脹材料微米粉末，然后將配好的兩種粉末進(jìn)行激光輔助微納復(fù)合重構(gòu)，獲得熱障涂層材料納米顆粒均勻包覆負(fù)熱膨脹材料微米粉末的復(fù)合顆粒，最后將復(fù)合顆粒裝入送粉器中，通過(guò)等離子噴涂工藝制備復(fù)合熱障涂層。復(fù)合熱障涂層與基體的熱膨脹系數(shù)匹配良好，消除了界面的熱應(yīng)力，有效提高了界面結(jié)合強(qiáng)度，延長(zhǎng)了使用壽命，而且微納復(fù)合結(jié)構(gòu)有利于提高涂層的綜合性能，推動(dòng)其在工程實(shí)際中的應(yīng)用。實(shí)施例11)將HRA929合金切割成Φ25mmX4mm；2)根據(jù)熱膨脹匹配原則，配比Zra98Hf0.01Y0.010L995熱障涂層材料納米粉末與Zr0.95Dy0.05W1.7Mo0.307.975負(fù)熱膨脹材料微米粉末，其平均顆粒尺寸分別為20nm與50μm；3)將配好的ZraWfatllYaQ1Ol995與&。.95DyQ.Q5Wl7M0ck3CV975兩種粉末通過(guò)包覆法進(jìn)行微納復(fù)合重構(gòu)；4)將重構(gòu)的復(fù)合顆粒進(jìn)行激光輻照，輻照參數(shù)為功率200W，光斑直徑10mm，離焦量5mm，掃描速度8mm/s，搭接率10%，增加復(fù)合顆粒的結(jié)合強(qiáng)度；5)將復(fù)合顆粒裝入送粉器中，通過(guò)真空等離子噴涂工藝制備200μπι厚的復(fù)合熱障涂層，噴涂工藝參數(shù)為電弧電流500Α，電弧電壓80V，噴涂距離90mm，噴涂速度35mm/s，主氣Ar流量60dm7min，次氣H2流量5dm7min，送粉氣Ar流量2.5dm3/min,送粉速度25g/mirio為比較，在相同工藝條件下通過(guò)真空等離子噴涂制備單元的^a98HfacilREatllOu95熱障涂層。根據(jù)我國(guó)航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)熱噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法(HB5476-91)測(cè)得的界面結(jié)合強(qiáng)度值如表1。表1不同熱障涂層的界面結(jié)合強(qiáng)度預(yù)處理工藝界面結(jié)合強(qiáng)度(MPa)復(fù)合熱障涂層82單元熱障涂層_73_從中可以看出，通過(guò)真空等離子噴涂制備的熱膨脹匹配復(fù)合熱障涂層的結(jié)合強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于單元熱障涂層，因此本發(fā)明可以制備出高界面結(jié)合強(qiáng)度的復(fù)合熱障涂層。實(shí)施例21)將Nd145Dy15Fe71Co45B75合金切割成Φ25mmX4mm；2)根據(jù)熱膨脹匹配原貝U，配比Hftl.97Nd0.030L985熱障涂層材料納米粉末與Zr0.99Tb0.01WMoO7.995負(fù)熱膨脹材料微米粉末，其平均顆粒尺寸分別為IOOnm與20μm；3)將配好的Hfa97Ndaci3Ou85與Zra99TbatllWMoCV995兩種粉末通過(guò)包覆法進(jìn)行微納復(fù)合重構(gòu)；4)將重構(gòu)的復(fù)合顆粒進(jìn)行激光輻照，輻照參數(shù)為功率100W，光斑直徑8mm，離焦量-5mm，掃描速度lmm/s，搭接率30%，增加復(fù)合顆粒的結(jié)合強(qiáng)度；5)將復(fù)合顆粒裝入送粉器中，通過(guò)真空等離子噴涂工藝制備IOOym厚的復(fù)合熱障涂層，噴涂工藝參數(shù)為電弧電流600Α，電弧電壓50V，噴涂距離80mm，噴涂速度25mm/s，主氣Ar流量80dm7min，次氣H2流量8dm3/min，送粉氣Ar流量3.5dm3/min,送粉速度40g/mirio為比較，在相同工藝條件下通過(guò)真空等離子噴涂制備單元的Hfa97Ndatl3Ou85熱障涂層。根據(jù)我國(guó)航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)熱噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法(HB5476-91)測(cè)得的界面結(jié)合強(qiáng)度值如表2。表2不同熱障涂層的界面結(jié)合強(qiáng)度<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>從中可以看出，通過(guò)真空等離子噴涂制備的熱膨脹匹配復(fù)合熱障涂層的結(jié)合強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于單元熱障涂層，因此本發(fā)明可以制備出高界面結(jié)合強(qiáng)度的復(fù)合熱障涂層。實(shí)施例31)將Ti-6A1-4V合金切割成Φ25mmX4mm；2)根據(jù)熱膨脹匹配原則，配比Zra5H0.45Yb0.050L975熱障涂層材料納米粉末與Zr0.98Nd0.01Ho0.01WMoO7.99負(fù)熱膨脹材料微米粉末，其平均顆粒尺寸分別為70nm與60μm；3)將配好的Zra5Hfa45Ybatl5O1^75與Zra98NdacilHoacilWM0CV99兩種粉末通過(guò)包覆法進(jìn)行微納復(fù)合重構(gòu)；4)將重構(gòu)的復(fù)合顆粒進(jìn)行激光輻照，輻照參數(shù)為功率20W，光斑直徑3mm，離焦量0.5mm，掃描速度5mm/s，搭接率90%，增加復(fù)合顆粒的結(jié)合強(qiáng)度；5)將復(fù)合顆粒裝入送粉器中，通過(guò)真空等離子噴涂工藝制備350μπι厚的復(fù)合熱障涂層，噴涂工藝參數(shù)為電弧電流530Α，電弧電壓70V，噴涂距離70mm，噴涂速度30mm/s，主氣Ar流量50dm7min，次氣H2流量6dm7min，送粉氣Ar流量3dm7min，送粉速度33g/min。為比較，在相同工藝條件下通過(guò)真空等離子噴涂制備單元的Zra5Hfa45Ybaci5Ou75熱障涂層。根據(jù)我國(guó)航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)熱噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法(HB5476-91)測(cè)得的界面結(jié)合強(qiáng)度值如表3。表3不同熱障涂層的界面結(jié)合強(qiáng)度<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>從中可以看出，通過(guò)真空等離子噴涂制備的熱膨脹匹配復(fù)合熱障涂層的結(jié)合強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于單元熱障涂層，因此本發(fā)明可以制備出高界面結(jié)合強(qiáng)度的復(fù)合熱障涂層。實(shí)施例41)將Incoloy909高溫合金切割成025mmX4mm；2)根據(jù)熱膨脹匹配原則，配比Zrtl.5Hf0.^r0.010L995熱障涂層材料納米粉末與Zr0.98Lu0.01Y0.02WMoO7.985負(fù)熱膨脹材料微米粉末，其平均顆粒尺寸分別為50nm與100μm；3)將配好的Zra5Hfa!E^01Ol995與^v98LuacilYatl2WM0CV985兩種粉末通過(guò)包覆法進(jìn)行微納復(fù)合重構(gòu)；4)將重構(gòu)的復(fù)合顆粒進(jìn)行激光輻照，輻照參數(shù)為功率70W，光斑直徑6mm，離焦量2mm,掃描速度3mm/s，搭接率60%，增加復(fù)合顆粒的結(jié)合強(qiáng)度；5)將復(fù)合顆粒裝入送粉器中，通過(guò)真空等離子噴涂工藝制備450μπι厚的復(fù)合熱障涂層，噴涂工藝參數(shù)為電弧電流560Α，電弧電壓60V，噴涂距離85mm，噴涂速度33mm/s，主氣Ar流量70dm7min，次氣H2流量7dm7min，送粉氣Ar流量3.2dm3/min,送粉速度35g/min。為比較，在相同工藝條件下通過(guò)真空等離子噴涂制備單元的Zrtl.5Hf0.^r0.010L995熱障涂層。根據(jù)我國(guó)航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)熱噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法(HB5476-91)測(cè)得的界面結(jié)合強(qiáng)度值如表4。表4不同熱障涂層的界面結(jié)合強(qiáng)度<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>從中可以看出，通過(guò)真空等離子噴涂制備的熱膨脹匹配復(fù)合熱障涂層的結(jié)合強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于單元熱障涂層，因此本發(fā)明可以制備出高界面結(jié)合強(qiáng)度的復(fù)合熱障涂層。權(quán)利要求熱膨脹匹配復(fù)合熱障涂層的制備方法，其特征在于，采用激光輔助微納復(fù)合與等離子噴涂相結(jié)合的復(fù)合工藝制備熱膨脹匹配的復(fù)合熱障涂層；復(fù)合熱障涂層由熱障涂層材料與負(fù)熱膨脹材料微米粉末組成，基于涂層與基體熱膨脹匹配原則，將熱障涂層材料納米粉末與負(fù)熱膨脹材料微米粉末進(jìn)行配比并通過(guò)激光輔助微納復(fù)合工藝重構(gòu)，獲得熱障涂層材料納米顆粒包覆負(fù)熱膨脹材料微米粉末的復(fù)合顆粒，再通過(guò)等離子噴涂工藝制備復(fù)合熱障涂層；復(fù)合熱障涂層與基體的熱膨脹系數(shù)匹配良好，有效消除了界面熱應(yīng)力，提高了涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，表面納米包覆層也有效提高了涂層與涂層的界面結(jié)合以及涂層的綜合性能，從而有效延長(zhǎng)了涂層的使用壽命。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹匹配復(fù)合熱障涂層的制備方法，其特征在于，制備步驟為1)將基體合金切割成一定尺寸；2)根據(jù)熱膨脹匹配原則，配比熱障涂層材料納米粉末與負(fù)熱膨脹材料微米粉末；3)將配好的兩種粉末進(jìn)行微納復(fù)合重構(gòu)；4)將重構(gòu)的復(fù)合顆粒進(jìn)行激光輻照，增加復(fù)合顆粒的結(jié)合強(qiáng)度；5)將復(fù)合顆粒裝入送粉器中，通過(guò)真空等離子噴涂工藝制備復(fù)合熱障涂層。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹匹配復(fù)合熱障涂層的制備方法，其特征在于，所述的熱障涂層材料與負(fù)熱膨脹材料分別為^VryHfxREyCVm與^VyREyW^MoA-m，其中，0.01彡X彡1,0.01彡y彡0.05,0.3彡z彡1，RE為L(zhǎng)a、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、Y中的一種或幾種。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹匹配復(fù)合熱障涂層的制備方法，其特征在于，所述的熱障涂層材料粉末的平均粒度為20lOOnm，負(fù)熱膨脹材料粉末的平均粒度為20100um。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹匹配復(fù)合熱障涂層的制備方法，其特征在于，所述的微納復(fù)合工藝為包覆法。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱膨脹匹配復(fù)合熱障涂層的制備方法，其特征在于，所述的激光輻照采用連續(xù)C02激光器，輻照參數(shù)為功率20200W，光斑直徑310mm，離焦量-55mm，掃描速度18mm/s，搭接率10%90%。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱膨脹匹配復(fù)合熱障涂層的制備方法，其特征在于所述的等離子噴涂工藝參數(shù)為電弧電流500600A，電弧電壓5080V，噴涂距離7090mm，噴涂速度2535mm/s，主氣Ar流量5080dm7min，次氣H2流量58dm7min，送粉氣Ar流量2.53.5dm3/min，送粉速度2540g/min。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種熱膨脹匹配復(fù)合熱障涂層的制備方法，涉及表面涂層領(lǐng)域。復(fù)合熱障涂層由熱障涂層材料Zr1-x-yHfxREyO2-y/2與負(fù)熱膨脹材料Zr1-yREyW2-zMozO8-y/2組成，其中0.01≤x≤1，0.01≤y≤0.05，0.3≤z≤1，RE為L(zhǎng)a、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、Y中的一種或幾種。其步驟為1)將基體合金切割成一定尺寸；2)根據(jù)熱膨脹匹配原則，配比熱障涂層納米粉與負(fù)熱膨脹材料微米粉；3)將配好的兩種粉末進(jìn)行微納復(fù)合重構(gòu)；4)將重構(gòu)的復(fù)合顆粒進(jìn)行激光輻照；5)將復(fù)合顆粒裝入送粉器，用真空等離子噴涂制備熱障涂層。本發(fā)明制得的熱障涂層界面應(yīng)力小，結(jié)合強(qiáng)度高，力學(xué)性能好。本發(fā)明過(guò)程簡(jiǎn)單，適于大規(guī)模批量化生產(chǎn)，可以制備界面結(jié)合牢固的復(fù)合熱障涂層。文檔編號(hào)B22F1/02GK101831602SQ201010107688公開(kāi)日2010年9月15日申請(qǐng)日期2010年2月9日優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日發(fā)明者崔承云,崔熙貴,張朝陽(yáng),程曉農(nóng),管海兵,許曉靜,錢(qián)曉明,魯金忠申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)