專利名稱：一種彌散貴金屬微粒增韌復(fù)合熱障涂層及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的一種彌散貴金屬微粒增韌復(fù)合熱障涂層及制備方法屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，涉及復(fù)合材料與涂層技術(shù)，用于提高高溫合金和難熔合金的使用溫度，提高熱障涂層的斷裂韌性，提高熱障涂層與基體合金的結(jié)合力，提高抗高溫氧化性能，避免基體合金力學(xué)性能的降低，延長熱端部件的使用壽命。
背景技術(shù)：
熱障涂層(Thermal barrier coatings ,簡稱TBCs)是利用陶瓷材料的耐高溫、抗腐蝕和低導(dǎo)熱性能，提高金屬熱端部件的工作溫度，增強熱端部件的抗高溫氧化能力，延長熱端部件的使用壽命，提高熱機效率的一種表面技術(shù)。熱障涂層與高溫結(jié)構(gòu)材料、高效氣冷技術(shù)被稱為先進航空發(fā)動機葉片的三大關(guān)鍵技術(shù)。熱障涂層還可以用于艦船發(fā)動機、地 面燃氣渦輪、火箭發(fā)動機等。目前，在工業(yè)上獲得廣泛應(yīng)用的熱障涂層體系由基體合金、MCrAH或Pt改性鋁化物粘結(jié)層、熱生長的氧化物(TGO)和氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)隔熱陶瓷層四部分組成，如圖I所示。大量的研究表明，這種熱障涂層的失效主要是由各層熱膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致的熱應(yīng)力不匹配所造成，其中粘結(jié)層的熱膨脹系數(shù)為14X10—6 K—1、氧化鋁TGO層的熱膨脹系數(shù)為8. 8X 10_6 Γ1，YSZ熱障陶瓷層的熱膨脹系數(shù)為12X 10_6 Γ1，導(dǎo)致熱障涂層在TGO處發(fā)生開裂與剝落(Nitin P. Padture, Maurice Gell, Eric H. Jordan, Thermal BarrierCoatings for Gas-Turbine Engine Applications, Science, (2002), 296:280-284T. S. Hille, S. Turteltaub, A. S. J. Suiker, Oxide growth and damage evolution inthermal barrier coatings, Engineering Fracture Mechanics, (2011), 78:2139 -2152.)。而且，YSZ熱障層的工作溫度不能超過1200°C，高于此溫度發(fā)生相變將導(dǎo)致YSZ體積膨脹；同時由于燒結(jié)，引起涂層致密化，將導(dǎo)致涂層的容應(yīng)變能力下降而熱應(yīng)力增大，加速涂層剝落失效(郭洪波、宮聲凱、徐惠彬，先進航空發(fā)動機熱障涂層技術(shù)研究進展，中國材料進展，2009，28 (9-10) :18-26.)。另外，由于合金粘結(jié)層與合金基體之間存在互擴散，不僅使粘結(jié)層中Al含量下降，影響到TGO中氧化鋁的生成，還會改變合金基體的成分與相結(jié)構(gòu)，使其力學(xué)性能顯著下降。特別是粘結(jié)層與單晶合金發(fā)生互擴散時，可在單晶合金中析出有害的TCP相和二次反應(yīng)區(qū)(SRZ)，導(dǎo)致單晶合金的高溫疲勞壽命大幅度下降(郭洪波、宮聲凱、徐惠彬，先進航空發(fā)動機熱障涂層技術(shù)研究進展，中國材料進展，2009，28 (9-10) :18-26.)。因此，上述傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的熱障涂層不能滿足熱端部件對更高的工作溫度、長壽命、高可靠性的需求。近年來，低熱導(dǎo)率、高相變溫度，甚至不發(fā)生相變的、抗燒結(jié)的新型熱障陶瓷的研究得到了快速的發(fā)展，如氧化物穩(wěn)定的氧化鋯、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)ABO3陶瓷、燒綠石結(jié)構(gòu)A2B2O7陶瓷、磁鐵鉛礦結(jié)構(gòu)MMeAl11O19陶瓷、螢石結(jié)構(gòu)La2Ce2O7陶瓷等(X. Q. Cao, R. Vassen,D.Stoever, Ceramic materials for thermal barrier coatings, Journal of theEuropean Ceramic Society, (2004), 24:1-10 ;劉占國、歐陽家虎、夏校良、相裙、周玉，新型稀土鋯酸鹽材料研究進展，中國材料進展，(2011)，30(1) :32-40;李志明、錢士強、王偉，熱障涂層陶瓷材料的研究現(xiàn)狀與展望，材料保護，(2011)，44(1):38-41.)。然而，新型熱障陶瓷的斷裂韌性往往比YSZ差，例如La2Zr2O7從室溫到熔點均為有序的燒綠石結(jié)構(gòu)，具有較低的熱導(dǎo)率(I. 2^1. 98 W. πΓ1. Γ1)，但其熱膨脹系數(shù)(8. 8 9. OX 10_6 Γ1)和斷裂韌性較低(劉占國、歐陽家虎、夏校良、相捃、周玉，新型稀土鋯酸鹽材料研究進展，中國材料進展，(2011)，30(1) :32-40;李志明、錢士強、王偉，熱障涂層陶瓷材料的研究現(xiàn)狀與展望，材料保護，(2011)，44(1) :38-41.)，采用圖I傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)制備的熱障涂層在高溫熱循環(huán)條件下易發(fā)生開裂與剝落。因此，如何提高新型熱障陶瓷的斷裂韌性已經(jīng)成為發(fā)展新型熱障涂層的關(guān)鍵問題之一。為了克服圖I結(jié)構(gòu)熱障涂層的缺點，發(fā)展了多層結(jié)構(gòu)、梯度結(jié)構(gòu)和雙熱障陶瓷層的熱障涂層，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中的粘結(jié)層通常仍然采用MCrAH涂層或Pt改性的鋁化物涂層。在多層結(jié)構(gòu)的熱障涂層中(圖2a)，外層的封閉層主要用于阻擋燃氣腐蝕產(chǎn)物的侵蝕；熱障陶瓷層用于阻礙熱向合金基體的傳輸；氧阻擋層則用于降低氧向涂層內(nèi)部的擴散，提高涂層的抗氧化性能(徐惠彬，宮聲凱，劉福順.航空發(fā)動機熱障涂層材料體系的研究，航空學(xué)報，(2000)，21 (I) : 7-12.)。梯度結(jié)構(gòu)的熱障涂層通常在粘結(jié)底層和熱障熱陶瓷外層之間施加具有應(yīng)力和功能梯度的過渡層(圖2b)，以降低由于金屬材料與陶瓷材料熱膨脹系數(shù)差異較大而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，提高涂層的結(jié)合強度、抗熱震能力和使用壽命。在施加雙熱障陶瓷層的熱障涂層中(圖2c)，如La2O3-Y2O3-ZrO2/YSZ、La2Zr207/YSZ 和 LaTi2Al9019/YSZ 等(Μ· Matsumoto, N. Yamaguchi, H. Matsubara,Low Thermal Conductivity and High Temperature Stability of Zr02-2Y203_2La203Coatings Produced by Electron Beam PVD, Scripta Materialia, (2004), 50: 867-871 ；R. Vassen, E.Traeger, D.Stover. New Thermal Barrier Coatings Based onPyrochlore/YSZ Double Layer Systems. International Journal of Applied CeramicTechnology, 2004 (I) : 351 - 361 ；Xie Xiaoyun, Guo Hongbo, Gong Shengkai, XuHuibin, Thermal cycling behavior and failure mechanism of LaTi2Al9019/YSZ Thermalbarrier coatings exposed to gas flame, Surface and coating technology, (2011),205:4291-4298.)，利用兩種熱障陶瓷層在相穩(wěn)定性、導(dǎo)熱率和熱膨脹系數(shù)等方面的差異，可提高熱障涂層的工作溫度、隔熱效果、抗高溫腐蝕和抗熱循環(huán)等性能。然而，所有這些熱障涂層體系都是以MCrAH涂層或Pt改性的鋁化物涂層為粘結(jié)層的，這種粘結(jié)層高溫氧化生成TGO及其所帶來的問題仍然是難以避免的。
另一方面，目前發(fā)展的熱障涂層大多數(shù)是針對高溫合金的。然而，難熔合金也需要施加熱障涂層，以適應(yīng)更高的工作溫度。因此，需要可以在更寬溫度工作的多用途熱障涂層。綜上所述，現(xiàn)有的熱障涂層由于材料和結(jié)構(gòu)的原因，在力學(xué)性能和抗高溫腐蝕性能，耐溫性，以及隔熱效果上都存在一系列有待解決的問題，迫切需要發(fā)展新結(jié)構(gòu)的熱障涂層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為一種多用途的新型復(fù)合結(jié)構(gòu)熱障涂層及其制備技術(shù)，通過彌散貴金屬微粒的增韌作用和復(fù)合結(jié)構(gòu)獲得優(yōu)異的性能。
本發(fā)明的彌散貴金屬微粒增韌復(fù)合熱障涂層由厚度為l_20mm的彌散貴金屬微粒的Al2O3-稀土氧化物構(gòu)成的復(fù)合粘結(jié)層和由厚度為100-500mm的彌散貴金屬微粒的低熱導(dǎo)陶瓷單層(圖3a)或雙層(圖3b)構(gòu)成的隔熱層構(gòu)成。復(fù)合熱障涂層中彌散貴金屬微粒為Au、Pt、含f 30%Au (質(zhì)量百分比)的Pt-Au合金和含l 20%Rh (質(zhì)量百分比)的Pt-Rh合金，彌散貴金屬微粒的尺寸在20nnT2000nm，復(fù)合熱障涂層中彌散貴金屬微粒的含量為O. 5^3% (質(zhì)量百分比)。在由彌散貴金屬微粒的Al2O3-稀土氧化物構(gòu)成的復(fù)合粘結(jié)層中，稀土氧化物的含量為O. fl% (質(zhì)量百分比)，復(fù)合粘結(jié)層的厚度為l_20mm。復(fù)合粘結(jié)層可以取代傳統(tǒng)的合金粘結(jié)層。通過彌散貴金屬微粒和稀土氧化物微粒的增韌作用，可使復(fù)合粘結(jié)層獲得優(yōu)異的結(jié)合力、抗開裂和抗剝落性能；通過復(fù)合粘結(jié)層中的可以封閉基體合金的氧化鋁對氧擴散的阻礙作用獲得優(yōu)異的抗高溫氧化性能；由于復(fù)合粘結(jié)層與基體合金之間沒有互擴散， 可以避免傳統(tǒng)合金粘結(jié)層對基體合金力學(xué)性能的影響。復(fù)合隔熱層由厚度為100-500_的彌散貴金屬微粒的低熱導(dǎo)陶瓷單層(圖3a)或雙層(圖3b)構(gòu)成。復(fù)合隔熱層采用的低導(dǎo)熱系數(shù)的陶瓷包括=Y2O3穩(wěn)定的ZrO2 (YSZ)、或CaO穩(wěn)定的ZrO2、或Nd2O3穩(wěn)定的ZrO2、或Sm2O3穩(wěn)定的ZrO2、或Er2O3穩(wěn)定的ZrO2、或MgO 穩(wěn)定的 Zr02、或 SrZr03、或 BaZr03、或 Ti2Zr07、或 CaO-CeO2 穩(wěn)定的 Zr02、或 Sc2O3-Y2O3穩(wěn)定的 ZrO2 (SYSZ)、或 La2O3-Y2O3 穩(wěn)定的 ZrO2、或 YSZ-NcU 或 YSZ-Yb、或 YSZ-Nd-Yb、或YSZ-Gd-Yb、或 YSZ-Sm-Yb、或 10mol%Y203+10mol%Ta205 的四方 ZrO2 (20YTa04Z)、或 La2Zr2O7(LZ)、或 Nd2Zr2O7、或 Sm2Zr2O7、或 Gd2Zr2O7、或 La2Ce2O7^ 或 La2Hf2O7^ 或 Pr2Hf2O7^ 或 Sm2Ti2O7^或LaTi2Al9O19,或YAG (Y3Al5O12)。通過彌散貴金屬微粒的增韌作用，可以解決熱障陶瓷層普遍韌性較差的問題；由于在復(fù)合隔熱層中彌散貴金屬微粒的含量較低，對涂層的熱導(dǎo)性能影響甚微，但通過彌散貴金屬微粒的增韌過程可在復(fù)合隔熱層中形成大量的微裂紋，可以提高涂層的隔熱效果。通過雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用兩種熱障陶瓷層在相穩(wěn)定性、導(dǎo)熱率和熱膨脹系數(shù)等方面的差異，可進一步提高熱障涂層的工作溫度、隔熱效果、抗高溫腐蝕和抗熱循環(huán)等性能。本發(fā)明的彌散貴金屬微粒增韌復(fù)合熱障涂層具有優(yōu)異的熱障效果，優(yōu)異的力學(xué)性能，對基體合金的力學(xué)性能影響極小和優(yōu)異的抗高溫腐蝕性能，以及較寬的工作溫度范圍，可用于高溫合金和難熔合金的高溫防護。本發(fā)明為制備高性能熱障涂層提供了新的技術(shù)途徑。本發(fā)明采用復(fù)合溶膠-凝膠熱壓濾燒結(jié)技術(shù)，或復(fù)合溶膠-凝膠加壓微波燒結(jié)技術(shù)，或等離子噴涂技術(shù)，制備以彌散貴金屬微粒增韌的Al2O3-稀土氧化物復(fù)合層作為抗氧化粘結(jié)層，以彌散貴金屬微粒增韌的各種低導(dǎo)熱率氧化物陶瓷單層或雙層作為隔熱層的新型復(fù)合熱障涂層。相對于對比文獻(中國發(fā)明專利何業(yè)東、王德仁、張鯤、李良堅，一種熱壓濾法制備納米和納米復(fù)合陶瓷涂層的方法，ZL200510011338.8，2006年10月25日；中國發(fā)明專利何業(yè)東、高俊國、任超、王德仁、張津，一種加壓微波燒結(jié)制備陶瓷涂層的方法，200910084729. O)，本發(fā)明新的2個技術(shù)特征是；(I)在復(fù)合溶膠-凝膠中加入了貴金屬微粒，采用熱壓濾燒結(jié)或加壓微波燒結(jié)形成彌散貴金屬微粒的復(fù)合熱障涂層；(2)在等離子噴涂的粉中摻入彌散的貴金屬微粒，采用等離子噴涂制備彌散貴金屬微粒的復(fù)合熱障涂層。
本發(fā)明的彌散貴金屬微粒增韌復(fù)合熱障涂層具有如下特性
(I)優(yōu)異的隔熱性能
在彌散貴金屬微粒增韌復(fù)合熱障陶瓷層中，貴金屬微粒的含量〈3%，對涂層的熱導(dǎo)性能影響甚微，但通過彌散貴金屬微粒的增韌過程可在復(fù)合隔熱層中形成大量的微裂紋，提高涂層的隔熱效果；本發(fā)明采用彌散貴金屬微?？梢栽鲰g熱膨脹系數(shù)低的導(dǎo)熱率小的熱障陶瓷層，因而可以顯著提高熱障涂層的隔熱性能。(2)優(yōu)異的高溫力學(xué)性能
復(fù)合熱障涂層中產(chǎn)生熱應(yīng)力時，通過貴金屬微粒的塑性變形可以吸收微裂紋擴展的能量，阻礙裂紋的擴展并松弛涂層中的應(yīng)力，貴金屬微粒還可使裂紋尖端的曲率半徑變大，使裂紋尖端發(fā)生鈍化，阻礙裂紋的擴展，顯著提高復(fù)合熱障涂層的斷裂韌性。因此，彌散貴金屬微粒增韌復(fù)合熱障陶瓷層在熱循環(huán)條件和熱沖擊下具有優(yōu)異的結(jié)合力和抗開裂、抗剝落 性能，特別是可以解決熱膨脹系數(shù)較低的熱障陶瓷層(如La2Zr2O7)抗開裂、抗剝落性能差的難題。在彌散貴金屬微粒增韌的Al2O3-稀土氧化物粘結(jié)層中，可以通過彌散貴金屬微粒和稀土氧化物微粒的協(xié)同增韌作用，避免復(fù)合粘結(jié)層的開裂與剝落，提高粘結(jié)層與合金基體、隔熱陶瓷層的結(jié)合力。由于彌散貴金屬微粒增韌的陶瓷層與合金基體之間沒有互擴散，合金中不會生成有害相，因此新型復(fù)合熱障涂層對合金基體力學(xué)性能的影響甚微，這種特性將特別有助于解決目前高溫單晶合金施加熱障涂層所面臨的問題。(3)優(yōu)異的抗高溫氧化性能
在彌散貴金屬微粒增韌的Al2O3-稀土氧化物粘結(jié)層中，不僅可以通過彌散貴金屬微粒和稀土氧化物微粒的協(xié)同增韌作用，避免復(fù)合粘結(jié)層的開裂與剝落，而且可以封閉合金基體，阻礙氧的擴散，在足夠的厚度下保護基體合金免于高溫氧化。(4)工作溫度范圍寬
彌散貴金屬微?？梢栽鲰g熔點高、導(dǎo)熱率低、具有不同熱膨脹系數(shù)的各種隔熱陶瓷層。因此，彌散貴金屬微粒增韌復(fù)合熱障陶瓷層最高工作溫度可以高達1600°C，可作為高溫合金和難熔合金(如Fe基合金、Ni基合金、Co基合金、TiAl合金、Nb基合金、Mo基合金、W基合金、Re基合金)的熱障涂層。(5)長壽命，多用途
綜合上述特性，本發(fā)明的彌散貴金屬微粒增韌復(fù)合熱障涂層可具有超長的服役壽命，可廣泛用于航空發(fā)動機、艦船發(fā)動機、地面燃氣渦輪、火箭發(fā)動機等。


圖I為傳統(tǒng)熱障涂層的結(jié)構(gòu)。圖2為三種熱障涂層結(jié)構(gòu)的示意圖其中圖2(a)為多層結(jié)構(gòu)的熱障涂層；圖2(13)為梯度結(jié)構(gòu)的熱障涂層；圖2 (C)為雙隔熱陶瓷層的熱障涂層。圖3為彌散貴金屬粒子增韌復(fù)合熱障涂層的結(jié)構(gòu)示意圖其中圖3 (a)為單隔熱陶瓷層的熱障涂層；圖3(b)為雙隔熱陶瓷層的熱障涂層。
具體實施例方式本發(fā)明的多功能的彌散貴金屬微粒的復(fù)合熱障涂層可采用3種方法制備。第I種方法采用復(fù)合溶膠-凝膠熱壓濾燒結(jié)技術(shù)
相對于對比文獻(中國發(fā)明專利何業(yè)東、王德仁、張鯤、李良堅，一種熱壓濾法制備納米和納米復(fù)合陶瓷涂層的方法，21^200510011338.8，2006年10月25日)，在Al2O3-稀土氧化物復(fù)合溶膠-凝膠中加入貴金屬微粒，均勻混合后，涂覆于高溫合金或難熔合金表面，采用熱壓濾燒結(jié)成為彌散貴金屬微粒增韌的Al2O3-稀土氧化物復(fù)合粘結(jié)層；然后在低導(dǎo)熱氧化物陶瓷粉與低導(dǎo)熱氧化物溶膠-凝膠構(gòu)成的復(fù)合溶膠-凝膠中加入貴金屬微粒，均勻混合后，涂覆于復(fù)合粘結(jié)層表面，采用熱壓濾燒結(jié)成為彌散貴金屬微粒增韌的隔熱陶瓷層；采 用同樣的方法可以在第一層隔熱陶瓷層上面制備第二層隔熱陶瓷層。第2種方法采用復(fù)合溶膠-凝膠加壓微波燒結(jié)技術(shù)
相對于對比文獻(2006年10月25日；中國發(fā)明專利何業(yè)東、高俊國、任超、王德仁、張津，一種加壓微波燒結(jié)制備陶瓷涂層的方法，200910084729. O)，在Al2O3-稀土氧化物復(fù)合溶膠-凝膠中加入貴金屬微粒，均勻混合后，涂覆于高溫合金或難熔合金表面，采用加壓微波燒結(jié)成為彌散貴金屬微粒增韌的Al2O3-稀土氧化物復(fù)合粘結(jié)層；然后在低導(dǎo)熱氧化物陶瓷粉與低導(dǎo)熱氧化物溶膠-凝膠構(gòu)成的復(fù)合溶膠-凝膠中加入貴金屬微粒，均勻混合后，涂覆于復(fù)合粘結(jié)層表面，采用加壓微波燒結(jié)成為彌散貴金屬微粒增韌的隔熱陶瓷層；采用同樣的方法可以在第一層隔熱陶瓷層上面制備第二層隔熱陶瓷層。第3種方法采用等離子噴涂技術(shù)
在等離子噴涂的粉中加摻入彌散的貴金屬微粒，采用等離子噴涂分別制備彌散貴金屬微粒增韌的Al2O3-稀土氧化物復(fù)合粘結(jié)層和彌散貴金屬微粒增韌的隔熱陶瓷單層或雙層。實施例I :熱壓濾燒結(jié)彌散Pt微粒增韌(Al2O3-YAG) /YSZ復(fù)合熱障涂層
制備Al2O3-YAG (Y3Al5O12) -Pt微粒復(fù)合溶膠_凝膠，其中固體微粒的含量為60%(質(zhì)量百分比)，溶膠-凝膠換算為氧化物的含量為40% (質(zhì)量百分比)，Pt微粒的粒徑為2(T500nm，其含量為1% (質(zhì)量百分比);YAG的含量為O. 5% (質(zhì)量百分比)。均勻混合后，涂覆于鎳基高溫合金表面，厚度控制在5_，采用熱壓濾燒結(jié)成為Al2O3-YAG-Pt復(fù)合粘結(jié)層。制備YSZ-Pt微粒復(fù)合溶膠-凝膠，其中固體微粒含量為60% (質(zhì)量百分比)，溶膠-凝膠換算為氧化物的含量為40% (質(zhì)量百分比)，Pt微粒的粒徑為2(T500nm，其含量為1% (質(zhì)量百分比)。均勻混合后，涂覆于Al2O3-YAG-Pt復(fù)合粘結(jié)層表面，厚度控制在200mm，采用熱壓濾燒結(jié)成為彌散Pt微粒增韌(Al2O3-YAG)/YSZ復(fù)合熱障涂層。彌散Pt微粒增韌(Al2O3-YAG)/YSZ復(fù)合熱障涂層在1100°C空氣環(huán)境中循環(huán)試驗1000小時，證明具有優(yōu)異的隔熱效果，以及優(yōu)異抗剝落、抗開裂、抗熱沖擊性能和抗高溫氧化性能。 實施例2 :加壓微波燒結(jié)彌散Pt_20%Au微粒增韌(Al2O3-YAG) /YSZ復(fù)合熱障涂層制備Al2O3-YAG-(Pt-20%Au)微粒復(fù)合溶膠-凝膠，其中固體微粒的含量為60% (質(zhì)量百分比)，溶膠-凝膠換算為氧化物的含量為40% (質(zhì)量百分比)，(Pt-20%Au)微粒的粒徑為2(T500nm，其含量為1% (質(zhì)量百分比)；YAG的含量為O. 5% (質(zhì)量百分比)。均勻混合后，涂覆于鎳基高溫合金表面，厚度控制在5_，采用加壓微波燒結(jié)成為Al2O3-YAG- (Pt-20%Au)復(fù)合粘結(jié)層。
-(Pt-20%Au)微粒復(fù)合溶膠-凝膠，其中固體微粒的比例為60% (質(zhì)量百分比)，溶膠-凝膠換算為氧化物的含量為40% (質(zhì)量百分比)，(Pt-20%Au)微粒的粒徑為2(T500nm，其含量為1% (質(zhì)量百分比)。均勻混合后，涂覆于Al2O3-YAG-(Pt-20%Au)復(fù)合粘結(jié)層表面，厚度控制在200mm，采用加壓微波燒結(jié)成為彌散(Pt_20%Au)微粒增韌(Al2O3-YAG)/YSZ復(fù)合熱障涂層。彌散(Pt_20%Au)微粒增韌(Al2O3-YAG)/YSZ復(fù)合熱障涂層在1100°C空氣環(huán)境中循環(huán)試驗1000小時，證明具有優(yōu)異的隔熱效果，以及優(yōu)異抗剝落、抗開裂、抗熱沖擊性能和抗高溫氧化性能。實施例3 :加壓微波燒結(jié)彌散Pt微粒增韌(Al2O3-YAG) /YSZ/La2Zr207復(fù)合熱障涂層
制備Al2O3-YAG-Pt微粒復(fù)合溶膠-凝膠，其中固體微粒的含量為60%(質(zhì)量百分比)，溶膠-凝膠換算為氧化物的含量為40% (質(zhì)量百分比)，Pt微粒的粒徑為2(T500nm，其含量為 1% (質(zhì)量百分比)；YAG的含量為0.5% (質(zhì)量百分比)。均勻混合后，涂覆于鎳基高溫合金表面，厚度控制在5mm，采用加壓微波燒結(jié)成為Al2O3-YAG-Pt復(fù)合粘結(jié)層。制備YSZ-Pt微粒復(fù)合溶膠-凝膠，其中固體微粒的含量為60% (質(zhì)量百分比)，溶膠-凝膠換算為氧化物的含量為40% (質(zhì)量百分比)，Pt微粒的粒徑為2(T500nm，其含量為1% (質(zhì)量百分比)。均勻混合后，涂覆于Al2O3-YAG-Pt復(fù)合粘結(jié)層表面，厚度控制在100mm，采用加壓微波燒結(jié)結(jié)成為彌散Pt微粒增韌(Al2O3-YAG)/YSZ復(fù)合熱障涂層。制備La2Zr2O7-Pt微粒復(fù)合溶膠-凝膠，其中固體微粒的含量為60%(質(zhì)量百分比)，溶膠-凝膠換算為氧化物的含量為40%(質(zhì)量百分比)，Pt微粒的粒徑為2(T500nm，其含量為1% (質(zhì)量百分比)。均勻混合后，涂覆于彌散Pt微粒增韌(Al2O3-YAG)/YSZ復(fù)合熱障涂層表面，厚度控制在100mm，采用加壓微波燒結(jié)成為彌散Pt微粒增韌(Al2O3-YAG)/YSZ/La2Zr207復(fù)合熱障涂層。彌散Pt微粒增韌(Al2O3-YAG)/YSZ/La2Zr207復(fù)合熱障涂層在1150°C空氣環(huán)境中循環(huán)試驗1000小時，證明具有優(yōu)異的隔熱效果，以及優(yōu)異抗剝落、抗開裂、抗熱沖擊性能和抗
高溫氧化性能。實施例4 :等離子噴涂彌散Pt微粒增韌(Al2O3-YAG) /YSZ復(fù)合熱障涂層
分別制備含量為1%(質(zhì)量百分比)Pt微粒的Al2O3-YAG-Pt粉體(其中YAG的含量為O. 5%(質(zhì)量百分比))和YSZ-Pt粉體，Pt微粒的尺寸為5(Tl000nm。采用低壓等離子噴涂，先沉積Al2O3-YAG-Pt層，其厚度為10mm，然后沉積YSZ-Pt層，其厚度為500mm，形成彌散Pt微粒增韌(Al2O3-YAG)/YSZ復(fù)合熱障涂層。等離子噴涂的彌散Pt微粒增韌(Al2O3-YAG)/YSZ復(fù)合熱障涂層在1100°C空氣環(huán)境中循環(huán)試驗1000小時，證明具有優(yōu)異的隔熱效果，以及優(yōu)異抗剝落、抗開裂、抗熱沖擊性能和抗高溫氧化性能。實施例5 :等離子噴涂彌散Pt微粒增韌(Al2O3-YAG) /YSZ/La2Zr207復(fù)合熱障涂層 分別制備含量為1%(質(zhì)量百分比)Pt微粒的Al2O3-YAG-Pt粉體(其中YAG的含量為O. 5%
(質(zhì)量百分比))、YSZ-Pt粉體和La2Zr2O7-Pt粉體，Pt微粒的尺寸為5(Tl000nm。采用低壓等離子噴涂，先沉積Al2O3-YAG-Pt層，其厚度為10mm，然后沉積YSZ-Pt層，其厚度為200mm，再沉積La2Zr2O7-Pt層，其厚度為200mm，形成彌散Pt微粒增韌(Al2O3-YAG) /YSZ/La2Zr207復(fù)合熱障涂層。等離子噴涂的彌散Pt微粒增韌(Al2O3-YAG)/YSZ/La2Zr207復(fù)合熱障涂層在1100°C空氣環(huán)境中循環(huán)試驗1000小時，證明具有優(yōu)異的隔熱效果，以及優(yōu)異抗剝落、抗開裂、抗熱沖擊性能和抗高溫氧化性能。實施例6 :等離子噴涂彌散Pt微粒增韌(Al2O3-YAG) /YSZ/LaTi2Al9019復(fù)合熱障涂層
分別制備含量為1% (質(zhì)量百分比)Pt微粒的Al2O3-YAG-Pt粉體(其中YAG的含量為
O.5% (質(zhì)量百分比))、YSZ-Pt粉體和LaTi2Al9O19-Pt粉體，Pt微粒的尺寸為5(Tl000nm。采用低壓等離子噴涂，先沉積Al2O3-YAG-Pt層，其厚度為10mm，然后沉積YSZ-Pt層，其厚度為200mm,再沉積LaTi2Al9O19-Pt層，其厚度為200mm，形成彌散Pt微粒增韌(Al2O3-YAG) /YSZ/·LaTi2Al9O19復(fù)合熱障涂層。等離子噴涂的彌散Pt微粒增韌(Al2O3-YAG)/YSZzlaTi2Al9O19復(fù)合熱障涂層在1100°C空氣環(huán)境中循環(huán)試驗1000小時，證明具有優(yōu)異的隔熱效果，以及優(yōu)異抗剝落、抗開裂、抗熱沖擊性能和抗高溫氧化性能。實施例7 :等離子噴涂彌散(Pt_10%Rh)微粒增韌(Al2O3-YAG)/YSZ/La2Zr207復(fù)合熱障涂層
分別制備含量1% (質(zhì)量百分比)(Pt-10%Rh)微粒的Al2O3-YAG-(Pt-10%Rh)粉體(其中 YAG 的含量為 O. 5% (質(zhì)量百分比))、YSZ-(Pt-10%Rh)粉體和 La2Zr2O7-(Pt_l0%Rh)粉體，(Pt-10%Rh)微粒的尺寸為5(Tl000nm。采用低壓等離子噴涂，先沉積Al2O3-YAG(Pt-10%Rh)層，其厚度為 10mm，然后沉積 YSZ-(Pt_10%Rh)層，其厚度為 200mm，再沉積 La2Zr2O7-(Pt-10%Rh)層，其厚度為 200mm，形成彌散(Pt_10%Rh)微粒增韌(Al2O3-YAG)/YSZ/La2Zr207復(fù)合熱障涂層。等離子噴涂的彌散(Pt_10%Rh)微粒增韌(Al2O3-YAG) /YSZ/La2Zr207復(fù)合熱障涂層在1200°C空氣環(huán)境中循環(huán)試驗1000小時，證明具有優(yōu)異的隔熱效果，以及優(yōu)異抗剝落、抗開裂、抗熱沖擊性能和抗高溫氧化性能。
權(quán)利要求
1.一種多用途的彌散貴金屬微粒增韌的復(fù)合熱障涂層，其特征在于復(fù)合熱障涂層由厚度為2-20mm的彌散貴金屬微粒的Al2O3-稀土氧化物構(gòu)成的復(fù)合粘結(jié)層和由厚度為100-500mm的彌散貴金屬微粒的低熱導(dǎo)陶瓷單層或雙層構(gòu)成的隔熱層構(gòu)成；彌散貴金屬微粒為Au、Pt、含質(zhì)量百分比I 30%Au的Pt-Au合金和含質(zhì)量百分比I 20%Rh的Pt-Rh合金，彌散貴金屬微粒的尺寸在20nnT2000nm，復(fù)合熱障涂層中彌散貴金屬微粒的質(zhì)量百分比含量為0. 5 3%。
2.如權(quán)利要求I所述的彌散貴金屬微粒增韌的復(fù)合熱障涂層，其特征在于在由彌散貴金屬微粒的Al2O3-稀土氧化物構(gòu)成的復(fù)合粘結(jié)層中，稀土氧化物的質(zhì)量百分比含量為0.廣1%，復(fù)合粘結(jié)層的厚度為2-20_。
3.如權(quán)利要求I所述的彌散貴金屬微粒增韌的復(fù)合熱障涂層，其特征在于復(fù)合隔熱層采用的低導(dǎo)熱系數(shù)的陶瓷包括=Y2O3穩(wěn)定的ZrO2即YSZ、或CaO穩(wěn)定的ZrO2、或Nd2O3穩(wěn)定的ZrO2、或Sm2O3穩(wěn)定的ZrO2、或Er2O3穩(wěn)定的ZrO2、或MgO穩(wěn)定的ZrO2、或SrZrO3、或 BaZr03、或 Ti2ZrO7,或 CaO-CeO2 穩(wěn)定的 ZrO2,或 Sc2O3-Y2O3 穩(wěn)定的 ZrO2 即 SYSZ,或La2O3-Y2O3 穩(wěn)定的 ZrO2、或 YSZ-Nd、或 YSZ-Yb、或 YSZ-Nd-Yb、或 YSZ-Gd-Yb、或 YSZ-Sm-Yb、或IOmoI%Y203+1OmoI%Ta205 的四方 ZrO2 即 20YTa04Z、或La2Zr2O7 即 LZ、或Nd2Zr2O7、或 Sm2Zr2O7、或 Gd2Zr2O7^ 或 La2Ce2O7^ 或 La2Hf2O7^ 或 Pr2Hf2O7^ 或 Sm2Ti2O7^ 或 LaTi2Al9O19^ 或 Y3Al5O12 即YAG。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的彌散貴金屬微粒增韌的復(fù)合熱障涂層的制備方法，其特征在于采用復(fù)合溶膠-凝膠熱壓濾法燒結(jié)技術(shù)，或復(fù)合溶膠-凝膠加壓微波燒結(jié)技術(shù)，制備以彌散貴金屬微粒增韌的Al2O3-稀土氧化物復(fù)合層作為抗氧化粘結(jié)層，以彌散貴金屬微粒增韌的各種低導(dǎo)熱率氧化物陶瓷單層或雙層作為隔熱層的復(fù)合熱障涂層。
5.如權(quán)利要求1、2或3所述的彌散貴金屬微粒增韌的復(fù)合熱障涂層的制備方法，其特征在于在等離子噴涂粉中加入了貴金屬微粒，采用等離子噴涂制備以彌散貴金屬微粒增韌的Al2O3-稀土氧化物復(fù)合層作為抗氧化粘結(jié)層，以彌散貴金屬微粒增韌的各種低導(dǎo)熱率氧化物陶瓷單層或雙層作為隔熱層的復(fù)合熱障涂層。
全文摘要
本發(fā)明一種彌散貴金屬微粒增韌復(fù)合熱障涂層及制備方法，屬于復(fù)合材料領(lǐng)域。復(fù)合熱障涂層由彌散貴金屬微粒的Al2O3-稀土氧化物構(gòu)成的復(fù)合粘結(jié)層和由彌散貴金屬微粒增韌的各種低熱導(dǎo)陶瓷單層或雙層構(gòu)成的隔熱層構(gòu)成。彌散貴金屬微粒為Au、Pt、Pt-Au合金、Pt-Rh合金，含量為0.5~3%。本發(fā)明采用復(fù)合溶膠-凝膠熱壓濾燒結(jié)技術(shù)，或復(fù)合溶膠-凝膠加壓微波燒結(jié)技術(shù)，或等離子噴涂技術(shù)制備彌散貴金屬微粒增韌復(fù)合熱障涂層，具有優(yōu)異的熱障性能、抗高溫氧化性能、抗開裂、抗剝落和抗熱沖擊性能；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使用溫度范圍寬，服役壽命長。
文檔編號C23C30/00GK102732883SQ20121020775
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月18日
發(fā)明者何業(yè)東, 張津, 李洪, 王德仁, 鄧舜杰, 馬曉旭 申請人:北京科技大學(xué)