一種等離子蒸發(fā)沉積長(zhǎng)壽命、高隔熱具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的鑭系熱障涂層陶瓷層及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種等離子蒸發(fā)沉積長(zhǎng)壽命、高隔熱具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的鑭系熱障涂層陶瓷層及其制備方法，屬于熱障涂層【技術(shù)領(lǐng)域】。所述陶瓷層材料由鑭系鋯酸鹽或鈰酸鹽構(gòu)成。所述熱障涂層包括在基體上制備得到的粘結(jié)層、第一陶瓷層和第二陶瓷層。所述第一陶瓷層為YSZ涂層。所述第二陶瓷層由鑭系鋯酸鹽或鈰酸鹽構(gòu)成。上述陶瓷層的制備方法中，真空室的壓力低于1mbar；通過(guò)調(diào)節(jié)噴涂電功率、電流、氣體流量、基體溫度、送粉率和噴涂距離等參數(shù)，可以得到微觀結(jié)構(gòu)分別是柱狀晶結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、層狀加柱狀晶結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)涂層等等的YSZ涂層和鑭系熱障涂層陶瓷層，熱障涂層服役壽命高，并且具有良好的隔熱性能。
【專利說(shuō)明】一種等離子蒸發(fā)沉積長(zhǎng)壽命、高隔熱具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的鑭系熱障涂層陶瓷層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于熱障涂層【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種新型復(fù)合多相結(jié)構(gòu)熱障涂層陶瓷層的制備方法，更具體是指用一種超低壓等離子物理氣相沉積方法制備高隔熱、長(zhǎng)壽命的新型鑭系熱障涂層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱障涂層(TBCs)是利用陶瓷材料優(yōu)越的耐高溫、抗腐蝕和低導(dǎo)熱性能，以涂層的方式將陶瓷與金屬基體相復(fù)合，提高金屬熱端部件的工作溫度，增強(qiáng)熱端部件的抗高溫氧化能力，延長(zhǎng)熱端部件的使用壽命，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的一種表面防護(hù)技術(shù)。
[0003]目前應(yīng)用最廣泛的熱障涂層陶瓷層材料是氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯(YSZ，Zr02-8wt%Y203)，但是它仍有一些缺點(diǎn)。在高于1200°C的溫度下工作時(shí)，YSZ會(huì)發(fā)生相變及燒結(jié)，從而危及TBCs的結(jié)構(gòu)完整性，導(dǎo)致涂層失效。因此YSZ難于在高于1200°C溫度下長(zhǎng)期使用。而隨著先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)向高流量、高推重比的發(fā)展，其工作溫度越來(lái)越高，可能高達(dá)1400°C，因此，一些學(xué)者開(kāi)始尋找可用于更高溫TBCs的陶瓷層材料。研究發(fā)現(xiàn)，新型鑭系熱障涂層是一種很有前景的的熱障涂層材料。在700-1200°C，具有燒綠石結(jié)構(gòu)的Gd，Eu，Sm, Nd和La的鋯酸鹽的熱導(dǎo)率大小為1.1-1.Tffm^r1,明顯低于YSZ熱導(dǎo)率，且具有良好的相穩(wěn)定性，從室溫到1500°C范圍內(nèi)穩(wěn)定無(wú)相變。具有螢石結(jié)構(gòu)的La2Ce2O7是La2O3固溶到CeO2中形成的固溶體。作為一種新 型熱障涂層材料，La2Ce2O7塊材具有非常低的熱導(dǎo)率(0.GWnT1K-1,10000C )、低比熱(0.43Jg-1IT1 )、高的熱膨脹系數(shù)(12.6 X KT6IT1, 300-1200°C )以及高溫相穩(wěn)定性而越來(lái)越受到人們的關(guān)注。
[0004]目前熱障涂層的制備方法主要有電子束物理氣相沉積和等離子噴涂技術(shù)。兩種方法各有利弊。等離子噴涂沉積技術(shù)效率高，隔熱性能好。但是涂層與基體之間為機(jī)械結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度一般，同時(shí)其層片狀結(jié)構(gòu)大大降低了涂層的應(yīng)變?nèi)菹?，?dǎo)致涂層在熱沖擊下過(guò)早剝落失效。而電子束物理氣相沉積制備的熱障涂層由于具有柱狀晶結(jié)構(gòu)，涂層具有更高的應(yīng)變?nèi)菹蓿瑹嵫h(huán)壽命比等離子噴涂涂層提高近8倍。但是該方法生產(chǎn)成本高，沉積效率很低。
[0005]等離子物理氣相沉積技術(shù)(PlasmaSpray-Physical Vapor Deposition, PS-PVD)是在物理氣相沉積與等離子噴涂方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型涂層制備方法，兼具PS和EB-PVD的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)氣相與液相復(fù)合沉積、拓展不同組織結(jié)構(gòu)的復(fù)合設(shè)計(jì)與制備，為實(shí)現(xiàn)高速低成本的高性能涂層的制備提供新的方向。
[0006]等離子物理氣相沉積技術(shù)配置IOOkW以上大功率等離子噴槍，氣體進(jìn)入電極槍內(nèi)，被電弧加熱離解成電子和離子的平衡混合物，形成等離子體，且處于高度壓縮狀態(tài)，具有極大的能量。等離子體通過(guò)噴嘴時(shí)急劇膨脹形成超音速高能量的等離子焰流。普通的真空等離子噴涂系統(tǒng)工作氣壓一般為50-200mbar，可以沉積50 μ m-2mm厚度的層狀組織結(jié)構(gòu)涂層。等離子物理氣相沉積系統(tǒng)采用了更低的氣壓(0.5-2mbar)，等離子焰流變粗變長(zhǎng)，長(zhǎng)度大于2m，直徑增加到200-400mm。等離子射流區(qū)域的延長(zhǎng)使得射流橫截面處顆粒濃度以及溫度分布相同，從而有利于噴涂離子的加速和加熱，提高噴涂離子的潤(rùn)濕程度，最終實(shí)現(xiàn)在幾何形狀復(fù)雜的工件表面獲得均勻致密的厚涂層。噴涂粉末被送入等離子火焰中迅速加熱熔化，隨后霧化成細(xì)小的熔滴，隨著等離子流噴射到零件表面上，冷卻凝固形成層狀組織結(jié)構(gòu)。同時(shí)，由于等離子火焰能量足夠高，噴涂粉末也可以被蒸發(fā)形成氣相原子，之后隨等離子流噴射到零件表面，沉積形成柱狀晶結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，等離子物理氣相沉積技術(shù)制備的柱狀晶結(jié)構(gòu)YSZ熱障涂層具有較好的抗熱腐蝕性能，其熱循環(huán)壽命明顯高于EB-PVD同種結(jié)構(gòu)涂層熱循環(huán)壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明第一個(gè)目的是提供一種熱障涂層陶瓷層材料，所述陶瓷層材料由鑭系鋯酸鹽或鈰酸鹽構(gòu)成。
[0008]本發(fā)明第二個(gè)目的是提供一種熱障涂層，包括在基體上制備得到的粘結(jié)層、第一陶瓷層和第二陶瓷層。所述第一陶瓷層為YSZ涂層。所述第二陶瓷層由鑭系鋯酸鹽或鈰酸鹽構(gòu)成。
[0009]所述的粘結(jié)層材料分為三種:Ni，Al，Dy，其組分包括(原子百分比)40-60%的Ni，39.9-59.95% 的 Al, 0.05-0.1% 的 Dy ；Ni, Pt, Al，其組分包括(原子百分比)40-60% 的 Ni,35-45% 的 Al，5-15% 的 Pt ； ；Ni,Co,Cr,Al, Y,其組分包括(重量百分比)40-60% 的 Ni，18-22%的Co，19-25%的Cr，6-8%A1，0.07-1.5%的Y ;所述的第一陶瓷層為底層，選擇氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(Zr02+^-8wt%)Y203)，第二陶瓷層為頂層，頂層為新型鑭系熱障涂層陶瓷層材料，主要為Gd，Eu, Sm, Nd和La中任意一種元素的鋯酸鹽或者La2Ce2O7材料。
[0010]優(yōu)選地，第一陶瓷層的厚度等于第二陶瓷層的厚度。
[0011]本發(fā)明第三個(gè)目的是提供一種等離子蒸發(fā)沉積長(zhǎng)壽命、高隔熱具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的鑭系熱障涂層陶瓷層的制備方法，包括下列步驟:
[0012]第一步，準(zhǔn)備基體，具體如下:
[0013](I)準(zhǔn)備高溫合金基體，分別經(jīng)200#、600#、800#砂紙打磨試樣表面，放入丙酮中進(jìn)行超聲波清洗lOmin，噴砂預(yù)處理以增加基體表面粗糙度(Ra〈2)，備用；
[0014](2)采用大氣等離子噴涂設(shè)備制備NiAlDy或者NiCoCrAH粘結(jié)層，主要工藝參數(shù)為:電流600A，電壓70V，送粉率10g/min，噴涂距離100mm，主氣流量Ar氣為2000L/h，H2氣流量為6.5L/min ;或者采用電鍍以及包埋滲的方法制備NiPtAl粘結(jié)層，主要工藝參數(shù)為:配制 Pt 的電鍍液，配方為 Pt (NH3)2 (NO2)217g/L，NH4N03100g/L, NaNO210g/L, NH40H50g/L,電鍍電流為0.5-2mA/mm2,電鍍時(shí)間為Ih，溫度90°C，之后利用包埋滲方法滲鋁，1000°C條件下保溫90min ；
[0015](3)粘結(jié)層制備完畢后取出試樣，對(duì)粘結(jié)層進(jìn)行真空熱處理:溫度1000-110(TC，時(shí)間為2-6h。第二步，在基體上制備陶瓷層，首先制備第一陶瓷層YSZ，具體步驟如下:
[0016](4)沉積陶瓷層YSZ，將基體高溫合金片裝入夾具中，然后固定到真空室內(nèi)的自動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)臺(tái)上；
[0017](5)關(guān)閉真空室，抽真空，直到真空室的壓力低于Imbar ；
[0018](6)設(shè)定噴涂電功率55kw~lOOkw，電流1800A~2500A，打開(kāi)工作氣體閥門(mén)，引弧，待電弧穩(wěn)定后，逐步調(diào)整氣體流量到指定氣體流量(Ar35slpm，He30~60slpm)；
[0019](7)利用等離子焰流加熱基體，紅外探頭探測(cè)基體溫度，加熱到指定溫度600~1000°C后，停止加熱；
[0020](8)打開(kāi)裝有YSZ粉末的送粉器A，調(diào)整送粉率5~35g/min，噴涂距離為1200~1400mm,開(kāi)始沉積YSZ涂層；
[0021](9)YSZ涂層沉積結(jié)束后，停止送粉；一般沉積時(shí)間越長(zhǎng)，涂層厚度越厚，本發(fā)明中選擇沉積時(shí)間為5min~IOmin,得到厚度為50 μ m~100 μ m的YSZ涂層。
[0022](10)沉積第二陶瓷層一新型鑭系熱障涂層陶瓷層，打開(kāi)裝有鑭系噴涂粉末的送粉器B，送粉量5~35g/min，開(kāi)始沉積新型鑭系熱障涂層；根據(jù)需要，沉積時(shí)間越長(zhǎng)涂層厚度越厚，本發(fā)明中選擇沉積時(shí)間為5~lOmin，得到第二陶瓷層厚度為50 μ m~100 μ m。
[0023]第三步，制備結(jié)束，得到含有鑭系陶瓷層的雙陶瓷層熱障涂層。附圖1為所制備的雙陶瓷層熱障涂層的結(jié)構(gòu)示意圖
[0024](11)第二陶瓷層沉積結(jié)束后，逐步減小氣體流量，滅弧；
[0025](12)待真空室冷卻后，放氣；
[0026](13)放氣結(jié)束后，打開(kāi)真空室，取出樣品，關(guān)閉設(shè)備。
[0027]本發(fā)明的第四個(gè)目的是提供一種實(shí)現(xiàn)所述的制備方法的等離子物理氣相沉積裝置，所述裝置主要由真空室、空氣過(guò)濾器、三級(jí)真空泵、送粉器、等離子噴槍以及其他輔助設(shè)備構(gòu)成，所述輔助設(shè)備包括供電系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制和操作系統(tǒng)、氣路水路系統(tǒng)和粉塵處理裝置等。所述等離子噴槍型號(hào)為MC-100，額定電功率可以達(dá)到150kW，等離子噴槍設(shè)置在真空室內(nèi)，等離子噴槍內(nèi)配有4個(gè)送粉口，分別和四個(gè)送粉器相連，所述的四個(gè)送粉器設(shè)置在真空室外，可以實(shí)現(xiàn)為真空室內(nèi)的沉積方法提供不同種類的粉末。所述的三級(jí)真空泵由I臺(tái)機(jī)械泵(抽氣能力630m3/h)和2臺(tái)羅茲泵(抽氣能力2000m3/h、4500m3/h)所組成,從而可以在IOmin中使6m3的真空室達(dá)到0.0Imbar?？諝膺^(guò)濾器設(shè)置在真空室和三級(jí)真空泵之間。
[0028]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0029]1.沉積效率高；
[0030]2.第一陶瓷層和第二陶瓷層結(jié)構(gòu)可控制，通過(guò)調(diào)整等離子物理氣相沉積裝置的各項(xiàng)工藝參數(shù)，包括噴涂電功率、基體溫度、主氣種類及流量、送粉率和工件距離等，可以將陶瓷粉末分別加熱成液、氣兩相，得到不同的微觀結(jié)構(gòu)組織:氣相沉積得到柱狀晶結(jié)構(gòu)，液相沉積得到層狀結(jié)構(gòu)，氣相和液相共同沉積會(huì)得到層狀加柱狀晶結(jié)構(gòu)，噴涂顆粒為納米結(jié)構(gòu)時(shí)，可得到納米結(jié)構(gòu)涂層等等。
[0031]3.陶瓷層中層狀涂層組織致密。
[0032]4.有效的控制了氧的污染，減少了噴涂粒子和基體的氧化，涂層結(jié)合力高。
[0033]5.等離子焰流具有非常好的繞鍍性，可在復(fù)雜工件(如雙聯(lián)或三聯(lián)導(dǎo)向葉片)表面均勻沉積涂層。
[0034]6.熱障涂層服役壽命大幅度提高。
[0035]7.熱障涂層具有良好的隔熱性能。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0036] 圖1為本發(fā)明制備的雙陶瓷層熱障涂層的結(jié)構(gòu)示意圖；[0037]圖2為本發(fā)明制得的柱狀晶結(jié)構(gòu)La2Ce2O7涂層的截面SEM照片。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖和實(shí)施案例對(duì)發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0039]實(shí)施例1:在高溫合金基體表面沉積柱狀晶結(jié)構(gòu)La2Ce207/YSZ雙陶瓷層熱障涂層，具體步驟如下:
[0040]第一步，準(zhǔn)備基體:
[0041](I)準(zhǔn)備高溫合金原片，尺寸為0 30父4臟，分別經(jīng)200#、600#、800#砂紙打磨試樣
表面,放入丙酮中進(jìn)行超聲波清洗IOmin,噴砂預(yù)處理,備用；
[0042](2)采用電鍍以及包埋滲的方法制備NiPtAl粘結(jié)層，主要工藝參數(shù)為:配制Pt的電鍍液，配方為 Pt (NH3)2 (NO2) 217g/L，NH4N03100g/L, NaNO210g/L NH40H50g/L,電鍍電流為0.5-2mA/mm2,電鍍時(shí)間為lh，溫度90°C，之后利用包埋滲方法滲鋁，1000°C條件下保溫90min。(3)對(duì)粘結(jié)層進(jìn)行真空熱處理:溫度1000-1100°C，時(shí)間為2_6h ；
[0043]第二步， 制備陶瓷層，包括第一陶瓷層和第二陶瓷層。
[0044](4)準(zhǔn)備YSZ、La2Ce2O7陶瓷層噴涂粉末；
[0045](5)沉積第一陶瓷層YSZ，啟動(dòng)等離子物理氣相沉積裝置，確保工作氣體氣路，送粉器，冷卻循環(huán)水等工作正常；
[0046](6)將基體高溫合金片裝入夾具中，然后固定到等離子物理氣相沉積裝置真空室內(nèi)的自動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)臺(tái)上。
[0047](7)關(guān)閉真空室，抽真空，直到真空室的壓力低于Imbar ；
[0048](8)調(diào)整噴涂電流為2500A，功率為lOOkw，打開(kāi)工作氣體閥門(mén)，引弧，待電弧穩(wěn)定后，逐步調(diào)整工作氣體流量到指定氣體流量(Ar35slpm，He60slpm)；
[0049](9)利用等離子焰流加熱試樣，紅外探頭探測(cè)試樣溫度，溫度到達(dá)1000°C后，停止加熱；
[0050](10)打開(kāi)裝有YSZ粉末的送粉器A，調(diào)整送粉率10g/min，開(kāi)始沉積YSZ涂層，沉積時(shí)間為IOmin,噴涂距離為1400mm,沉積厚度為100 μ m ;
[0051](Il)YSZ涂層沉積結(jié)束后，停止送粉；
[0052](12)沉積第二陶瓷層La2Ce2O7熱障涂層，打開(kāi)裝有La2Ce2O7粉末的送粉器B，送粉量10g/min，開(kāi)始沉積La2Ce2O7熱障涂層，沉積時(shí)間為lOmin，噴涂距離為1400mm，沉積厚度60 μ m0
[0053](13)陶瓷層沉積結(jié)束后，逐步減小氣體流量，滅?。?br> [0054](14)待真空室冷卻后；放氣；
[0055](15)放氣結(jié)束后，打開(kāi)真空室，取出樣品，關(guān)閉設(shè)備。
[0056]對(duì)制備好的樣品的微觀形貌、涂層厚度、隔熱性能、抗熱沖擊性能進(jìn)行測(cè)量。制備得到了雙陶瓷層的熱障涂層，其示意圖如圖1所示。通過(guò)掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)YSZ涂層厚度約為100 μ m, La2Ce2O7厚度為100 μ m ;兩者均為柱狀晶結(jié)構(gòu)涂層，圖2為制備的柱狀晶結(jié)構(gòu)La2Ce2O7涂層的截面SEM照片。這說(shuō)明噴涂粉末被送入等離子噴槍后，由于等離子火焰能量足夠高，噴涂粉末被蒸發(fā)形成氣相原子，之后隨等離子流噴射到基體表面，沉積得到柱狀晶結(jié)構(gòu)涂層。對(duì)樣品進(jìn)行熱沖擊試驗(yàn)，在表面溫度1300°C，基體溫度1000°C，保溫5min，冷卻90s的熱循環(huán)條件下，涂層熱循環(huán)壽命達(dá)到4050次，充分說(shuō)明了樣品具有良好的抗熱震性能。采用隔熱效果測(cè)試爐測(cè)試涂層隔熱效果，冷卻氣流量為2m3/h時(shí)，La2Ce207/YSZ涂層隔熱為181±5°C，冷卻氣流量為3m3/h時(shí)，La2Ce207/YSZ涂層隔熱為202±8°C，說(shuō)明涂層具有良好的隔熱效果。實(shí)施例2:在高溫合金基體表面沉積層狀結(jié)構(gòu)La2Zr207/YSZ雙陶瓷層熱障涂層
[0057]第一步，準(zhǔn)備基體。
[0058](I)準(zhǔn)備高溫合金原片，尺寸為Φ 30 X 4mm，分別經(jīng)60#砂紙打磨試樣表面，放入丙酮中進(jìn)行超聲波清洗lOmin，備用；
[0059](2)準(zhǔn)備NiAlDy粘結(jié)層噴涂粉末以及YSZ、La2Zr2O7陶瓷層粉末，
[0060](3)采用大氣等離子噴涂設(shè)備制備NiAlDy粘結(jié)層，主要工藝參數(shù)為:電流600A，電壓70V，送粉率10g/min，噴涂距離100mm，主氣流量Ar氣為2000L/h，H2氣流量為6.5L/min，沉積時(shí)間20min，沉積厚度為100 μ m ;
[0061](4)粘結(jié)層制備完畢后取出試樣，對(duì)粘結(jié)層進(jìn)行真空熱處理:溫度1000-110(TC，時(shí)間為2h ；
[0062]第二步，制備陶瓷層
[0063](5)沉積陶 瓷層YSZ，啟動(dòng)等離子物理氣相沉積裝置，確保工作氣體氣路，送粉裝置，冷卻循環(huán)水等工作正常；
[0064](6)將基體高溫合金片裝入夾具中，然后固定到等離子物理氣相沉積裝置真空室內(nèi)的自動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)臺(tái)上。
[0065](7)關(guān)閉真空室，抽真空，直到真空室的壓力低于Imbar ；
[0066](8)調(diào)整噴涂電流為1800A，功率為55kw，打開(kāi)工作氣體閥門(mén)，引弧，待電弧穩(wěn)定后，逐步調(diào)整氣體流量到指定氣體流量(Ar35slpm, He35slpm)。
[0067](9)利用等離子焰流加熱試樣，紅外探頭探測(cè)試樣溫度，溫度到達(dá)600°C后，停止加熱；
[0068](10)打開(kāi)裝有YSZ粉末的送粉器A，調(diào)整送粉率35g/min，開(kāi)始沉積YSZ涂層，沉積時(shí)間為5min,噴涂距離為1200mm,沉積厚度為70 μ m ;
[0069](Il)YSZ涂層沉積結(jié)束后，停止送粉；
[0070](12)沉積陶瓷層La2Zr2O7熱障涂層，打開(kāi)裝有La2Zr2O7粉末的送粉器B，送粉量35g/min,開(kāi)始沉積La2Zr2O7熱障涂層,沉積時(shí)間為5min,噴涂距離為1200mm,沉積厚度70 μ m0
[0071](13)陶瓷層沉積結(jié)束后，逐步減小氣體流量，滅??；
[0072](14)待真空室冷卻后；放氣；
[0073](15)放氣結(jié)束后，打開(kāi)真空室，取出樣品，關(guān)閉設(shè)備。
[0074]對(duì)制備好的樣品的微觀結(jié)構(gòu)、涂層厚度、抗熱沖擊性能以及隔熱性能進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)掃描電鏡可以發(fā)現(xiàn)，制備得到了雙陶瓷層熱障涂層，其示意圖如圖1所示。YSZ和La2Zr2O7陶瓷層均為層狀組織結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)橐环矫孢x用的等離子噴槍電功率較小，噴涂粉末被送入等離子火焰不能被氣化，加上送粉率較大，因此噴涂粉末只能被加熱熔化，霧化成細(xì)小的熔滴，隨等離子流噴射到基體表面上，冷卻凝固形成層狀組織結(jié)構(gòu)。YSZ涂層厚度約為70μπι，La2Zr2O7厚度為70 μ m ;對(duì)樣品進(jìn)行熱沖擊試驗(yàn)，在表面溫度1300°C，基體溫度1000°c，保溫5min，冷卻90s的熱循環(huán)條件下，涂層熱循環(huán)壽命達(dá)到2950次，充分說(shuō)明了樣品具有良好的抗熱震性能。采用隔熱效果測(cè)試爐測(cè)試涂層隔熱效果，冷卻氣流量為2m3/h時(shí)，La2Zr207/YSZ涂層隔熱為210±5°C，冷卻氣流量為3m3/h時(shí)，涂層隔熱為230±5°C，說(shuō)明涂層具有良好的隔熱效果。
[0075]實(shí)施例3:在高溫合金基體表面沉積柱狀晶和層狀結(jié)構(gòu)相間的Gd2Zr207/YSZ雙陶瓷層熱障涂層，
[0076]第一步，準(zhǔn)備基體合金，并在基體合金表面制備粘結(jié)層。
[0077](I)準(zhǔn)備高溫合金原片，尺寸為0 30父4臟，分別經(jīng)200#、600#、800#砂紙打磨試樣表面,放入丙酮中進(jìn)行超聲波清洗IOmin,噴砂預(yù)處理,備用；
[0078](2)準(zhǔn)備NiCoCrAlY粘結(jié)層噴涂粉末以及YSZ、Gd2Zr2O7陶瓷層粉末，
[0079](3)采用大氣等離子噴涂設(shè)備制備NiCoCrAH粘結(jié)層，主要工藝參數(shù)為:電流600A，電壓70V，送粉率10g/min，噴涂距離100mm，主氣流量Ar氣為2000L/h，H2氣流量為
6.5L/min,沉積時(shí)間20min,沉積厚度為100 μ m ；
[0080](4)粘結(jié)層制備完畢后取出試樣，對(duì)粘結(jié)層進(jìn)行真空熱處理:溫度1000-110(TC，時(shí)間為2h ；
[0081]第二步，在粘 結(jié)層表面制備第一陶瓷層，并在第一陶瓷層表面制備第二陶瓷層。
[0082](5)沉積陶瓷層YSZ，啟動(dòng)等離子物理氣相沉積裝置，確保工作氣體氣路，送粉器，冷卻循環(huán)水等工作正常；
[0083](6)將基體高溫合金片裝入夾具中，然后固定到等離子物理氣相沉積裝置的自動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)臺(tái)上。
[0084](7)關(guān)閉真空室，抽真空，直到真空室的壓力低于Imbar ；
[0085](8)調(diào)整噴涂電流為2000A，功率為65kw，打開(kāi)工作氣體閥門(mén)，引弧，待電弧穩(wěn)定后，逐步調(diào)整氣體流量到指定氣體流量(Ar35slpm, He45slpm)
[0086](9)利用等離子焰流加熱試樣，紅外探頭探測(cè)試樣溫度，溫度到達(dá)700°C后，停止加熱；
[0087](10)打開(kāi)裝有YSZ粉末的送粉器1，調(diào)整送粉率25g/min，開(kāi)始沉積YSZ涂層，沉積時(shí)間為5min,噴涂距離為1400mm,沉積厚度為50 μ m ;
[0088](Il)YSZ涂層沉積結(jié)束后，停止送粉；
[0089](12)沉積陶瓷層Gd2Zr2O7熱障涂層，打開(kāi)裝有Gd2Zr2O7粉末的送粉器，送粉率25g/min,開(kāi)始沉積Gd2Zr2O7熱障涂層,沉積時(shí)間為5min,噴涂距離為1400mm,沉積厚度50 μ m。
[0090](13)陶瓷層沉積結(jié)束后，逐步減小氣體流量，滅弧；
[0091](14)待真空室冷卻后；放氣；
[0092](15)放氣結(jié)束后，打開(kāi)真空室，取出樣品，關(guān)閉設(shè)備。
[0093]對(duì)制備好的樣品的微觀組織、涂層厚度、抗熱沖擊性能以及隔熱效果進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)掃描電鏡可以發(fā)現(xiàn)，制備得到了雙陶瓷層熱障涂層，其示意圖如圖1所示。YSZ和Gd2Zr2O7陶瓷層均為柱狀晶和層狀結(jié)構(gòu)相間。這說(shuō)明在這一工藝條件下，噴涂粉末在等離子火焰中部分蒸發(fā)形成氣態(tài)，部分粉末加熱熔化，霧化成細(xì)小的熔滴，因此冷卻凝固形成層狀和柱狀兼有的組織結(jié)構(gòu)。YSZ涂層厚度約為50 μ m, Gd2Zr2O7厚度為50 μ m ;對(duì)樣品進(jìn)行熱沖擊試驗(yàn)，在表面溫度1300°C，基體溫度1000°C，保溫5min，冷卻90s的熱循環(huán)條件下，涂層熱循環(huán)壽命循環(huán)壽命達(dá)到3550次，充分說(shuō)明了樣品具有良好的抗熱震性能。采用隔熱效果測(cè)試爐測(cè)試涂層隔熱效果，冷卻氣流量為2m3/h時(shí)，Gd2Zr207/YSZ涂層隔熱為195±7°C，冷卻氣流量為3m3/h時(shí)，涂層隔熱為219±5°C，說(shuō)明涂層具有良好的隔熱效果。
[0094]實(shí)施例4:在高溫合金基體表面沉積納米層狀結(jié)構(gòu)Gd2Zr207/YSZ雙陶瓷層熱障涂層。
[0095](I)準(zhǔn)備高溫合金原片，尺寸為Φ 30 X 4mm，分別經(jīng)60#砂紙打磨試樣表面，放入丙酮中進(jìn)行超聲波清洗lOmin，備用；
[0096](2)采用大氣等離子噴涂設(shè)備制備NiCoCrAH粘結(jié)層，主要工藝參數(shù)為:電流600A，電壓70V，送粉率10g/min，噴涂距離100mm，主氣流量Ar氣為2000L/h，H2氣流量為
6.5L/min,沉積時(shí)間20min,沉積厚度為100 μ m ；
[0097](3)粘結(jié)層制備完畢后取出試樣，對(duì)粘結(jié)層進(jìn)行真空熱處理:溫度1000-110(TC，時(shí)間為2h ；
[0098](4)準(zhǔn)備YSZ、Gd2Zr2O7納米團(tuán)聚噴涂粉末；
[0099](5)沉積陶瓷層YSZ，啟動(dòng)等離子物理氣相沉積設(shè)備，確保工作氣體氣路，送粉器，冷卻循環(huán)水等工作正常；
[0100](6)將基體高溫合金片裝入夾具中，然后固定到等離子物理氣相沉積裝置的自動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)臺(tái)上；
[0101](7)關(guān)閉真空室，抽真空，直到真空室的壓力低于Imbar ；
[0102](8)調(diào)整噴涂電流為1800A，功率為55kw，打開(kāi)工作氣體閥門(mén)，引弧，待電弧穩(wěn)定后，逐步調(diào)整氣體流量到指定氣體流量(Ar35slpm, He30slpm)；
[0103](10)利用等離子焰流加熱試樣，紅外探頭探測(cè)試樣溫度，溫度到達(dá)600°C后，停止加熱；
[0104](11)打開(kāi)裝有YSZ粉末的送粉器I，調(diào)整送粉率35g/min，開(kāi)始沉積YSZ涂層，沉積時(shí)間為5min,噴涂距離為1200mm,沉積厚度為70μηι;
[0105](12) YSZ涂層沉積結(jié)束后，停止送粉；
[0106](13)沉積陶瓷層Gd2Zr2O7熱障涂層,打開(kāi)Gd2Zr2O7送粉器,送粉量35g/min,開(kāi)始沉積Gd2Zr2O7熱障涂層，沉積時(shí)間為5min，噴涂距離為1200mm，沉積厚度70 μ m ;
[0107](14)陶瓷層沉積結(jié)束后，逐步減小氣體流量，滅??；
[0108](15)待真空室冷卻后；放氣；
[0109](16)放氣結(jié)束后，打開(kāi)真空室，取出樣品，關(guān)閉設(shè)備。
[0110]對(duì)制備好的樣品的微觀結(jié)構(gòu)、涂層厚度、抗熱沖擊性能以及隔熱性能進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)掃描電鏡可以發(fā)現(xiàn)，制備得到了雙陶瓷層熱障涂層，其示意圖如圖1所示。YSZ和Gd2Zr2O7陶瓷層均為納 米層狀結(jié)構(gòu)涂層。YSZ涂層厚度約為70 μ m, Gd2Zr2O7厚度為70 μ m ;對(duì)樣品進(jìn)行熱沖擊試驗(yàn)，在表面溫度1300°C，基體溫度1000°C，保溫5min，冷卻90s的熱循環(huán)條件下，涂層熱循環(huán)壽命循環(huán)壽命達(dá)到3850次，充分說(shuō)明了樣品具有良好的抗熱震性能。采用隔熱效果測(cè)試爐測(cè)試涂層隔熱效果，冷卻氣流量為2m3/h時(shí)，Gd2Zr207/YSZ涂層隔熱為205±7°C，冷卻氣流量為3m3/h時(shí)，涂層隔熱為229±8°C，說(shuō)明涂層具有良好的隔熱效果。
【權(quán)利要求】
1.一種等離子蒸發(fā)沉積長(zhǎng)壽命、高隔熱具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的鑭系熱障涂層陶瓷層，其特征在于:所述陶瓷層材料由鑭系鋯酸鹽或鈰酸鹽構(gòu)成，所述的鑭系鋯酸鹽為Gd，Eu, Sm, Nd和La中任意一種元素的鋯酸鹽，所述鈰酸鹽為L(zhǎng)a2Ce207。
2.一種等離子蒸發(fā)沉積長(zhǎng)壽命、高隔熱具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的鑭系熱障涂層，其特征在于:所述的熱障涂層包括在基體上制備得到的粘結(jié)層、第一陶瓷層和第二陶瓷層，所述第一陶瓷層為YSZ涂層，所述第二陶瓷層由鑭系鋯酸鹽或鈰酸鹽構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱障涂層，其特征在于:所述的粘結(jié)層材料分為三種:Ni，Al，Dy,其組分包括原子百分比為40~60%的Ni ,39.9 — 59.95%的Al ,0.05 — 0.1%的Dy ；Ni，Pt, Al,其組分包括 40 ~60% 的 Ni，35 ~45% 的 Al，5 ~15% 的 Pt ；Ni，Co, Cr, Al，Y,其組分包括重量百分比為40~60%的Ni，18~22 %的Co，19~25%的Cr，6~8%A1，0.07~1.5%的Y。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱障涂層，其特征在于:第一陶瓷層的厚度等于第二陶瓷層的厚度。
5.一種等離子蒸發(fā)沉積長(zhǎng)壽命、高隔熱具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的鑭系熱障涂層陶瓷層的制備方法，其特征在于包括下列步驟: 第一步，準(zhǔn)備基體，具體如下: (1)對(duì)高溫合金基體進(jìn)行預(yù)處理； (2)采用大氣等離子噴涂設(shè)備制備NiAlDy或者NiCoCrAH粘結(jié)層，或者采用電鍍以及包埋滲的方法制備NiPtAl粘結(jié)層； (3)對(duì)粘結(jié)層進(jìn)行真空熱處理:溫度1000-1100°C，時(shí)間為2-6h； 第二步，在基體上制備陶瓷層，首先制備第一陶瓷層YSZ，具體步驟如下: (4)沉積陶瓷層YSZ，將基體高溫合金片裝入夾具中，然后固定到真空室內(nèi)的自動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)臺(tái)上; (5)關(guān)閉真空室，抽真空，直到真空室的壓力低于Imbar； (6)設(shè)定噴涂電功率55kw~lOOkw，電流1800A~2500A，打開(kāi)工作氣體閥門(mén)，引弧，待電弧穩(wěn)定后，逐步調(diào)整氣體流量到指定氣體流量，Ar35slpm, He30~60slpm ； (7)利用等離子焰流加熱基體，紅外探頭探測(cè)基體溫度，加熱到指定溫度600~1000°C后，停止加熱； (8)打開(kāi)裝有YSZ粉末的送粉器A，調(diào)整送粉率5~35g/min，噴涂距離為1200~1400mm,開(kāi)始沉積YSZ涂層； (9)沉積時(shí)間為5min~lOmin，得到厚度為50μ m~100 μ m的YSZ涂層； (10)沉積第二陶瓷層一新型鑭系熱障涂層陶瓷層，打開(kāi)裝有鑭系噴涂粉末的送粉器B，送粉量5~35g/min，開(kāi)始沉積新型鑭系熱障涂層；沉積時(shí)間為5~lOmin，得到第二陶瓷層厚度為50 μ m~100 μ m ； 第三步，制備結(jié)束，得到含有鑭系陶瓷層的雙陶瓷層熱障涂層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:調(diào)整噴涂電流為2500A，功率為lOOkw，調(diào)整工作氣體流量Ar35slpm，He60slpm ;加熱試樣達(dá)1000°C ;調(diào)整送粉率10g/min，開(kāi)始沉積YSZ涂層，沉積時(shí)間為lOmin，噴涂距離為1400mm，沉積厚度為100 μ m ; 同樣方式制備第二陶瓷層La2Ce2O7 ;制備得到雙陶瓷層均為柱狀晶結(jié)構(gòu)涂層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:調(diào)整噴涂電流為1800A，功率為55kw，氣體流量Ar35slpm，He35slpm ;加熱基體溫度到達(dá)600°C ;調(diào)整送粉率35g/min，開(kāi)始沉積YSZ涂層，沉積時(shí)間為5min，噴涂距離為1200mm，沉積厚度為70 μ m ;同樣條件下沉積La2Zr2O7涂層；制備得到雙陶瓷層均為層狀組織結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:調(diào)整噴涂電流為2000A，功率為65kw，氣體流量Ar35slpm，He45slpm ;加熱基體溫度到達(dá)700°C ;調(diào)整送粉率25g/min，開(kāi)始沉積YSZ涂層，沉積時(shí)間為5min，噴涂距離為1400mm，沉積厚度為50 μ m ;同樣條件下沉積Gd2Zr2O7涂層；制備得到雙陶瓷層均為柱狀晶和層狀結(jié)構(gòu)相間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:調(diào)整噴涂電流為1800A，功率為55kw，氣體流量Ar35slp m，He30slpm ;加熱基體溫度到達(dá)600°C ;調(diào)整送粉率35g/min，開(kāi)始沉積YSZ涂層，沉積時(shí)間為5min，噴涂距離為1200mm，沉積厚度為70 μ m ;同樣條件下沉積Gd2Zr2O7涂層；制備得到雙陶瓷層均為納米層狀結(jié)構(gòu)涂層。
【文檔編號(hào)】C23C14/06GK103966539SQ201410143978
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】郭洪波, 高麗華, 魏亮亮, 李晨祎, 宮聲凱, 徐惠彬 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)