復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種復(fù)合材料及其制備方法，該復(fù)合材料包括：基體；粘結(jié)層，所述粘結(jié)層形成于所述基體的表面上；第一陶瓷層，所述第一陶瓷層形成于所述粘結(jié)層的表面上；以及第二陶瓷層，所述第二陶瓷層形成于所述第一陶瓷層的表面上，其中，所述第一陶瓷層含有5.66wt％的陶瓷纖維、7.55wt％的Y2O3和86.79wt％的ZrO2，所述第二陶瓷層含有5.66wt％的陶瓷纖維、7.55wt％的La2O3、6.94wt％的Y2O3和79.85wt％的ZrO2該復(fù)合材料具有優(yōu)良的抗熱震性能，從而使得其使用壽命明顯提高。
【專利說明】復(fù)合材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域，具體而言，本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 熱障涂層沉積在耐高溫金屬或超合金的表面，能在高溫載荷下，形成沿涂層厚度 的高溫梯度，減弱向基體的傳熱，降低基體的工作溫度，提高基體的抗高溫氧化、抗腐蝕和 抗磨損性能，對基底材料起到隔熱作用。熱障涂層是目前可以大幅度提高航空發(fā)動機工作 溫度的一種切實可行的方法。曹學(xué)強等人對熱障涂層研究多年后提出了雙陶瓷層熱障涂層 的概念，這種設(shè)計可以綜合兩種不同材料的優(yōu)點而克服它們的缺點，可以大大延長涂層的 熱循環(huán)壽命，并能提高涂層的使用溫度，這是未來發(fā)展使用溫度超過1473K的高溫?zé)嵴贤?層的最有效途徑?？萍既請笕涨皥蟮溃锌圃洪L春應(yīng)化所在熱障涂層的設(shè)計思路、失效機理 以及新型熱障涂層材料研發(fā)等方面取得重要進展，設(shè)計并成功制備出了使用溫度> 1250°C 的雙陶瓷層熱障涂層材料。
[0003] 然而，目前關(guān)于雙陶瓷層熱障涂層材料的研究國內(nèi)外還處于初步發(fā)展階段，因此， 對于如何獲得優(yōu)良性能的涂層還有待進一步研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明的 一個目的在于提出一種復(fù)合材料及其制備方法，該復(fù)合材料具有優(yōu)良的抗熱震性能，從而 使得其使用壽命明顯提高。
[0005] 在本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提出了一種復(fù)合材料，包括：
[0006]基體；
[0007] 粘結(jié)層，所述粘結(jié)層形成于所述基體的表面上；
[0008] 第一陶瓷層，所述第一陶瓷層形成于所述粘結(jié)層的表面上；以及
[0009] 第二陶瓷層，所述第二陶瓷層形成于所述第一陶瓷層的表面上，
[0010] 其中，
[0011] 所述第一陶瓷層含有5. 66wt %的陶瓷纖維、7. 55wt %的Y203和86. 79wt %的Zr02，
[0012] 所述第二陶瓷層含有5. 66wt%的陶瓷纖維、7. 55wt%的La203、6. 94wt%的Y203和 79. 85wt% 的 Zr02。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明實施例的復(fù)合材料具有優(yōu)良的抗熱震性能，從而顯著提高其使用壽 命。
[0014] 另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的復(fù)合材料還可以具有如下附加的技術(shù)特征：
[0015] 在本發(fā)明的一些實施例中，所述基體含有Cr、Ni和Ti。
[0016] 在本發(fā)明的一些實施例中，所述粘結(jié)層為NiCrCoAl合金。
[0017] 在本發(fā)明的一些實施例中，所述NiCrCoAl合金含有：4. 0?8. Owt %的A1 ; 16. 0? 20.(^七％的0;10.0?12.(^七％的(：〇;以及剩余的·。
[0018] 在本發(fā)明的一些實施例中，所述復(fù)合材料進一步包括第一過渡層，所述第一過 渡層形成于所述粘結(jié)層和所述第一陶瓷層之間，并且所述第一過渡層含有50wt %的所 述NiCrCoAl合金和50wt%的第一粉末，其中所述第一粉末含有5. 66wt%的陶瓷纖維、 7. 55wt%的Y203和86. 79wt%的Zr02。由此，可以緩解第一陶瓷層與粘結(jié)層因熱膨脹系數(shù) 不同而引起的熱應(yīng)力，從而延長整個涂層的的使用壽命。
[0019] 在本發(fā)明的一些實施例中，所述復(fù)合材料進一步包括第二過渡層，所述第二過渡 層形成于所述第一陶瓷層和所述第二陶瓷層之間，并且所述第二過渡層含有50wt%的所述 第一粉末和50wt%的第二粉末，其中所述第二粉末含有5. 66wt%的陶瓷纖維、7. 55wt%的 La203、6. 94wt %的Y203和79. 85wt %的Zr02。由此，可以緩解第一陶瓷層與第二陶瓷層因熱 膨脹系數(shù)不同而引起的熱應(yīng)力，從而延長整個涂層的的使用壽命。
[0020] 在本發(fā)明的一些實施例中，所述粘結(jié)層、所述第一過渡層、所述第一陶瓷層、所述 第二過渡層和所述第二陶瓷層的厚度分別獨立的為100?150微米。由此，可以進一步提 高復(fù)合材料的抗熱震性能。
[0021] 在本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明提出了一種制備上述復(fù)合材料的方法，包括：
[0022] (1)提供基體；
[0023] (2)利用溶膠-凝膠法和靜電紡絲制備陶瓷纖維；
[0024] (3)采用高能球磨機將所述陶瓷纖維分別與第一陶瓷粉末和第二陶瓷粉末進行混 合，以便分別得到第一混合物和第二混合物；
[0025] (4)利用等離子噴涂，在所述基體表面噴涂NiCrCoAl合金，以便在所述基體表面 形成粘結(jié)層；
[0026] (5)利用等離子噴涂，在所述粘結(jié)層表面噴涂所述第一混合物，以便在所述粘結(jié)層 的表面上形成第一陶瓷層；以及
[0027] (6)利用等離子噴涂，在所述第一陶瓷層表面噴涂所述第二混合物，以便在所述第 一陶瓷層表面形成第二陶瓷層，進而得到所述復(fù)合材料。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明實施例的制備復(fù)合材料的方法通過將陶瓷纖維分別與第一陶瓷粉末 和第二陶瓷粉末進行混合后進行等離子噴涂，達到對第一陶瓷層和第二陶瓷層增強的目 的，從而使得所得復(fù)合材料抗熱震性能顯著提高，進而提高其使用壽命。
[0029] 另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的制備復(fù)合材料的方法還可以具有如下附加的技術(shù) 特征：
[0030] 在本發(fā)明的一些實施例中，在步驟（2)中，所述制備陶瓷纖維的步驟進一步包括： 將硝酸釔、氯氧化鋯、聚乙烯吡咯烷酮混合溶解制備溶膠溶液；將所述溶膠溶液加入到注射 器中，并在電壓為20KV的條件下，以0. 5ml/h的推進速度進行靜電紡絲，以便得到前軀體纖 維；以及將所述前軀體纖維以5攝氏度/分鐘的升溫速率從室溫升至550攝氏度并保溫0. 5 小時，以便獲得所述陶瓷纖維。由此，可以有效制備得到陶瓷纖維。
[0031] 在本發(fā)明的一些實施例中，所述第一陶瓷粉末含有Y2〇3和Zr0 2，所述第二陶瓷粉 末含有 La203、Y203 和 Zr02。
[0032] 在本發(fā)明的一些實施例中，所述第一陶瓷粉末和所述第二陶瓷粉末與所述陶瓷纖 維混合質(zhì)量比分別獨立地為100:6。由此，可以顯著增強第一陶瓷層和第二陶瓷層。
[0033] 在本發(fā)明的一些實施例中，在步驟（4)、（5)和（6)中，所述等離子噴涂分別獨立地 在電壓為60?70V、電流為500?600A、噴涂距離為100?150_、主氣流量為50?60L/ min、輔氣流量為17?30L/min、載氣流量為6. 13L/min、送粉速率為19?20L/min、噴槍移 動速度為l〇〇mm/S和步距為3. 2mm的條件下進行的。由此，可以有效依次在基體表面上形 成粘結(jié)層、第一陶瓷層和第二陶瓷層。
[0034] 在本發(fā)明的一些實施例中，在所述利用等離子噴涂，在所述粘結(jié)層表面噴涂所述 第一混合物，以便在所述粘結(jié)層的表面上形成第一陶瓷層之前，預(yù)先在所述粘結(jié)層表面形 成第一過渡層。由此，可以緩解第一陶瓷層與粘結(jié)層因熱膨脹系數(shù)不同而引起的熱應(yīng)力，從 而延長整個涂層的的使用壽命。
[0035] 在本發(fā)明的一些實施例中，在所述利用等離子噴涂，在所述第一陶瓷層表面噴涂 所述第二混合物，以便在所述第一陶瓷層表面形成第二陶瓷層之前，預(yù)先在所述第一陶瓷 層表面形成第二過渡層。由此，可以緩解第一陶瓷層與第二陶瓷層因熱膨脹系數(shù)不同而引 起的熱應(yīng)力，從而延長整個涂層的的使用壽命。
[0036] 在本發(fā)明的一些實施例中，在利用等離子噴涂在所述基體表面噴涂NiCrCoAl合 金，以便在所述基體表面形成粘結(jié)層之前，預(yù)先對所述基體依次進行打磨、除油和粗化，其 中，所述打磨是利用砂紙進行的，所述除油是利用無水乙醇和丙酮進行的，所述粗化是在噴 砂電壓為〇. 8MPa、噴砂距離為10厘米和噴砂角度為90度的條件下噴60#白剛玉進行的。 由此，可以顯著提高基體與涂層之間的結(jié)合力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037] 圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 圖2是根據(jù)本發(fā)明又一個實施例的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039] 圖3是根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040] 圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的制備復(fù)合材料的方法流程示意圖；
[0041] 圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的制備復(fù)合材料的方法得到的陶瓷纖維SEM圖；
[0042] 圖6是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的制備復(fù)合材料的方法中使用的靜電紡絲裝置結(jié) 構(gòu)示意圖；
[0043] 圖7是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的制備復(fù)合材料的方法中球磨纖維的SEM圖；
[0044] 圖8是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的制備復(fù)合材料的方法得到的復(fù)合材料的表面纖 維分布SEM圖；
[0045] 圖9是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的制備復(fù)合材料的方法得到的復(fù)合材料的界面SEM 圖；
[0046] 圖10是根據(jù)本發(fā)明又一個實施例的制備復(fù)合材料的方法流程示意圖；
[0047] 圖11是根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的制備復(fù)合材料的方法流程示意圖；
[0048] 圖12是根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的制備復(fù)合材料的方法流程示意圖；
[0049] 圖13是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的制備復(fù)合材料的方法得到的復(fù)合材料進行253 次循環(huán)水淬后表面裂紋SHM圖；
[0050] 圖14是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的制備復(fù)合材料的方法得到的復(fù)合材料進行253 次循環(huán)水淬后纖維脫落后的SEM圖。

【具體實施方式】
[0051] 下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0052] 在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語"中心"、"縱向"、"橫向"、"長度"、"寬度"、 "厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"堅直"、"水平"、"頂"、"底" "內(nèi)"、"外"、"順時 針"、"逆時針"、"軸向"、"徑向"、"周向"等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或 位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必 須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0053] 此外，術(shù)語"第一"、"第二"僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性 或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或 者隱含地包括至少一個該特征。在本發(fā)明的描述中，"多個"的含義是至少兩個，例如兩個， 三個等，除非另有明確具體的限定。
[0054] 在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語"安裝"、"相連"、"連接"、"固定"等 術(shù)語應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連 接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi) 部的連通或兩個元件的相互作用關(guān)系，除非另有明確的限定。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。
[0055] 在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征"上"或"下"可以 是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在 第二特征"之上"、"上方"和"上面"可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示 第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"可以是 第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0056] 在本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提出了一種復(fù)合材料。下面參考圖1-3對本發(fā)明實 施例的復(fù)合材料進行詳細描述。根據(jù)本發(fā)明的實施例，該復(fù)合材料包括基體1〇〇、粘結(jié)層 200、第一陶瓷層300和第二陶瓷層400。根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，粘結(jié)層200形成于基體 100的表面上，第一陶瓷層300形成于粘結(jié)層200的表面上，第二陶瓷層400形成于第一陶 瓷層300的表面上。
[0057] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，基體的具體種類并不受特別限制，根據(jù)本發(fā)明的具體 實施例，基體可以為lCrl8Ni9Ti，根據(jù)本發(fā)明的具體示例，lCrl8Ni9Ti的成分可以為： C 彡 0· 12wt%、Si 彡 1. 00wt%、Mn 彡 2. 00wt%、S 彡 0· 030wt%、P 彡 0· 035wt%、17. 00 ? 19. OOwt%的 Cr、8. 00 ?11. OOwt%的 Ni、5(C-0. 02)?0· 8wt%的 Ti。根據(jù)本發(fā)明的實施 例，粘結(jié)層的具體類型并不受特別限制，根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，粘結(jié)層可以為NiCrCoAl 合金，根據(jù)本發(fā)明的具體示例，NiCrCoAl合金可以含有：4. 0?8. Owt %的A1 ;16. 0? 20. Owt%的Cr ;10. 0?12. Owt%的Co ;以及剩余的Ni。根據(jù)本發(fā)明的實施例，粘結(jié)層的厚 度并不受特別限制，根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，粘結(jié)層的厚度可以為1〇〇?150微米。發(fā)明 人發(fā)現(xiàn)，若粘結(jié)層過厚，不僅增加涂層制備成本而且熱生長應(yīng)力會增加，影響涂層性能；而 粘結(jié)層過薄，起不到粘接作用和抗氧化作用，導(dǎo)致涂層性能下降。由此，該厚度范圍的粘結(jié) 層可以顯著提高陶瓷層與基體材料的結(jié)合力以及抗氧化作用。
[0058] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，第一陶瓷層可以含有5. 66wt %的陶瓷纖維、7. 55wt %的 Y203和86. 79wt%的Zr02。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過在第一陶瓷層中添加陶瓷纖維可以顯著增強 復(fù)合材料的抗熱震性能，并且可以有效避免由于材料的不同而導(dǎo)致的熱膨脹系數(shù)差異較大 而導(dǎo)致的性能降低，同時發(fā)明人通過大量實驗意外發(fā)現(xiàn)，該配方的第一陶瓷層的抗熱震性 能最佳。根據(jù)本發(fā)明的實施例，第一陶瓷層的厚度并不受特別限制，根據(jù)本發(fā)明的具體實施 例，第一陶瓷層的厚度可以為100?150微米。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，若第一陶瓷層過厚，涂層表面 容易燒結(jié)，使得涂層內(nèi)部熱應(yīng)力增加，導(dǎo)致早期失效；而第一陶瓷層過薄，起不到保護基體 的作用。由此，該厚度范圍的第一陶瓷層可以顯著提高復(fù)合材料的抗熱震性能。
[0059] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，第二陶瓷層可以含有5. 66wt %的陶瓷纖維、7. 55wt %的 La203、6. 94wt %的Y203和79. 85wt %的Zr02。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過在第二陶瓷層中添加陶瓷纖 維亦可以顯著增強復(fù)合材料的熱震性能，并且亦可以有效避免由于材料的不同而導(dǎo)致的熱 膨脹系數(shù)差異較大而導(dǎo)致的性能降低，同時發(fā)明人通過大量實驗意外發(fā)現(xiàn)，該配方的第二 陶瓷層的抗熱震性能最佳。根據(jù)本發(fā)明的實施例，第二陶瓷層的厚度并不受特別限制，根據(jù) 本發(fā)明的具體實施例，第二陶瓷層的厚度可以為100?150微米。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，若第二陶瓷 層過厚，涂層表面容易燒結(jié)，使得涂層內(nèi)部熱應(yīng)力增加，導(dǎo)致早期失效；而第二陶瓷層過薄， 起不到保護基體的作用。由此，該厚度范圍的第二陶瓷層可以顯著提高復(fù)合材料的抗熱震 性能。
[0060] 參考圖2,本發(fā)明實施例的復(fù)合材料進一步包括第一過渡層500。根據(jù)本發(fā)明的 實施例，第一過渡層500形成于粘結(jié)層200和第一陶瓷層300之間，并且第一過渡層500 含有50wt %的NiCrCoAl合金和50wt %的第一粉末，其中第一粉末5. 66wt %的陶瓷纖維、 7. 55wt%的Y203和86. 79wt%的Zr02。具體地，第一過渡層連接第一陶瓷層與粘結(jié)層，可以 緩解第一陶瓷層與粘結(jié)層因熱膨脹系數(shù)不同而引起的熱應(yīng)力，從而延長整個涂層的的使用 壽命。根據(jù)本發(fā)明的實施例，第一過渡層的厚度并不受特別限制，根據(jù)本發(fā)明的具體實施 例，第一過渡層的厚度可以為100?150微米。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，若第一過渡層過厚，涂層表面 容易燒結(jié)，使得涂層內(nèi)部熱應(yīng)力增加，導(dǎo)致早期失效；而第一過渡層過薄，起不到保護基體 的作用。由此，該厚度范圍的第一過渡層可以顯著提高復(fù)合材料的抗熱震性能。
[0061] 參考圖3,本發(fā)明實施例的復(fù)合材料進一步包括第二過渡層600。根據(jù)本發(fā)明的 實施例，第二過渡層600形成于第一陶瓷層300和第二陶瓷層400之間，并且第二過渡層 含有50wt%的第一粉末和50wt%的第二粉末，其中第二粉末含有5. 66wt%的陶瓷纖維、 7. 55wt %的La203、6. 94wt %的Y203和79. 85wt %的Zr02。具體地，第二過渡層連接第一陶瓷 層與第二陶瓷層，可以緩解第一陶瓷層與第二陶瓷層因熱膨脹系數(shù)不同而引起的熱應(yīng)力， 從而延長整個涂層的的使用壽命。根據(jù)本發(fā)明的實施例，第二過渡層的厚度并不受特別限 制，根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，第二過渡層的厚度可以為100?150微米。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，若 第二過渡層過厚，涂層表面容易燒結(jié)，使得涂層內(nèi)部熱應(yīng)力增加，導(dǎo)致早期失效；而第二過 渡層過薄，起不到保護基體的作用。由此，該厚度范圍的第二過渡層可以顯著提高復(fù)合材料 的抗熱震性能。
[0062] 在本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明提出了一種制備上述復(fù)合材料的方法。下面參考 圖4?12對本發(fā)明實施例的制備復(fù)合材料的方法進行詳細描述。根據(jù)本發(fā)明的實施例，該 方法包括：
[0063] SI00 :提供基體
[0064] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，基體的具體種類并不受特別限制，根據(jù)本發(fā)明的具體 實施例，基體可以為lCrl8Ni9Ti，根據(jù)本發(fā)明的具體示例，lCrl8Ni9Ti的成分可以為： C 彡 0· 12wt%、Si 彡 1. 00wt%、Mn 彡 2. 00wt%、S 彡 0· 030wt%、P 彡 0· 035wt%、17. 00 ? 19. OOwt%的 Cr、8. 00 ?11. OOwt%的 Ni、5(C-0. 02)?0· 8wt%的 Ti。
[0065] S200 :制備陶瓷纖維
[0066] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，可以利用溶膠-凝膠法和靜電紡絲制備陶瓷纖維。該步驟 中首先將氯氧化鋯（ZrOCl2 · 8H20)與硝酸釔（Υ(Ν03)3 · 6H20)在燒杯中混合，加入去離子 水，攪拌溶解，待氯氧化鋯與硝酸釔全部溶解，溶液澄清后加入聚乙烯吡咯烷酮（PVP，K30)， 然后磁力攪拌至混合溶液澄清透明，以便得到溶膠溶液；然后溶膠溶液加到注射器針管中， 調(diào)節(jié)電壓為20KV，接收裝置與注射器針尖之間的距離為10cm，注射泵的推進速度保持在 0. 5ml/h進行靜電紡絲，從而得到前軀體纖維；最后將得到的前軀體纖維放入干燥皿中保 持一段時間后放置馬弗爐中以5攝氏度/分鐘的升溫速率從室溫升至550攝氏度并保溫 0. 5小時，隨后自然冷卻至室溫，即可得到陶瓷纖維（如圖5)。具體的，如圖6所示，靜電紡 絲裝置包括推進式注射泵10、注射器20、高壓電源30和接收裝置40,接收裝置上鋪設(shè)一層 鋁箔紙，便于收集纖維，高壓電源連接注射器針尖與接收裝置，同時接收裝置接地。
[0067] S300 :將陶瓷纖維分別與第一陶瓷粉末和第二陶瓷粉末混合
[0068] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，將以上所得到的陶瓷纖維分別與第一陶瓷粉末和第二陶瓷 粉末進行混合，從而可以分別獲得第一混合物和第二混合物。根據(jù)本發(fā)明的實施例第一陶 瓷粉末和第二陶瓷粉末的成分并不受特別限制，根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，第一陶瓷粉末 可以含有Y 2〇3和Zr02，第二陶瓷粉末可以含有La203、Y 203和Zr02。根據(jù)本發(fā)明的實施例，第 一陶瓷粉末和第二陶瓷粉末分別與陶瓷纖維混合的比例并不受特別限制，根據(jù)本發(fā)明的具 體實施例，第一陶瓷粉末和第二陶瓷粉末與陶瓷纖維混合的質(zhì)量比可以分別獨立地為100 : 6。發(fā)明人通過大量實驗意外發(fā)現(xiàn)，該混合比例混合得到的第一混合物和第二混合物在后續(xù) 步驟中進行噴涂復(fù)合材料的抗熱震性能最佳。該步驟中，具體地，采用高能球磨機，先將陶 瓷纖維放入球磨罐中，球磨2min后（如圖7)，取出鋼球，分別加入第一陶瓷粉末和第二陶瓷 粉末，然后機械混合lmin，即可分別得到第一混合物和第二混合物。
[0069] S400 :基體表面形成粘結(jié)層
[0070] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，利用等離子噴涂，在基體表面噴涂NiCrCoAl合金，從而可 以在基體表面形成粘結(jié)層。根據(jù)本發(fā)明的實施例，NiCrCoAl合金可以含有：4. 0?8. Owt % 的A1 ;16.0?20.0wt%的Cr ;10·0?12.0wt%的Co ;以及剩余的Ni。根據(jù)本發(fā)明的實施 例，粘結(jié)層的厚度并不受特別限制，根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，粘結(jié)層的厚度可以為100? 150微米。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，若粘結(jié)層過厚，不僅增加涂層制備成本而且熱生長應(yīng)力會增加，影 響涂層性能；而粘結(jié)層過薄，起不到粘接作用和抗氧化作用，導(dǎo)致涂層性能下降。由此，該厚 度范圍的粘結(jié)層可以顯著提高陶瓷層與基體材料的結(jié)合力以及抗氧化作用。該步驟中，具 體地，等離子噴涂可以在電壓為60?70V、電流為500?600A、噴涂距離為100?150mm、 主氣流量為50?60L/min、輔氣流量為17?30L/min、載氣流量為6. 13L/min、送粉速率為 19?20L/min、噴槍移動速度為100mm/s和步距為3. 2mm的條件下進行。
[0071] S500:形成第一陶瓷層
[0072] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，利用等離子噴涂，在粘結(jié)層表面噴涂第一混合物，從而在粘 結(jié)層的表面上形成第一陶瓷層。根據(jù)本發(fā)明的實施例，第一陶瓷層可以含有5. 66wt%的陶 瓷纖維、7. 55wt%的Y203和86. 79wt%的Zr02。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過在第一陶瓷層中添加陶瓷 纖維可以顯著增強復(fù)合材料的抗熱震性能，并且可以有效避免由于材料的不同而導(dǎo)致的熱 膨脹系數(shù)差異較大而導(dǎo)致的性能降低，同時發(fā)明人通過大量實驗意外發(fā)現(xiàn)，該配方的第一 陶瓷層的抗熱震性能最佳。根據(jù)本發(fā)明的實施例，第一陶瓷層的厚度并不受特別限制，根據(jù) 本發(fā)明的具體實施例，第一陶瓷層的厚度可以為100?150微米。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，若第一陶瓷 層過厚，涂層表面容易燒結(jié)，使得涂層內(nèi)部熱應(yīng)力增加，導(dǎo)致早期失效；而第一陶瓷層過薄， 起不到保護基體的作用。由此，該厚度范圍的第一陶瓷層可以顯著提高復(fù)合材料的抗熱震 性能。該步驟中，具體地，等離子噴涂工藝參數(shù)同S400。
[0073] S600 :形成第二陶瓷層
[0074] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，利用等離子噴涂，在第一陶瓷層表面噴涂第二混合物，從而 在第一陶瓷層表面形成第二陶瓷層，進而得到復(fù)合材料（如圖8和圖9)。根據(jù)本發(fā)明的 實施例，第二陶瓷層可以含有5. 66wt %的陶瓷纖維、7. 55wt %的La203、6. 94wt %的Y203和 79. 85wt%的Zr02。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過在第二陶瓷層中添加陶瓷纖維亦可以顯著增強復(fù)合材 料的熱震性能，并且亦可以有效避免由于材料的不同而導(dǎo)致的熱膨脹系數(shù)差異較大而導(dǎo)致 的性能降低，同時發(fā)明人通過大量實驗意外發(fā)現(xiàn)，該配方的第二陶瓷層的抗熱震性能最佳。 根據(jù)本發(fā)明的實施例，第二陶瓷層的厚度并不受特別限制，根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，第二 陶瓷層的厚度可以為100?150微米。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，若第二陶瓷層過厚，涂層表面容易燒結(jié)， 使得涂層內(nèi)部熱應(yīng)力增加，導(dǎo)致早期失效；而第二陶瓷層過薄，起不到保護基體的作用。由 此，該厚度范圍的第二陶瓷層可以顯著提高復(fù)合材料的抗熱震性能。該步驟中，具體地，等 離子噴涂工藝參數(shù)同S400。
[0075] 根據(jù)本發(fā)明實施例的制備復(fù)合材料的方法充分結(jié)合了溶膠-凝膠法、靜電紡絲技 術(shù)、等離子噴涂技術(shù)，制備過程科學(xué)合理，并且通過將陶瓷纖維分別與第一陶瓷粉末和第二 陶瓷粉末進行混合后進行等離子噴涂，達到對第一陶瓷層和第二陶瓷層增強的目的，從而 使得所得復(fù)合材料抗熱震性能顯著提高，進而提高其使用壽命。
[0076] 參考圖10,本發(fā)明實施例的制備復(fù)合材料的方法進一步包括：
[0077] S700 :粘結(jié)層表面形成第一過渡層
[0078] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，在利用等離子噴涂，在粘結(jié)層表面噴涂第一混合物，以便在 粘結(jié)層的表面上形成第一陶瓷層之前，預(yù)先在粘結(jié)層表面形成第一過渡層。根據(jù)本發(fā)明的 實施例，第一過渡層可以含有50wt %的NiCrCoAl合金和50wt %的第一粉末，其中第一粉末 含有5. 66wt %的陶瓷纖維、7. 55wt %的Y203和86. 79wt %的Zr02。具體地，第一過渡層連接 第一陶瓷層與粘結(jié)層，可以緩解第一陶瓷層與粘結(jié)層因熱膨脹系數(shù)不同而引起的熱應(yīng)力， 從而延長整個涂層的的使用壽命。根據(jù)本發(fā)明的實施例，第一過渡層的厚度并不受特別限 制，根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，第一過渡層的厚度可以為100?150微米。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，若 第一過渡層過厚，涂層表面容易燒結(jié)，使得涂層內(nèi)部熱應(yīng)力增加，導(dǎo)致早期失效；而第一過 渡層過薄，起不到保護基體的作用。由此，該厚度范圍的第一過渡層可以顯著提高復(fù)合材料 的抗熱震性能。
[0079] 參考圖11，本發(fā)明實施例的制備復(fù)合材料的方法進一步包括：
[0080] S800 :第一陶瓷層表面形成第二過渡層
[0081] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，在利用等離子噴涂，在第一陶瓷層表面噴涂第二混合物，以 便在第一陶瓷層表面形成第二陶瓷層之前，預(yù)先在第一陶瓷層表面形成第二過渡層。根據(jù) 本發(fā)明的實施例，第二過渡層可以含有50wt %的第一粉末和50wt %的第二粉末，其中第二 粉末含有 5. 66wt % 的陶瓷纖維、7. 55wt % 的 La203、6. 94wt % 的 Y203 和 79. 85wt % 的 Zr02。 具體地，第二過渡層連接第一陶瓷層與第二陶瓷層，可以緩解第一陶瓷層與第二陶瓷層因 熱膨脹系數(shù)不同而引起的熱應(yīng)力，從而延長整個涂層的的使用壽命。根據(jù)本發(fā)明的實施例， 第二過渡層的厚度并不受特別限制，根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，第二過渡層的厚度可以為 100?150微米。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，若第二過渡層過厚，涂層表面容易燒結(jié)，使得涂層內(nèi)部熱應(yīng)力 增加，導(dǎo)致早期失效；而第二過渡層過薄，起不到保護基體的作用。由此，該厚度范圍的第二 過渡層可以顯著提高復(fù)合材料的抗熱震性能。
[0082] 參考圖12,本發(fā)明實施例的制備復(fù)合材料的方法進一步包括：
[0083] S900 :對基體進行打磨、除油和粗化
[0084] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，在利用等離子噴涂在基體表面噴涂NiCrCoAl合金，以便在 基體表面形成粘結(jié)層之前，預(yù)先對基體依次進行打磨、除油和粗化。該步驟中，首先利用砂 紙對基體表面進行打磨，以去除基體表面的氧化層，使得基體表面平整光亮，然后使用無水 乙醇和丙酮依次對基體進行清洗，最后對基體進行噴砂粗化。具體地，噴砂粗化是在噴砂電 壓為0. 8MPa、噴砂距離為10厘米和噴砂角度為90度的條件下在基體表面噴60#白剛玉進 行的。
[0085] 下面參考具體實施例，對本發(fā)明進行描述，需要說明的是，這些實施例僅僅是描述 性的，而不以任何方式限制本發(fā)明。
[0086] 實施例1
[0087] A、陶瓷纖維的制備：
[0088] 取3. 2225g氯氧化鋯與0· 3230g硝酸釔共混與燒杯中，加入21. 0939g去離子水， 攪拌溶解；待溶液中氯氧化鋯與硝酸釔全部溶解后加入23. 7348g聚乙烯吡咯烷酮，磁力攪 拌至混合溶液澄清透明制成溶膠；將制得的溶膠靜置一段時間后，加入到靜電紡絲設(shè)備中 進行電紡，得到前驅(qū)體纖維，然后放入干燥皿中備用；將前驅(qū)體纖維置于馬弗爐中以5°C / min的升溫速率從室溫升至550°C并保溫0. 5h，隨后自然降溫至室溫，即得到陶瓷纖維。
[0089] B、噴涂材料的制備：
[0090] 將所得到的陶瓷纖維放入球磨罐中，球料比為50:1，球磨2min，取球磨后的纖維 6g與100g第一陶瓷粉末，機械混合lmin (不加球磨球），得到噴涂用第一混合物；取球磨后 的纖維10g與100g第二陶瓷粉末，機械混合lmin (不加球磨球），得到噴涂用第二混合物。
[0091] C、雙層陶瓷層涂層的制備：
[0092] 將基體依次進行打磨、除油和噴砂粗化，其中噴砂工藝為：60號白剛玉A120 3，噴砂 氣壓：0.8MPa，噴砂距離：10cm，噴砂角度：90° ;噴砂粗化后，利用等離子噴涂技術(shù)噴涂一 層NiCrCoAl粘結(jié)層，在NiCrCoAl的粘結(jié)層表面噴涂形成過渡層（50% NiCrC〇Al+50 %第 一混合物），再在第一過渡層上噴涂第一混合物，以便在第一過渡層上形成第一陶瓷層，然 后在第一陶瓷層上噴涂第二混合物，以便在第一陶瓷層上形成第二陶瓷層，并且每層厚度 均為100?150微米。其中，噴涂工藝參數(shù)：電壓：60?70V;噴涂距離：100?150mm;電 流：500?600A ;主氣流量：50?60L. mirT1 ;輔氣流量：17?30L. mirT1 ;載氣流量：6. 13L. mirT1 ;送粉速率：19?20L. mirT1 ;噴槍移動速度：100mm. s-1 ;步距：3. 2mm。
[0093] 實施例2
[0094] A、陶瓷纖維的制備：同實施例1。
[0095] B、噴涂材料的制備：同實施例1。
[0096] C、雙層陶瓷層涂層的制備：
[0097] 將基體依次進行打磨、除油和噴砂粗化，其中噴砂工藝為：60號白剛玉A120 3，噴砂 氣壓：0.8MPa，噴砂距離：10cm，噴砂角度：90° ;噴砂粗化后，利用等離子噴涂技術(shù)噴涂一 層NiCrCoAl粘結(jié)層，然后在NiCrCoAl粘結(jié)層表面噴涂第一混合物，以便在粘結(jié)層表面形 成第一陶瓷層，在第一陶瓷層表面噴涂形成第二過渡層（50wt%第一混合物+50wt%第二 混合物），再在第二過渡層上噴涂第二混合物，以便在第一陶瓷層上形成第二陶瓷層，并且 每層厚度均為1〇〇?150微米。其中，噴涂工藝參數(shù)：電壓：60?70V ;噴涂距離：100? 150mm ;電流：500?600A ;主氣流量：50?60L. mirT1 ;輔氣流量：17?30L. mirT1 ;載氣流 量：6. 13L. mirT1 ;送粉速率：19 ?20L. mirT1 ;噴槍移動速度：100mm. s-1 ;步距：3. 2_。
[0098] 實施例3
[0099] A、陶瓷纖維的制備：同實施例1。
[0100] B、噴涂材料的制備：同實施例1。
[0101] C、雙層陶瓷層涂層的制備：
[0102] 將基體依次進行打磨、除油和噴砂粗化，其中噴砂工藝為：60號白剛玉A120 3，噴 砂氣壓：0.8MPa，噴砂距離：10cm，噴砂角度：90° ;噴砂粗化后，利用等離子噴涂技術(shù)噴涂 一層NiCrCoAl粘結(jié)層，然后在粘結(jié)層表面噴涂形成過渡層（50% NiCrC〇Al+50%第一混合 物），再在第一過渡層上噴涂第一混合物，以便在第一過渡層上形成第一陶瓷層，然后在第 一陶瓷層表面噴涂形成第二過渡層（50wt%第一混合物+50wt%第二混合物），再在第二過 渡層上噴涂第二混合物，以便在第一陶瓷層上形成第二陶瓷層，并且每層厚度均為100? 150微米。其中，噴涂工藝參數(shù)：電壓：60?70V ;噴涂距離：100?150mm ;電流：500?600A ; 主氣流量：50?60L. mirT1 ;輔氣流量：17?30L. mirT1 ;載氣流量：6. 13L. mirT1 ;送粉速率： 19?20L. mirT1 ;噴槍移動速度：10Ctam· s-1 ;步距：3· 2謹。
[0103] 對比例
[0104] 將基體依次進行打磨、除油和噴砂粗化，其中噴砂工藝為：60號白剛玉A120 3，噴砂 氣壓：0.8MPa，噴砂距離：10cm，噴砂角度：90° ;噴砂粗化后，利用等離子噴涂技術(shù)噴涂一 層NiCrCoAl粘結(jié)層，然后在粘結(jié)層表面噴涂形成第一陶瓷粉末，以便在粘結(jié)層表面形成第 一陶瓷層，然后在第一陶瓷層表面噴涂第二陶瓷粉末，以便在第一陶瓷層上形成第二陶瓷 層，并且每層厚度均為100?150微米。其中，噴涂工藝參數(shù)：電壓：60?70V ;噴涂距離： 100?150mm ;電流：500?600A ;主氣流量：50?eOL.mirT1 ;輔氣流量：17?SOL.mirT1 ;載 氣流量：6. 13L. mirT1 ;送粉速率：19?20L. mirT1 ;噴槍移動速度：100mm. ;步距：3. 2_。
[0105] 結(jié)論：將實施例1?3所得到復(fù)合材料和對比例的復(fù)合材料在650攝氏度下加熱 5min中后進行水淬，然后再加熱5min進行水淬，發(fā)現(xiàn)，對比例所得復(fù)合材料在熱循環(huán)113次 后失效，而實施例1?3所得復(fù)合材料在熱循環(huán)200多次才有微裂紋（如圖13和圖14)，表 明通過在第一陶瓷粉末和第二陶瓷粉末中添加陶瓷纖維可以顯著提高復(fù)合材料的抗震性 能，從而使得其使用壽命明顯提高。
[0106] 在本說明書的描述中，參考術(shù)語"一個實施例"、"一些實施例"、"示例"、"具體示 例"、或"一些示例"等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特 點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不 必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任 一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技 術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結(jié) 合和組合。
[0107] 盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例 性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述 實施例進行變化、修改、替換和變型。
【權(quán)利要求】
1. 一種復(fù)合材料，其特征在于，包括： 基體； 粘結(jié)層，所述粘結(jié)層形成于所述基體的表面上； 第一陶瓷層，所述第一陶瓷層形成于所述粘結(jié)層的表面上；以及 第二陶瓷層，所述第二陶瓷層形成于所述第一陶瓷層的表面上， 其中， 所述第一陶瓷層含有5. 66wt%的陶瓷纖維、7. 55wt%的Y203和86. 79wt%的Zr02， 所述第二陶瓷層含有5. 66wt %的陶瓷纖維、7. 55wt %的La203、6. 94wt %的Y203和 79. 85wt% 的 Zr02。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述基體為lCrl8Ni9Ti。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述粘結(jié)層為NiCrCoAl合金。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述NiCrCoAl合金含有：4. 0? 8. Owt% 的 A1 ;16· 0 ?20. Owt% 的 Cr ;10· 0 ?12. Owt% 的 Co ;以及剩余的 Ni。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的復(fù)合材料，其特征在于，進一步包括第一過渡層，所述第一 過渡層形成于所述粘結(jié)層和所述第一陶瓷層之間，并且所述第一過渡層含有50wt %的所 述NiCrCoAl合金和50wt %的第一粉末，其中所述第一粉末含有5. 66wt %的陶瓷纖維、 7. 55wt % 的 Y203 和 86. 79wt % 的 Zr02。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的復(fù)合材料，其特征在于，進一步包括第二過渡層，所述第二過 渡層形成于所述第一陶瓷層和所述第二陶瓷層之間，并且所述第二過渡層含有50wt%的所 述第一粉末和50wt%的第二粉末，其中所述第二粉末含有5. 66wt%的陶瓷纖維、7. 55wt% 的 La203、6. 94wt% 的 Y203 和 79. 85wt% 的 Zr02。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述粘結(jié)層、所述第一過渡層、所述 第一陶瓷層、所述第二過渡層和所述第二陶瓷層的厚度分別獨立的為100?150微米。
8. -種制備權(quán)利要求1-7任一項所述的復(fù)合材料的方法，其特征在于，包括： (1) 提供基體； (2) 利用溶膠-凝膠法和靜電紡絲制備陶瓷纖維； (3) 采用高能球磨機將所述陶瓷纖維分別與第一陶瓷粉末和第二陶瓷粉末進行混合， 以便分別得到第一混合物和第二混合物； (4) 利用等離子噴涂，在所述基體表面噴涂NiCrCoAl合金，以便在所述基體表面形成 粘結(jié)層； (5) 利用等離子噴涂，在所述粘結(jié)層表面噴涂所述第一混合物，以便在所述粘結(jié)層的表 面上形成第一陶瓷層；以及 (6) 利用等離子噴涂，在所述第一陶瓷層表面噴涂所述第二混合物，以便在所述第一陶 瓷層表面形成第二陶瓷層，進而得到所述復(fù)合材料。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備復(fù)合材料的方法，其特征在于，在步驟⑵中，所述制備 陶瓷纖維的步驟進一步包括： 將硝酸釔、氯氧化鋯、聚乙烯吡咯烷酮混合溶解制備溶膠溶液； 將所述溶膠溶液加入到注射器中，并在電壓為20KV的條件下，以0. 5ml/h的推進速度 進行靜電紡絲，以便得到前軀體纖維；以及 將所述前軀體纖維以5攝氏度/分鐘的升溫速率從室溫升至550攝氏度并保溫0. 5小 時，以便獲得所述陶瓷纖維。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備復(fù)合材料的方法，其特征在于，所述第一陶瓷粉末含有 Y203和Zr02，所述第二陶瓷粉末含有La20 3、Y203和Zr02。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的制備復(fù)合材料的方法，其特征在于，所述第一陶瓷粉末和 所述第二陶瓷粉末與所述陶瓷纖維混合質(zhì)量比分別獨立地為100 :6。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備復(fù)合材料的方法，其特征在于，在步驟（4)、（5)和（6) 中，所述等離子噴涂分別獨立地在電壓為60?70V、電流為500?600A、噴涂距離為100? 150mm、主氣流量為50?60L/min、輔氣流量為17?30L/min、載氣流量為6. 13L/min、送粉 速率為19?20L/min、噴槍移動速度為100mm/s和步距為3. 2mm的條件下進行的。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備復(fù)合材料的方法，其特征在于，在所述利用等離子噴 涂，在所述粘結(jié)層表面噴涂所述第一混合物，以便在所述粘結(jié)層的表面上形成第一陶瓷層 之前，預(yù)先在所述粘結(jié)層表面形成第一過渡層。
14. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備復(fù)合材料的方法，其特征在于，在所述利用等離子噴 涂，在所述第一陶瓷層表面噴涂所述第二混合物，以便在所述第一陶瓷層表面形成第二陶 瓷層之前，預(yù)先在所述第一陶瓷層表面形成第二過渡層。
15. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備復(fù)合材料的方法，其特征在于，在利用等離子噴涂在所 述基體表面噴涂NiCrCoAl合金，以便在所述基體表面形成粘結(jié)層之前，預(yù)先對所述基體依 次進行打磨、除油和粗化， 其中， 所述打磨是利用砂紙進行的， 所述除油是利用無水乙醇和丙酮進行的， 所述粗化是在噴砂電壓為〇. 8MPa、噴砂距離為10厘米和噴砂角度為90度的條件下噴 60#白剛玉進行的。
【文檔編號】C23C4/12GK104085153SQ201410299918
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月27日
【發(fā)明者】金國, 蔡召兵, 崔秀芳, 鄭衛(wèi), 高宗鴻, 肖強, 曹蔚琦, 劉喆 申請人:哈爾濱工程大學(xué)