本發(fā)明涉及一種噴涂防護(hù)與發(fā)動(dòng)機(jī)熱防護(hù)領(lǐng)域，尤其涉及一種等離子熱噴涂法制備的熱障涂層及制備方法。

背景技術(shù)：
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由于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端組件的工作溫度可高達(dá)1350 ℃，因此需要用到許多先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料制備熱障涂層(TBCs)來(lái)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)熱端組件；熱障涂層把熱端組件從大量持續(xù)的熱負(fù)荷中隔離出來(lái)，使負(fù)載合金與涂層表面之間存在可承受的溫差；因此，熱障涂層應(yīng)具有較高的相穩(wěn)定性避免由相變引起體積變化、較低的熱導(dǎo)率以保護(hù)基體免受高溫侵蝕、較好的熱震性能以延長(zhǎng)涂層使用壽命；目前，等離子噴涂制備YSZ涂層的研究在很多文獻(xiàn)中都有記載，但對(duì)采用共沉淀法制備CeO₂穩(wěn)定YSZ(CYSZ)納米陶瓷粉末并大氣等離子噴涂成熱障涂層的研究卻很少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是提供一種等離子熱噴涂法制備的熱障涂層及制備方法。

上述的目的通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種等離子熱噴涂法制備的熱障涂層，其組成包括：高溫合金基體、Ni/Al粘結(jié)層和納米CYSZ陶瓷熱障涂層，所述的高溫合金基體表面連接Ni/Al粘結(jié)層，所述的Ni/Al粘結(jié)層連接納米CYSZ陶瓷熱障涂層。

所述的等離子熱噴涂法制備的熱障涂層，所述的高溫合金基體表面需采用24目白剛玉砂，進(jìn)行噴砂處理，使基體表面粗糙度≥4μm，再噴涂連接Ni/Al粘結(jié)層，所述的噴涂Ni/Al粘結(jié)層和所述的噴涂納米CYSZ陶瓷熱障涂層的厚度分別為100μm和200μm。

所述的等離子熱噴涂法制備的熱障涂層，所述的高溫合金基體即為發(fā)動(dòng)機(jī)熱端組件，其材質(zhì)為35Cr₂Ni₄MoA合金結(jié)構(gòu)鋼。

所述的等離子熱噴涂法制備的熱障涂層，所述的Ni/Al粘結(jié)層材料為450NS鎳鋁粉末(80 %Ni和20 %Al)。

所述的等離子熱噴涂法制備的熱障涂層，所述的納米CYSZ陶瓷熱障涂層的材質(zhì)為：以ZrOCl₂·8H₂O、Y(NO₃)₃·6H₂O、Ce(NO₃)₃·6H₂O為原料，以NH₃·H₂O作沉淀劑，以PEG-6000作分散劑，經(jīng)水浴攪拌、陳化、抽濾、水洗醇洗、混合沉淀等工序處理，再經(jīng)研磨、干燥處理，將得到的物質(zhì)與氫氧化物混合后經(jīng)煅燒，得CYSZ復(fù)合納米粉；將CYSZ復(fù)合納米粉加入粘合劑PVA和去離子水，進(jìn)行球磨，再通過(guò)噴霧造粒團(tuán)聚成球形粉末，對(duì)造粒后的球形粉末干燥，脫去PVA；采用等離子噴涂設(shè)備，在合金鋼（35Cr₂Ni₄MoA）基體上噴涂粘結(jié)層（450NS鎳鋁粉）和造粒后的CYSZ陶瓷復(fù)合納米粉，得到納米CYSZ陶瓷熱障涂層。

所述的等離子熱噴涂法制備的熱障涂層的制備方法，所述的納米CYSZ陶瓷熱障涂層的制備方法又分為如下步驟：

（1）共沉淀法制備納米CYSZ（Ce/Y共穩(wěn)定ZrO₂）陶瓷復(fù)合納米粉

以ZrOCl₂·8H₂O、Y(NO₃)₃·6H₂O、Ce(NO₃)₃·6H₂O為原料，以NH₃·H₂O作沉淀劑，以PEG-6000作分散劑，基于共沉淀法確定鹽溶液濃度為0.5 mol/L，制備溶液；摻雜Y含量及分散劑PEG的添加量根據(jù)制備的Y穩(wěn)定ZrO₂陶瓷粉末結(jié)論：Y含量為7.5 mol%，PEG的添加量為3 wt%，煅燒時(shí)間為4 h，NH₃·H₂O的量依沉淀所需pH值為準(zhǔn)；Ce加入量為1 mol%，鹽溶液pH值為10，反應(yīng)溫度為75 ℃時(shí)，煅燒溫度為500 ℃。

（2）對(duì)納米CYSZ陶瓷復(fù)合納米粉噴霧造粒制備

根據(jù)確定的最佳工藝參數(shù)制備納米CYSZ陶瓷粉末，取一定量的納米CYSZ陶瓷粉末，加入1-2 % PVA和陶瓷粉等量去離子水，放入球磨機(jī)中球磨24 h或48 h，再通過(guò)噴霧造粒機(jī)進(jìn)行造粒，讓粉體在粘合劑的作用下團(tuán)聚成球形，增加粉體的流動(dòng)性，再將造粒好的納米CYSZ陶瓷粉末經(jīng)過(guò)1100 ℃的熱處理1 h，使粘合劑PVA完全揮發(fā)排除其影響，以提高納米顆粒的強(qiáng)度；將熱處理的納米CYSZ陶瓷粉過(guò)250目和500目篩子，篩分出可用于等離子噴涂的粉粒，粒徑在20-60μm范圍。

（3）等離子噴涂法制備納米CYSZ陶瓷熱障涂層

采用等離子噴涂設(shè)備，在合金鋼基體上噴涂粘結(jié)層和陶瓷層；由于基體表面存在油污和雜質(zhì)，噴涂前先用丙酮進(jìn)行清洗，再對(duì)基體表面噴砂，增加基體表面粗糙度，也提高涂層與基體的結(jié)合，噴砂材料為24目白剛玉砂，噴砂壓力0.2-0.6MPa，噴砂距離100-300mm，最終基體表面粗糙度要≥4μm；然后將高溫合金基體放在等離子噴涂設(shè)備上，將納米CYSZ陶瓷粉末放入送粉器中，采用外部垂直送粉，進(jìn)行等離子噴涂，工藝參數(shù)：電流600-650A、電壓68-70V、噴涂距離100-120mm、Ar氣壓力75-78psi、H2壓力50-53psi、送粉氣壓力3.5±0.2Bar、送粉速率15-20g/min；噴涂粘結(jié)層和陶瓷層的厚度分別為100μm和200μm。

本發(fā)明的有益效果：

1.本發(fā)明的熱障涂層，使用納米CYSZ陶瓷熱障涂層的優(yōu)點(diǎn)是：增加發(fā)動(dòng)機(jī)的功率密度，燃料效率，并提高發(fā)動(dòng)機(jī)的安全可靠性。

本發(fā)明的熱障涂層，使用納米CYSZ陶瓷層材料，其熔點(diǎn)達(dá)2700 ℃；熱導(dǎo)率為1.29W·m-1·K-1，低熱導(dǎo)率，可提高陶瓷層隔熱性能，熱膨脹系數(shù)為11×10-6 ℃-1，可以減少金屬基體與陶瓷層之間熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的應(yīng)力；其低密度(6.4 g/cm³)可以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量；低彈性模量可以減少熱應(yīng)力；較高硬度(1350.8 HV)使得CYSZ熱障涂層具有優(yōu)良的耐磨性與耐腐蝕性，高的抗熱震性使得CYSZ具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，更適合發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件高溫環(huán)境的應(yīng)用。

本發(fā)明的熱障涂層，目的是用共沉淀法制備CeO₂—Y₂O₃共穩(wěn)定的CYSZ納米陶瓷粉末，再對(duì)CYSZ納米粉噴霧造粒后，采用等離子噴涂技術(shù)方法制備納米CYSZ陶瓷熱障涂層，將稀土材料與納米材料獨(dú)有的特點(diǎn)與熱障涂層材料相結(jié)合，通過(guò)研究得到熱障涂層微觀組織與宏觀性能之間的關(guān)系，使CeO₂—Y₂O₃共穩(wěn)定的CYSZ熱障涂層很好地應(yīng)用于工作溫度不斷提高的發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件。

附圖說(shuō)明：

附圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖2是本發(fā)明的制備納米陶瓷粉末的工藝路線圖。

附圖3是本發(fā)明的納米CYSZ陶瓷粉末噴霧造粒工藝流程圖。

圖中：1 —高溫合金基體；2 — Ni/Al粘結(jié)層；3 —納米CYSZ陶瓷熱障涂層。

具體實(shí)施方式：

實(shí)施例1：

一種等離子熱噴涂法制備的熱障涂層，其組成包括：高溫合金基體、Ni/Al粘結(jié)層和納米CYSZ陶瓷熱障涂層，所述的高溫合金基體1表面連接Ni/Al粘結(jié)層2，所述的Ni/Al粘結(jié)層連接納米CYSZ陶瓷熱障涂層3。

實(shí)施例2：

根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子熱噴涂法制備的熱障涂層，所述的高溫合金基體表面需采用24目白剛玉砂，進(jìn)行噴砂處理，使基體表面粗糙度≥4μm，再噴涂連接Ni/Al粘結(jié)層，所述的噴涂Ni/Al粘結(jié)層和所述的噴涂納米CYSZ陶瓷熱障涂層的厚度分別為100μm和200μm。

實(shí)施例3：

根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子熱噴涂法制備的熱障涂層，所述的高溫合金基體即為發(fā)動(dòng)機(jī)熱端組件，其材質(zhì)為35Cr₂Ni₄MoA合金結(jié)構(gòu)鋼。

實(shí)施例4：

根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子熱噴涂法制備的熱障涂層，其特征是：所述的Ni/Al粘結(jié)層材料為450NS鎳鋁粉末(80 %Ni和20 %Al)。

實(shí)施例5：

根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子熱噴涂法制備的熱障涂層，所述的納米CYSZ陶瓷熱障涂層的材質(zhì)為：以ZrOCl₂·8H₂O、Y(NO₃)₃·6H₂O、Ce(NO₃)₃·6H₂O為原料，以NH₃·H₂O作沉淀劑，以PEG-6000作分散劑，經(jīng)水浴攪拌、陳化、抽濾、水洗醇洗、混合沉淀等工序處理，再經(jīng)研磨、干燥處理，將得到的物質(zhì)與氫氧化物混合后經(jīng)煅燒，得CYSZ復(fù)合納米粉；將CYSZ復(fù)合納米粉加入粘合劑PVA和去離子水，進(jìn)行球磨，再通過(guò)噴霧造粒團(tuán)聚成球形粉末，對(duì)造粒后的球形粉末干燥，脫去PVA；采用等離子噴涂設(shè)備，在合金鋼（35Cr₂Ni₄MoA）基體上噴涂粘結(jié)層（450NS鎳鋁粉）和造粒后的CYSZ陶瓷復(fù)合納米粉，得到納米CYSZ陶瓷熱障涂層。

實(shí)施例6：

根據(jù)權(quán)利要求5所述的等離子熱噴涂法制備的熱障涂層的制備方法，所述的納米CYSZ陶瓷熱障涂層的制備方法又分為如下步驟：

（1）共沉淀法制備納米CYSZ（Ce/Y共穩(wěn)定ZrO₂）陶瓷復(fù)合納米粉

以ZrOCl₂·8H₂O、Y(NO₃)₃·6H₂O、Ce(NO₃)₃·6H₂O為原料，以NH₃·H₂O作沉淀劑，以PEG-6000作分散劑，基于共沉淀法確定鹽溶液濃度為0.5 mol/L，制備溶液；摻雜Y含量及分散劑PEG的添加量根據(jù)制備的Y穩(wěn)定ZrO₂陶瓷粉末結(jié)論，Y含量為7.5 mol%，PEG的添加量為3 wt%，煅燒時(shí)間為4 h，NH₃·H₂O的量依沉淀所需pH值為準(zhǔn)，Ce加入量為1 mol%，鹽溶液pH值為10，反應(yīng)溫度為75 ℃時(shí)，煅燒溫度為500 ℃，所述的制備步驟見(jiàn)附圖2。

（2）對(duì)納米CYSZ陶瓷復(fù)合納米粉噴霧造粒制備

由于共沉淀法制備的納米CYSZ陶瓷粉末不適用等離子噴涂，因?yàn)榉勰┹^輕，流動(dòng)性不好；將納米CYSZ陶瓷粉末進(jìn)行噴霧造粒后，造粒粉末的球形度好、流動(dòng)性好、粒徑分布窄，才能用于等離子噴涂；根據(jù)前述確定的最佳工藝參數(shù)制備納米CYSZ陶瓷粉末，取一定量的納米CYSZ陶瓷粉末，加入1-2 % PVA和等量去離子水，放入球磨機(jī)中球磨24 h或48 h，再通過(guò)噴霧造粒機(jī)進(jìn)行造粒，讓粉體在粘合劑的作用下團(tuán)聚成球形，增加粉體的流動(dòng)性，再將造粒好的納米CYSZ陶瓷粉末經(jīng)過(guò)1100 ℃的熱處理1 h，使粘合劑PVA完全揮發(fā)排除其影響，以提高納米顆粒的強(qiáng)度，將熱處理的納米CYSZ陶瓷粉過(guò)250目和500目篩子，篩分出可用于等離子噴涂的粉粒，粒徑在20-60μm范圍，所述的制備步驟見(jiàn)附圖3。

（3）等離子噴涂法制備納米CYSZ陶瓷熱障涂層

采用等離子噴涂設(shè)備，在合金鋼基體上噴涂粘結(jié)層和陶瓷層；由于基體表面存在油污和雜質(zhì)，噴涂前先用丙酮進(jìn)行清洗，再對(duì)基體表面噴砂，增加基體表面粗糙度，也提高涂層與基體的結(jié)合，噴砂材料為24目白剛玉砂，噴砂壓力0.2-0.6MPa，噴砂距離100-300mm，最終基體表面粗糙度要大于（或等于）4μm；然后將高溫合金基體放在等離子噴涂設(shè)備上，將納米CYSZ陶瓷粉末放入送粉器中，采用外部垂直送粉，進(jìn)行等離子噴涂，工藝參數(shù)：電流600-650A、電壓68-70V、噴涂距離100-120mm、Ar氣壓力75-78psi、H2壓力50-53psi、送粉氣壓力3.5±0.2Bar、送粉速率15-20g/min；噴涂粘結(jié)層和陶瓷層的厚度分別為100μm和200μm。

實(shí)施例7：

根據(jù)權(quán)利要求5所述的等離子熱噴涂法制備的熱障涂層的制備方法，所述的熱障涂層的顯微硬度隨涂層中納米CeO₂含量的增加不斷增加，Ce含量為15 mol%涂層顯微硬度最大，達(dá)到1350.8 HV，高于未加入納米CeO₂的涂層922.9 HV。

實(shí)施例8：

根據(jù)權(quán)利要求5所述的等離子熱噴涂法制備的熱障涂層的制備方法，其所述的熱障涂層，未加入納米CeO₂時(shí)涂層結(jié)合強(qiáng)度最低，加入納米CeO2后，涂層結(jié)合強(qiáng)度明顯提高， Ce含量為1 mol%的涂層結(jié)合強(qiáng)度最好，達(dá)到 51 MPa。

實(shí)施例9：

根據(jù)權(quán)利要求5所述的等離子熱噴涂法制備的熱障涂層的制備方法，其所述的熱障涂層的Ce含量為1 mol%的陶瓷涂層熱導(dǎo)率最低，達(dá)到1.29 W·m^-1·K^-1。CeO₂的加入可以使ZrO₂陶瓷粉末在等離子噴涂過(guò)程中更好地熔化，涂層組織致密，降低了YSZ涂層的大孔隙數(shù)量，使涂層形成細(xì)小網(wǎng)狀微裂紋，降低熱導(dǎo)率，提高隔熱性能。

實(shí)施例10：

根據(jù)權(quán)利要求5所述的等離子熱噴涂法制備的熱障涂層的制備方法，在所述的熱障涂層中加入CeO₂的陶瓷涂層，其熱震性能要明顯優(yōu)于未加入CeO₂的陶瓷涂層，其中Ce含量為1 mol%涂層平均熱震次數(shù)最高，為84次；加入CeO₂的涂層屬于短裂紋開(kāi)裂狀態(tài)，熱震失穩(wěn)過(guò)程慢，含有CeO₂的涂層在粘結(jié)層與陶瓷層界面處形成的TGO較薄，熱震性能有所提高。

實(shí)施例11：

根據(jù)權(quán)利要求5所述的等離子熱噴涂法制備的熱障涂層的制備方法，當(dāng)所述的熱障涂層進(jìn)行熱震循環(huán)后兩種涂層表面晶粒發(fā)生縱向生長(zhǎng)，這是因?yàn)樘沾蓪优c粘結(jié)層的熱導(dǎo)率不同，熱量沿縱向傳遞較快，造成涂層晶粒在縱向上存在較大的溫度梯度，內(nèi)外熔化狀態(tài)不同。并且熱震循環(huán)后，未加入涂層表面縱向生長(zhǎng)的晶粒數(shù)量要明顯多于1 mol%涂層，這是因?yàn)镃eO₂的加入可以抑制熱循環(huán)過(guò)程中晶粒生長(zhǎng)，Ce⁴⁺進(jìn)入ZrO₂晶格后引起晶格畸變，使晶粒更加穩(wěn)定，減少由晶粒長(zhǎng)大產(chǎn)生的應(yīng)力引起涂層出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致涂層剝落，說(shuō)明CeO₂的加入較好的提高涂層的熱震性能。