專利名稱：一種提高熱障礙陶瓷涂層性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬表面的改質(zhì)與強(qiáng)化，具體地說就是采用等離子噴涂技術(shù)將含添加劑的ZrO2粉末沉積于金屬基體表面，形成熱障礙涂層。
在美國國家宇航局的資料NASA·TECH Memo TM79005中公開了一種采用等離子噴涂技術(shù)將用8%wt Y2O3穩(wěn)定的ZrO2粉末沉積于金屬基體表面，形成熱障礙涂層的方法。這一方法，能改善零件的使用壽命，已廣泛用作柴油機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)等的隔熱層。但是這種涂層易脫落、脆性大、壽命低。其原因主要有兩個(gè)方面(1)因涂層本身是多孔的，以致位于陶瓷層與鋼基材之間的粘結(jié)層易受氧化或受氣氛的熱腐蝕;(2)由于陶瓷材料與金屬材料熱膨脹不匹配，造成涂層內(nèi)存在高的熱應(yīng)力，降低了涂層與基體的粘結(jié)強(qiáng)度。
在《表面與涂層工藝》(《Surfuce and Coating Technology》)1993年Vol.58第93～99頁中公開了在粘結(jié)層與陶瓷層之間增加一層化學(xué)蒸發(fā)沉積即CVD Al2O3層，由于這層CVD Al2O3層對氧化起到擴(kuò)散障作用，改善了ZrO2熱障礙涂層的抗氧化性能。又如在《固體薄膜》(《Thin Solid Films》)1987年Vol.150第15～46頁中曾嘗試改變穩(wěn)定劑，如用12.4～14.7%wt Yb2O3取代已普通使用的8%wt Y2O3作穩(wěn)定劑穩(wěn)定ZrO2，延長了ZrO2熱障礙涂層的壽命。綜上所述的改進(jìn)，雖對ZrO2熱障礙涂層性能有一定改善，但效果仍不理想。
本發(fā)明的目的在于克服背景技術(shù)的缺陷，通過改變涂層成份，引入添加劑的方法，提供一種熱應(yīng)力明顯降低、粘結(jié)強(qiáng)度成倍增加，熱沖擊壽命和抗熱腐蝕能力顯著提高的ZrO2涂層。
本發(fā)明的目的可通過以下措施來達(dá)到一種提高熱障礙陶瓷涂層性能的方法，它包括以下幾個(gè)方面一、含2.0～3.0%wt SiO2的ZrO2粉的制備1、將已用8%wt Y2O3穩(wěn)定化處理的常規(guī)粒度(-200～+320)的ZrO2粉研磨、過篩制得粒度為-320～+400目的ZrO2粉;
2、選用25～30%wt的SiO2硅溶膠作為SiO2添加劑，且與ZrO2按重量比1∶8～14.5配料，將其充分混合至糊狀物;
3、將糊狀物低溫?zé)Y(jié)2～5小時(shí)，成塊狀，然后經(jīng)粉碎、研磨、過篩制得-200～+320目含2.0～3.0%wt SiO2的ZrO2粉末;
二、噴涂過渡層用復(fù)合粉的制備按80～70%wt ZrO2與30～40%wt NiCoCrAlY的配比，將其充分機(jī)械混合、過篩、制成NiCoCrAlY和ZrO2復(fù)合粉，簡稱“NZ”復(fù)合粉;
三、等離子噴涂形成SiO2熱障礙陶瓷涂層1、粘結(jié)層的噴涂以表面作過噴砂粗化預(yù)處理的金屬合金作基體，用普通等離子噴涂設(shè)備和常規(guī)方法，噴上一層厚度為0.1～0.2毫米的NiCoCrAlY粘結(jié)層;
2、過渡層的噴涂用普通等離子噴涂設(shè)備和常規(guī)方法，在已噴的粘結(jié)層表面上沉積厚度為0.05～0.15毫米的“NZ”復(fù)合粉，作為過渡層;
3、熱障礙陶瓷層的噴涂用普通等離子噴涂設(shè)備和常規(guī)方法，將含有2.0～3.0%wtSiO2的ZrO2粉末沉積在過渡層上，其沉積厚度為0.25～0.45毫米。
要想克服背景技術(shù)中ZrO2涂層易脫落、涂層脆性大、壽命低的缺點(diǎn)，就要解決兩個(gè)關(guān)鍵問題其一就是優(yōu)選添加劑及其最佳添加量，以改善涂層性能;二是添加劑添加方式。本發(fā)明提出SiO2作添加劑，這是因?yàn)镾iO2的熔點(diǎn)低即為1730℃，在噴涂過程中SiO2優(yōu)先熔化滲入ZrO2粉末顆粒之間，產(chǎn)生液相燒結(jié)效應(yīng)。又因SiO2的沸點(diǎn)為2950℃接近涂層形成的瞬間溫度即3000℃，在噴涂餅程中一部分汽化，增加涂層孔隙率，從而產(chǎn)生涂層熱應(yīng)力松弛效應(yīng)。由于在噴涂過程中，加入SiO2只是一部分汽化，另一部分則在ZrO2涂層形成后仍留于涂層的孔隙處，阻礙氣體進(jìn)入涂層內(nèi)部，產(chǎn)生“自封孔”效應(yīng)。SiO2添加劑的最佳值為2.0～3.0%wt，SiO2添加量過大，涂層孔隙劇增，“自封孔”效應(yīng)差，不利于熱應(yīng)力釋放。SiO2添加量過小，述上三種效應(yīng)的效果均不明顯。
發(fā)明人通過大量的研究和實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)造了添加SiO2的新方法，即選用25～30%wt的SiO2硅溶膠作為SiO2添加劑，按比例與-320～+400目的ZrO2粉末充分混合至糊狀物，然后低溫?zé)Y(jié)，粉碎并過篩成-200～+320目含2.0～3.0%wt SiO2的ZrO2粉末。實(shí)驗(yàn)證明，在噴涂時(shí)，采用上述方法制備的粉末易散開，從而提高了涂層沉積率;而硅溶膠在制備過程中既起到添加劑的作用，又對ZrO2粉末起到粘結(jié)作用。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有如下突出的優(yōu)點(diǎn)1、本法優(yōu)選了適量的SiO2硅溶膠作為添加劑，在ZrO2粉末制備中既起到添加劑作用，又起到粘結(jié)作用。由于在等離子噴涂過程中，SiO2能產(chǎn)生三種效應(yīng)①液相燒結(jié)效應(yīng);②涂層熱應(yīng)力松馳效應(yīng);③“自封孔”效應(yīng)，所以，涂層性能的三個(gè)指標(biāo)“粘結(jié)強(qiáng)度”“熱沖擊壽命”和“熱腐蝕抗力”均有顯著提高。在同等條件下，添加有適量ZrO2涂層粘結(jié)強(qiáng)度，熱沖擊壽命可提高一倍以上，熱腐蝕抗力則可提高六～八倍。
2、在添加適量SiO2的同時(shí)增加過渡層的熱障礙涂層，SiO2添加劑的三種效應(yīng)更加明顯，涂層的性能改善更加顯著。它的粘結(jié)強(qiáng)度可增加近四倍，熱沖擊壽命和熱腐蝕抗力則可增加約十倍。
下面將通過如下實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳述按下列步驟依次操作一、含SiO2的ZrO2粉的制備1、將已用8%wt Y2O3穩(wěn)定化處理的常規(guī)粒度的-200～+320目的ZrO2目的ZrO2粉研磨、過篩制得粒度為-320～+400目的ZrO2粉;
2、稱取上述ZrO2粉971.5克，稱取含30%的SiO2硅溶膠95克，將其充分混合至糊狀物;
3、將上述糊狀物置于150℃的爐內(nèi)，低溫?zé)Y(jié)3.5小時(shí)，此時(shí)混合物熔成塊狀，將其粉碎、研磨、過篩制得-200～+320目的粉末，該粉末含SiO2添加劑的量為2.85%;
二、噴涂過渡層用復(fù)合粉的制備按65%wtZrO2與35%wt NiCoCrAlY的配比將其機(jī)械混合、過篩、制成NiCoCrAdY和ZrO2復(fù)合粉，即“NZ”復(fù)合粉;
三、等離子噴涂形成SiO2熱障礙陶瓷涂層1、粘結(jié)層的噴涂用20目Al2O3砂、噴砂壓力64千克力/厘米2的條件，對45＃鋼基體作表面噴砂粗化預(yù)處理，用普通等離子噴涂設(shè)備和常規(guī)方法，對已作上述預(yù)處理的基體噴上一層厚0.1毫米的NiCoCrAlY粘結(jié)層;
2、過渡層的噴涂用普通等離子噴涂設(shè)備和常規(guī)方法，在已噴完的粘結(jié)層的基體表面上沉貨厚獨(dú)為0.1毫米的“NZ”復(fù)合粉;
3、熱障礙陶瓷層的噴涂用普通等離子噴涂設(shè)備和常規(guī)方法，將2.85%wt SiO2的ZrO2粉末沉積在已噴完過渡層的基體上，其沉積厚度為0.4毫米;
經(jīng)上述步驟依次操作制得的熱障礙陶瓷涂層的各項(xiàng)性能均有顯著提高，見附表。
附表
權(quán)利要求
1.一種提高熱障礙陶瓷涂層性能的方法，其特征在于它包括以下幾個(gè)方面一、含2.0～3.0%wt SiO2的ZrO2粉的制備1、將已用8%wt Y2O3穩(wěn)定化處理的常規(guī)粒度-200～+320目的ZrO2粉研磨、過篩制得粒度為-320～+400目的ZrO2粉；2、選用25～30%wt的SiO2硅溶膠作為SiO2添加劑，且與ZrO2按重量比1∶8～14.5配料，將其充分混合至糊狀物；3、將糊狀物低溫?zé)Y(jié)2～5小時(shí)，成塊狀，然后經(jīng)粉碎、研磨、過篩制得-200～+320目含2.0～3.0%wt SiO2的ZrO2粉末；二、噴涂過渡層用復(fù)合粉的制備按60～70%wt ZrO2與30～40%wt NiCoCrAlY的配比，將其充分機(jī)械混合、過篩、制成NiCoCrAlY和ZrO2復(fù)合粉，簡稱“NZ”復(fù)合粉；三、等離子噴涂形成SiO2熱障礙陶瓷涂層1、粘結(jié)層的噴涂以表面作過噴砂粗化預(yù)處理的金屬合金作基體，用普通等離子噴涂設(shè)備和常規(guī)方法，噴上一層厚度為0.1～0.2毫米的NiCoCrAlY粘結(jié)層；2、過渡陶瓷層的噴涂用普通等離子噴涂設(shè)備和常規(guī)方法，在已噴的粘結(jié)層表面上沉積厚度為0.05～0.15毫米的“NZ”復(fù)合粉，作為過渡層；3、熱障礙層的噴涂用普通等離子噴涂設(shè)備和常規(guī)方法，將含有2.0～3.0%wt SiO2的ZrO2粉末沉積在過渡層上，其沉積厚度為0.25～0.45毫米。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬表面的改質(zhì)與強(qiáng)化。本法選用25～30％wt的Sio
文檔編號(hào)C23C4/10GK1103675SQ9411737
公開日1995年6月14日 申請日期1994年10月29日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月29日
發(fā)明者陳漢存, 劉正義 申請人:華南理工大學(xué)