[发明专利]一种耐瞬态超高温的热障涂层陶瓷层材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷层材料，以及制备陶瓷层的方法，更特别地说，是指一种采用等离子喷涂工艺制备耐瞬态超高温的热障涂层。

背景技术

火箭发动机的叶片在运行时必须能够承受高温以及在这种高温氧化气氛下的循环机械载荷。在叶片表面制备一层具有优越的耐高温耐腐蚀耐磨损和低热导的陶瓷材料，能够提高叶片的工作温度以及抗高温氧化能力，延长其使用寿命。这就是热障涂层技术。热障涂层(TBCs)是利用陶瓷材料优越的耐高温、抗腐蚀和低导热性能，以涂层的方式将陶瓷与金属基体相复合，提高金属热端部件的工作温度，增强热端部件的抗高温氧化能力，延长热端部件的使用寿命，提高发动机效率的一种表面防护技术。

目前广泛应用的热障涂层陶瓷层材料主要是7-8wt.％Y₂O₃稳定的ZrO₂(YSZ)。但是，YSZ也有一些不足，如从室温到高温ZrO₂存在以下相变过程。从单斜相到四方相的转变过程中存在3～5％的体积收缩。正是这种体积变化导致纯ZrO₂在热循环条件下容易发生破碎。YSZ从高温冷却到室温保持亚稳四方相(t’)，但是YSZ长时间工作温度不能高于1473K，一方面YSZ在1473K产生烧结，另一方面在更高温度下，亚稳四方相(t’)转变为四方相和立方相，然后在冷却的过程中转变为单斜相，使得涂层产生开裂。

火箭发动机点火瞬间，涡轮叶片必须承受瞬态超高温、高速燃气冲刷和烧蚀作用，陶瓷层表面的温度在2500K以上，接近ZrO₂的熔点，所以目前在燃气涡轮机叶片上广泛应用的热障涂层陶瓷层材料YSZ已不能满足发动机涡轮叶片工作环境的要求。

发明内容

本发明的目的之一是提出一种采用Nb₂O₅掺杂YSZ-YSH的陶瓷层材料。

本发明的另一目的是提出一种采用等离子喷涂工艺在粘结层上制备Nb₂O₅掺杂YSZ-YSH的陶瓷层，制得的陶瓷层具有网状结构，该陶瓷层提高了涡轮叶片抗燃气冲刷和抗烧蚀的能力。

本发明是一种耐瞬态超高温的热障涂层陶瓷层材料，是由摩尔百分比为1～5的氧化钇Y₂O₃、摩尔百分比为1～40的氧化铪HfO₂、摩尔百分比为1～5的氧化铌Nb₂O₅以及余量的氧化锆ZrO₂组成的Nb₂O₅掺杂YSZ-YSH陶瓷层材料。

一种制备耐瞬态超高温的热障涂层陶瓷层材料的方法，包括有下列步骤：

第一步，基体前处理

对选取的基体进行喷砂，使基体表面粗糙度Ra＜0.8；

第二步，采用等离子喷涂工艺制粘结层

将经第一步处理后的基体安装在喷涂设备的工作台上，在第一组等离子喷涂工艺条件下制得厚度为100～120μm的第一基体；

粘结层粉材为粒径50～150μm的NiCoCrAlY；

所述第一组等离子喷涂工艺条件为：喷涂距离为100～140mm，喷枪的移动速度为500～900mm/s，等离子喷涂电压为60～80V，电流为400～600A，送粉量为20～40g/min；

第三步，采用等离子喷涂工艺制备陶瓷层

将经第二步制得的所述第二基体预热到400～900℃，然后在第三组等离子喷涂工艺条件下制得厚度为150～300μm的网状结构第三基体；

所述第三组等离子喷涂工艺条件为：喷涂距离为60～90mm，喷枪的移动速度为300～800mm/s，等离子喷涂电压为60～80V，电流为400～600A，陶瓷层空心粉材的粒径50～100μm，送粉量为30～60g/min。

在本发明的第三步骤中陶瓷层粉材的制备为：

(A)按目标成分将粉材Y₂O₃、ZrO₂、HfO₂和Nb₂O₅混合后采用湿式球磨法研磨50～70min后，制得粒径1～20μm的混合粉；然后在70～120℃的干燥箱中干燥50～70min后取出，制得干燥混合粉，待用；

(B)将(A)步骤制得的干燥混合粉放入高温炉中，调节反应温度1500～1600℃，反应20～30h后随炉冷却到25℃；取出经球磨制得5～10μm的前驱物；