[发明专利]一种具有微/纳米等轴晶组织的氧化物热障涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及涂层制备工艺，尤其涉及应用于航空发动机等高温金属部件表面的热障涂层，属于热喷涂表面加工技术。

背景技术

热障涂层已经广泛应用于高温涡轮发动机部件，例如飞机发动机燃烧室，涡轮叶片和固定导向叶片等高温合金表面，对降低高温合金表面温度，提高发动机效率起重要作用。热障涂层主要由高温合金表面的抗氧化粘结金属层和具有低导热率、较高膨胀系数的陶瓷涂层组成，本发明涉及一种具有微纳米尺寸等轴晶结构的隔热陶瓷涂层的制备方法。

到目前为止，典型实用的隔热陶瓷涂层的组织结构主要有两种，一是大气等离子喷涂形成带有间隙气孔的层状堆积组织；另一种是电子束物理气相沉积制备的具有垂直于基体表面独立柱状晶结构的涂层。然而这两种不同结构的涂层均有缺陷，片状堆积涂层具有热导率低（0.8～1.2Wm^-1k^-1）优点，但是耐热震性较差，寿命短，使用中可能脱落，因此该类涂层仅限于应用不重要零件表面。柱状晶涂层虽然抗热震性较好，但是这种结构涂层的热导率高（1.5～2.0Wm^-1k^-1)，隔热效果不良，并且制备成本高。为了改进热障涂层的抗热震性和导热率，等离子喷涂纳米颗粒制备涂层成为研究热点，其中包括液料喷涂方法，例如美国专利（申请号：20130095340A1）。图1为纳米颗粒形成涂层示意图，大气等离子体喷涂纳米团聚粉末面临的问题是，在喷涂过程中纳米颗粒容易完全熔化，结合成较大的微米颗粒，如图中标号1所示，在等离子射流引导下，撞击工件表面，产生碰撞展平成传统的层片状结构，只有少量半熔化或未熔化纳米颗粒保存在涂层中。如图中标号2和3所示，最终形成的涂层结构纳米原始颗粒保持很少，如图2所示。因此，如何提高涂层中纳米颗粒的比率是研究者努力的方向。

美国7,413,798专利提出在层状结构中混入纳米柱状晶缓解涂层高温-冷却的应力集中；美国专利8,147,928和6,548,190提出了向氧化钇稳定氧化锆涂层混入其它材料，降低柱状晶涂层热导率的方法。以上这些专利均属于在现有涂层基础上进行的改善研究，与本发明的纳米等轴晶高热障涂层不同。国内专利（申请号：200710118139）提出一种氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层制备工艺及其材料和生产方法。该热障涂层具有新型的纳米颗粒和蜂窝状网络共同组成的复合结构。国内专利（申请号：200510019464）也提出一种液相等离子喷涂制备纳米氧化锆热障涂层的方法。从实际涂层看，液相等离子喷涂涂层颗粒结合强度低，不同于本发明的纳米等轴晶陶瓷涂层。

综上所涉及的专利均与本发明提出的具有微/纳米等轴晶组织的氧化物热障涂层专利不同。

发明内容

为解决等离子喷涂过程中，纳米颗粒容易熔化结合成较大的微米颗粒，从而难以得到纳米尺寸的等轴晶结构，及现有涂层热导率高，耐热震性较差，寿命短的问题，本发明提供了一种具有微/纳米等轴晶组织的热障涂层，本发明的热障涂层具有微/纳米级的等轴晶结构，热导率低，耐热冲击性强。本发明的技术目的是通过以下技术方案实现的：

一种具有微/纳米等轴晶组织的氧化物热障涂层，由选自Gd₂O₃、Yb₂O₃、Nd₂O₃、Er₂O₃、La₂O₃或Y₂O₃中的一种或几种与ZrO₂构成的复合氧化物组成，其特征在于所述热障涂层为等轴晶结构，等轴晶率≥90%，等轴晶粒尺寸为30nm～2μm，其中等轴晶粒尺寸＜500nm的占80%以上。

本发明所述等轴晶率具有以下含义：涂层单位面积中等轴晶面积所占的比例；所述等轴晶粒尺寸是指等轴晶结构的组成单元-单个多边形晶粒各个方向直径的平均值。

本发明所述的具有微/纳米等轴晶组织的氧化物热障涂层，作为优选的，所述复合氧化物为氧化钇部分稳定氧化锆，即为ZrO₂-（6-8）wt%Y₂O₃。