[发明专利]一种热障涂层的制备方法及其热障涂层

说明书

一种热障涂层的制备方法及其热障涂层，方法是采用锆盐和镱盐组成的前驱体溶液作为喷涂原料，在液相等离子喷涂设备中，将该溶液通过二流式雾化喷嘴送入等离子射流，并沉积在基体上形成孔隙分布均匀且具有垂直裂纹结构的热障涂层。制备的热障涂层，是一种具有垂直裂纹的柱状晶、且孔隙均匀分布的纳米结构的热障涂层。本发明以前驱体溶液取代团聚粉末作为原料，大大简化了传统大气等离子喷涂原料造粒的繁琐工艺，提高了生产效率，降低了成本。涂层结构可控，所制得的热障涂层为纳米结构，且具有垂直裂纹结构。陶瓷材料YbSZ具有较高的相稳定性、较低的热导率。

技术领域

本发明涉及一种热障涂层材料。特别是涉及一种以溶液前驱体代替常规等离子喷涂工艺中团聚粉末的热障涂层的制备方法及其热障涂层。

背景技术

随着航空燃气涡轮发动机向高流量比、高推重比方向发展，涡轮发动机进口温度进一步提高，从而可以提高发动机效率。现有的金属材料单独使用已经不能满足设计及使用要求。热障涂层(TBCs)是利用陶瓷材料优越的耐高温、抗腐蚀和热导率低等性能，以涂层的方式将陶瓷与金属基体相复合，增强热端部件的抗高温氧化能力和抗腐蚀能力，延长热端部件使用寿命，提高发动机效率的一种表面防护技术。

目前，热障涂层普遍采用陶瓷层和粘结层双层结构材料，陶瓷层的材料为8wt％Y₂O₃-ZrO₂(8YSZ)，该材料被认为是一种标准的陶瓷隔热涂层材料，具有较高的热膨胀系数，较低的热导率及良好的抗热冲击性，但长期使用温度不能超过1200℃。在1200℃以上，亚稳四方相转变为四方相和立方相，然后转变为单斜相，产生体积膨胀，导致涂层剥落失效，从而降低热障涂层的寿命。有研究学者提出用Yb₂O₃-ZrO₂₍YbSZ)替代YSZ做热障涂层，该材料具有更好的高温相稳定性。

热障涂层的制备技术主要为电子束物理气相沉积(EB-PVD)和大气等离子喷涂(APS)。EB-PVD制备的热障涂层与基体结合强度高，且涂层为柱状晶结构，该结构使涂层具有更高的使用寿命。传统的APS制备的热障涂层为层状结构，隔热性能优于EB-PVD涂层，但是层间结合较差，使涂层抗热震性能较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够满足长期服役的热端部件的隔热与抗高温氧化腐蚀需求的热障涂层的制备方法及其热障涂层。

本发明所采用的技术方案是：一种热障涂层的制备方法，采用锆盐和镱盐组成的前驱体溶液作为喷涂原料，在液相等离子喷涂设备中，将该溶液通过二流式雾化喷嘴送入等离子射流，并沉积在基体上形成孔隙分布均匀且具有垂直裂纹结构的热障涂层，具体包括如下步骤：

1)按配制200～330ml、氧化镱在氧化锆中的掺杂浓度为8wt％的前驱体溶液计算称取2.76g氧化镱放入烧杯，加8～12mL浓硝酸与8～12mL去离子水，加热搅拌至完全反应，形成硝酸镱溶液；

2)按照氧化镱在氧化锆中的掺杂浓度为8wt％的比例，将硝酸镱溶液加入硝酸锆水溶液中，以最终形成的氧化镱稳定氧化锆材料计算，生成的混合溶液总浓度控制在0.6～1.0mol/L；

3)调节混合溶液PH值在3～4，并在室温下继续搅拌，最终得到前驱体溶液；

4)将得到前驱体溶液放入液相等离子喷涂设备的容器(1)中，并通过软管(2)送入到二流式雾化喷嘴(4)中，在所述的软管(2)上设置有作为前驱体溶液传输动力的蠕动泵(3)；

5)采用二流式雾化喷嘴(4)将前驱体溶液雾化后送入等离子射流(7)，通过等离子射流(7)沉积在高温合金或不锈钢基体上形成热障涂层。

步骤5)中，通过等离子喷枪喷射的等离子射流(7)使雾化后的前驱体溶液进行了溶剂挥发、溶质析出、高温分解、熔化过程。