[发明专利]一种耐高温高热流冲刷的复合涂层及其制备方法

说明书

本发明公开一种耐高温高热流冲刷复合涂层及其制备方法，属于表面工程技术领域；本发明设计复合涂层结构与成分，优化复合涂层制备工艺，精细调控复合涂层组织结构，成功解决了薄壁件高温高热流冲刷易穿孔、防护涂层易开裂的技术难题；本技术发明工艺简单易行，成本经济，实用性强，具有高温高热流防护需求的热端部件或产品的涂层制备，本发明的热端部件或产品件的材质为铝合金、钛合金等较低熔点的金属。

技术领域

本发明涉及一种耐高温高热流冲刷的复合涂层及其制备方法，属于防护涂层技术领域。

背景技术

等离子喷涂是通过电弧放电将通入等离子喷枪内部的气体电离，形成高温等离子体(达到10000K)，随后将喷涂的粉末材料送入等离子体中加热熔化，熔融的粉末粒子经过喷枪加速后撞击到基体材料表面冷凝形成涂层的方法。等离子喷涂解决了难熔金属或陶瓷材料等高熔点材料的难以喷涂的技术难题，提高了涂层和基体的结合强度，降低了涂层的孔隙率，大幅度地提高了涂层的质量，广泛应用于航天、航空、冶金、石化等领域。

氧化锆(ZrO₂)是目前航空航天广泛使用热障涂层材料，它具有良好的热学稳定性，熔点达到2700℃，在25℃到1200℃范围内，热导率和热膨胀系数分别约为2～3W/m·K和10～11×10^-6K^-1。此外，氧化锆还具有优异的综合力学性能，维氏硬度达到10GPa，弹性模量约220GPa。常温下ZrO₂为单斜相(m)，超过1200℃时会向四方相(t)转变，超过2370℃时会向立方相(c)转变，在发生物相转变的同时，ZrO₂材料自身会发生体积变化，影响ZrO₂高温应用的寿命及可靠性，通过在ZrO₂中引入Y₂O₃形成固溶体，通常为6％-8wt.％Y₂O₃，形成氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)，一定程度可以将ZrO₂的高温相稳定至室温，但是当温度超过1200℃后降温的时候，t相仍然会通过马氏体相变向m相转变产生约3％-5％的体积膨胀，涂层开裂剥落风险大，这大大限制了YSZ涂层在高温环境下的使用寿命及可靠性。

航天热端部件产品具有超高热流(＞10MW/m²)、超高温度(＞1500℃)的服役特点，服役过程温度梯度极高导致涂层材料的失效风险成倍增加，这对目前使用的YSZ涂层提出了更高的要求，需要采用新的设计思路和技术手段解决当前的难点。

发明内容

本发明的目的在于解决航天高温高热流冲刷导致涂层剥落失效的问题，提出一种耐高温高热流冲刷的复合涂层及其制备方法，设计多层复合结构，实现涂层结构与功能的匹配；采用多种制备手段，解决功能涂层制备工艺问题；采用精细化控制喷涂工艺，解决热应力缓和层、热稳定隔热层成分与微结构不均匀的问题，实现高性能热应力缓和层、热稳定隔热层的制备；通过优化涂料配方及喷涂工艺，解决耐冲刷层烧蚀防护能力低，工艺适应性差的问题，实现耐冲刷层的制备。

本发明的技术方案主要包括以下步骤：

一种耐高温高热流冲刷的复合涂层，该复合涂层由内至外(由待喷涂的材料表面至最外层)包括热应力缓和层、热稳定隔热层和耐冲刷层；

其中，热应力缓和层的材料为Ni基合金材料，优选为NiCrAlY、NiCrY、Ni包Al合金中的一种；

热稳定隔热层的材料为纳米氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)；

耐冲刷层的材料为甲基嵌段硅橡胶、软木、玻璃纤维、硅烷偶联剂和汽油的混合料浆，甲基嵌段硅橡胶、软木、玻璃纤维、硅烷偶联剂、汽油的质量比100：10～30：10～30：5～10：10～50。

一种耐高温高热流冲刷的复合涂层的制备方法，该方法的步骤包括：