[发明专利]一种纳米尺度柱/孔/非晶结构热障涂层及制备方法

说明书

本发明公开一种纳米尺度柱/孔/非晶结构热障涂层及制备方法，对氧化钇部分稳定的二氧化锆陶瓷粉体进行过筛处理，得到粒径为10‑40μm的陶瓷粉体；采用高能超音速等离子喷涂方法，粒径为10‑40μm的陶瓷粉体经过等离子体射流的传热传质，形成熔滴，熔滴喷涂到基体后形成摊片，摊片交叠堆垛，形成纳米尺度柱/孔/非晶结构热障涂层。该涂层具有优异的低热导、高结合强度特性。采用非纳米尺度原料熔滴经过超音速射流中的传热传质及细化变形，使得后续撞击冷基板表面的快速凝固冷却形成这一结构，在实际应用中表现出显著的经济效益。

技术领域

本发明涉及航空发动机及重型燃气轮机涡轮叶片领域，特别涉及一种纳米尺度柱/孔/非晶结构热障涂层及制备方法。

背景技术

目前，纳米结构材料的研究已经扩展到热喷涂技术领域，研究人员希望得到纳米涂层结构来获得热导率更低、隔热性能更好的热障涂层(Thermal barrier coatings)。纳米材料与传统材料相比，晶粒尺寸减小至微米级材料晶粒尺寸的百分之一或千分之一，展现出优良的表面效应、小尺寸效应，改善了材料的物理和机械性能。在喷涂过程中，涂层形成过程可以描述为，团聚粉末或其他喷涂材料在载气的作用下送入高温高速的等离子射流体中，发生传热传质的同时也会在等离子射流中的电子、离子发生物理化学作用，使得喷涂的团聚粉末快速加热至熔化或者半熔化状态，所形成的熔滴在射流中经过加速形成一簇高速的粒子流，撞击基体或者已形成的涂层后，经过横向流动、铺展、急速冷却、凝固形成摊片，随后熔滴经过相同过程形成的摊片相互交叠、堆垛形成涂层。摊片的形貌、尺寸、内部晶粒形态、摊片与基体和摊片之间的结合状况，是影响热障涂层热力学性能(包括热导率、结合强度、杨氏模量和硬度)和服役性能(如热循环寿命、抗氧化性能、隔热性能等)的关键因素。

目前，纳米涂层通常为双模式结构，由未熔化的纳米粉末镶嵌于熔化再结晶区域组成。此结构的纳米涂层高温稳定性较差，其中高温烧结效应会增加晶粒尺寸和涂层应力，使涂层过早失效；涂层中纳米晶颗粒在高温焰流作用下，也极易生长。另外，由于纳米粉末质量轻、比表面积大，喷涂过程中存在送粉不连续，沉积效率差的缺点，需要进行喷雾造粒制成流动性较好的微米级粉末，制备过程复杂、工艺繁琐不稳定。

发明内容

本发明目的在于提供一种具有低热导率、高结合强度的纳米尺度柱/孔/非晶结构热障涂层及制备方法，该方法具有经济效益显著，实现过程简单，工艺稳定的特点。

为达到以上目的，本发明采取如下技术方案予以实现：

一种纳米尺度柱/孔/非晶结构热障涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)对氧化钇部分稳定的二氧化锆陶瓷粉体进行过筛处理，得到粒径为10-40μm的陶瓷粉体；

(2)采用高能超音速等离子喷涂方法，粒径为10-40μm的陶瓷粉体经过等离子体射流的传热传质，形成熔滴，熔滴喷涂到基体后形成摊片，摊片交叠堆垛，形成纳米尺度柱/孔/非晶结构热障涂层。

本发明进一步的改进在于，粉体内部晶粒尺寸为100-200nm。

本发明进一步的改进在于，熔滴在等离子体射流中的冷却速率高于10¹⁰K/s。

本发明进一步的改进在于，高能超音速等离子喷涂方法通过高能超音速等离子喷涂系统实现，高能超音速等离子喷涂系统包括喷枪，喷枪结构呈喇叭状，包括喷嘴喉部，出口以及阴极端面，其中，喷嘴喉部直径为3.9-4.9mm，喷嘴出口直径为4.5-5.5mm，阴极端面直径为10-11mm。

本发明进一步的改进在于，喷涂参数包括喷涂功率：80kW，弧电流：580A，弧电压：138V，主气流量:140slpm，二次气体流量：23slpm，喷涂距离：110mm。

本发明进一步的改进在于，熔滴的飞行速度为510-980m/s，温度为3000-3750K。