一种热障涂层的制备方法及所制得的热障涂层

摘要

本发明公开了一种热障涂层的制备方法及所制得的热障涂层，该方法采用由锆盐和钇盐组成的溶液前驱体作为喷涂原料，所述溶液前驱体经过二流式雾化喷嘴雾化成液滴送入等离子射流，经过等离子射流加热、加速并沉积在基体上形成热障涂层。所述热障涂层为纳米结构，且具有垂直裂纹结构。本发明以溶液前驱体液料取代团聚粉末作为喷涂原料，大大简化了传统大气等离子喷涂制备涂层的繁琐工艺环节，涂层制备工艺流程少，提高了生产率并降低了成本，且涂层结构可控，能够实现工艺化生产。采用本发明制备的涂层消除了传统等离子喷涂涂层中的缺陷，可以制备出满足特殊要求的高性能涂层。

说明书

技术领域

本发明涉及热障涂层的制备技术。更特别地说：是以溶液前驱体替代常规 等离子喷涂工艺中团结粉末制备具有垂直裂纹结构，且孔隙均匀分布的纳米结 构热障涂层的方法。

背景技术

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。在发动机工作温度下，叶片表面温度每降低15℃ 将使叶片的蠕变寿命延长约1倍；隔热温度每提高40～100℃，将延长叶片寿命 3～4倍；涡轮发动机的进口温度每提高100℃，其功率将提高20％左右，而且 可以减少油耗达20％以上，因此，其在航空、汽车和大型火力发电等方面都有 广泛而重大的应用价值。

目前，热障涂层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，因此，涂层具有高应变容限，从而使EB-PVD涂层具有更高使用寿命。传 统APS制备的热障涂层为层状结构，涂层隔热性能优于EB-PVD涂层，但是， 层间裂纹导致片层之间结合薄弱，使涂层抗热震性能降低。调查表明，采用传 统APS制备的具有类似柱状晶结构的垂直裂纹结构热障涂层抗热震性能明显 优于APS制备的常规结构涂层，然而，传统APS制备的具有垂直裂纹结构热 障涂层致密度高，导致涂层隔热性能降低。

发明内容

本发明的目的是提出一种具有垂直裂纹结构热障涂层的制备方法，该方法 以溶液前驱体为原料，溶液前驱体在等离子射流中经过溶剂挥发、溶质析出、 高温分解及熔化等一系列变化过程，沉积在基体上形成具有垂直裂纹结构热障 涂层。

为实现上述目的，本发明提出一种热障涂层的制备方法，采用由锆盐和钇 盐组成的溶液前驱体作为喷涂原料，所述溶液前驱体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热障涂层。

其中，所述热障涂层制备步骤包括：

步骤1：将一定量稳定剂前驱体硝酸钇加入醋酸锆水溶液中，以最终形成 的YSZ计算，溶液总浓度控制在9～23wt％之间；

步骤2：调节溶液前驱体PH值在3～4之间，并在室温下不断搅拌，使硝 酸钇充分溶解并混合均匀后得溶液前驱体。

步骤3：将步骤2制备好的溶液前驱体置于容器1中，利用计量泵3作为 传输动力装置，所述溶液前驱体通过与计量泵相连接的传输管路2送入二流式 雾化喷嘴4；

步骤4：采用二流式雾化喷嘴4将溶液前驱体雾化后送入等离子射流7，所 述二流式雾化喷嘴中雾化气压力通过与气体传输管路6相连气体调压阀5控制， 所述溶液前驱体在等离子射流7中经过溶剂挥发、溶质析出、高温分解、熔化 等过程后沉积在高温合金或不锈钢基体8上形成热障涂层9。

其中，所述溶液前驱体原料为醋酸锆和硝酸钇。

其中，所述溶液前驱体原料可以为锆的羧酸盐、氯氧化盐或醇盐与钇的羧 酸盐、氯化盐或硝酸盐。

其中，所述二流式雾化喷嘴雾滴发散角度为10～22°。

其中，所述二流式雾化喷嘴所用雾化气压力为0.1～0.2MPa。

本发明提出的上述热障涂层的制备方法所制得的热障涂层为纳米结构，且 具有垂直裂纹结构。

本发明以溶液前驱体液料取代团聚粉末作为喷涂原料，大大简化了传统大 气等离子喷涂团聚粉末原料制备涂层的繁琐工艺，涂层制备工艺流程少，提高 了生产率和降低了成本，涂层结构可控，能够实现工艺化生产。并且，消除了 传统等离子喷涂涂层的缺陷，可以制备出满足特殊要求的高性能涂层。

附图说明

图1为采用本发明制备热障涂层工艺流程示意图

图2a及图2b为本发明实施例1制备的热障涂层相结构和表面形貌；

图3a及图3b为本发明实施例2制备的热障涂层不同放大倍率的微观结构；

图4a及图4b为本发明实施例3制备的热障涂层不同放大倍率的微观结构；

图5a及图5b为本发明实施例4制备的热障涂层不同放大倍率的微观结构。

其中，附图标记：

1：容器          2：传输管路

3：计量泵        4：二流式雾化喷嘴

5：气体调压阀    6：气体输送管路

7：射流          8：基体

9：热障涂层

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细 说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容。

本发明是针对粉末等离子喷涂制备热障涂层技术中存在的缺陷，提出的一 种溶液前驱体等离子喷涂制备热障涂层的新方法，该方法以溶液前驱体取代团 聚性微米粉末作为喷涂原料，直接以锆盐和钇盐溶液前驱体为等离子喷涂原料。 其中，溶液前驱体通过二流式雾化喷嘴将溶液前驱体雾化后送入等离子射流， 并与等离子射流发生热交换，溶液前驱体在等离子射流中经过溶剂挥发、溶质 析出、高温分解、熔化等过程，最后沉积在基体上形成具有垂直裂纹、无横向 层间裂纹且孔隙均匀分布的新型结构热障涂层。并且，本发明采用二流式雾化 喷嘴输送溶液前驱体，确保雾化后液滴能送入等离子射流的合适位置，从而在 涂层制备过程中有效控制溶液前驱体高温分解过程，得到理想结构热障涂层。

图1为采用本发明制备热障涂层工艺流程示意图，以下结合图1说明本发 明热障涂层制备方法的技术方案。本发明所提出的热障涂层制备方法的技术方 案是采用由锆盐和钇盐组成的溶液前驱体作为喷涂原料，所述溶液前驱体经过 二流式雾化喷嘴雾化成细小液滴送入等离子射流，并沉积在基体上形成热障涂 层。

其中，所述溶液前驱体制备步骤包括：步骤1：将一定量稳定剂硝酸钇加 入醋酸锆水溶液中，以最终形成的氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)计算，溶液浓 度控制在9～23wt％之间；以及步骤2：控制溶液前驱体PH值在3～4之间，并 在室温下不断搅拌，使硝酸钇充分溶解并混合均匀后得溶液前驱体。

其中，步骤2后还包括步骤3：将步骤2制备好的溶液前驱体置于容器1 中，利用计量泵3作为传输动力装置，所述溶液前驱体通过与计量泵相连接的 传输管路2送入二流式雾化喷嘴4中，所述二流式雾化喷嘴中雾化气压力通过 与气体输送管路6相连接的气体调压阀5来控制；以及步骤4：采用二流式雾 化喷嘴4将溶液前驱体雾化后送入等离子射流7。

其中，步骤4后还包括：步骤5：以所述溶液前驱体为喷涂原料，所述溶 液前驱体在等离子射流7中经过溶剂挥发、溶质析出、高温分解、熔化等过程 后沉积在高温合金或不锈钢基体8上形成热障涂层9。

其中，所述溶液前驱体原料为醋酸锆和硝酸钇。

其中，所述溶液前驱体原料可以为锆的羧酸盐、氯氧化盐或醇盐与钇的羧 酸盐、氯化盐或硝酸盐。

其中，所述二流式雾化喷嘴雾滴发散角度较佳为10～22°。

其中，所述二流式雾化喷嘴所用雾化气压力较佳为0.1～0.2MPa。

而且，本发明提出了上述热障涂层的制备方法所制得的热障涂层。所述热 障涂层为纳米结构，且具有垂直裂纹结构。

具体而言，本发明提出的溶液前驱体等离子喷涂制备新型结构热障涂层的 方法可依次按如下步骤进行：

1.溶液前驱体制备

(1)称取一定量硝酸钇加入醋酸锆溶液中，控制最终产物中氧化钇在氧化 锆中掺杂量为7～8wt％，控制最终溶液浓度在9～23％之间；

(2)控制步骤(1)溶液前驱体PH＝3～4之间，充分搅拌形成溶液前驱体。

2.溶液前驱体的输送

(1)将上述制备的溶液前驱置于容器1中，利用计量泵3作为传输动力装 置，所述溶液前驱体通过与计量泵3相连接的传输管路2送入二流式雾化喷嘴 4中；二流式雾化喷嘴4中雾化气压力通过与气体输送管路6相连接的气体调 压阀5来控制，雾化气压力为0.1～0.2MPa，雾化液滴发散角在10～22°之间。

(2)采用二流式雾化喷嘴4将溶液前驱体雾化后送入等离子射流7。

3.热障涂层制备

送入等离子射流7中的溶液前驱体与等离子射流7发生热量交换，溶液前 驱体发生溶剂挥发、溶质析出、高温分解、熔化等过程，最终沉积在高温合金 或不锈钢基体8上形成热障涂层9。

实施例1：

称取硝酸钇固体加入到醋酸锆溶液中，使溶液中金属Zr离子浓度为 lmol/L，控制氧化钇在氧化锆中浓度为7～8wt％，在室温下电磁搅拌，使硝酸 钇充分溶解并混合，得到溶质浓度为9％的YSZ溶液前驱体。

将所制得的溶液前驱体以25ml/min的流量经过二流式雾化喷嘴雾化后送 入等离子射流，雾化气压力为0.1MPa，溶液前驱体与等离子射流发生热量交换， 最后，在不锈钢基体上形成热障涂层。用X射线衍射(XRD)和扫描电镜分别测 试了涂层晶体结构和涂层表面形貌。如图2a所示，结果表明：涂层为单一四方 相结构，无单斜相存在。如图2b所示，结果表明，涂层为纳米结构，晶粒尺寸 小于100nm。

实施例2：

称取硝酸钇固体加入到醋酸锆溶液中，使溶液中金属Zr离子浓度为 2.4mol/L，控制氧化钇在氧化锆中浓度为7～8wt％，在室温下电磁搅拌，使硝酸 钇充分溶解并混合，得到溶质浓度为23％的YSZ溶液前驱体。将所制得的溶液 前驱体以50ml/min的流量经过二流式雾化喷嘴在雾化气压力为0.2MPa下送入 等离子射流，在雾化前驱体在等离子射流经过溶剂挥发、沉淀析出、高温分解、 熔化等一系列过程，最后沉积在高温合金基体上形成热障涂层。用扫描电镜 (SEM)测试涂层微观结构，并用图像法分析涂层孔隙率。结果如图3a所示，结 果表明在涂层中形成了垂直裂纹结构，孔隙在涂层中均匀分布，孔隙率达30％ 以上(图3b)。

实施例3：

按实施例2制备溶液前驱体。溶液前驱体以25ml/min的流量经过二流式雾 化喷嘴在雾化气压力为0.1MPa下送入等离子射流，并沉积在高温合金基体上 形成热障涂层。用扫描电镜(SEM)测试涂层微观结构。结果如图4a所示，结果 表明，在涂层中形成垂直裂纹结构，无横向层间裂纹，孔隙以岛状均匀分布， 且大量孔隙小于2μm(图4b)。

实施例4：

按实施例2制备溶液前驱体。溶液前驱体以25ml/min的流量经过二流式雾 化喷嘴在雾化气压力为0.14MPa下送入等离子射流，并沉积在高温合金基体上 形成热障涂层。用扫描电镜SEM测试涂层微观结构。结果如图5a所示，结果 表明，在涂层中形成垂直裂纹结构，无横向层间裂纹，涂层孔隙率为20％(图 5b)。

本发明的效果：

1、本发明采用溶液前驱体作为喷涂原料，其来源广泛、成本较低；

2、本发明采用溶液前驱体替代微米团聚粉末作为喷涂原料，简化了喷涂原 料制备工艺环节，大大提高了生产效率和降低了生产成本，易于实现工艺化生 产；

3、利用等离子射流高温、高速特性，使溶液前驱体在等离子射流中瞬间发 生溶剂挥发、溶质析出、高温分解、熔化等过程后沉积在基体上形成涂层，该 过程在极短时间完成，能有效抑制晶粒长大，可以保持纳米结构涂层；

4、利用二流式雾化喷嘴可以分别控制溶液前驱体流量和雾化气压力，从而 可以有效控制涂层微观结构；

5、利用本发明可以制备出兼顾电子束物理气相沉积(EB-PVD)和传统大气 等离子喷涂(APS)热障涂层的微观结构，在涂层中形成具有类似柱状晶结构的垂 直裂纹结构涂层，且涂层中无横向层间裂纹，涂层晶粒尺寸小于100nm。

6.利用本发明可以制备出孔隙率可控的热障涂层，涂层中大部分孔隙小于 10μm，甚至小于2μm。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情 况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这 些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。