专利名称：制备高温封严涂层的大气等离子喷涂方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于高温封严涂层的制备方法，更特别地说，是指一种采用大气等离子喷涂工艺制备出BaLn2Ti3+XO10+Y(Ln＝Pr、La、Nd或Sm，X的取值为0.1～1，Y的取值为0.1～2)高温封严涂层。
背景技术：
随着航空涡轮发动机向高流量比、高推重比和高进口温度的方向发展，对高温部件的耐高温能力也提出了更高的要求。发动机的热端部件需要在较高的温度下运转，从而提高航空发动机的效率，降低油耗，提高其推重比。如新一代高性能航空发动机，其涡轮进口设计温度已达到1800℃以上，经过先进的气膜冷却，到达高温热端部件的表面工作温度将在1400℃以上，远远高于热端部件高温合金的承温能力，在高温合金基体表面涂覆耐高温且具有良好隔热性能的热障涂层，可以降低合金表面的工作温度，延长热端部件的使用寿命，提高发动机的工作效率。涡轮外环是航空发动机的关键构件，它的作用是与发动机涡轮叶片形成动密封，提高燃气的燃烧效率。涡轮外环的工作环境非常恶劣，一方面要求涡轮外环耐高温燃气烧蚀，另一方面，要求外环表面具备一定的硬度和可磨耗性能。为了满足以上要求，通常在涡轮外环表面涂覆高温封严涂层(一种特殊的热障涂层)。对于新一代航空发动机，其涡轮外环工作温度将在1200℃以上。
目前航空发动机的封严涂层材料大多选用复合材料。由金属相、自润滑非金属和许多小孔组成。如镍/石墨复合封严涂层。其制备方法一般为等离子喷涂粘结层和火焰喷涂复合材料封严涂层，形成多孔、疏松的涂层微观结构，使得其同时具有低热导，较高的可磨耗性、抗冲刷等性能。然而目前大多喷涂制备的封严涂层的使用温度低于900℃，显然这与发动机的高温发展趋势不相符。因此非常需要探索新的可耐受更高工作温度的封严涂层材料，以及与之相适应的涂层化制备方法。
目前制备高温封严涂层的方法主要为大气等离子喷涂。此种方法功率高，火焰温度高，可以融化所有金属和氧化物，喷涂过程中，融化粒子温度高、速度快，可以得到典型的层状结构涂层。然而，对于熔点低的热障涂层材料，如采用常规的喷涂工艺，将在喷涂过程中发生分解，难以控制涂层的成分，影响涂层性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用大气等离子喷涂制备BaLn2Ti3+XO10+Y(Ln＝Pr、La、Nd或Sm，X的取值为0.1～1，Y的取值为0.1～2)封严涂层的工艺方法，是针对BaLn2Ti3+XO10+Y化合物的熔点较低(1820℃)，难以采用传统喷涂工艺进行封严涂层化制备的技术难题而提出的。本发明人提出(A)降低等离子喷枪的功率，使得材料熔化并且材料保持其结构而不分解；(B)增大喷枪的送粉口与等离子喷嘴的距离，减小送粉口与基板的距离，从而提高了基板温度；(C)本发明的制备方法在组合(A)与(B)后防止了因出现等离子火焰温度过高或者在基板冷却速度过快时而导致的封严涂层材料分解和涂层界面结合强度低的问题。
本发明提供的制备BaLn2Ti3+XO10+Y(Ln＝Pr、La、Nd或Sm，X的取值为0.1～1，Y的取值为0.1～2)高温封严涂层的等离子喷涂工艺，使得喷涂后的BaLn2Ti3+XO10+Y保持原有块体材料的层状钙钛矿结构，保持了低硬度，高的热膨胀系数(1500℃，10.5～13.5×10-6K-1)、低热导率(1500℃，0.51～0.91Wm-1K-1)、低硬度(200～400MPa)等材料特性，同时涂层具有多孔疏松的结构，与基体可以形成优异的界面结合(机械拉伸下的测试结合力为25～35MPa)，使得BaLn2Ti3+XO10+Y封严涂层具有了更好的耐高温(1500℃)、可磨耗性能、抗热冲击、长寿命等优异特性。
图1是采用大气等离喷涂的BaLa2Ti3O10的扫描电子显微镜(SEM)图像。基体为镍基高温合金，粘结层为NiCrAlY。
图2是采用大气等离喷涂的BaLa2Ti3O10的表面X射线衍射(XRD)结果。发现喷涂后的材料并未分解。
图3是采用大气等离喷涂的BaPr2Ti3O10封严涂层的热膨胀系数 图4是采用大气等离喷涂的BaPr2Ti3O10的扫描电子显微镜(SEM)图像。基体为镍基高温合金，粘结层为NiCrAlY。
具体实施例方式 本发明是一种制备高温封严涂层的大气等离子喷涂方法，该喷涂方法通过(A)降低等离子喷枪的功率，使得材料熔化并且材料保持其结构而不分解；(B)增大喷枪的送粉口与等离子喷嘴的距离，减小送粉口与基板的距离，从而提高了基板温度；(C)本发明的制备方法在组合(A)与(B)后防止了因出现等离子火焰温度过高或者在基板冷却速度过高时而导致的封严涂层材料分解。具体的制备步骤有 第一步在基体上制备粘结层 (A)将选取的基体经150号、300号、400号、800号砂纸打磨光滑后，放入无水乙醇中进行超声波清洗2～8min，获得第一基体； 经砂纸打磨后的基体表面粗糙度Ra＜0.8； (B)采用低压等离子喷涂工艺对第一基体进行制备粘结层，获得第二基体； 低压等离子喷涂工艺参数 第二步封严涂层的制备 (A)选取封严涂层材料，并放入粘结剂中搅拌均匀制得混合液；封严涂层材料与粘结剂的用量为每100g粘结剂中添加30～40g封严涂层材料； 所述粘结剂由阿拉伯树胶和去离子水在80～100℃中搅拌均匀制得，阿拉伯树胶与去离子水的用量为每200ml去离子水中添加0.1～1g阿拉伯树胶； (B)将混合液放入喷雾造粒机中进行喷雾造粒，获得粒径为20～50μm的球形颗粒； (C)将球形颗粒采用大气等离子喷涂工艺在第一步中(B)步骤获得的第二基体上制封严涂层； 大气等离子喷涂工艺参数 在上述制备步骤中，基体为牌号K3的Ni基高温合金，喷涂在基体上的粘结层成分为NiCrAlY，封严涂层材料的化学成份为BaLn2Ti3+XO10+Y(Ln＝Pr、La、Nd或Sm，X的取值为0.1～1，Y的取值为0.1～2)，在实际制备操作时根据化学式中的原子个数配比得到目标成分后，再用喷雾造粒机造粒。在本发明中BaLn2Ti3+XO10+Y封严涂层材料是一类层状钙钛矿结构的材料，层与层间结合力弱，具有质软，韧性好等特点。
经上述制备得到的BaLn2Ti3+XO10+Y封严涂层具有高的热膨胀系数(1500℃，10.5～13.5×10-6K-1)、低的热导率(1500℃，0.51～0.91Wm-1K-1)、低硬度(200～400MPa)等材料特性，同时经大气等离子喷涂制得的涂层具有多孔结构，与基体可以形成优异的界面结合(机械拉伸下的测试结合力为25～35MPa)。
实施例1制BaLa2Ti3O10高温封严涂层 第一步在基体上制备粘结层 (A)将选取的基体(牌号K3的Ni基高温合金)经150号、300号、400号、800号砂纸打磨光滑后，放入无水乙醇和丙酮中进行超声波清洗5min，获得第一基体；经砂纸打磨后的基体表面粗糙度Ra＜0.8； (B)采用低压等离子喷涂工艺对第一基体进行制备NiCrAlY粘结层，获得第二基体； 低压等离子喷涂设备为北京航空工艺研究所研制的低压等离子喷涂系统； 低压等离子喷涂工艺参数 第二步封严涂层的制备 (A)选取封严涂层材料为BaLa2Ti3O10，并放入粘结剂中搅拌均匀制得混合液；封严涂层材料与粘结剂的用量为每100g粘结剂中添加30g封严涂层材料； 所述粘结剂由阿拉伯树胶和去离子水在100℃中搅拌均匀制得，阿拉伯树胶与去离子水的用量为每200ml去离子水中添加0.5g阿拉伯树胶； (B)将混合液放入喷雾造粒机中进行喷雾造粒，获得粒径为25～35μm的球形颗粒； (C)将球形颗粒采用大气等离子喷涂工艺在第一步中(B)步骤获得的第二基体上制封严涂层；大气等离子喷涂设备为美国GE公司生产的METCO 7MC型大气等离子喷涂设备； 大气等离子喷涂工艺参数 经上述制备得到的BaLa2Ti3O10封严涂层采用德国Netzsch DIL 402 E型高温膨胀仪测得热膨胀系数为11.5×10-6K-1(1500℃)；采用瞬态平面热源法测量热导率(TPS 2500 system，Sweden)，得到的热导率为0.91Wm-1K-1(1500℃)；采用上海万衡精密仪器有限公司的HXS-1000Z型显微硬度计测得硬度为220MPa；用扫描电子显微镜对BaLa2Ti3O10封严涂层材料进行形貌观察，经大气等离子喷涂制得的涂层具有多孔结构(参见图1所示)，采用长春试验机厂生产的WDW-20型微机控制电子万能试验机机测试封严涂层与基体的结合力为28MPa。可见界面结合性能优异。同时，分析采用大气等离喷涂的BaLa2Ti3O10封严涂层表面X射线衍射(XRD)图谱表明，喷涂后的封严涂层材料并未分解(如图2所示)。
实施例2制BaLa2Ti4O12高温封严涂层 第一步、第二步与实施例1相同，不同之处在于封严涂层所选取的材料不同。
制得的BaLa2Ti4O12高温封严涂层的热膨胀系数为12.1×10-6K-1(1500℃)、热导率为0.85Wm-1K-1(1500℃)、硬度为240MPa、涂层与基体的结合力为30MPa。
实施例3制BaPr2Ti3O10高温封严涂层 第一步骤与实施例1相同； 第二步封严涂层的制备 (A)选取封严涂层材料为BaPr2Ti3O10，并放入粘结剂中搅拌均匀制得混合液；封严涂层材料与粘结剂的用量为每100g粘结剂中添加35g封严涂层材料； 所述粘结剂由阿拉伯树胶和去离子水在100℃中搅拌均匀制得，阿拉伯树胶与去离子水的用量为每200ml去离子水中添加1g阿拉伯树胶； (B)将混合液放入喷雾造粒机中进行喷雾造粒，获得粒径为30～50μm的球形颗粒； (C)将球形颗粒采用大气等离子喷涂工艺在第一步中(B)步骤获得的第二基体上制封严涂层； 大气等离子喷涂工艺参数 经上述方法制得的BaPr2Ti3O10高温封严涂层的热膨胀系数为11.4×10-6K-1(1500℃)(如图3所示)、热导率为0.62Wm-1K-1(1500℃)、硬度为240MPa。具有疏松多孔结构。(如图4所示)涂层与基体的结合力为为25.6MPa。
采用与实施例3相同的方法制BaPr2Ti4O12高温封严涂层，该涂层的热膨胀系数为10.9×10-6K-1(1500℃)、热导率为0.79Wm-1K-1(1500℃)、硬度为289MPa。具有疏松多孔结构。涂层与基体的结合力为26.3MPa。
实施例4 制BaSm2Ti3.5O11高温封严涂层 第一步骤与实施例1相同； 第二步封严涂层的制备 (A)选取封严涂层材料为BaSm2Ti3.5O11，并放入粘结剂中搅拌均匀制得混合液；封严涂层材料与粘结剂的用量为每100g粘结剂中添加35g封严涂层材料； 所述粘结剂由阿拉伯树胶和去离子水在100℃中搅拌均匀制得，阿拉伯树胶与去离子水的用量为每200ml去离子水中添加1g阿拉伯树胶； (B)将混合液放入喷雾造粒机中进行喷雾造粒，获得粒径为30～50μm的球形颗粒； (C)将球形颗粒采用大气等离子喷涂工艺在第一步中(B)步骤获得的第二基体上制封严涂层； 大气等离子喷涂工艺参数 经上述方法制得的BaSm2Ti3.5O11高温封严涂层的热膨胀系数为12.7×10-6K-1(1500℃)、热导率为0.57Wm-1K-1(1500℃)、硬度为318MPa。具有疏松多孔结构。涂层与基体的结合力为33.5MPa。
实施例5 制BaNd2Ti3O10高温封严涂层 第一步骤与实施例1相同； 第二步封严涂层的制备 (A)选取封严涂层材料为BaNd2Ti3O10，并放入粘结剂中搅拌均匀制得混合液；封严涂层材料与粘结剂的用量为每100g粘结剂中添加35g封严涂层材料； 所述粘结剂由阿拉伯树胶和去离子水在100℃中搅拌均匀制得，阿拉伯树胶与去离子水的用量为每200ml去离子水中添加1g阿拉伯树胶； (B)将混合液放入喷雾造粒机中进行喷雾造粒，获得粒径为30～50μm的球形颗粒； (C)将球形颗粒采用大气等离子喷涂工艺在第一步中(B)步骤获得的第二基体上制封严涂层； 大气等离子喷涂工艺参数 经上述方法制得的BaNd2Ti3O10高温封严涂层的热膨胀系数为12.5×10-6K-1(1500℃)、热导率为0.87Wm-1K-1(1500℃)、硬度为325MPa。具有疏松多孔结构。涂层与基体的结合力为27.9MPa。
权利要求
1.一种制备高温封严涂层的大气等离子喷涂方法，其特征在于有下列制备步骤
第一步在基体上制备粘结层
(A)将选取的基体经150号、300号、400号、800号砂纸打磨光滑后，放入无水乙醇中进行超声波清洗2～8min，获得第一基体；
经砂纸打磨后的基体表面粗糙度Ra＜0.8；
(B)采用低压等离子喷涂工艺对第一基体进行制备粘结层，获得第二基体；
低压等离子喷涂工艺参数
第二步封严涂层的制备
(A)选取封严涂层材料，并放入粘结剂中搅拌均匀制得混合液；封严涂层材料与粘结剂的用量为每100g粘结剂中添加30～40g封严涂层材料；
所述粘结剂由阿拉伯树胶和去离子水在80～100℃中搅拌均匀制得，阿拉伯树胶与去离子水的用量为每200ml去离子水中添加0.1～1g阿拉伯树胶；
所述封严涂层材料的化学成份为BaLn2Ti3+XO10+Y，Ln＝Pr、La、Nd或Sm，X的取值为0.1～1，Y的取值为0.1～2；
(B)将混合液放入喷雾造粒机中进行喷雾造粒，获得粒径为20～50μm的球形颗粒；
(C)将球形颗粒采用大气等离子喷涂工艺在第一步中(B)步骤获得的第二基体上制高温封严涂层；
大气等离子喷涂工艺参数
2.根据权利要求1所述的大气等离子喷涂方法，其特征在于第二步骤中的(C)步制得的高温封严涂层为BaLa2Ti3O10、或者BaPr2Ti3O10、或者BaPr2Ti4O12、或者BaSm2Ti3.5O11、或者BaNd2Ti3O10。
3.根据权利要求1所述的大气等离子喷涂方法，其特征在于制备得到的BaLn2Ti3+XO10+Y封严涂层在1500℃时的热膨胀系数为10.5～13.5×10-6K-1，在1500℃时的热导率为0.51～0.91Wm-1K-1，低硬度为200～400MPa。
全文摘要
本发明公开了一种采用大气等离子喷涂制备BaLn2Ti3+XO10+Y封严涂层的工艺方法，由于BaLn2Ti3+XO10+Y熔点较低，本发明人提出(A)降低等离子喷枪的功率，使得材料熔化并且材料保持其结构而不分解；(B)增大喷枪的送粉口与等离子喷嘴的距离，减小送粉口与基板的距离，从而提高了基板温度；(C)本发明的制备方法在组合(A)与(B)后防止了因出现等离子火焰温度过高或者在基板冷却速度过快时而导致的封严涂层材料分解和涂层界面结合强度低的问题。
文档编号C23C4/02GK101109062SQ20071012061
公开日2008年1月23日 申请日期2007年8月22日 优先权日2007年8月22日
发明者徐惠彬, 马国辉, 宫声凯, 郭洪波 申请人:北京航空航天大学