一种新型的低热导率和耐高温热障涂层及其制备方法
【专利摘要】本发明属于高温涂层防护【技术领域】，特别涉及一种新型的低热导率和耐高温热障涂层及其制备方法。本发明采用Pr2Zr2O7系构成的陶瓷顶层。由于Pr2Zr2O7系构成的新型陶瓷顶层具有和自然界存在的烧绿石矿物结构相似的结构，此种结构具有结构复杂，低的热导率，高熔点，高的热膨胀系数和很好的相稳定性。因此采用Pr2Zr2O7作为陶瓷顶层具有低的热导率，高的热膨胀系数和相稳定等优点，可以应用在高温环境下的热障涂层体系。根据制备工艺的不同可以获得不同厚度的热障涂层，从而获得不同的隔热效果，达到工业应用所需要的目的。该涂层具有良好的耐高温、低导热和高的热膨胀系数的优点，同时也具有一定的耐高温CMAS侵蚀的性能。
【专利说明】一种新型的低热导率和耐高温热障涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高温涂层防护【技术领域】，特别涉及一种新型的低热导率和耐高温热障涂层及其制备方法。
【背景技术】
[0002]现代技术的发展，对航空航天技术的期望越来越高，从而对航空发动机性能提出了越来越高的要求，也就是对发动机的推重比也要求越来越大，对航空发动机的转数要求也越来越高，因此提高涡轮机的进出口温度就显得尤为重要，然而在更高温度的条件下工作，已经超出制造涡轮叶片和导向叶片的镍基高温合金材料所能承受的温度，由于与开发新的高温合金相比，热障涂层技术(thermal barrier coatings, TBCs)的研究成本低得多，工艺现实可行，因此，应用热障涂层技术是涡轮机发展的方向之一。
[0003]目前在航空发动机中普遍使用的是具有稳定性好、隔热效果佳的双层结构热障涂层，即采用在陶瓷层与金属基体之间引入一层改善基体与陶瓷层物理相容性并具有抗高温氧化和腐蚀作用的粘结层(NiCoCrA:LY),和由(7-9wt%)氧化乾稳定的、隔热能力强的氧化锆(Yttria Stabilized Zirconia，简称YSZ)陶瓷作为隔热顶层。YSZ在1200°C以上长期使用时，会发生相变，烧结和导致粘结层氧化加剧想象。然而下一代航空发动机进出口温度将会大幅度的提高，预计当发动机的推重比达到20，燃气入口温度将超过2000°C。在如此高的温度下使用，必然要求能与之相匹配的材料体系，由于稀土掺杂的YSZ具有低热导率和稳定的高温性能，因此，设计稀土掺杂的耐高温的低热导率热障涂层具有重要的科学意义和社会价值。
【发明内容】
[0004]针对现有技术不足，本发明提供了一种新型的低热导率和耐高温热障涂层及其制备方法。
[0005]一种新型的低热导率和耐高温热障涂层，所述热障涂层为双层结构，其中NiCoCrAlY作为粘接层，Pr2Zr2O7作为陶瓷顶层，二者相连构成；所述NiCoCrAH粘接层中Co的质量分数为22%-24%，Cr的质量分数为20%-22%，Al的质量分数为8%-10%，Y的质量分数为0.5%-1.5%，其余为Ni。
[0006]所述Pr2Zr2O7陶瓷顶层具有与烧绿石矿物相同的结构。
[0007]所述Pr2Zr2O7陶瓷顶层的热导率为1.6-IW.π1.1，其熔点为2350°C，其热膨胀系数为11-51。
[0008]一种新型的低热导率和耐高温热障涂层的制备方法，其具体步骤如下:
[0009](I) NiCoCrAH粘结层的制备，采用以下两种方案之一:
[0010]a.采用电子束物理气相沉积技术制备NiCoCrAH粘结层的工艺为:将配置好的原料在1500-1600°C温度下进行高温熔炼，熔炼后浇铸成NiCoCrAH料棒，所述原料中Co的质量分数为22%-24%，Cr的质量分数为20%-22%，Al的质量分数为8%-10%，Y的质量分数为0.5%?1.5%，其余为Ni ;将所得NiCoCrAH料棒放入电子束物理气相沉积真空室中，将真空室的真空度控制为I X 10_2?IOX 10_2Pa，以0.1?2 μ m/min的速率进行沉积；沉积时基板温度控制为800?900°C，涂层厚度控制为60?90 μ m，将所制备好的试样冷却下来之后，放入真空炉中进行热处理；所述热处理工艺为:真空度控制为1X10_2?10X10_2Pa，升温速率为3°C /min，在1050°C下保温4小时，随炉冷却之后，即可得到NiCoCrAH粘结层；
[0011]b.采用等离子喷涂技术制备NiCoCrAH粘结层的工艺参数为:电压为50?60V，电流为500?600A，氩气流量为50?60L/min，送粉速率为20?40g/min，所使用的原料中Co的质量分数为22%?24%，Cr的质量分数为20%?22%，Al的质量分数为8%?10%，Y的质量分数为0.5%?1.5%，其余为Ni ；
[0012](2) NiCoCrAlY粘结层的喷砂处理:
[0013]在制备好的NiCoCrAH粘结层表面进行喷砂处理，其喷砂工艺为:角度为90度，距离为200mm,砂粒为60?180目的刚玉砂，时间为3分钟；
[0014](3)以经过喷砂处理后的NiCoCrAH粘结层为基底，在其上制备Pr2Zr2O7陶瓷顶层，从而得到热障涂层，采用以下两种方案之一:
[0015]a.将Pr2O5粉末掺杂到氧化锆中，其中Pr2O5粉末的质量分数为10%?30%，搅拌均匀后，在压力为0.6MPa的条件下，在1500°C温度下烧结10小时，进行热等静压，得到电子束物理气相沉积所需的料棒，再采用电子束物理气相沉积制备Pr2Zr2O7陶瓷顶层；
[0016]所述电子束物理气相沉积工艺为:将合成的Pr2Zr2O7系料棒，放入电子束物理气相沉积真空室中，将真空室的真空度控制为lX10_2?10X10_2Pa，&0.1?2 μ m/min的速率进行沉积；沉积时NiC oCrAH粘结层基底温度控制为800?900°C，涂层厚度控制为80?100 μ m，将所制备好的试样冷却下来之后，放入炉中进行热处理；所述热处理工艺为:升温速率为3°C /min, 1050°C下保温2小时，随炉冷却之后，即可制备出Pr2Zr2O7陶瓷顶层，从而得到热障涂层；
[0017]b.将Pr2O5掺杂到氧化锆粉体中，其中Pr2O5的质量分数为10%?30%，所述氧化锆粉体的粒度为I--ο μ m，搅拌均匀后，得到等离子喷涂所需的陶瓷顶层粉体，采用等离子喷涂制备出Pr2Zr2O7陶瓷顶层，从而得到热障涂层；
[0018]所述等离子喷涂的工艺参数为:电压为50?60V，电流为500?600A，氩气流量为50?60L/min，氢气流量为15?25L/min，转台转速为5?15转/min，喷枪转速为35?45转/min，腔内压力为70乇，送粉速率为20?40g/min。
[0019]步骤(I)中，所述NiCoCrAlY料棒的尺寸为C>68mmX200mm。
[0020]本发明的有益效果为:
[0021]利用电子束物理气相沉积技术或等离子喷涂技术制备Pr2Zr2O7系构成的陶瓷顶层，由于Pr2Zr2O7系构成的陶瓷顶层具有和烧绿石矿物结构相似的结构，此种结构具有结构复杂，低的热导率，高熔点，高的热膨胀系数和很好的相稳定性。此种结构具有低热导率的原理为绝缘体的热电阻系数是由声子散射的点振动决定的，降低热导率的方式之一干扰点阵的振动，当晶体结构改变为相对低对称性或者晶胞内不同的结晶原子相结合，另外干扰性的散射中心的数量增加，热导率就会下降。所以晶体结构变得越复杂，热导率就会越低。从而能够用于制备在高温下应用的新型热障涂层。同时利用不同的工艺调整热障涂层，以达到工业用要求。该热障涂层具有良好的耐高温、低导热和高的热膨胀系数的优点，同时也 具有一定的耐高温CMAS侵蚀的性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明热障涂层的结构示意图。
【具体实施方式】
[0023]本发明提供了一种新型的低热导率和耐高温热障涂层及其制备方法，下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步说明。
[0024]实施例1
[0025]将配置好的原料在1500?1600°C温度下进行高温熔炼，熔炼后浇铸成NiCoCrAH料棒，所述原料中Co的质量分数为22%，Cr的质量分数为20%, Al的质量分数为8%，Y的质量分数为0.5%，其余为Ni ;熔炼后浇铸成尺寸为Φ68πιπιΧ 200mm的料棒，将所得NiCoCrAH料棒放入电子束物理气相沉积真空室中，将真空室的真空度控制为lX10_2Pa，以0.1ym/min的速率进行沉积；沉积时基板温度控制为800?900°C，涂层厚度控制为60 μ m，将所制备好的试样冷却下来之后，放入真空炉中进行热处理；所述热处理工艺为:真空度控制为lX10_2Pa，升温速率为3°C /min，在1050°C下保温4小时，随炉冷却之后，即可得到NiCoCrAlY 粘结层；
[0026]在制备好的NiCoCrAH粘结层表面进行喷砂处理，其喷砂工艺为:角度为90度，距离为200mm，砂粒为60?180目的刚玉砂，时间为3分钟，从而获得理想的NiCoCrAH粘接
层表面；
[0027]以经过喷砂处理后的NiCoCrAH粘结层为基底，在其上采用电子束物理气相沉积技术制备陶瓷顶层，其具体工艺为:将Pr2O5粉末掺杂到氧化锆中，其中Pr2O5粉末的质量分数为10%，搅拌均匀后，在压力为0.6MPa的条件下，在1500°C温度下烧结10小时，进行热等静压，形成电子束物理气相沉积所需的料棒，将合成的Pr2Zr2O7系陶瓷棒，放入电子束物理气相沉积真空室中，将真空室的真空度控制在2 X 10_2Pa，以0.8 μ m/min的速率进行沉积，为了获得更好的结合强度和涂层组织形貌，沉积时NiC0CrAH粘结层基底温度控制在850°C左右，涂层厚度控制在90 μ m左右，将所制备好的试样冷却下来之后，放入炉中进行热处理，其处理工艺为:升温速率为3°C /min, 1050°C下保温2小时，随炉冷却之后，即可制成所需要的新型抗高温热障涂层。
[0028]实施例2
[0029]将配置好的原料在1500?1600°C温度下进行高温熔炼，熔炼后浇铸成NiCoCrAH料棒，所述原料中Co的质量分数为23%，Cr的质量分数为21%，Al的质量分数为9%，Y的质量分数为1%，其余为Ni ;熔炼后浇铸成尺寸为Φ 68mmX 200mm的料棒，将所得NiCoCrAH料棒放入电子束物理气相沉积真空室中，将真空室的真空度控制为5X 10_2Pa，以I μ m/min的速率进行沉积；沉积时基板温度控制为800?900°C，涂层厚度控制为75 μ m，将所制备好的试样冷却下来之后，放入真空炉中进行热处理；所述热处理工艺为:真空度控制为5X10_2Pa，升温速率为3°C /min，在1050°C下保温4小时，随炉冷却之后，即可得到NiCoCrAH粘结层；
[0030]在制备好的NiCoCrAH粘结层表面进行喷砂处理，其喷砂工艺为:角度为90度，距离为200mm，砂粒为60?180目的刚玉砂，时间为3分钟，从而获得理想的NiCoCrAH表面；
[0031]以经过喷砂处理后的NiCoCrAH粘结层为基底，在其上采用电子束物理气相沉积技术制备陶瓷顶层，其具体工艺为:将Pr2O5粉末掺杂到氧化锆中，其中Pr2O5粉末的质量分数为20%，搅拌均匀后，在压力为0.6MPa的条件下，在1500°C温度下烧结10小时，进行热等静压，形成电子束物理气相沉积所需的料棒，将合成的Pr2Zr2O7系陶瓷棒，放入电子束物理气相沉积真空室中，将真空室的真空度控制在2 X 10_2Pa，以0.5 μ m/min的速率进行沉积，为了获得更好的结合强度和涂层组织形貌，沉积时基板温度控制在850°C左右，涂层厚度控制在80 μ m左右，将所制备好的试样冷却下来之后，放入炉中进行热处理，其处理工艺为:升温速率为3°C /min, 1050°C下保温2小时，随炉冷却之后，即可制成所需要的新型抗高温热障涂层。
[0032]实施例3
[0033]将配置好的原料在1500?1600°C温度下进行高温熔炼，熔炼后浇铸成NiCoCrAH料棒，所述原料中Co的质量分数为24%，Cr的质量分数为22%，Al的质量分数为10%，Y的质量分数为1.5%，其余为Ni ;熔炼后浇铸成尺寸为Φ 68mmX 200mm的料棒，将所得NiCoCrAH料棒放入电子束物理气相沉积真空室中，将真空室的真空度控制为10X10_2Pa，以2μπι/min的速率进行沉积；沉积时基板温度控制为800?900°C，涂层厚度控制为90 μ m，将所制备好的试样冷却下来之后，放入真空炉中进行热处理；所述热处理工艺为:真空度控制为IOX l(T2Pa，升温速率为3°C /min，在1050°C下保温4小时，随炉冷却之后，即可得到NiCoCrAlY 粘结层；
[0034]在制备好的NiCoCrAH粘结层表面进行喷砂处理，其喷砂工艺为:角度为90度，距离为200mm，砂粒为60?180目的刚玉砂，时间为3分钟，从而获得理想的NiCoCrAH表面；
[0035]以经过喷砂处理后的NiCoCrAH粘结层为基底，在其上采用等离子喷涂技术制备陶瓷顶层，其具体工艺为:将Pr 2O5粉末掺杂到氧化锆中，其中Pr2O5粉末的质量分数为30%，所述氧化锆粉体的粒度为I?10 μ m，经过搅拌均匀后，采用等离子喷涂制备成厚度为120 μ m左右的新型抗高温的热障涂层，其具体的工艺如下表所示:
[0036]表I低压等离子喷涂制备Pr2Zr2O7系构成的陶瓷顶层的工艺参数
[0037]
【权利要求】
1.一种新型的低热导率和耐高温热障涂层，其特征在于:所述热障涂层为双层结构，其中NiCoCrAH作为粘接层，Pr2Zr2O7作为陶瓷顶层，二者相连构成；所述NiCoCrAH粘接层中Co的质量分数为22%?24%，Cr的质量分数为20%?22%，Al的质量分数为8%?10%，Y的质量分数为0.5%?1.5%，其余为Ni。
2.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于:所述Pr2Zr2O7陶瓷顶层具有与烧绿石矿物相同的结构。
3.根据权利要求1所述的热障涂层，其特征在于:所述Pr2Zr2O7陶瓷顶层的热导率为1.6?IW.π1.K—1，其熔点为2350°C，其热膨胀系数为11?5K-1。
4.一种新型的低热导率和耐高温热障涂层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下: (1)NiCoCrAlY粘结层的制备，采用以下两种方案之一: a.采用电子束物理气相沉积技术制备NiCoCrAH粘结层的工艺为:将配置好的原料在.1500?1600°C温度下进行高温熔炼，熔炼后浇铸成NiCoCrAH料棒，所述原料中Co的质量分数为22%?24%，Cr的质量分数为20%?22%，Al的质量分数为8%?10%，Y的质量分数为0.5%?1.5%，其余为Ni ;将所得NiCoCrAH料棒放入电子束物理气相沉积真空室中，将真空室的真空度控制为I X 10_2?IOX 10_2Pa，以0.1?2 μ m/min的速率进行沉积；沉积时基板温度控制为800?900°C,涂层厚度控制为60?90 μ m,将所制备好的试样冷却下来之后，放入真空炉中进行热处理；所述热处理工艺为:真空度控制为1X10_2?10X10_2Pa，升温速率为3°C /min，在1050°C下保温4小时，随炉冷却之后，即可得到NiCoCrAH粘结层； b.采用等离子喷涂技术制备NiCoCrAlY粘结层的工艺参数为:电压为50?60V，电流为500?600A，氩气流量为50?60L/min，送粉速率为20?40g/min，所使用的原料中Co的质量分数为22%?24%，Cr的质量分数为20%?22%，Al的质量分数为8%?10%，Y的质量分数为0.5%?1.5%，其余为Ni ； (2)NiCoCrAlY粘结层的喷砂处理: 在制备好的NiCoCrAH粘结层表面进行喷砂处理，其喷砂工艺为:角度为90度，距离为.200mm，砂粒为60?180目的刚玉砂，时间为3分钟； (3)以经过喷砂处理后的NiCoCrAH粘结层为基底，在其上制备Pr2Zr2O7陶瓷顶层，从而得到热障涂层，采用以下两种方案之一: a.将Pr2O5粉末掺杂到氧化锆中，其中Pr2O5粉末的质量分数为10%?30%，搅拌均匀后，在压力为0.6MPa的条件下，在1500°C温度下烧结10小时，进行热等静压，得到电子束物理气相沉积所需的料棒，再采用电子束物理气相沉积制备Pr2Zr2O7陶瓷顶层； 所述电子束物理气相沉积工艺为:将合成的Pr2Zr2O7系料棒，放入电子束物理气相沉积真空室中，将真空室的真空度控制为1X10—2?10 X10_2Pa，以0.1?2 μ m/min的速率进行沉积；沉积时NiCoCrAH粘结层基底温度控制为800?900°C，涂层厚度控制为80?.100 μ m，将所制备好的试样冷却下来之后，放入炉中进行热处理；所述热处理工艺为:升温速率为3°C /min, 1050°C下保温2小时，随炉冷却之后，即可制备出Pr2Zr2O7陶瓷顶层，从而得到热障涂层； b.将Pr2O5掺杂到氧化锆粉体中，其中Pr2O5的质量分数为10%?30%，所述氧化锆粉体的粒度为I?10 μ m，搅拌均匀后，得到等离子喷涂所需的陶瓷顶层粉体，采用等离子喷涂制备出Pr2Zr2O7陶瓷顶层，从而得到热障涂层；所述等离子喷涂的工艺参数为:电压为50?60V，电流为500?600A，氩气流量为50?60L/min,氢气流量为15?25L/min，转台转速为5?15转/min，喷枪转速为35?45转/min，腔内压力为70乇，送粉速率为20?40g/min。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于:步骤(I)中，所述NiC0CrAH料棒的尺寸为 Φ68ι?πιΧ200mm 。
【文档编号】C23C28/00GK103434209SQ201310396194
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月4日 优先权日:2013年9月4日
【发明者】张东博, 宋冠禹 申请人:华北电力大学