一种高温合金板用莫来石防氧化涂层及其制备方法与流程

1.本发明属于金属材料表面改性技术领域，具体涉及一种高温合金用莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层及其制备方法。


背景技术：

2.高温合金是航空航天发动机用的和工业领域重要的结构材料，主要用于发动机和汽轮机的涡轮叶片。但由于工作温度较高，高温氧化的问题会大大降低部件的寿命。防氧化涂层是提高高温结构件使用性能的常用方法，通过在工件表面镀覆具有良好高温稳定性的氧化物涂层(如sio2、cr2o3、al2o3等)是延长工件寿命的有效途径。
3.sio2、cr2o3、al2o3等氧化物涂层已经在高温抗氧化涂层领域得到了广泛的应用。然而单组分涂层的抗氧化性能非常有限，为了延长零部件的使用寿命，涂层的设计也从单层、单一组分向多组分复合的方向发展。
4.目前，制备抗氧化涂层的方法主要包括粉末包埋、电弧离子镀、离子液体镀、pvd(物理气相沉积)、化学气相沉积、等离子喷涂等工艺。其中等离子喷涂工艺具有材料喷涂范围广、零件外形及复杂程度不受限、涂层结合力强等优点，更适合工业化生产应用。


技术实现要素：

5.本发明提供一种高温合金用莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层及其制备方法。通过将al2o3和sio2两种氧化物进行复合，生成一种高温稳定性更好的莫来石相(3al2o3·
2sio2)，从而改善高温合金的抗氧化性，延长其使用寿命。
6.本发明采用如下技术方案来实现的：
7.一种高温合金板用莫来石防氧化涂层的制备方法，包括以下步骤：
8.步骤1，配制设定浓度的al(no3)3·
9h2o溶液；
9.步骤2，将过量的氨水逐滴滴加于步骤1的溶液中，并持续搅拌直至生成白色沉淀；
10.步骤3，向步骤2的白色沉淀中加入硅溶胶；
11.步骤4，向步骤3的混合物中加入pva水溶液；
12.步骤5，将步骤4中的混合物置于辊式球磨机上进行球磨；
13.步骤6，将步骤5中经过球磨的浆料在喷雾造粒机上进行造粒，去除水分后得到干燥的al(oh)3、sio2的球形喷涂喂料混合粉体；
14.步骤7，将步骤6得到的球状喷涂喂料置于送粉器中，通过大气等离子喷涂的方式在高温合金表面进行喷涂，al(oh)3分解并与sio2反应生成莫来石防氧化涂层。
15.本发明进一步的改进在于，步骤1中混合溶液的容积为1500ml，al(no3)3·
9h2o的质量分数为10wt.％～40wt.％。
16.本发明进一步的改进在于，步骤2中氨水的浓度为20～50％。
17.本发明进一步的改进在于，步骤3中硅溶胶的浓度为30～40wt％，硅溶胶体积为500～1000ml。
18.本发明进一步的改进在于，步骤4中pva水溶液的浓度为5～7％，加入量为100～200ml。
19.本发明进一步的改进在于，步骤5中辊式球磨机的转速为60～80r/min，工作时间为24～48h。
20.本发明进一步的改进在于，步骤6中喷雾造粒机的参数为：喷雾造粒机进气温度为320～350℃，出口温度130～150℃，腔内温度180～200℃，喷嘴速度32000～35000r/min，浆液进料速度120～150g/min。
21.本发明进一步的改进在于，步骤7中真空等离子喷涂的参数为：电流180～220a，电压30～50v，一次气体(ar+n2)流速10.0～12.0l/min，二次气体(n2)流速2.0～4.0l/min，喷射距离90～110mm，粉末载气流速3.0～5.0l/min，送粉速率2.0～2.5g/min。
22.一种高温合金板用莫来石防氧化涂层，采用所述的制备方法制备得到。
23.本发明至少具有如下有益的技术效果：
24.1.本发明提供一种高温合金用莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层及其制备方法。采用大气等离子喷涂工艺一步制备莫来石涂层，制备工艺简单、成本低廉，更有利实际应用和大规模生产。
25.2.本发明提供一种高温合金用莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层及其制备方法，利用喷涂过程中等离子体高温使al2o3和sio2发生原位反应生成莫来石涂层，所得涂层更加致密、与基板结合力强。
26.3.本发明制备的高温合金用莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层，相比于未加涂层的高温合金板，具有更好的高温稳定性和抗氧化性。与外表面裸露的高温合金相比，涂覆莫来石涂层的合金在900℃的氧化增重降低了近2倍。
附图说明
27.图1是本发明制备的一种高温合金用莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层的xrd图；
28.图2是本发明制备的一种高温合金用莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层的sem图；
29.图3是本发明制备的一种高温合金用莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层在900℃的氧化增重图。
具体实施方式
30.下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明，
31.本发明涉及一种高温合金用莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层，具体按照以下步骤实施：
32.步骤1，配制设定浓度的al(no3)3·
9h2o溶液，溶液的容积为1500ml，al(no3)3·
9h2o的质量分数为10wt.％～40wt.％；
33.步骤2，将过量的氨水逐滴滴加于步骤1的溶液中，并持续搅拌直至生成白色沉淀，氨水的浓度为20～50％；
34.步骤3，向步骤2的白色沉淀中加入一定量的硅溶胶，硅溶胶的浓度为30～40wt％，体积为500～1000ml；
35.步骤4，向步骤3的混合物中加入一定量的pva水溶液，pva水溶液的浓度为5～7％，
加入量为100～200ml；
36.步骤5，将步骤4中的混合物置于辊式球磨机上进行球磨，辊式球磨机的转速为60～80r/min，工作时间为24～48h；
37.步骤6，将步骤5中经过球磨的浆料在喷雾造粒机上进行造粒，去除水分后得到干燥的al(oh)3、sio2的球形喷涂喂料混合粉体，喷雾造粒机进气温度为320～350℃，出口温度130～150℃，腔内温度180～200℃，喷嘴速度32000～35000r/min，浆液进料速度120～150g/min；
38.步骤7，将步骤6得到的球状喷涂喂料置于送粉器中，通过大气等离子喷涂的方式在高温合金表面进行喷涂，al(oh)3分解并与sio2反应生成莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层，大气等离子喷涂的参数为：电流180～220a，电压30～50v，一次气体(ar+n2)流速10.0～12.0l/min，二次气体(n2)流速2.0～4.0l/min，喷射距离90～110mm，粉末载气流速3.0～5.0l/min，送粉速率2.0～2.5g/min。
39.实施案例1
40.步骤1，配制设定浓度的al(no3)3·
9h2o溶液，溶液的容积为1500ml，al(no3)3·
9h2o的质量分数为10wt.％；
41.步骤2，将过量的氨水逐滴滴加于步骤1的溶液中，并持续搅拌直至生成白色沉淀，氨水的浓度为20％；
42.步骤3，向步骤2的白色沉淀中加入一定量的硅溶胶，硅溶胶的浓度为30wt.％，体积为500ml；
43.步骤4，向步骤3的混合物中加入一定量的pva水溶液，pva水溶液的浓度为5％，加入量为100ml；
44.步骤5，将步骤4中的混合物置于辊式球磨机上进行球磨，辊式球磨机的转速为60r/min，工作时间为24h；
45.步骤6，将步骤5中经过球磨的浆料在喷雾造粒机上进行造粒，去除水分后得到干燥的al(oh)3、sio2的球形喷涂喂料混合粉体，喷雾造粒机进气温度为320℃，出口温度130℃，腔内温度180℃，喷嘴速度32000r/min，浆液进料速度120g/min；
46.步骤7，将步骤6得到的球状喷涂喂料置于送粉器中，通过大气等离子喷涂的方式在高温合金表面进行喷涂，al(oh)3分解并与sio2反应生成莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层，大气等离子喷涂的参数为：电流180a，电压30v，一次气体(ar+n2)流速10.0l/min，二次气体(n2)流速2.0l/min，喷射距离90mm，粉末载气流速3.0l/min，送粉速率2.0g/min。
47.实施案例2
48.步骤1，配制设定浓度的al(no3)3·
9h2o溶液，溶液的容积为1500ml，al(no3)3·
9h2o的质量分数为40wt.％；
49.步骤2，将过量的氨水逐滴滴加于步骤1的溶液中，并持续搅拌直至生成白色沉淀，氨水的浓度为50％；
50.步骤3，向步骤2的白色沉淀中加入一定量的硅溶胶，硅溶胶的浓度为40wt％，体积为1000ml；
51.步骤4，向步骤3的混合物中加入一定量的pva水溶液，pva水溶液的浓度为7％，加入量为200ml；
52.步骤5，将步骤4中的混合物置于辊式球磨机上进行球磨，辊式球磨机的转速为80r/min，工作时间为48h；
53.步骤6，将步骤5中经过球磨的浆料在喷雾造粒机上进行造粒，去除水分后得到干燥的al(oh)3、sio2的球形喷涂喂料混合粉体，喷雾造粒机进气温度为350℃，出口温度150℃，腔内温度200℃，喷嘴速度35000r/min，浆液进料速度150g/min；
54.步骤7，将步骤6得到的球状喷涂喂料置于送粉器中，通过大气等离子喷涂的方式在高温合金表面进行喷涂，al(oh)3分解并与sio2反应生成莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层，大气等离子喷涂的参数为：电流220a，电压50v，一次气体(ar+n2)流速12.0l/min，二次气体(n2)流速4.0l/min，喷射距离110mm，粉末载气流速5.0l/min，送粉速率2.5g/min。
55.实施案例3
56.步骤1，配制设定浓度的al(no3)3·
9h2o溶液，溶液的容积为1500ml，al(no3)3·
9h2o的质量分数为20wt.％；
57.步骤2，将过量的氨水逐滴滴加于步骤1的溶液中，并持续搅拌直至生成白色沉淀，氨水的浓度为30％；
58.步骤3，向步骤2的白色沉淀中加入一定量的硅溶胶，硅溶胶的浓度为35wt％，体积为800ml；
59.步骤4，向步骤3的混合物中加入一定量的pva水溶液，pva水溶液的浓度为6％，加入量为150ml；
60.步骤5，将步骤4中的混合物置于辊式球磨机上进行球磨，辊式球磨机的转速为70r/min，工作时间为36h；
61.步骤6，将步骤5中经过球磨的浆料在喷雾造粒机上进行造粒，去除水分后得到干燥的al(oh)3、sio2的球形喷涂喂料混合粉体，喷雾造粒机进气温度为330℃，出口温度140℃，腔内温度190℃，喷嘴速度33000r/min，浆液进料速度130g/min；
62.步骤7，将步骤6得到的球状喷涂喂料置于送粉器中，通过大气等离子喷涂的方式在高温合金表面进行喷涂，al(oh)3分解并与sio2反应生成莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层，大气等离子喷涂的参数为：电流200a，电压40v，一次气体(ar+n2)流速11l/min，二次气体(n2)流速3.0l/min，喷射距离100mm，粉末载气流速4.0l/min，送粉速率2.5g/min。
63.实施案例4
64.步骤1，配制设定浓度的al(no3)3·
9h2o溶液，溶液的容积为1500ml，al(no3)3·
9h2o的质量分数为30wt.％；
65.步骤2，将过量的氨水逐滴滴加于步骤1的溶液中，并持续搅拌直至生成白色沉淀，氨水的浓度为40％；
66.步骤3，向步骤2的白色沉淀中加入一定量的硅溶胶，硅溶胶的浓度为30wt％，体积为700ml；
67.步骤4，向步骤3的混合物中加入一定量的pva水溶液，pva水溶液的浓度为7％，加入量为150ml；
68.步骤5，将步骤4中的混合物置于辊式球磨机上进行球磨，辊式球磨机的转速为70r/min，工作时间为30h；
69.步骤6，将步骤5中经过球磨的浆料在喷雾造粒机上进行造粒，去除水分后得到干
燥的al(oh)3、sio2的球形喷涂喂料混合粉体，喷雾造粒机进气温度为340℃，出口温度135℃，腔内温度185℃，喷嘴速度34000r/min，浆液进料速度140g/min；
70.步骤7，将步骤6得到的球状喷涂喂料置于送粉器中，通过大气等离子喷涂的方式在高温合金表面进行喷涂，al(oh)3分解并与sio2反应生成莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层，大气等离子喷涂的参数为：电流190a，电压35v，一次气体(ar+n2)流速10.0l/min，二次气体(n2)流速2.5l/min，喷射距离105mm，粉末载气流速3.5l/min，送粉速率2.3g/min。
71.利用本发明方法制备的一种高温合金用莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层的xrd图，如图1所示，涂层中检测到大量的莫来石相的衍射峰，说明生成了主晶相莫来石；此外还检测到少量al2o3的衍射峰，说明反应进行得并不完全；
72.利用本发明方法制备的一种高温合金用莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层表面的sem图，如图2所示，涂层绝大部分区域都已经完全熔化，只有少量没有熔化的小颗粒，说明涂层整体熔化程度较高，能够获得较致密的涂层，并且有利于提高涂层与基板之间的附着力；
73.利用本发明制备的一种高温合金用莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层在900℃的氧化增重图，如图3所示，随着氧化时间的延长，合金的氧化增重逐渐趋于平缓；与未加涂层的高温合金板相比，喷涂莫来石涂层的抗氧化性明显提升，氧化增重降低了近2倍。