一种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.高温合金是制备飞机发动机和汽轮机叶片的重要结构材料，但是由于高温环境等复杂的服役条件，会因为高温氧化等问题使得工件的寿命大大降低。防氧化涂层是提高高温结构件服役寿命的重要途径，可以通过在工件表面镀覆高温稳定性好的防氧化涂层，如sio2、cr2o3、al2o3等来延长工件的寿命。
3.sio2和al2o3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sio2和al2o3具有多种相结构，在高温条件下相变的发生会引起体积的收缩，并造成涂层的脱落，导致涂层的抗氧化性能非常有限。因此，为了提高工件的使用寿命，涂层组分的设计也向多组分、稳定相的方向发展。
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，合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：
7.一种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，将步骤1中的溶液置于水热锅中，持续搅拌并逐滴滴加适量的氨水，生成al(oh)3透明溶胶；
10.步骤3，向步骤2的透明溶胶中加入sio2超细粉；
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和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20wt.％～50wt.％。
16.本发明进一步的改进在于，步骤2中水浴锅的温度为60～80℃，氨水的浓度为5～
10％。
17.本发明进一步的改进在于，步骤3中sio2的粒度为20～500nm，含量为15～35wt.％。
18.本发明进一步的改进在于，步骤4中pva水溶液的浓度为5～8％，加入量为150～200ml。
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12～36h。
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330～350℃，出口温度120～150℃，腔内温度160～200℃，喷嘴速度30000～35000r/min，浆液进料速度110～150g/min。
21.本发明进一步的改进在于，步骤7中大气等离子喷涂的参数为：电流180～200a，电压20～40v，一次气体(ar+n2)流速8.0～10.0l/min，二次气体(n2)流速2.0～3.0l/min，喷射距离80～110mm，粉末载气流速3.0～5.0l/min，送粉速率1.5～2.0g/min。
22.一种莫来石防氧化涂层，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法制备莫来石涂层，制备工艺简单，适合大规模生产和实际应用。
25.2.本发明提供一种莫来石(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al(oh)3分解成al2o3，并与sio2发生反应生成莫来石涂层，所得涂层致密、与基板结合力强。
26.3.本发明制备的一种莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层，相比于裸露的高温合金板，具有更好的高温稳定性和抗氧化性。与未涂覆涂层的合金板相比，其在900℃的氧化增重降低了近2.3倍，说明其抗氧化性能得到了大大的提高。
附图说明
27.图1是本发明制备的一种莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层的xrd图；
28.图2是本发明制备的一种莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层横截面的sem图；
29.图3是本发明制备的一种莫来石(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20wt.％～50wt.％；
33.步骤2，将步骤1中的溶液置于水热锅中，持续搅拌并逐滴滴加适量的氨水，生成al(oh)3透明溶胶，水浴锅的温度为60～80℃，氨水的浓度为5～10％；
34.步骤3，向步骤2的透明溶胶中加入一定量的sio2超细粉，sio2的粒度为20～500nm，
含量为15～35wt.％；
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5～8％，加入量为150～200ml。
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12～36h。
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330～350℃，出口温度120～150℃，腔内温度160～200℃，喷嘴速度30000～35000r/min，浆液进料速度110～150g/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180～200a，电压20～40v，一次气体(ar+n2)流速8.0～10.0l/min，二次气体(n2)流速2.0～3.0l/min，喷射距离80～110mm，粉末载气流速3.0～5.0l/min，送粉速率1.5～2.0g/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20wt.％；
41.步骤2，将步骤1中的溶液置于水热锅中，持续搅拌并逐滴滴加适量的氨水，生成al(oh)3透明溶胶，水浴锅的温度为60℃，氨水的浓度为5％；
42.步骤3，向步骤2的透明溶胶中加入一定量的sio2超细粉，sio2的粒度为20nm，含量为15wt.％；
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150ml。
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12h。
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330℃，出口温度120℃，腔内温度160℃，喷嘴速度30000r/min，浆液进料速度110g/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20v，一次气体(ar+n2)流速8.0l/min，二次气体(n2)流速2.0l/min，喷射距离80mm，粉末载气流速3.0l/min，送粉速率1.5g/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50wt.％；
49.步骤2，将步骤1中的溶液置于水热锅中，持续搅拌并逐滴滴加适量的氨水，生成al(oh)3透明溶胶，水浴锅的温度为80℃，氨水的浓度为10％；
50.步骤3，向步骤2的透明溶胶中加入一定量的sio2超细粉，sio2的粒度为500nm，含量为35wt.％；
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8％，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36h。
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200a，电压40v，一次气体(ar+n2)流速10.0l/min，二次气体(n2)流速3.0l/min，喷射距离110mm，粉末载气流速5.0l/min，送粉速率2.0g/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30wt.％；
57.步骤2，将步骤1中的溶液置于水热锅中，持续搅拌并逐滴滴加适量的氨水，生成al(oh)3透明溶胶，水浴锅的温度为70℃，氨水的浓度为8％；
58.步骤3，向步骤2的透明溶胶中加入一定量的sio2超细粉，sio2的粒度为100nm，含量为20wt.％；
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180ml。
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24h。
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340℃，出口温度125℃，腔内温度170℃，喷嘴速度32000r/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190a，电压30v，一次气体(ar+n2)流速9.0l/min，二次气体(n2)流速2.5l/min，喷射距离100mm，粉末载气流速3.5l/min，送粉速率1.8g/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25wt.％；
65.步骤2，将步骤1中的溶液置于水热锅中，持续搅拌并逐滴滴加适量的氨水，生成al(oh)3透明溶胶，水浴锅的温度为75℃，氨水的浓度为7％；
66.步骤3，向步骤2的透明溶胶中加入一定量的sio2超细粉，sio2的粒度为200nm，含量为25wt.％；
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6％，加入量为180ml。
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
80r/min，工作时间为24h。
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330℃，出口温度125℃，腔内温度170℃，喷嘴速度33000r/min，浆液进料速度120g/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1850a，电压25v，一次气体(ar+n2)流速8.5l/min，二次气体(n2)流速2.5l/min，喷射距离90mm，粉末载气流速3.5l/min，送粉速率1.8g/min。
71.利用本发明方法制备的一种莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层的xrd图，如图1所示，涂层中除了检测到大量的莫来石(3al2o3·
2sio2)衍射峰外，还有少量的al2o3相，说明经过高温等离子喷涂后，al(oh)3已经全部分解成al2o3，并且大部分与sio2发生反应成功生成了莫来石相。
72.利用本发明方法制备的一种莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层的横截面的sem图，如图2所示，可以清晰观察到涂层中有明显的层状结构，虽然涂层中仍然有少量的孔洞和未熔化区域，但各层之间结合得非常紧密，整体仍然表现的较为致密，这有利于阻挡外部空气与内部高温合金基板接触，能够有效提高基板的抗氧化性，延长使用寿命。
73.利用本发明制备的一种莫来石(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，氧化增重逐渐趋于平缓，说明氧化后的高温合金生成了一定的氧化保护膜，并在一定程度上阻止了氧气的扩散；与无涂层的高温合金板相比，涂覆莫来石(3al2o3·
2sio2)防氧化涂层的高温合金其氧化增重明显降低，在900℃的氧化增重降低了约2.3倍。