专利名称：一种原位合成制备复合热障涂层的方法
一种原位合成制备复合热障涂层的方法
技术领域：
本发明涉及热障涂层领域，特别涉及一种用于燃气涡轮发动机高温部件的热障涂层陶瓷层的制备方法。
背景技术：
燃气涡轮发动机被广泛的应用于飞机，船舶，车辆和发电机组。在过去的50年间，典型燃气轮机的涡轮前温度已经从960°C提高到了 1500-1600°C，而涡轮机叶片多由Ni基(或Co基)高温合金构成，这一温度已慢慢接近其熔点。在叶片表面制备一层阻碍高温火焰和基体直接接触的陶瓷材料，就能实现提高使用温度，降低系统冷却要求的目的。这部分起到隔热和抗氧化作用的涂层系统，就是所谓的热障涂层。通常，100-500 μ m的TBCs就能使叶片基体温度下降100-300°C，这相当于人类经
过30年才能在提高高温合金使用温度方面取得的进展。因此，热障涂层材料在航空航天、动力发电、原子能设备等诸多方面得到了广泛的应用，并取得了良好的社会和经济效益。如何进一步改善和延长热障涂层的实用性能和使用寿命，也成为近年来研究的热点问题。Y2O3部分稳定的ZrO2陶瓷(YSZ)是一种相对理想的陶瓷层材料，因为它具有较低的热导率，同时又和基体Ni基高温合金以及氧化铝有相近的热膨胀系数。此外，较高的硬度ri4GPa)使得陶瓷层有较好的抗冲击和抗腐蚀的能力；高熔点使得陶瓷层可以直接在高温条件下使用。但是，YSZ在高温下长时间的循环使用，会发生烧结，晶粒长大，气孔收缩，使得陶瓷层的热导率增大，最终使得涂层界面应力变大导致涂层剥落，降低了热障涂层的使用寿命。在这样的背景下，又出现了稀土锆酸盐材料的陶瓷层。这种陶瓷层中有比YSZ更多的空位和更加复杂的晶胞结构，加之稀土原子质量较大，会增加陶瓷层内的声子散射，减小声子的平均自由程，从而降低材料的热导率。此外，YSZ在高温下是优良的氧离子导体，也就是说在高温下是氧透明的，而稀土锆酸盐材料的陶瓷在高温下是氧离子导电的绝缘体。本发明采用原位合成制备技术制备稀土锆酸盐陶瓷层，用于高温燃气轮机，涡轮喷气发动机等高温热机具有良好的应用前景。
发明内容本发明的目的在于提供一种原位合成制备复合热障层的方法，采用空气等离子喷涂技术在普通热障涂层材料YSZ陶瓷层表面上喷涂一层稀土锆酸盐/YSZ复合陶瓷层。该陶瓷层材料具有高温相稳定性，与传统的YSZ相比具有较低的热导率，且降低了陶瓷层的透氧率；使得陶瓷层使用寿命增长，可以满足热端部件长期服役和抗高温氧化等要求。为了达到以上目的，本发明提供了一种原位合成制备复合热障涂层的方法，将R2O3粉体、ZrO2粉体及YSZ粉末混合均匀后，将该混合粉末喷涂在高温合金基体上的粘结层表面，最后放置于电阻炉中进行烧结，使R2O3相和ZrO2相反应生成的锆酸盐相，弥散分布在YSZ陶瓷层中，其中，R为Nd，Sm，Eu，Gd或Tb中的一种或两种以上组合。
作为本发明的优选实施例，所述R2O3粉体、ZrO2粉体及YSZ粉末采用以下方法混合先将R2O3粉体、ZrO2粉体通过球磨混合，然后再与YSZ粉末混合。作为本发明的优选实施例，所述R2O3粉体和ZrO2粉体的摩尔比为1: 2。作为本发明的优选实施例，所述球磨后的R203/Zr02混合粉末和YSZ粉末的摩尔比为 1:4-4:1。作为本发明的优选实施例，所述喷涂参数电压74V，电流650A，送粉率60g · mirT1,!!气流速 2550L · tf1,氢气流速 425L · tf1,喷涂距离 80_150mm。作为本发明的优选实施例，所述烧结温度为1000-1400° C，时间为2_10小时。一种原位合成制备复合热障涂层的方法，包括以下步骤
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I)将摩尔比为1:2的R2O3和ZrO2粉体混合球磨，R为Nd，Sm, Eu, Gd或Tb中的一种或两种以上组合；2)将球磨后的R203/Zr02混合粉末和YSZ粉末以摩尔比为1:4_4:1混合；3)将步骤2)得到的上述混合粉末用等离子喷涂方法喷涂在高温合金基体上的粘结层表面，喷涂参数电压74V，电流650A，送粉率60g · mirT1，氩气流速2550L · IT1，氢气流速 425L · 1Γ1，喷涂距离 80-150mm ；4)将喷涂后的热障涂层陶瓷层置于电阻炉中，在空气条件下进行烧结，制备出R2Zr2O7弥散分布的YSZ陶瓷层，烧结温度为1000-1400° C，时间为2_10小时。本发明提供的用于燃气涡轮发动机高温部件的热障涂层陶瓷层的制备方法，是采用空气等离子喷涂技术在热障涂层粘结层表面上喷涂一层稀土锆酸盐弥散在YSZ中的复合陶瓷层。在喷涂后的高温条件下，粉体烧结稳定，反应生成了 R2Zr2O7稀土锆酸盐相，其与YSZ陶瓷匹配良好，没有明显的界面，提高了陶瓷层整体的热稳定性和抗氧化性能，延长了其服役寿命。
图I是根据本发明方法制备的原位合成复合热障涂层的分层示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步的详细描述。所有的实施例都包含以下热障涂层的表面清理步骤I)将热障涂层表面用3KW真空除尘器去除表面的尘埃和杂质。2)将热障涂层放入干燥箱中，在80° C条件下干燥I小时，去除表面水汽和油脂。用于喷涂R2Zr207/YSZ复合陶瓷层的热障涂层，粘结层为MCrAlY合金体系，M表示Ni，Co, Fe或者它们的混合；A1含量在8_12%。粘结层厚度为80-120 μ m。实施例I :工件热障涂层中粘结层为NiCrAH涂层，其中Ni，Cr, Al和Y的质量分数分别是69%，20%, 10%和1%，厚度是100 μ m。经表面处理后，La2Zr207/YSZ复合陶瓷层的制备方法按照以下步骤实现a将摩尔比为1:2的La2O3和ZrO2粉体混合球磨48小时；b将球磨后的La203/Zr02混合粉末和YSZ粉末以摩尔比为1:2混合；
c将步骤b得到的混合粉末用等离子喷涂方法喷涂在粘结层表面，陶瓷涂层厚度为300 μ m。喷涂参数电压74V，电流650A,送粉率60g · mirT1，氩气流速2550L · h-1，氢气流速425L · IT1,喷涂距离120mm ；d将喷涂后的热障涂层陶瓷层置于电阻炉中，在空气条件，1400° C下进行烧结，时间5小时。实施例2 工件热障涂层中粘结层为NiCrAH涂层，其中Ni，Cr，Al和Y的质量分数分别是69%，20%, 10%和1%，厚度是80 μ m。经表面处理后，Nd2Zr207/YSZ符合陶瓷层的制备方法按照以下步骤实现a将摩尔比为1:2的Nd2O3和ZrO2粉体混合球磨72小时；b将球磨后的Nd203/Zr02混合粉末和YSZ粉末以摩尔比为1:4混合； c将步骤b得到的混合粉末用等离子喷涂方法喷涂在粘结层表面，陶瓷涂层厚度为200 μ m。喷涂参数电压74V，电流650A,送粉率60g · mirT1，氩气流速2550L · h-1，氢气流速425L · IT1,喷涂距离IOOmm ；d将喷涂后的热障涂层陶瓷层置于电阻炉中，在空气条件，1200° C下进行烧结，时间10小时。实施例3 工件热障涂层中粘结层为NiCrAH涂层，其中Ni，Cr，Al和Y的质量分数分别是69%，20%, 10%和1%，厚度是120 μ m。经表面处理后，Sm2Zr207/YSZ复合陶瓷层的制备方法按照以下步骤实现a将摩尔比为1:2的Sm2O3和ZrO2粉体混合球磨18小时； b将球磨后的Sm203/Zr02混合粉末和YSZ粉末以摩尔比为4:1混合；c将步骤b得到的混合粉末用等离子喷涂方法喷涂在粘结层表面，陶瓷涂层厚度为400 μ m。喷涂参数电压74V，电流650A,送粉率60g · mirT1，氩气流速2550L · h-1，氢气流速425L · IT1,喷涂距离150mm ；d将喷涂后的热障涂层陶瓷层置于电阻炉中，在空气条件，1400° C下进行烧结，时间8小时。实施例4 工件热障涂层中粘结层为NiCoCrAH涂层，其中Ni，Co, Cr，Al和Y的质量分数分别是31%，31%，25%，12%和1%，厚度是80 μ m。经表面处理后，Eu2Zr2O7ASZ复合陶瓷层的制备方法按照以下步骤实现a将摩尔比为1:2的Eu2O3和ZrO2粉体混合球磨48小时；b将球磨后的Eu203/Zr02混合粉末和YSZ粉末以摩尔比为1:2混合；c将步骤b得到的混合粉末用等离子喷涂方法喷涂在粘结层表面，陶瓷涂层厚度为300 μ m。喷涂参数电压74V，电流650A,送粉率60g · mirT1，氩气流速2550L · h-1，氢气流速425L · IT1,喷涂距离120mm ；d将喷涂后的热障涂层陶瓷层置于电阻炉中，在空气条件，1400° C下进行烧结，时间5小时。实施例5
工件热障涂层中粘结层为NiCoCrAH涂层，其中Ni，Co, Cr，Al和Y的质量分数分别是31%，31%，25%，12%和1%，厚度是100 μ m。经表面处理后，Gd2Zr207/YSZ复合陶瓷层的制备方法按照以下步骤实现a将摩尔比为1:2的Gd2O3和ZrO2粉体混合球磨72小时；b将球磨后的Gd203/Zr02混合粉末和YSZ粉末以摩尔比为1:4混合；c将步骤b得到的混合粉末用等离子喷涂方法喷涂在粘结层表面，陶瓷涂层厚度为250 μ m。喷涂参数电压74V，电流650A,送粉率60g · mirT1，氩气流速2550L · h-1，氢气流速425L · IT1,喷涂距离IOOmm ；d将喷涂后的热障涂层陶瓷层置于电阻炉中，在空气条件，1200° C下进行烧结， 时间10小时。实施例6 工件热障涂层中粘结层为NiCoCrAH涂层，其中Ni，Co, Cr，Al和Y的质量分数分别是31%，31%，25%，12%和1%，厚度是120 μ m。经表面处理后，Tb2Zr207/YSZ复合陶瓷层的制备方法按照以下步骤实现a将摩尔比为1:2的Tb2O3和ZrO2粉体混合球磨18小时；b将球磨后的Tb203/Zr02混合粉末和YSZ粉末以摩尔比为4:1混合；c将步骤b得到的混合粉末用等离子喷涂方法喷涂在粘结层表面，陶瓷涂层厚度为350 μ m。喷涂参数电压74V，电流650A,送粉率60g · mirT1，氩气流速2550L · h-1，氢气流速425L · IT1,喷涂距离150mm ；d将喷涂后的热障涂层陶瓷层置于电阻炉中，在空气条件，1400° C下进行烧结，时间8小时。如图I所示，本发明通过原位合成制备的复合热障涂层由高温合金基体，粘结层，以及稀土锆酸盐弥散在YSZ中的复合陶瓷层组成。在喷涂后的高温条件下，粉体烧结稳定，反应生成了稀土锆酸盐相，其与YSZ陶瓷匹配良好，没有明显的界面，提高了陶瓷层整体的热稳定性和抗氧化性能，延长了其服役寿命。
权利要求
1.一种原位合成制备复合热障涂层的方法，其特征在于将R2O3粉体、ZrO2粉体及YSZ粉末混合均匀后，将该混合粉末喷涂在高温合金基体上的粘结层表面，最后放置于电阻炉中进行烧结，使R2O3相和ZrO2相反应生成的锆酸盐相，弥散分布在YSZ陶瓷层中，其中，R为Nd, Sm, Eu, Gd或Tb中的一种或两种以上组合。
2.如权利要求I所述的一种原位合成制备复合热障涂层的方法，其特征在于=R2O3粉体、ZrO2粉体及YSZ粉末采用以下方法混合先将R2O3粉体、ZrO2粉体通过球磨混合，然后再与YSZ粉末混合。
3.如权利要求2所述的一种原位合成制备复合热障涂层的方法，其特征在于=R2O3粉体和ZrO2粉体的摩尔比为1:2。
4.如权利要求3所述的一种原位合成制备复合热障涂层的方法，其特征在于球磨后的R203/Zr02混合粉末和YSZ粉末的摩尔比为1:4-4:1。
5.如权利要求I或3所述的一种原位合成制备复合热障涂层的方法，其特征在于喷涂参数电压74V，电流650A，送粉率60g .mirT1,氩气流速2550L .h—1，氢气流速425L.tr1，喷涂距离80_150mm。
6.如权利要求I或3所述的一种原位合成制备复合热障涂层的方法，其特征在于烧结温度为1000-1400° C，时间为2-10小时。
7.—种原位合成制备复合热障涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤 a将摩尔比为1:2的R2O3和ZrO2粉体混合球磨，R为Nd，Sm, Eu，Gd或Tb中的一种或两种以上组合； b将球磨后的R203/Zr02混合粉末和YSZ粉末以摩尔比为1:4-4:1混合； c将步骤b得到的混合粉末用等离子喷涂方法喷涂在高温合金基体上的粘结层表面，喷涂参数电压74V，电流650A，送粉率60g .mr1,氩气流速2550L 士―1，氢气流速425L -h^1,喷涂距离80-150mm ； d将喷涂后的热障涂层陶瓷层置于电阻炉中，在空气条件下进行烧结，制备出R2Zr2O7弥散分布的YSZ陶瓷层，烧结温度为1000-1400° C，时间为2-10小时。
全文摘要
本发明公开了一种原位合成制备复合热障涂层的方法，将R2O3和ZrO2粉体混合球磨后的R2O3/ZrO2混合粉末和YSZ粉末混合；用等离子喷涂方法喷涂在高温合金基体上的粘结层表面，然后置于电阻炉中，在空气条件，1000-1400°C下进行烧结，制备出R2Zr2O7弥散分布的YSZ陶瓷层。由本发明方法制备的陶瓷层消除了R2Zr2O7稀土锆酸盐陶瓷层与YSZ陶瓷层的层界面，使得热障涂层具有高温相稳定性，与传统的YSZ相比具有较低的热导率，且降低了陶瓷层的透氧率；与单纯的稀土锆酸盐陶瓷层相比使用寿命增长，可以满足热端部件长期服役和抗高温氧化等要求。
文档编号C23C4/12GK102925843SQ20121041219
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月25日 优先权日2012年10月25日
发明者梁工英, 祝超, 丁秉钧, 王铁军, 虞烈 申请人:西安交通大学