专利名称：溶胶凝胶法制备抗高温氧化陶瓷涂层工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于在合金基体上制备高温抗氧化涂层技术。采用Sol-Gel方法及特殊的焙烧制度，可获得厚达6um左右的陶瓷涂层，从而达到抗高温氧化的目的。
在合金上包复抗氧化层的方法有多种如火焰喷涂，等离子喷涂等等，这些方法虽被广泛应用，但它们普遍存在着致密性不好，工件形状要求高(不适合于复杂形状表面和小孔径内表面的喷涂)，能耗大，设备复杂，成本高的问题。Sol-Gel方法正相反，它可以降低烧结温度，细化显微组织，获得非常纯净，化学计量精确，密度接近理论密度的陶瓷氧化物涂层。而且工艺简便，设备简单，能耗低，对工件的内外表面形状几乎没有任何限制。Sol-Gel方法目前已广泛用于核燃料粉末，超微颗粒，陶瓷纤维，各种功能性薄膜等等的制备。采用有机醇盐，以Sol-Gel方法制备可用于高温合金的抗高温氧化陶瓷涂层在国内外还未见任何报道。
本发明的目的在于提供一种简便易行的制备ZrO2-Y2O3高温抗氧化陶瓷涂层的工艺方法，其特点是从有机醇盐出发，采用Sol-Gel工艺，以Dip-coating方法和本发明提出的焙烧制度。所制备的陶瓷涂层可用于高温合金涡轮叶片的防护涂层，也可以用于不锈钢和其它合金的抗高温氧化涂层。ZrO2-Y2O3Sol也可以从无机盐出发制备，但由于残存的酸根离子很难彻底除去，涂层抗氧化的效果并不十分理想。而采用本发明从有机醇盐出发制备的ZrO2-Y2O3Sol则不含任何酸根和杂质，从而更适合于制备高性能抗氧化ZrO2-Y2O3陶瓷涂层。
本发明采用异丙醇钇制备在有机溶液中呈胶体颗粒的含水分散体系(溶胶Sol)，其颗粒尺寸为20A-1μm。将工件在溶胶(Sol)中Dip-coating后干燥脱水转为凝胶(Gel)，再经过焙烧，致密化而成为陶瓷涂层。这种工艺的特点是涂层非常纯净，化学计量精确，焙烧温度低，在850℃左右即可获得密度接近理论密度的氧化物陶瓷涂层。
本发明的典型工艺是复合Sol由异丙醇锆和异丙醇钇组成;
配比ZrO270-98%Y2O32-30%浓度0.1-1MDip时间10-40秒提升速度＜1mm/sDip-coating后在空气中凝胶化的时间2-48小时焙烧制度升温速度＜160℃ ＜1℃/分160-280℃ ＜2℃/分280-480℃ ＜3℃/分480-850℃ ＜4℃/分保温时间850℃，15-60分钟降温制度随炉冷却气氛实验室大气环境致密化温度900-1100℃时间15分钟-120分钟一般可在Dip-coating多次后焙烧一次，Dip的次数和焙烧次数视要求的涂层厚度而定，一般为4-10次。
按上述工艺可制备厚度达6μm的ZrO2-Y2O3涂层，对GH220/CoNiCrAlSiHf/ZrO2-Y2O3涂层在1000℃×100h静态氧化情况下增重仅为0.2mg/cm2。
本发明的特点是从有机醇盐出发，采用Sol-Gel工艺，以Dip-coating方法和本发明提出的焙烧制度。所制备的陶瓷涂层可用于高温合金涡轮叶片的防护涂层，也可以用于不锈钢和其它合金的抗高温氧化涂层，与传统陶瓷涂层制备方法(如火焰喷涂和等离子喷涂)相比，不仅可以降低烧结温度，细化显微组织，获得非常纯净，化学计量精确，密度接近理论密度的陶瓷氧化物涂层，而且工艺简便，设备简单，能耗低，对工件的内外表面形状几乎没有任何限制。ZrO2-Y2O3Sol也可以从无机盐出发制备，但由于残存的酸根离子很难彻底除去，涂层抗氧化的效果并不十分理想，而采用本发明从有机醇盐出发制备的ZrO2-Y2O3Sol则不含任何酸根和杂质，从而更适合于制备高性能抗氧化ZrO2-Y2O3陶瓷涂层。
下面结合附图
对本发明作进一步的说明。
图一为本发明所采用的工艺流程示意图。
先将异丙醇锆和异丙醇钇分别溶于苯或异丙醇溶液(70℃)，按计算的化学配比将两种溶液混合，将工件在上述溶液中进行Dip-coating后置于空气中干燥，完成Sol-Gel转变，然后再按设定的焙烧制度(见前述)焙烧。焙烧的目的是充分地去除Gel中的水份，和各种有机根团，并完成初步的致密化，最后进行1000℃×30分钟的致密化处理即可得到附着良好的致密的ZrO2-Y2O3陶瓷涂层。Dip-coating的次数视最终要求的陶瓷涂层厚度而定。
按上述工艺制备的SOL呈非聚集态，胶体粒子尺寸为20A-1μm，经X射线衍射研究结果表明为非晶态。
图二为以本发明的方法制备的GH220/CoNiCrAlSiHf/ZrO2-Y2O3涂层在1000℃，大气环境静态氧化曲线。ZrO2-Y2O3涂层为6μm，与不加陶瓷涂层的CoNiCrAlSiHf涂层相比，100小时的氧化增重降低一倍，ZrO2-Y2O3涂层的氧化曲线符合对数规律，拟合方程为y＝0.1173Ln(h)-0.2639。
实施例在GH220/CoNiCrAlSiHf上涂复ZrO2-Y2O3涂层，工艺为复合Sol由异丙醇锆和异丙醇钇组成;
配比ZrO292%Y2O38%浓度0.2MDip时间20秒提升速度＜1mm/sDip-coating后在空气中凝胶化的时间24小时焙烧制度升温速度＜160℃ ＜1℃/分160-280℃ ＜2℃/分
280-480℃ ＜3℃/分480-850℃ ＜4℃/分保温时间850℃，15分钟降温制度随炉冷却气氛实验室大气环境致密化温度1000℃时间30分钟反复Dip-coating6次，再经致密化处理后涂层厚度可达6μm。抗氧化性为1000℃×100h增重0.2mg/cm2。而未涂复ZrO2-Y2O3的GH220/CoNiCrAlSiHf在同样条件下增重为0.4mg/cm2比涂复陶瓷涂层后的高一倍多。
权利要求
1.一种制备ZrO2-Y2O3陶瓷涂层的工艺方法，其特征是采用SOL-GEL工艺，从高纯有机醇盐出发制备Sol(溶胶)，用Dip-coating(浸涂)方法，经干燥，焙烧和致密化处理，即可获得可用于高温合金和其它合金材料的抗高温氧化ZrO2-Y2O3陶瓷涂层。
2.根据权利要求1所述的制备ZrO2-Y2O3陶瓷涂层的工艺方法，其特征是采用异丙醇锆和异丙醇钇，在苯或异丙醇中溶解混合形成Sol(溶胶)，采用Dip-coating方法在工件上形成一层溶胶薄膜，然后在实验室大气环境中干燥2-48小时以完成Sol-Gel(溶胶-凝胶)转变。
3.根据权利要求1或2所述的制备ZrO2-Y2O3陶瓷涂层的工艺方法，其特征是在完成Sol-Gel转变之后，按下列工艺进行焙烧处理升温速度＜160℃ ＜1℃/分160-280℃ ＜2℃/分280-480℃ ＜3℃/分480-850℃ ＜4℃/分保温时间850℃，15-60分钟降温制度随炉冷却气氛实验室大气环境
4.根据权利要求1或2所述的制备ZrO2-Y2O3陶瓷涂层的工艺方法，其特征是在进行焙烧处理之后，再进行1000℃/10-120分钟的最终致密化处理，即可获得要求的ZrO2-Y2O3陶瓷涂层。
全文摘要
本发明提供了一种简便而有效的在高温合金衬底上制备抗高温氧化ZrO
文档编号C23C24/00GK1112167SQ94105090
公开日1995年11月22日 申请日期1994年5月19日 优先权日1994年5月19日
发明者吕反修, 于中清, 许庆芳, 宋泊, 叶锐曾 申请人:北京科技大学