一种类钙钛矿结构陶瓷涂层的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种类钙钛矿结构陶瓷涂层的制备方法，属于热障涂层技术领域。
【背景技术】
[0002] 现代航空发动机不断向大推力、高效率、低油耗和长寿命方向发展，因而提高涡轮 进口温度，是提高发动机推力的重要途径。目前国外的涡轮发动机进口温度已达1400~ 1500°C，随着温度的提高，伴随而来的困难是，涡轮发动机热端高温部件金属材料的耐热性 能不能满足在高温下长期稳定工作的要求。为克服这一难题，可以采用热喷涂技术，在涡轮 高温部件的表面制备热障涂层以降低高温部件的工作温度。
[0003] 热障涂层主要由低热导率氧化物陶瓷隔热表层和抗氧化合金粘结底层组成。目前 在航空涡轮发动机热端高温部件表面普遍采用以Yb203部分稳定ZrO2 (YSZ)作为热障涂层 的隔热表层。但是随着涡轮发动机工作温度提高，YSZ涂层性能已无法满足要求，主要表现 为热导率较高，热膨胀系数较低。而且YSZ涂层在高温下具有较高的氧传输性能，易导致粘 结层金属氧化，加速涂层失效剥落。因此，需要开发新型热障涂层材料来代替YSZ材料。
[0004]类钙钛矿结构陶瓷材料BaDyJb"，1。.502.5 (0彡x彡1)是钙钛矿结构（AB03) 的一种变体。其晶胞为类体心立方，其中BaDyxYb(Q.5x)Ala502.5中的Ba原子占据于钙钛 矿结构中的A位置，Dy(Yb)和A1原子则占据钙钛矿中的B位置，同钙钛矿对比可以看到 BaDyJhux)Ala502.3#构中有1/6的氧原子空缺，且有研究发现R和A1原子是有序排布 的，氧空位在氧原子的亚点阵中排布也是有序的。氧空位作为一种点缺陷，对声子的散射作 用包括缺失质量以及缺失原子作用键。由于其具有比YSZ高的氧空位浓度，一方面促进了 声子的散射，降低了声子的平均自由程，从而降低了热导率；另一方面降低了离子键结合强 度，降低了晶格能，从而增大了热膨胀系数。且由于氧空位的存在，增加的晶体结构复杂程 度，使得氧元素在晶体结构更难扩散，具有良好的阻氧效果。综上所述，类钙钛矿结构陶瓷 材料BaDyxYb& 5x)Ala502.5在热障涂层方向具有良好的应用前景。
[0005]传统制备涂层的方法主要为刷涂，该方法虽然制备方法简单可行，成本也较低，但 是存在工艺可控性差，结合强度低，使用范围较小，无法适用于热障涂层高温高速燃气冲刷 环境使用。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种类钙钛矿结构陶瓷涂层的制备方法，所述 方法制备粉体后，采用等离子喷涂技术或氧乙炔火焰喷涂技术在基体表面制备涂层，所述 涂层与基体的结合强度高，且所述方法可控性较好、生产效率高和成本较低。
[0007] 其中，等离子喷涂技术是利用等离子体产生的热源，在一定的可控气氛中，将喷涂 粉末颗粒加热至熔融状态，在等离子射流场的作用下将熔融粒子冲击并凝固在基体表面， 制备出具有典型层状组织的涂层。氧乙炔火焰喷涂技术是利用氧乙炔火焰作为热源，将喷 涂粉末颗粒加热至熔化状态，在火焰射流作用下冲击并凝固在基体表面。
[0008] 本发明的目的由以下技术方案实现：
[0009] -种类钙钛矿结构陶瓷涂层的制备方法，所述方法具体步骤如下：
[0010] (1)向球磨罐中加入BaC03、A1203、R203和分散剂，球磨，干燥，筛选，得到粒径小于 50ym的混合粉体；
[0011] 其中，以所述8&0)3、六120 3、1?203的总质量为100%计，其中，
[0012] BaC03 61. 4 ~62. 43%，
[0013] A1203 7. 94 ~8. 07%，
[0014] R203 29. 5 ~30. 66%，
[0015] 其中，所述R2〇3为Dy203和Yb203中的一种或两种；
[0016] 所述分散剂优选无水乙醇，分散剂质量为粉体质量的3倍；所述球为湿法球磨，球 磨介质为氧化错球磨珠，球磨机旋转速率优选400r/min，球磨时间优选6h;
[0017] (2)将混合粉体于1000~1300°C预煅烧6~10h，升温至1500~1600°C高温焙 烧2~4h，冷却至18~30°C，得到粉体a;
[0018] 其中，升温速率优选3~6°C/min;所述冷却优选采用随炉冷却；
[0019] (3)将粉体a、分散剂和粘结剂加入球磨罐中，球磨，干燥，机械破碎、筛选，得到粒 径为34~80ym的粉体b;
[0020] 其中，以粉体a和分散剂的总质量为100%计，粉体a含量为75~85wt%，分散剂 含量为15~25wt% ;所述粘结剂质量占粉体a质量的0. 5wt% ;
[0021] 所述球磨的球磨介质为氧化错球磨珠，磨机转速优选250r/min，球磨时间优选 2h;分散剂优选无水乙醇，粘结剂优选聚乙烯吡咯烷酮；
[0022] 所述干燥为于100°C下干燥48h;
[0023] (4)以丙酮为分散剂，对粉体b进行清洗以去除粉体中残留的粘结剂，干燥，筛选， 得到粒径为34~80ym的粉体c;
[0024] 所述丙酮与粉体b的质量比为7:3 ;
[0025] (5)采用等离子喷涂的方法，将NiCoCrAlY合金粉末喷涂到不锈钢基体上，得到厚 度为0. 08mm的粘结层；
[0026] 其中，等离子喷涂工艺参数为：喷涂距离70~80mm，电流650~840A，主气流量 80~130L/min，辅气流量5~25L/min，载气流量5~18L/min，送粉量1~4rpm;主气和 载气均为氩气，辅气为氦气；
[0027] (6)采用等离子喷涂或氧乙炔喷涂工艺，将粉体c喷涂到粘结层上，得到厚度为 0. 18~0. 22mm的钙钛矿结构陶瓷涂层；
[0028] 其中，所述等离子喷涂工艺参数为：喷涂距离70~80mm，电流700~900A，主气流 量80~90L/min，辅气流量25~45L/min，载气流量7~9L/min，送粉量2~3rpm;主气和 载气均为氩气，辅气为氦气；
[0029] 所述氧乙炔喷涂工艺参数为：喷涂距离90~120mm，氧气流量15~35SCFH，乙炔 流量40~65SCFH，送粉量1~4rpm。
[0030] 有益效果
[0031] (1)本发明所述方法制备得到的涂层为类钙钛矿结构，具有良好的热物理性能，在 1200°(：下测得涂层热导率为1.19~2.011八111*1()，热膨胀系数为11.25~12.76\10 6/1(， 相比较YSZ涂层材料热导率2. 25WAm?K)，热膨胀系数10. 98X10 6/K，性能有较大提高。
[0032] (2)本发明所述方法制备得到涂层为类钙钛矿结构，具有优良隔氧性能。在氧化 物陶瓷中，氧元素以离子形式扩散，采用交流阻抗法测量材料氧离子电导率可间接衡量材 料隔氧性能。在600°C下所述涂层的氧离子电导率为4. 95X10 3S/cm，YSZ氧离子电导经测 试得率为1. 96X10 3S/cm，所述涂层的阻氧性能远高于YSZ材料，可有效防止粘接层氧化， 提高涂层使用寿命。
[0033] (3)本发明所述方法制备得到涂层的致密度为94%，通过氧乙炔喷涂技术制备涂 层的致密度为97 %，两种涂层的致密度远高于刷涂制备涂层的致密度。涂层致密度越高，涂 层隔热性能越尚，耐冲刷性能越尚。
【附图说明】
[0034]图1为实施例1的钙钛矿结构陶瓷涂层表面扫描电镜图；
[0035] 图2为实施例1的钙钛矿结构陶瓷涂层的X射线衍射（XRD)图谱；
[0036]图3为实施例2的钙钛矿结构陶瓷涂层表面扫描电镜图；
[0037]图4为实施例2的钙钛矿结构陶瓷涂层的X射线衍射（XRD)图谱；
[0038]图5为实施例3的钙钛矿结构陶瓷涂层表面扫描电镜图；
[0039] 图6为实施例3的钙钛矿结构陶瓷涂层的X射线衍射（XRD)图谱。
[0040]图7为实施例4的钙钛矿结构陶瓷涂层表面扫描电镜图；
[0041] 图8为实施例4的钙钛矿结构陶瓷涂层的X射线衍射（XRD)图谱。
[0042] 其中，intensity表示强度。
【具体实施方式】
[0043] 下面结合附图和