一种新型的低热导率和耐高温热障涂层及其制备方法

摘要

本发明属于高温涂层防护技术领域，特别涉及一种新型的低热导率和耐高温热障涂层及其制备方法。本发明采用Pr

说明书

技术领域

本发明属于高温涂层防护技术领域，特别涉及一种新型的低热导率和耐高 温热障涂层及其制备方法。

背景技术

现代技术的发展，对航空航天技术的期望越来越高，从而对航空发动机性 能提出了越来越高的要求，也就是对发动机的推重比也要求越来越大，对航空 发动机的转数要求也越来越高，因此提高涡轮机的进出口温度就显得尤为重要， 然而在更高温度的条件下工作，已经超出制造涡轮叶片和导向叶片的镍基高温 合金材料所能承受的温度，由于与开发新的高温合金相比，热障涂层技术 （thermal barrier coatings，TBCs）的研究成本低得多，工艺现实可行，因此，应 用热障涂层技术是涡轮机发展的方向之一。

目前在航空发动机中普遍使用的是具有稳定性好、隔热效果佳的双层结构 热障涂层，即采用在陶瓷层与金属基体之间引入一层改善基体与陶瓷层物理相 容性并具有抗高温氧化和腐蚀作用的粘结层（NiCoCrAlY），和由（7～9wt%） 氧化钇稳定的、隔热能力强的氧化锆（Yttria Stabilized Zirconia，简称YSZ）陶 瓷作为隔热顶层。YSZ在1200℃以上长期使用时，会发生相变，烧结和导致粘 结层氧化加剧想象。然而下一代航空发动机进出口温度将会大幅度的提高，预 计当发动机的推重比达到20，燃气入口温度将超过2000℃。在如此高的温度下 使用，必然要求能与之相匹配的材料体系，由于稀土掺杂的YSZ具有低热导率和 稳定的高温性能，因此，设计稀土掺杂的耐高温的低热导率热障涂层具有重要 的科学意义和社会价值。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种新型的低热导率和耐高温热障涂层 及其制备方法。

一种新型的低热导率和耐高温热障涂层，所述热障涂层为双层结构，其中 NiCoCrAlY作为粘接层，Pr₂Zr₂O₇作为陶瓷顶层，二者相连构成；所述NiCoCrAlY 粘接层中Co的质量分数为22%～24%，Cr的质量分数为20%～22%，Al的质量 分数为8%～10%，Y的质量分数为0.5%～1.5%，其余为Ni。

所述Pr₂Zr₂O₇陶瓷顶层具有与烧绿石矿物相同的结构。

所述Pr₂Zr₂O₇陶瓷顶层的热导率为1.6～1W·m^-1·K^-1，其熔点为2350℃，其 热膨胀系数为11～5K^-1。

一种新型的低热导率和耐高温热障涂层的制备方法，其具体步骤如下：

（1）NiCoCrAlY粘结层的制备，采用以下两种方案之一：

a.采用电子束物理气相沉积技术制备NiCoCrAlY粘结层的工艺为：将配置 好的原料在1500～1600℃温度下进行高温熔炼，熔炼后浇铸成NiCoCrAlY料棒， 所述原料中Co的质量分数为22%～24%，Cr的质量分数为20%～22%，Al的质 量分数为8%～10%，Y的质量分数为0.5%～1.5%，其余为Ni；将所得NiCoCrAlY 料棒放入电子束物理气相沉积真空室中，将真空室的真空度控制为 1×10^-2～10×10^-2Pa，以0.1～2μm/min的速率进行沉积；沉积时基板温度控制为 800～900℃，涂层厚度控制为60～90μm，将所制备好的试样冷却下来之后，放 入真空炉中进行热处理；所述热处理工艺为：真空度控制为1×10^-2～10×10^-2Pa， 升温速率为3℃/min，在1050℃下保温4小时，随炉冷却之后，即可得到 NiCoCrAlY粘结层；

b.采用等离子喷涂技术制备NiCoCrAlY粘结层的工艺参数为：电压为 50～60V，电流为500～600A，氩气流量为50～60L/min，送粉速率为20～40g/min， 所使用的原料中Co的质量分数为22%～24%，Cr的质量分数为20%～22%，Al 的质量分数为8%～10%，Y的质量分数为0.5%～1.5%，其余为Ni；

（2）NiCoCrAlY粘结层的喷砂处理：

在制备好的NiCoCrAlY粘结层表面进行喷砂处理，其喷砂工艺为：角度为 90度，距离为200mm，砂粒为60～180目的刚玉砂，时间为3分钟；

（3）以经过喷砂处理后的NiCoCrAlY粘结层为基底，在其上制备Pr₂Zr₂O₇陶瓷顶层，从而得到热障涂层，采用以下两种方案之一：

a.将Pr₂O₅粉末掺杂到氧化锆中，其中Pr₂O₅粉末的质量分数为10%～30%， 搅拌均匀后，在压力为0.6MPa的条件下，在1500℃温度下烧结10小时，进 行热等静压，得到电子束物理气相沉积所需的料棒，再采用电子束物理气相沉 积制备Pr₂Zr₂O₇陶瓷顶层；

所述电子束物理气相沉积工艺为：将合成的Pr₂Zr₂O₇系料棒，放入电子束 物理气相沉积真空室中，将真空室的真空度控制为1×10^-2～10×10^-2Pa，以0.1～2 μm/min的速率进行沉积；沉积时NiCoCrAlY粘结层基底温度控制为800～900℃， 涂层厚度控制为80～100μm，将所制备好的试样冷却下来之后，放入炉中进行热 处理；所述热处理工艺为：升温速率为3℃/min，1050℃下保温2小时，随炉 冷却之后，即可制备出Pr₂Zr₂O₇陶瓷顶层，从而得到热障涂层；

b.将Pr₂O₅掺杂到氧化锆粉体中，其中Pr₂O₅的质量分数为10%～30%，所 述氧化锆粉体的粒度为1～10μm，搅拌均匀后，得到等离子喷涂所需的陶瓷顶层 粉体，采用等离子喷涂制备出Pr₂Zr₂O₇陶瓷顶层，从而得到热障涂层；

所述等离子喷涂的工艺参数为：电压为50～60V，电流为500～600A，氩气 流量为50～60L/min，氢气流量为15～25L/min，转台转速为5～15转/min，喷枪 转速为35～45转/min，腔内压力为70乇，送粉速率为20～40g/min。

步骤（1）中，所述NiCoCrAlY料棒的尺寸为Φ68mm×200mm。

本发明的有益效果为：

利用电子束物理气相沉积技术或等离子喷涂技术制备Pr₂Zr₂O₇系构成的陶 瓷顶层，由于Pr₂Zr₂O₇系构成的陶瓷顶层具有和烧绿石矿物结构相似的结构， 此种结构具有结构复杂，低的热导率，高熔点，高的热膨胀系数和很好的相稳 定性。此种结构具有低热导率的原理为绝缘体的热电阻系数是由声子散射的点 振动决定的，降低热导率的方式之一干扰点阵的振动，当晶体结构改变为相对 低对称性或者晶胞内不同的结晶原子相结合，另外干扰性的散射中心的数量增 加，热导率就会下降。所以晶体结构变得越复杂，热导率就会越低。从而能够 用于制备在高温下应用的新型热障涂层。同时利用不同的工艺调整热障涂层， 以达到工业用要求。该热障涂层具有良好的耐高温、低导热和高的热膨胀系数 的优点，同时也具有一定的耐高温CMAS侵蚀的性能。

附图说明

图1为本发明热障涂层的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种新型的低热导率和耐高温热障涂层及其制备方法，下面 结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

实施例1

将配置好的原料在1500～1600℃温度下进行高温熔炼，熔炼后浇铸成 NiCoCrAlY料棒，所述原料中Co的质量分数为22%，Cr的质量分数为20%， Al的质量分数为8%，Y的质量分数为0.5%，其余为Ni；熔炼后浇铸成尺寸为 Φ68mm×200mm的料棒，将所得NiCoCrAlY料棒放入电子束物理气相沉积真 空室中，将真空室的真空度控制为1×10^-2Pa，以0.1μm/min的速率进行沉积； 沉积时基板温度控制为800～900℃，涂层厚度控制为60μm，将所制备好的试样 冷却下来之后，放入真空炉中进行热处理；所述热处理工艺为：真空度控制为 1×10^-2Pa，升温速率为3℃/min，在1050℃下保温4小时，随炉冷却之后，即 可得到NiCoCrAlY粘结层；

在制备好的NiCoCrAlY粘结层表面进行喷砂处理，其喷砂工艺为：角度为 90度，距离为200mm，砂粒为60～180目的刚玉砂，时间为3分钟，从而获得 理想的NiCoCrAlY粘接层表面；

以经过喷砂处理后的NiCoCrAlY粘结层为基底，在其上采用电子束物理气 相沉积技术制备陶瓷顶层，其具体工艺为：将Pr₂O₅粉末掺杂到氧化锆中，其中 Pr₂O₅粉末的质量分数为10%，搅拌均匀后，在压力为0.6MPa的条件下，在1500 ℃温度下烧结10小时，进行热等静压，形成电子束物理气相沉积所需的料棒， 将合成的Pr₂Zr₂O₇系陶瓷棒，放入电子束物理气相沉积真空室中，将真空室的 真空度控制在2×10^-2Pa，以0.8μm/min的速率进行沉积，为了获得更好的结合 强度和涂层组织形貌，沉积时NiCoCrAlY粘结层基底温度控制在850℃左右， 涂层厚度控制在90μm左右，将所制备好的试样冷却下来之后，放入炉中进行 热处理，其处理工艺为：升温速率为3℃/min，1050℃下保温2小时，随炉冷 却之后，即可制成所需要的新型抗高温热障涂层。

实施例2

将配置好的原料在1500～1600℃温度下进行高温熔炼，熔炼后浇铸成 NiCoCrAlY料棒，所述原料中Co的质量分数为23%，Cr的质量分数为21%， Al的质量分数为9%，Y的质量分数为1%，其余为Ni；熔炼后浇铸成尺寸为Φ68 mm×200mm的料棒，将所得NiCoCrAlY料棒放入电子束物理气相沉积真空室 中，将真空室的真空度控制为5×10^-2Pa，以1μm/min的速率进行沉积；沉积时 基板温度控制为800～900℃，涂层厚度控制为75μm，将所制备好的试样冷却下 来之后，放入真空炉中进行热处理；所述热处理工艺为：真空度控制为5×10^-2Pa， 升温速率为3℃/min，在1050℃下保温4小时，随炉冷却之后，即可得到 NiCoCrAlY粘结层；

在制备好的NiCoCrAlY粘结层表面进行喷砂处理，其喷砂工艺为：角度为 90度，距离为200mm，砂粒为60～180目的刚玉砂，时间为3分钟，从而获得 理想的NiCoCrAlY表面；

以经过喷砂处理后的NiCoCrAlY粘结层为基底，在其上采用电子束物理气 相沉积技术制备陶瓷顶层，其具体工艺为：将Pr₂O₅粉末掺杂到氧化锆中，其中 Pr₂O₅粉末的质量分数为20%，搅拌均匀后，在压力为0.6MPa的条件下，在1500 ℃温度下烧结10小时，进行热等静压，形成电子束物理气相沉积所需的料棒， 将合成的Pr₂Zr₂O₇系陶瓷棒，放入电子束物理气相沉积真空室中，将真空室的 真空度控制在2×10^-2Pa，以0.5μm/min的速率进行沉积，为了获得更好的结合 强度和涂层组织形貌，沉积时基板温度控制在850℃左右，涂层厚度控制在80 μm左右，将所制备好的试样冷却下来之后，放入炉中进行热处理，其处理工艺 为：升温速率为3℃/min，1050℃下保温2小时，随炉冷却之后，即可制成所 需要的新型抗高温热障涂层。

实施例3

将配置好的原料在1500～1600℃温度下进行高温熔炼，熔炼后浇铸成 NiCoCrAlY料棒，所述原料中Co的质量分数为24%，Cr的质量分数为22%， Al的质量分数为10%，Y的质量分数为1.5%，其余为Ni；熔炼后浇铸成尺寸为 Φ68mm×200mm的料棒，将所得NiCoCrAlY料棒放入电子束物理气相沉积真 空室中，将真空室的真空度控制为10×10^-2Pa，以2μm/min的速率进行沉积； 沉积时基板温度控制为800～900℃，涂层厚度控制为90μm，将所制备好的试 样冷却下来之后，放入真空炉中进行热处理；所述热处理工艺为：真空度控制 为10×10^-2Pa，升温速率为3℃/min，在1050℃下保温4小时，随炉冷却之后， 即可得到NiCoCrAlY粘结层；

在制备好的NiCoCrAlY粘结层表面进行喷砂处理，其喷砂工艺为：角度为 90度，距离为200mm，砂粒为60～180目的刚玉砂，时间为3分钟，从而获得 理想的NiCoCrAlY表面；

以经过喷砂处理后的NiCoCrAlY粘结层为基底，在其上采用等离子喷涂技 术制备陶瓷顶层，其具体工艺为：将Pr₂O₅粉末掺杂到氧化锆中，其中Pr₂O₅粉 末的质量分数为30%，所述氧化锆粉体的粒度为1～10μm，经过搅拌均匀后， 采用等离子喷涂制备成厚度为120μm左右的新型抗高温的热障涂层，其具体的 工艺如下表所示：

表1低压等离子喷涂制备Pr₂Zr₂O₇系构成的陶瓷顶层的工艺参数

电压(v) 电流(A) 氩气流量(L/min) 氢气流量(L/min) 50 500 50 15 转台转速（转/min） 喷枪转速（转/min） 腔内压力（乇） 送粉速度(g/min) 5 35 70 20