[發明專利]熱膨脹匹配復合熱障涂層的制備方法

無效

• 申請號: 201010107688.5
• 申請日: 2010-02-09
• 公開（公告）號: CN101831602A
• 公開（公告）日: 2010-09-15
• 發明（設計）人: 崔熙貴;程曉農;崔承云;許曉靜;張朝陽;魯金忠;管海兵;錢曉明
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C23C4/12
• 分類號: C23C4/12;B22F1/02
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 汪旭東

技術領域

本發明涉及表面涂層材料領域，特指一種熱膨脹匹配復合熱障涂層的制備方法。

背景技術

熱障涂層早在20世紀50年代初就被提出，其作用主要是降低金屬表面的工作溫度，通常是具有優異隔熱性能的氧化物陶瓷，目前廣泛應用于航空航天、燃氣輪機等領域。

ZrO₂陶瓷由于熔點高，熱導率低，抗熱震性能好，熱膨脹系數與金屬基體相差較小而成為理想的熱障涂層材料，也是研究和應用最早的熱障涂層材料。為了克服ZrO₂高溫下相轉變降低其使用壽命的缺點，需添加MgO、CaO、Y₂O₃等氧化物進行穩定化處理，目前最穩定的與應用最多的熱障涂層材料為6～8wt％Y₂O₃部分穩定的ZrO₂陶瓷(YPSZ)。隨著熱障涂層材料研究的不斷深入，其得到顯著地發展，種類不斷增多。

熱障涂層的制備方法很多，而應用最多的主要是等離子噴涂(PS)和電子束物理氣相沉積(EB-PVD)兩種。等離子噴涂由于設備投資小、工藝簡單、效率高、涂層成分和厚度易于控制、對被噴零件尺寸和形狀要求小等而得到廣泛的應用。作為涂層，最重要的性能指標是涂層與基體的界面結合強度，因為這決定了涂層能否起到應有的作用。等離子噴涂的熱障涂層與基體之間是機械咬合，目前主要采用噴涂前基體表面的粗化處理來提高界面接觸面積，以提高界面結合強度。界面結合強度除與界面接觸面積有關外，界面應力分布具有更重要的影響。由于熱障涂層與金屬基體的熱膨脹系數不匹配，所以界面將產生很大的熱應力，使界面結合強度降低，涂層易于脫落。為了緩和熱障涂層與金屬基體熱膨脹系數的差異，通常在其中間加一過渡層，稱為金屬粘結層。金屬粘結層為MCrAlY系合金，其中，M為Co、Ni、Fe等。雖然金屬粘結層可以緩解涂層與基體的熱膨脹系數失配，但是不能有效消除，而且使制備工藝更加繁瑣。因此，尋求新的方法來解決這一問題是非常必要的。

針對上面存在的問題，本發明提出通過熱障涂層與負熱膨脹材料的復合來調控熱障涂層的熱膨脹系數，以使涂層與金屬基體的熱膨脹系數近匹配，甚至完全匹配，從而有效消除界面熱應力，提高界面結合強度。本發明主要是根據基體的熱膨脹系數，通過調節負熱膨脹材料的添加量來調控涂層的熱膨脹系數，使涂層與基體的熱膨脹系數達到一致，消除界面熱應力，延長涂層使用壽命。由于負熱膨脹材料具有更低的熱導率，所以復合熱障涂層的熱導率得到顯著降低，隔熱效果顯著增強。此外，涂層的微納復合結構有利于提高涂層的抗熱震性能和力學性能。因此，通過本發明可以制備出高性能的界面結合牢固的復合熱障涂層。

發明內容

熱障涂層與金屬基體的界面結合強度是決定涂層能否實現其應有作用的重要性能指標，因此，提高涂層與基體的界面結合強度具有非常重要的工程實際意義。消除界面熱應力是提高界面結合強度，延長使用壽命的有效途徑，但現在采取的通過添加中間粘結層來緩解涂層與基體熱膨脹系數失配的方法，不能有效消除界面熱應力，無法有效延長使用壽命。本發明的目的是為解決上面的問題，提供一種熱膨脹匹配復合熱障涂層的制備方法，其通過熱障涂層與負熱膨脹材料的復合來調控熱障涂層的熱膨脹系數，使涂層與金屬基體的熱膨脹系數匹配，消除界面熱應力，從而有效提高涂層與基體的界面結合強度，延長涂層的使用壽命。

本發明解決上述問題的技術方案是：采用激光輔助微納復合與等離子噴涂相結合的復合工藝制備熱膨脹匹配的復合熱障涂層，消除涂層與基體界面的熱應力，提高界面結合強度，延長涂層的使用壽命。其步驟為：

1)將基體合金切割成一定尺寸；

2)根據熱膨脹匹配原則，配比熱障涂層材料納米粉末與負熱膨脹材料微米粉末；

3)將配好的兩種粉末進行微納復合重構；

4)將重構的復合顆粒進行激光輻照，增加復合顆粒的結合強度；

5)將復合顆粒裝入送粉器中，通過真空等離子噴涂工藝制備復合熱障涂層。