[發明專利]一種鎳合金基體表面熱障涂層及制備方法

有效

• 申請號: 201110347751.7
• 申請日: 2011-11-07
• 公開（公告）號: CN102557447A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 周宏明;李薦;劉芙蓉;李艷芬;朱玉華;譚笛
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C03C8/24
• 分類號: C03C8/24;C04B35/48;B05D5/00;B05D7/14;B05D1/38
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 顏勇

技術領域

本發明涉及一種鎳合金基體表面熱障涂層及制備方法，具體是采用料漿噴涂法及低溫燒結法在鎳合金基體表面制備微晶玻璃粘結層與陶瓷表層復合結構。屬于金屬表面復合結構制造技術領域。

背景技術

K38G鎳合金是廣泛使用的鑄造鎳合金。常用于制造現代航空發動機、航天器和火箭發動機以及艦艇和工業燃氣輪機在高溫下工作的零部件。在復雜的工作環境下，單靠它自身的性能還是不能完全滿足要求，因此為得到更好的耐熱和耐蝕性能，在其表面施加熱障涂層(Thermal?Barrier?Coatings)是一種便捷途徑。

目前，熱障涂層的結構主要可分為雙層結構，多層結構和梯度結構三種結構形式。雙層結構主要有陶瓷表層和粘結層組成，由于雙層結構簡單，制備工藝成熟，熱障效果好，目前廣泛應用。

目前廣泛應用的粘結層材料為MCrAlY(M代表Ni或NiCo)合金粉末。MCrAlY合金粘結層在高溫氧化時會形成熱長大氧化物(TGO)，也即熱生長層，這是一個體積膨脹的過程，由于TGO的韌性與合金基體的相比微不足道，在界面會限制這種體積變化，因此會出現殘余壓應力，冷卻到環境溫度時，殘余壓應力會進一步增大。理論計算顯示，在陶瓷/金屬界面加入簡化的TGO氧化層后，界面的應力分布將發生反轉，導致涂層在交變應力作用下發生裂紋的擴展并最終導致涂層失效。目前使用的表層陶瓷材料是8wt％Y₂O₃-ZrO₂(8YSZ)陶瓷材料，這種表層陶瓷熱障涂層具有較低的熱導率，較高的熱膨脹系數及良好的抗熱沖擊性，但長期使用溫度不能超過1200℃，溫度過高會導致8YSZ發生相變，容易被燒結，氧傳導速率增加，金屬粘結層容易被氧化，從而導致涂層脫落失效，已難以滿足渦輪進口溫度進一步提高的需要。

近年來，具有燒綠石結構的鋯酸鹽陶瓷以其良好的高溫熱穩定性、隔熱性能和抗熱腐蝕性能，已成為熱障涂層陶瓷隔熱表層材料研究的熱點之一。其中，鋯酸鑭(La₂Zr₂O₇)及稀土摻雜的鋯酸鑭(La_1.7Nd_0.3Zr₂O₇和La_1.7Nd_0.3(Zr_0.85Ce_0.15)₂O₇)均具有優異的高溫熱穩定性，并具有較8YSZ更低的導熱系數。微晶玻璃被廣泛用于金屬或合金的保護性抗氧化涂層、粘結或電子封裝。這主要是由于微晶玻璃可以通過調整成分，使其熱物性能與金屬基體和陶瓷表層的熱物性能達到更好的匹配性；其次，微晶玻璃本身作為氧化物材料，在使用過程中不會形成金屬粘結層表面的TGO，從而從根本上解決TGO生長導致涂層剝落失效的難題，而且由于高溫下玻璃的粘性流動可以大幅度釋放界面的熱應力，減少裂紋的產生，達到延長涂層使用壽命的目的。

在鎳合金基體表面用料漿噴涂-低溫燒結法制備以微晶玻璃層為粘結層，La₂Zr₂O₇或La_1.7Nd_0.3(Zr_0.85Ce_0.15)₂O₇為陶瓷表層的熱障涂層及其制備方法，在國內外尚未見報道。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術之不足而提供一種工藝方法簡單，操作簡便，通過料漿噴涂-低溫燒結技術在鎳合金表面制備以微晶玻璃作為粘結層、鋯酸鹽作為陶瓷表層的熱障涂層，涂層具有良好的抗熱震性能、隔熱和抗氧化性能的鎳合金基體表面熱障涂層及制備方法。

本發明一種鎳合金基體表面熱障涂層，包括玻璃粘合層和陶瓷表層，所述玻璃粘合層按重量百分比由下述組分組成：

本發明一種鎳合金基體表面熱障涂層中，所述陶瓷表層材料為鋯酸鹽La₂Zr₂O₇、La_1.7Nd_0.3Zr₂O₇或La_1.7Nd_0.3(Zr_0.85Ce_0.15)₂O₇中的一種。

本發明一種鎳合金基體表面熱障涂層的制備方法，包括以下步驟：