[發明專利]一種制備梯度熱障涂層的方法

有效

• 申請號: 201510035085.1
• 申請日: 2015-01-23
• 公開（公告）號: CN104630688B
• 公開（公告）日: 2017-10-31
• 發明（設計）人: 劉德健;唐峰;梅剛;張舒
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: C23C4/11
• 分類號: C23C4/11;C23C24/10
• 代理公司: 華中科技大學專利中心42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于熱障涂層制備領域，更具體地，涉及一種在金屬基體表面制備梯度熱障涂層的方法。

背景技術

在耐高溫金屬表面沉積一層陶瓷涂層，可以起到隔熱作用，可有效降低合金基體的溫度，使得用其制成的器件，如發動機渦輪葉片，能在高溫下運行。但是，由于部件的工作環境十分惡劣，陶瓷涂層處于交變的熱循環條件，受到高溫燃塵的沖刷，加上涂層組成成分的不連續變化以及金屬與陶瓷之間的熱膨脹系數差異，這將在陶瓷涂層中產生很高的應力，引起越來越多的應力集中，導致微裂紋的擴散和網狀裂紋的形成，這嚴重削弱了陶瓷層和粘結層的界面結合力最終導致陶瓷涂層和粘結層發生剝離，因此其使用壽命不長。

梯度熱障涂層技術被認為是解決這一問題的有效辦法，它將金屬的高強度、高韌性與陶瓷耐高溫的優點結合起來，使產品具有隔熱、抗氧化、防腐蝕的功能。但是，目前梯度熱障涂層方法不成熟，其過程影響因素多，各個因素的相互影響機理不明白，無成熟的技術方案，造成該方法無法成功應用。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種制備梯度熱障涂層的方法，其目的在于通過在對陶瓷顆粒進行摻雜和表面包覆，并將該經過摻雜和包覆的陶瓷顆粒結合在金屬基體表面，以成功制備獲得梯度熱障涂層。

本發明提供一種制備梯度熱障涂層的方法，用于在金屬基體表面制備獲得熱障涂層，其特征在于，采用熱噴涂或者激光熔覆方法使40～80μm的陶瓷顆粒結合在金屬基體表面，制備獲得納米陶瓷顆粒增強的熱障涂層，所述納米陶瓷顆粒均勻分散且粒徑為100～500nm，所述40～80μm的陶瓷顆粒由初始納米顆粒團聚獲得，該陶瓷顆粒包括Al₂O₃顆粒、ZrO₂顆粒、稀土鋯酸鹽類顆粒，所述稀土鋯酸鹽類顆粒成分為A₂Zr₂O₇，其中A為Ln、La、Gd、Nd的一種或多種。

進一步的，所述陶瓷顆粒的表面被合金粉末包覆，所述合金粉末為鎳基合金粉末和鈦合金粉末中的一種或多種。表面包覆有合金粉末用于提高納米陶瓷顆粒與金屬基體的結合力，用于緩和應用時候的熱應力。

進一步的，所述陶瓷顆粒經過低價金屬氧化物摻雜，所述低價金屬氧化物包括Y₂O₃，CaO，MgO，Nd₂O₃。

進一步的，所述陶瓷顆粒是由25nm～40nm的初始納米顆粒經噴霧干燥時發生團聚而制得。25nm～40nm的初始納米顆粒團聚后有利于獲得40～80μm的陶瓷顆粒，40～80μm的陶瓷顆粒有利于獲得100～500nm的納米陶瓷顆粒。

進一步的，所述低價金屬氧化物的質量占所述陶瓷顆粒總質量的5％～10％。

進一步的，采用電鍍或化學鍍方法在所述陶瓷顆粒表面包覆合金粉末。

進一步的，所述合金粉末的包覆厚度為100～300nm。

本發明的構思和有益效果如下：

先將初始納米顆粒團聚獲得微米級別的陶瓷顆粒，將微米級別的陶瓷顆粒通過熱噴涂或者激光熔覆方法結合在金屬基體表面，利用金屬基體熔化時候熔池中的溫度，使得微米級別的陶瓷顆粒再次離散成納米陶瓷顆粒并進一步長大,通過控制初始納米顆粒的粒徑，保證納米陶瓷顆粒即便長大也還是在納米級別，從而制備獲得納米顆粒增強的熱障涂層。

(1)納米陶瓷顆粒尺寸大小影響熱障涂層中載熱粒子的非諧性散射作用，也對熱障涂層的力學性能，如抗蠕變外加載荷下的應力場分布有一定的影響，因此，納米陶瓷顆粒需要綜合平衡隔熱性能與力學性能，考慮到以上兩點，納米陶瓷顆粒的的尺寸控制在100nm～500nm。

(2)在陶瓷顆粒中摻雜低價金屬氧化物目的在于提高陶瓷顆粒的空位及晶格畸變，增強載熱粒子的界面散射作用，有利于提高熱障涂層的隔熱性能，陶瓷顆粒中摻雜低價金屬氧化物的類型取決于陶瓷與金屬基體具體的成分，Y₂O₃，CaO，MgO以及Nd₂O₃是隔熱性比較好的低價金屬氧化物。

(3)在陶瓷顆粒中摻雜低價金屬氧化物的質量分數考慮到氧化物對陶瓷顆粒的穩定化率，以及造成晶格畸變的大小，選用摻雜質量分數為5％～10％能綜合平衡穩定化率和晶格畸變的大小，摻雜效果好。

(4)在陶瓷表面鍍上合金粉末可用于改善陶瓷顆粒與金屬基體的潤濕性，用于提高陶瓷顆粒與金屬基體的結合力，可以緩和熱應力。