[發明專利]一種晶粒形貌可控的熱障涂層的制備方法

在審

• 申請號: 201911338071.1
• 申請日: 2019-12-23
• 公開（公告）號: CN113087521A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 宋雪梅;曾毅;許燕杰;張積梅;姜彩芬;劉紫微;王墉哲;林初城;鄭維
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/48
• 分類號: C04B35/48;C04B35/622;C23C4/11;C23C4/134
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

本發明涉及一種晶粒形貌可控的熱障涂層的制備方法，所述制備方法包括：將YSZ納米粉體、氧化物納米粉體、粘結劑和溶劑混合，得到混合漿料；將所得混合漿料進行噴霧造粒后，并在1100～1500℃下煅燒，得到造粒粉體；采用熱噴涂工藝將所得造粒粉體噴涂到基體上，得到所述晶粒形貌可控的熱障涂層。

技術領域

本發明涉及一種晶粒形貌可控的熱障涂層的制備方法，屬于熱噴涂技術領域。

背景技術

熱障涂層利用陶瓷涂層來保護在高溫環境中工作的金屬基體，它在航空航天、汽車及大型火力發電等領域有著重大的應用，其中最典型的應用是在航空發動機的熱端部件上面。YSZ具有較低的熱導率和熱膨脹系數、韌性好、強度高以及良好的耐腐蝕、抗熱沖擊性能，加之價格便宜等優勢，而成為目前使用最廣泛的熱障涂層材料。隨著航空發動機向高推重比的發展，設計進口溫度不斷提高，這對熱障涂層材料的隔熱性能和高溫穩定性提出了更高的要求。針對未來熱障涂層材料需要滿足更低熱導率和更長壽命的要求，YSZ涂層的應用面臨著諸多的挑戰。

等離子噴涂熱障涂層內部存在大量的垂直于熱流方向的橫向孔隙顯著降低了涂層的熱導率，提高了它的隔熱性能。而且APS技術成本低、工藝規范成熟，是目前工程化制備熱障涂層的關鍵技術。然而，等離子噴涂熱障涂層的服役壽命相對較差，這主要是由于在服役過程中，涂層內部微孔隙愈合，無法保持高的應變容限。

制備熱障涂層內部的顯微結構決定了涂層的熱學性能。涂層內部晶粒越小，晶界密度越大，可以顯著增加聲子散射，從而降低了涂層熱導率，提高其隔熱性能。而涂層內部晶粒的柱狀結構由于晶粒間的縱向間隙的存在，可以提高涂層的應變容限，從而避免了裂紋大面積的增值與擴展，提高了涂層的服役壽命。因此如果能控制晶粒的形貌，將有效的控制熱障涂層的隔熱性能與壽命，從而可以滿足具體的應用環境。目前還沒有有效的手段去控制等離子噴涂熱障涂層中晶粒的大小以及形狀。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的在于提供一種晶粒形貌可控的熱障涂層的制備方法，從而控制涂層的熱學性能。該熱障涂層材料組分簡單，原料廉價易得，制備工藝簡單，成本低，適合大規模生產。

一方面，本發明提供了一種晶粒形貌可控的熱障涂層的制備方法，包括：

將YSZ納米粉體、氧化物納米粉體、粘結劑和溶劑混合，得到混合漿料；

將所得混合漿料進行噴霧造粒后，并在1100～1500℃下煅燒，得到造粒粉體；

采用熱噴涂工藝將所得造粒粉體噴涂到基體上，得到所述晶粒形貌可控的熱障涂層。

本發明中，YSZ熱障涂層的晶粒形貌的控制在于通過熱噴涂工藝的參數的設定以及氧化物納米粉體的添加，從而控制造粒粉體在火焰中熔融、混融程度以及凝固冷卻速率，最終控制形成熱障涂層中氧化鋯晶粒的大小與形狀。

較佳的，所述YSZ納米粉體為3～8mol％氧化釔穩定的氧化鋯粉體；所述YSZ納米粉體的粒徑≤50nm。

較佳的，所述氧化物粉體為氧化鈰、氧化鐿、氧化釓、氧化鋁和氧化釹中的至少一種；所述氧化物納米粉體的粒徑≤50nm。

較佳的，所述氧化物納米粉體的含量占YSZ納米粉體和氧化物納米粉體總質量的0～55％，優選為0～25％。

較佳的，所述溶劑為水，所述混合漿料的固含量為40～60wt％。

較佳的，所述粘結劑選自聚丙烯酸鉀、聚丙烯酸鈉、聚丙烯酸氨、聚乙烯乙胺、聚乙烯醇中的至少一種；所述粘結劑的質量占YSZ納米粉體和氧化物納米粉體總質量的1～5wt％。

較佳的，所述煅燒的時間為1～3小時。

較佳的，將所得造粒粉體過篩，得到粒徑為5～100微米的造粒粉體。