[發明專利]一種耐高溫高熱流沖刷的復合涂層及其制備方法

在審

• 申請號: 202110297657.9
• 申請日: 2021-03-19
• 公開（公告）號: CN113106374A
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 文波;倪立勇;曲棟;楊震曉;馬康智;吳朝軍
• 申請（專利權）人: 航天材料及工藝研究所
• 主分類號: C23C4/06
• 分類號: C23C4/06;C23C4/073;C23C4/08;C23C4/10;C23C4/134;C23C4/18;C09D183/10;C09D7/65;C09D7/61;B05D1/02;B05D3/04
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 張麗娜

本發明公開一種耐高溫高熱流沖刷復合涂層及其制備方法，屬于表面工程技術領域；本發明設計復合涂層結構與成分，優化復合涂層制備工藝，精細調控復合涂層組織結構，成功解決了薄壁件高溫高熱流沖刷易穿孔、防護涂層易開裂的技術難題；本技術發明工藝簡單易行，成本經濟，實用性強，具有高溫高熱流防護需求的熱端部件或產品的涂層制備，本發明的熱端部件或產品件的材質為鋁合金、鈦合金等較低熔點的金屬。

技術領域

本發明涉及一種耐高溫高熱流沖刷的復合涂層及其制備方法，屬于防護涂層技術領域。

背景技術

等離子噴涂是通過電弧放電將通入等離子噴槍內部的氣體電離，形成高溫等離子體(達到10000K)，隨后將噴涂的粉末材料送入等離子體中加熱熔化，熔融的粉末粒子經過噴槍加速后撞擊到基體材料表面冷凝形成涂層的方法。等離子噴涂解決了難熔金屬或陶瓷材料等高熔點材料的難以噴涂的技術難題，提高了涂層和基體的結合強度，降低了涂層的孔隙率，大幅度地提高了涂層的質量，廣泛應用于航天、航空、冶金、石化等領域。

氧化鋯(ZrO₂)是目前航空航天廣泛使用熱障涂層材料，它具有良好的熱學穩定性，熔點達到2700℃，在25℃到1200℃范圍內，熱導率和熱膨脹系數分別約為2～3W/m·K和10～11×10^-6K^-1。此外，氧化鋯還具有優異的綜合力學性能，維氏硬度達到10GPa，彈性模量約220GPa。常溫下ZrO₂為單斜相(m)，超過1200℃時會向四方相(t)轉變，超過2370℃時會向立方相(c)轉變，在發生物相轉變的同時，ZrO₂材料自身會發生體積變化，影響ZrO₂高溫應用的壽命及可靠性，通過在ZrO₂中引入Y₂O₃形成固溶體，通常為6％-8wt.％Y₂O₃，形成氧化釔部分穩定氧化鋯(YSZ)，一定程度可以將ZrO₂的高溫相穩定至室溫，但是當溫度超過1200℃后降溫的時候，t相仍然會通過馬氏體相變向m相轉變產生約3％-5％的體積膨脹，涂層開裂剝落風險大，這大大限制了YSZ涂層在高溫環境下的使用壽命及可靠性。

航天熱端部件產品具有超高熱流(＞10MW/m²)、超高溫度(＞1500℃)的服役特點，服役過程溫度梯度極高導致涂層材料的失效風險成倍增加，這對目前使用的YSZ涂層提出了更高的要求，需要采用新的設計思路和技術手段解決當前的難點。

發明內容

本發明的目的在于解決航天高溫高熱流沖刷導致涂層剝落失效的問題，提出一種耐高溫高熱流沖刷的復合涂層及其制備方法，設計多層復合結構，實現涂層結構與功能的匹配；采用多種制備手段，解決功能涂層制備工藝問題；采用精細化控制噴涂工藝，解決熱應力緩和層、熱穩定隔熱層成分與微結構不均勻的問題，實現高性能熱應力緩和層、熱穩定隔熱層的制備；通過優化涂料配方及噴涂工藝，解決耐沖刷層燒蝕防護能力低，工藝適應性差的問題，實現耐沖刷層的制備。

本發明的技術方案主要包括以下步驟：

一種耐高溫高熱流沖刷的復合涂層，該復合涂層由內至外(由待噴涂的材料表面至最外層)包括熱應力緩和層、熱穩定隔熱層和耐沖刷層；

其中，熱應力緩和層的材料為Ni基合金材料，優選為NiCrAlY、NiCrY、Ni包Al合金中的一種；

熱穩定隔熱層的材料為納米氧化釔部分穩定氧化鋯(YSZ)；

耐沖刷層的材料為甲基嵌段硅橡膠、軟木、玻璃纖維、硅烷偶聯劑和汽油的混合料漿，甲基嵌段硅橡膠、軟木、玻璃纖維、硅烷偶聯劑、汽油的質量比100：10～30：10～30：5～10：10～50。

一種耐高溫高熱流沖刷的復合涂層的制備方法，該方法的步驟包括：