[发明专利]一种喷涂法制备氧化锆热障涂层的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种喷涂法制备氧化锆热障涂层的方法。 

 

背景技术

热障涂层(Thermal Barrier Coating)是一层陶瓷涂层，它沉积在耐高温金属或超合金的表面，热障涂层对于基底材料起到隔热作用，降低基底温度，使得用其制成的器件(如发动机涡轮叶片) 能在高温下运行，并且可以提高器件(发动机等)热效率达到60%以上。

美国NASA( National Aeronautics and Space Administration) - Lewis研究中心为了提高燃气涡轮叶片、火箭发动机的抗高温和耐腐蚀性能,早在二十世纪50年代就提出了热障涂层概念。在涂层的材料选择和制备工艺上进行较长时间的探索后, 80年代初取得了重大突破,为热障涂层的应用奠定了坚实基础。文献表明, 目前先进热障涂层能够在工作环境下降低高温发动机热端部件温度170K左右。随着热障涂层在高温发动机热端部件上的应用, 人们认识到热障涂层的应用不仅可以达到提高基体抗高温腐蚀能力, 进一步提高发动机工作温度的目的,而且可以减少燃油消耗、提高效率、延长热端部件的使用寿命。与开发新型高温合金材料相比, 热障涂层的研究成本相对较低,工艺也现实可行。

随着航空、航天及民用技术的发展，热端部件的使用温度要求越来越高，以达到高温合金和单晶材料的极限状况。以燃料轮机的受热部件如喷嘴、叶片、燃烧室为例，它们处于高温氧化和高温气流冲蚀等恶劣环境中，承受温度高达1100℃，已超过了高温镍合金使用的极限温度（1075℃）。将金属的高强度、高韧性与陶瓷的耐高温的有点结合起来所制备出的热障涂层能解决上述问题，它能起到隔热、抗氧化、防腐蚀的作用，已在汽轮机、柴油发电机、喷气式发动机等热端材料上取得一定应用，并提高了热端部件的使用寿命。

二氧化锆是目前热障涂层中的主要原料，二氧化锆(化学式：ZrO2，或称氧化锆)是锆的主要氧化物，通常状况下为白色无臭无味晶体，难溶于水、盐酸和稀硫酸。一般常含有少量的二氧化铪。化学性质不活泼，但高熔点，高电阻率、高折射率和低热膨胀系数的性质，使它成为重要的耐高温材料、陶瓷绝缘材料和陶瓷遮光剂。

纯的二氧化锆是一种高级耐火原料，其熔融温度约为2900℃。它可提高釉的高温粘度和扩大粘度变化的温度范围，有较好的热稳定性，其含量为2％-3％时，能提高釉的抗龟裂性能。还因它的化学惰性大，故能提高釉的化学稳定性和耐酸碱能力，还能起到乳浊剂的作用．在建筑陶瓷釉料中多使用锆英石，一般用量为8％-12％。并为“釉下白”的主要原料，氧化锆为黄绿色颜料良好的助色剂，若想获得较好的钒锆黄颜料必须选用质纯的氧化锆。

二氧化锆的化学性质很稳定，经煅烧后的二氧化锆性质尤其不活泼。它可以被热浓盐酸、硫酸、氢氟酸和硝酸所侵蚀，高温下与氢氧化物、氧化物和碳酸盐共熔可生成锆酸盐，实质上是高分子的混合金属氧化物。二氧化锆与碳和氯气高温反应，或者与四氯化碳反应，生成四氯化锆及二氯氧化锆，水解又得到二氧化锆。它在电弧中与碳作用生成碳化锆。

二氧化锆的制备方法较多，其中湿化学法中的溶胶-凝胶法由于制备的材料粒度细微且分布窄；得到的材料纯度高、化学成分均匀；烧成温度比传统方法低400℃-500℃等优点，是目前较为理想和具有实用价值的制备二氧化锆粉体的方法。

自1846年法国化学家J.J.Ebelmen用SiCl₄与乙醇混合后，发现在湿空气中发生水解并形成了凝胶。一百来年时间里溶胶—凝胶技术逐步完善并得到了长足发展。1970年后，溶胶-凝胶技术(Sol-Gel法)作为一种高科技新兴制造技术，得到科技界和企业界的高度重视，在玻璃、超细粉末、氧化物涂层、纤维、功能陶瓷粉料以及传统方法难以制得的复合氧化物材料得到成功应用。

溶胶-凝胶方法是湿化学反应方法之一，通常以金属醇盐或无机盐作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。

溶剂化：

M(H2O)nz+=M(H2O)n-1(OH)(z-1)+H⁺

水解反应：

M(OR)n+xH2O=M(OH)x(OR)n-x+xROH------M(OH)n

缩聚反应：

失水缩聚：-M-OH+HO-M-=-M-O-M-+H2O