[发明专利]多孔氧化锆热障涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明的技术方案涉及用氧化物对金属材料的镀覆，具体地说是多孔氧化锆热障涂层的制备方法。

背景技术

随着科技的进步，航空航天事业以及民用交通工具的发展，其热端部件的使用温度要求越来越高，现阶段的高温合金材料和单晶材料已经不能满足热端部件材料使用的要求。热障涂层将金属的高强度、高韧性与陶瓷的耐高温性优点很好地结合起来，其具有良好的隔热性、抗热疲劳性、耐高温氧化性和耐腐蚀性，已经在燃汽轮机和涡轮叶片等热端部件材料上取得广泛的应用，并且有效的延长了热端部件在高温下的使用寿命，从而有效地解决了上述问题。计算结果表明，采用250微米厚的热障涂层，就可以使基体金属温度降低111℃～167℃左右，该值比在30年中由于人类的不断努力而使高温合金承温能力所得到的累积增量还要大【Levi C G.Emerging meterials and Processes for thermal barrier system.Current Opinion in Solid State and Materials Science,2004,8:77-91】。

热障涂层的主要作用就是作为温度防护层对高温部件起热隔绝作用，避免金属被高温侵蚀。因此，隔热性能是评价热障涂层性能的重要指标。涂层隔热性能(通常用涂层的热导率进行表征)直接关系到金属部件的使用温度，同时也影响到热障涂层热循环的服役寿命【WANG Qian-wen,MAO Wei-guo,YU Ming.Analysis of heat-insulating performance of air plasma sprayed thermal barrier coating systems.Materials Review,2011,25(9):125-129.】。涂层隔热性能与涂层制备材料的选取(不同材料热导率有着很大的差异)、涂层结构的布置、制备工艺以及工作环境等密切相关，另一方面，材料的微观组织结构对涂层的热导率也有着很大的影响。陶瓷涂层材料总的热传递方式由声子热传导和光子辐射组成，声子热传导起主要作用。材料的成分、显微组织结构等都能对声子和光子的平均自由程产生一定的影响，从而最终影响材料的热导率。一定范围内的孔隙及微小裂纹有利于热障涂层在反复热循环过程中应力的释放。

氧化锆(ZrO₂)成为制备热障涂层的首选材料，主要有以下原因：高熔点(约2680℃)、热导率相对较低(2.1～2.2W·m^-1·k^-1)和膨胀系数较高(11×10^-6K^-1)，其性能与目前普遍用作粘结底层的NiCrAlY相近，同时它还具有优良的力学性能，断裂韧性好(6～9MPa·m^-1)，还具有小的热辐射率和高反射率，化学性能稳定，能抵抗酸性气氛、高温燃气及多种金属氧化物和盐类溶液的腐蚀。氧化锆由四方相转变到单斜相时，会伴随有4％～6％的体积增大效应，这种体积增大效应引起高应力，如此反复会造成应力累积，易导致裂纹的形成。为防止因体积增大而引起涂层脱落，氧化锆涂层都要在原料中加入与锆离子半径相近的稳定剂进行稳定化处理，目前一般的做法是，采用氧化钇(质量百分数为6％～8％)来部分稳定氧化锆。根据相关报道显示，目前美国绝大多数的陆地坦克、装甲车以及军舰等使用的燃气发动机都采用了热障涂层，每年大约将近有三百吨的氧化锆材料用在热障涂层上，在接下来的几十年中热障涂层将会保持12％的年增长率，其中在发动机部件中的年增长率将达到25％【牟仁德,陆峰,何利民,贺世美,黄光宏.热障涂层技术在航空发动机上的应用与发展.热喷涂技术,2009,1(01):53-58+66】。

目前，电子束物理气相沉积技术和热喷涂技术是热障涂层常用的两种制备技术。