[发明专利]一种具有自修复功能的耐高温搪瓷基复合涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及高温防护技术与复合材料领域，具体涉及一种具有自修复功能的耐高温搪瓷基复合涂层及其制备方法。该复合涂层是以搪瓷釉与亚微米或纳米级金属或陶瓷颗粒烧结得到。其中，搪瓷釉通过原料混合、高温熔炼后水淬而成，亚微米级颗粒为镍、镍铬等金属与硼化钛或硼化锆的任意组合，粒径小于5μm，质量占比10～30％。本发明具有自修复功能的搪瓷基复合涂层制备工艺简单，成本低廉，原材料可直接从市场购得，通过调控搪瓷釉软化点、合金/陶瓷颗粒尺寸、含量及烧制工艺，在500～900℃下具有裂纹自修复与抗高温腐蚀的优点。

技术领域

本发明涉及高温腐蚀防护技术与复合材料领域，具体涉及一种具有自修复功能的耐高温搪瓷基复合涂层及其制备方法，可用于高温腐蚀环境下的零部件材料或者合金部件的防护涂层。

背景技术

高温防护涂层与高温结构材料、高效气冷并重为先进燃气涡轮发动机的三大关键科学技术，在航空、航天、船舶、能源以及兵器等领域有着广泛的应用。传统的高温防护涂层主要有单纯的或改性的铝化物涂层和MCrAlY(M＝Ni/Co)类合金涂层。依靠表面快速生成的保护性氧化铝膜，该类涂层在普通大气环境中具有非常优异的高温防护性能。但是，在复杂气氛或者熔盐环境下，由于环境与金属涂层的相互作用，表面难以形成完整致密的氧化铝膜。加之氧化铝膜的生长以及金属涂层与合金基体的互扩散，涂层中的有益组元(铝)持续消耗，涂层的高温防护性能受到极大影响。而后发展的陶瓷涂层(如热喷涂氧化铝涂层)，则由于涂层与合金基体热物理性能不匹配以及界面结合差等缺点，服役过程中涂层极易沿界面开裂而剥落。

搪瓷涂层结合了金属涂层与陶瓷涂层的优点。依赖搪瓷的化学惰性，搪瓷涂层能够有效阻挡腐蚀环境对合金基体的侵蚀。此外，搪瓷涂层制备工艺简单，造价低廉，在许多高温腐蚀防护领域有着广阔的应用前景，并且具有不可替代性。比如：垃圾焚烧系统的S^2-、Cl^-、CO以及水蒸气等腐蚀性极强的离子或者气体、舰用以及陆用高炉煤气回收系统的甲烷、氧气、CO等腐蚀性气体、燃气轮机的NaCl、Na₂SO₄熔盐沉积、Cl^-等腐蚀性环境、核电反应堆体系的液态金属腐蚀、飞机发动机尾喷管的燃气冲刷，甚至火箭的液氧发动机的煤油与液氧腐蚀等等。尤其是在燃气轮机与火箭液氧发动机的某些部件上，搪瓷涂层拥有其它高温防护涂层无可比拟的优势。搪瓷的耐热腐蚀寿命较传统金属涂层高一个数量级，非常适合航空发动机以及燃气轮机等热端部件的高温防护。

然而，搪瓷基复合涂层的实际应用依然面临着一个重大挑战：即大多数热端部件的服役环境为冷热交替，而搪瓷的强度与韧性较低，热循环引起的热应力易导致复合材料涂层表面微裂纹的萌生并向内部扩展、由于传统搪瓷不具备裂纹的自修复能力的纵向开裂，继而引发局部剥落，影响部件的安全运行。因此，当前搪瓷基复合材料涂层应用的关键问题，即搪瓷涂层的发展趋势，是搪瓷自身的强韧化，提高对微裂纹萌生与扩展的抗力及其服役环境下对微裂纹的自修复。

根据我国工业发展对高温部件及涂层的服役要求，亟需研制一种耐高温且具备自修复功能的搪瓷基复合材料涂层，用于高温腐蚀环境下的零部件材料或者合金部件的防护涂层。

发明内容

本发提供一种耐高温且具备自修复功能的搪瓷基复合涂层及其制备方法，解决现有技术中搪瓷涂层高温服役时开裂、剥落的问题。

本发明的技术方案如下：

一种具有自修复功能的耐高温搪瓷基复合涂层，所述复合涂层由搪瓷釉与亚微米或纳米尺度的金属或陶瓷颗粒组成，所述金属或陶瓷颗粒满足高温氧化后体积膨胀、生成的氧化产物与搪瓷相容、空间弥散分布的特点；

所述搪瓷釉原料包括二氧化硅、氧化铝、二氧化锆、二氧化钛、氧化硼、氧化钠、氧化钾、氧化锂和氧化锶，其配方按质量百分比计为：二氧化硅、氧化铝、二氧化锆和二氧化钛共计66～81％，其中二氧化硅含量大于60％；氧化硼3～10％；氧化钠、氧化钾和氧化锂共计5～20％；氧化锶5％～15％；其中二氧化锆、二氧化钛和氧化锂可以不添加；