[发明专利]一种具有自粘性的多模结构热障涂层及制备方法

说明书

一种具有自粘性的多模结构热障涂层及制备方法，以氧氯化锆、磷酸钠、氟化钠为原料来制备棒状或须状氧化锆。将所制备的棒状或须状氧化锆和纳米YSZ进行喷雾造粒并烧结形成具有一定流动性的粉体。采用高能等离子束喷射技术在合金基体上依次进行粘接层和陶瓷层的制备。本发明以粒子的温度和飞行速度作为粒子状态的变量，通过调节粒子温度和飞行速度进而对棒/须/层自粘结构进行调控。该技术成本低、效率高、可以大面积应用。

技术领域

本发明属于表面工程与技术领域，具体为一种具有自粘性的多模结构热障涂层及制备方法。

背景技术

近些年，我国的航空航天事业取得了突飞猛进的发展，其中热障涂层在航空航天领域尤其是航空发动机零部件中扮演重要作用。将高熔点和低导热的陶瓷材料涂覆在由高温合金制备的航空发动机叶片表面来达到降低基体的温度和增加工作效率的目的。热障涂层的结构通常包含以下四部分，陶瓷层、金属粘接层、热生长氧化物、高温合金基体，其中热生长氧化物在服役过程中产生。航空发动机燃烧室中的陶瓷涂层材料在应用过程中由于具有恶略的服役环境因此不可避免长时间的承受机械载荷、热应力、烧结、热冲击和热震等一系列物理化学作用导致涂层发生失效。产生失效的原因众多，但最终失效的表现形式一般以陶瓷层微裂纹的形成、扩展、联接、形成破坏性裂纹进而剥落为主。因此，陶瓷层低的断裂韧性和弱的结合强度是导致涂层失效的最根本原因。

为解决热障涂层中陶瓷层所产生的易剥落问题，将棒状或须状氧化锆作为增强体以增加热障涂层韧性。棒状或须状氧化锆是一类具体特殊形貌的单晶体，具备优异的力学性能，其长度一般为1-4μm，直径为50-500nm。内部原子排列规整，几乎不存在缺陷(点缺陷、线缺陷、面缺陷)。由于晶须各项力学性能可以接近理论值，通常作为增强体来增加材料的力学性能，尤其是材料的韧性。作为增强体时会使材料中发生裂纹偏转、晶须侨联、晶须拔出等作用，进而使材料难以产生变形和断裂，最终导致材料的断裂韧性增加。此外，棒状或须状氧化锆的制备方法有很多，常见的有化学气相法、水热法、静电纺丝法、高压高温法等。这些方法都能够有效的制备晶须、纤维、纳米线等一维材料，但制备过程中质量不稳定、生产条件严格、设备要求高，生产效率低等。

发明内容

本发明的目的在于克服现有热障涂层易剥落缺点，提供了一种具有自粘性的多模结构热障涂层制备方法，该方法能够获得高韧性、高结合强度、高服役寿命的热障涂层，并且制备涂层效率高、成本低、工艺简单、易于大规模使用，有望应用于航空发动机与燃气轮机热端部件表面。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种具有自粘性的多模结构热障涂层制备方法，包括如下步骤：

(1)将锆盐、高熔点盐与氟盐加入到容器中、加入无水乙醇，得到前驱体悬浊液；锆盐、高熔点盐与氟盐的质量比为(5-10):(5-10):(1-3)；

(2)对前驱体悬浊液进行搅拌均匀后干燥，得到前驱体；

(3)将前驱体进行烧结，得到含有棒状和须状氧化锆粉体；

(4)将步骤(3)所制备的棒状或须状氧化锆和纳米氧化钇稳定氧化锆粉体按照质量比为1：(3-4)进行喷雾造粒，得到YSZ/ZrO₂复合粉体；

(5)利用高能等离子束喷射技术依次在基体上沉积金属粘接层和YSZ/ZrO₂陶瓷层，形成具有自粘性的多模结构热障涂层。

进一步的，锆盐为氧氯化锆或氯化锆。

进一步的，高熔点盐为硫酸钾、氯化钠或硫酸钠。

进一步的，氟盐为氟化钠或氟化钾。

进一步的，锆盐与无水乙醇的比为2g:20-80mL。

进一步的，烧结的温度为500-1000℃，时间为2-8h。