一種新型的低熱導(dǎo)率和耐高溫?zé)嵴贤繉蛹捌渲苽浞椒?br> 【專利摘要】本發(fā)明屬于高溫涂層防護【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種新型的低熱導(dǎo)率和耐高溫?zé)嵴贤繉蛹捌渲苽浞椒?。本發(fā)明采用Pr2Zr2O7系構(gòu)成的陶瓷頂層。由于Pr2Zr2O7系構(gòu)成的新型陶瓷頂層具有和自然界存在的燒綠石礦物結(jié)構(gòu)相似的結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，低的熱導(dǎo)率，高熔點，高的熱膨脹系數(shù)和很好的相穩(wěn)定性。因此采用Pr2Zr2O7作為陶瓷頂層具有低的熱導(dǎo)率，高的熱膨脹系數(shù)和相穩(wěn)定等優(yōu)點，可以應(yīng)用在高溫環(huán)境下的熱障涂層體系。根據(jù)制備工藝的不同可以獲得不同厚度的熱障涂層，從而獲得不同的隔熱效果，達到工業(yè)應(yīng)用所需要的目的。該涂層具有良好的耐高溫、低導(dǎo)熱和高的熱膨脹系數(shù)的優(yōu)點，同時也具有一定的耐高溫CMAS侵蝕的性能。
【專利說明】一種新型的低熱導(dǎo)率和耐高溫?zé)嵴贤繉蛹捌渲苽浞椒?br> 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高溫涂層防護【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種新型的低熱導(dǎo)率和耐高溫?zé)嵴贤繉蛹捌渲苽浞椒ā?br> 【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，對航空航天技術(shù)的期望越來越高，從而對航空發(fā)動機性能提出了越來越高的要求，也就是對發(fā)動機的推重比也要求越來越大，對航空發(fā)動機的轉(zhuǎn)數(shù)要求也越來越高，因此提高渦輪機的進出口溫度就顯得尤為重要，然而在更高溫度的條件下工作，已經(jīng)超出制造渦輪葉片和導(dǎo)向葉片的鎳基高溫合金材料所能承受的溫度，由于與開發(fā)新的高溫合金相比，熱障涂層技術(shù)(thermal barrier coatings, TBCs)的研究成本低得多，工藝現(xiàn)實可行，因此，應(yīng)用熱障涂層技術(shù)是渦輪機發(fā)展的方向之一。
[0003]目前在航空發(fā)動機中普遍使用的是具有穩(wěn)定性好、隔熱效果佳的雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層，即采用在陶瓷層與金屬基體之間引入一層改善基體與陶瓷層物理相容性并具有抗高溫氧化和腐蝕作用的粘結(jié)層(NiCoCrA:LY),和由(7-9wt%)氧化乾穩(wěn)定的、隔熱能力強的氧化鋯(Yttria Stabilized Zirconia，簡稱YSZ)陶瓷作為隔熱頂層。YSZ在1200°C以上長期使用時，會發(fā)生相變，燒結(jié)和導(dǎo)致粘結(jié)層氧化加劇想象。然而下一代航空發(fā)動機進出口溫度將會大幅度的提高，預(yù)計當(dāng)發(fā)動機的推重比達到20，燃氣入口溫度將超過2000°C。在如此高的溫度下使用，必然要求能與之相匹配的材料體系，由于稀土摻雜的YSZ具有低熱導(dǎo)率和穩(wěn)定的高溫性能，因此，設(shè)計稀土摻雜的耐高溫的低熱導(dǎo)率熱障涂層具有重要的科學(xué)意義和社會價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種新型的低熱導(dǎo)率和耐高溫?zé)嵴贤繉蛹捌渲苽浞椒ā?br> [0005]一種新型的低熱導(dǎo)率和耐高溫?zé)嵴贤繉?，所述熱障涂層為雙層結(jié)構(gòu)，其中NiCoCrAlY作為粘接層，Pr2Zr2O7作為陶瓷頂層，二者相連構(gòu)成；所述NiCoCrAH粘接層中Co的質(zhì)量分數(shù)為22%-24%，Cr的質(zhì)量分數(shù)為20%-22%，Al的質(zhì)量分數(shù)為8%-10%，Y的質(zhì)量分數(shù)為0.5%-1.5%，其余為Ni。
[0006]所述Pr2Zr2O7陶瓷頂層具有與燒綠石礦物相同的結(jié)構(gòu)。
[0007]所述Pr2Zr2O7陶瓷頂層的熱導(dǎo)率為1.6-IW.π1.1，其熔點為2350°C，其熱膨脹系數(shù)為11-51。
[0008]一種新型的低熱導(dǎo)率和耐高溫?zé)嵴贤繉拥闹苽浞椒?，其具體步驟如下:
[0009](I) NiCoCrAH粘結(jié)層的制備，采用以下兩種方案之一:
[0010]a.采用電子束物理氣相沉積技術(shù)制備NiCoCrAH粘結(jié)層的工藝為:將配置好的原料在1500-1600°C溫度下進行高溫熔煉，熔煉后澆鑄成NiCoCrAH料棒，所述原料中Co的質(zhì)量分數(shù)為22%-24%，Cr的質(zhì)量分數(shù)為20%-22%，Al的質(zhì)量分數(shù)為8%-10%，Y的質(zhì)量分數(shù)為0.5%?1.5%，其余為Ni ;將所得NiCoCrAH料棒放入電子束物理氣相沉積真空室中，將真空室的真空度控制為I X 10_2?IOX 10_2Pa，以0.1?2 μ m/min的速率進行沉積；沉積時基板溫度控制為800?900°C，涂層厚度控制為60?90 μ m，將所制備好的試樣冷卻下來之后，放入真空爐中進行熱處理；所述熱處理工藝為:真空度控制為1X10_2?10X10_2Pa，升溫速率為3°C /min，在1050°C下保溫4小時，隨爐冷卻之后，即可得到NiCoCrAH粘結(jié)層；
[0011]b.采用等離子噴涂技術(shù)制備NiCoCrAH粘結(jié)層的工藝參數(shù)為:電壓為50?60V，電流為500?600A，氬氣流量為50?60L/min，送粉速率為20?40g/min，所使用的原料中Co的質(zhì)量分數(shù)為22%?24%，Cr的質(zhì)量分數(shù)為20%?22%，Al的質(zhì)量分數(shù)為8%?10%，Y的質(zhì)量分數(shù)為0.5%?1.5%，其余為Ni ；
[0012](2) NiCoCrAlY粘結(jié)層的噴砂處理:
[0013]在制備好的NiCoCrAH粘結(jié)層表面進行噴砂處理，其噴砂工藝為:角度為90度，距離為200mm,砂粒為60?180目的剛玉砂，時間為3分鐘；
[0014](3)以經(jīng)過噴砂處理后的NiCoCrAH粘結(jié)層為基底，在其上制備Pr2Zr2O7陶瓷頂層，從而得到熱障涂層，采用以下兩種方案之一:
[0015]a.將Pr2O5粉末摻雜到氧化鋯中，其中Pr2O5粉末的質(zhì)量分數(shù)為10%?30%，攪拌均勻后，在壓力為0.6MPa的條件下，在1500°C溫度下燒結(jié)10小時，進行熱等靜壓，得到電子束物理氣相沉積所需的料棒，再采用電子束物理氣相沉積制備Pr2Zr2O7陶瓷頂層；
[0016]所述電子束物理氣相沉積工藝為:將合成的Pr2Zr2O7系料棒，放入電子束物理氣相沉積真空室中，將真空室的真空度控制為lX10_2?10X10_2Pa，&0.1?2 μ m/min的速率進行沉積；沉積時NiC oCrAH粘結(jié)層基底溫度控制為800?900°C，涂層厚度控制為80?100 μ m，將所制備好的試樣冷卻下來之后，放入爐中進行熱處理；所述熱處理工藝為:升溫速率為3°C /min, 1050°C下保溫2小時，隨爐冷卻之后，即可制備出Pr2Zr2O7陶瓷頂層，從而得到熱障涂層；
[0017]b.將Pr2O5摻雜到氧化鋯粉體中，其中Pr2O5的質(zhì)量分數(shù)為10%?30%，所述氧化鋯粉體的粒度為I--ο μ m，攪拌均勻后，得到等離子噴涂所需的陶瓷頂層粉體，采用等離子噴涂制備出Pr2Zr2O7陶瓷頂層，從而得到熱障涂層；
[0018]所述等離子噴涂的工藝參數(shù)為:電壓為50?60V，電流為500?600A，氬氣流量為50?60L/min，氫氣流量為15?25L/min，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為5?15轉(zhuǎn)/min，噴槍轉(zhuǎn)速為35?45轉(zhuǎn)/min，腔內(nèi)壓力為70乇，送粉速率為20?40g/min。
[0019]步驟(I)中，所述NiCoCrAlY料棒的尺寸為C>68mmX200mm。
[0020]本發(fā)明的有益效果為:
[0021]利用電子束物理氣相沉積技術(shù)或等離子噴涂技術(shù)制備Pr2Zr2O7系構(gòu)成的陶瓷頂層，由于Pr2Zr2O7系構(gòu)成的陶瓷頂層具有和燒綠石礦物結(jié)構(gòu)相似的結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，低的熱導(dǎo)率，高熔點，高的熱膨脹系數(shù)和很好的相穩(wěn)定性。此種結(jié)構(gòu)具有低熱導(dǎo)率的原理為絕緣體的熱電阻系數(shù)是由聲子散射的點振動決定的，降低熱導(dǎo)率的方式之一干擾點陣的振動，當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)改變?yōu)橄鄬Φ蛯ΨQ性或者晶胞內(nèi)不同的結(jié)晶原子相結(jié)合，另外干擾性的散射中心的數(shù)量增加，熱導(dǎo)率就會下降。所以晶體結(jié)構(gòu)變得越復(fù)雜，熱導(dǎo)率就會越低。從而能夠用于制備在高溫下應(yīng)用的新型熱障涂層。同時利用不同的工藝調(diào)整熱障涂層，以達到工業(yè)用要求。該熱障涂層具有良好的耐高溫、低導(dǎo)熱和高的熱膨脹系數(shù)的優(yōu)點，同時也 具有一定的耐高溫CMAS侵蝕的性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明熱障涂層的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明提供了一種新型的低熱導(dǎo)率和耐高溫?zé)嵴贤繉蛹捌渲苽浞椒ǎ旅娼Y(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步說明。
[0024]實施例1
[0025]將配置好的原料在1500?1600°C溫度下進行高溫熔煉，熔煉后澆鑄成NiCoCrAH料棒，所述原料中Co的質(zhì)量分數(shù)為22%，Cr的質(zhì)量分數(shù)為20%, Al的質(zhì)量分數(shù)為8%，Y的質(zhì)量分數(shù)為0.5%，其余為Ni ;熔煉后澆鑄成尺寸為Φ68πιπιΧ 200mm的料棒，將所得NiCoCrAH料棒放入電子束物理氣相沉積真空室中，將真空室的真空度控制為lX10_2Pa，以0.1ym/min的速率進行沉積；沉積時基板溫度控制為800?900°C，涂層厚度控制為60 μ m，將所制備好的試樣冷卻下來之后，放入真空爐中進行熱處理；所述熱處理工藝為:真空度控制為lX10_2Pa，升溫速率為3°C /min，在1050°C下保溫4小時，隨爐冷卻之后，即可得到NiCoCrAlY 粘結(jié)層；
[0026]在制備好的NiCoCrAH粘結(jié)層表面進行噴砂處理，其噴砂工藝為:角度為90度，距離為200mm，砂粒為60?180目的剛玉砂，時間為3分鐘，從而獲得理想的NiCoCrAH粘接
層表面；
[0027]以經(jīng)過噴砂處理后的NiCoCrAH粘結(jié)層為基底，在其上采用電子束物理氣相沉積技術(shù)制備陶瓷頂層，其具體工藝為:將Pr2O5粉末摻雜到氧化鋯中，其中Pr2O5粉末的質(zhì)量分數(shù)為10%，攪拌均勻后，在壓力為0.6MPa的條件下，在1500°C溫度下燒結(jié)10小時，進行熱等靜壓，形成電子束物理氣相沉積所需的料棒，將合成的Pr2Zr2O7系陶瓷棒，放入電子束物理氣相沉積真空室中，將真空室的真空度控制在2 X 10_2Pa，以0.8 μ m/min的速率進行沉積，為了獲得更好的結(jié)合強度和涂層組織形貌，沉積時NiC0CrAH粘結(jié)層基底溫度控制在850°C左右，涂層厚度控制在90 μ m左右，將所制備好的試樣冷卻下來之后，放入爐中進行熱處理，其處理工藝為:升溫速率為3°C /min, 1050°C下保溫2小時，隨爐冷卻之后，即可制成所需要的新型抗高溫?zé)嵴贤繉印?br> [0028]實施例2
[0029]將配置好的原料在1500?1600°C溫度下進行高溫熔煉，熔煉后澆鑄成NiCoCrAH料棒，所述原料中Co的質(zhì)量分數(shù)為23%，Cr的質(zhì)量分數(shù)為21%，Al的質(zhì)量分數(shù)為9%，Y的質(zhì)量分數(shù)為1%，其余為Ni ;熔煉后澆鑄成尺寸為Φ 68mmX 200mm的料棒，將所得NiCoCrAH料棒放入電子束物理氣相沉積真空室中，將真空室的真空度控制為5X 10_2Pa，以I μ m/min的速率進行沉積；沉積時基板溫度控制為800?900°C，涂層厚度控制為75 μ m，將所制備好的試樣冷卻下來之后，放入真空爐中進行熱處理；所述熱處理工藝為:真空度控制為5X10_2Pa，升溫速率為3°C /min，在1050°C下保溫4小時，隨爐冷卻之后，即可得到NiCoCrAH粘結(jié)層；
[0030]在制備好的NiCoCrAH粘結(jié)層表面進行噴砂處理，其噴砂工藝為:角度為90度，距離為200mm，砂粒為60?180目的剛玉砂，時間為3分鐘，從而獲得理想的NiCoCrAH表面；
[0031]以經(jīng)過噴砂處理后的NiCoCrAH粘結(jié)層為基底，在其上采用電子束物理氣相沉積技術(shù)制備陶瓷頂層，其具體工藝為:將Pr2O5粉末摻雜到氧化鋯中，其中Pr2O5粉末的質(zhì)量分數(shù)為20%，攪拌均勻后，在壓力為0.6MPa的條件下，在1500°C溫度下燒結(jié)10小時，進行熱等靜壓，形成電子束物理氣相沉積所需的料棒，將合成的Pr2Zr2O7系陶瓷棒，放入電子束物理氣相沉積真空室中，將真空室的真空度控制在2 X 10_2Pa，以0.5 μ m/min的速率進行沉積，為了獲得更好的結(jié)合強度和涂層組織形貌，沉積時基板溫度控制在850°C左右，涂層厚度控制在80 μ m左右，將所制備好的試樣冷卻下來之后，放入爐中進行熱處理，其處理工藝為:升溫速率為3°C /min, 1050°C下保溫2小時，隨爐冷卻之后，即可制成所需要的新型抗高溫?zé)嵴贤繉印?br> [0032]實施例3
[0033]將配置好的原料在1500?1600°C溫度下進行高溫熔煉，熔煉后澆鑄成NiCoCrAH料棒，所述原料中Co的質(zhì)量分數(shù)為24%，Cr的質(zhì)量分數(shù)為22%，Al的質(zhì)量分數(shù)為10%，Y的質(zhì)量分數(shù)為1.5%，其余為Ni ;熔煉后澆鑄成尺寸為Φ 68mmX 200mm的料棒，將所得NiCoCrAH料棒放入電子束物理氣相沉積真空室中，將真空室的真空度控制為10X10_2Pa，以2μπι/min的速率進行沉積；沉積時基板溫度控制為800?900°C，涂層厚度控制為90 μ m，將所制備好的試樣冷卻下來之后，放入真空爐中進行熱處理；所述熱處理工藝為:真空度控制為IOX l(T2Pa，升溫速率為3°C /min，在1050°C下保溫4小時，隨爐冷卻之后，即可得到NiCoCrAlY 粘結(jié)層；
[0034]在制備好的NiCoCrAH粘結(jié)層表面進行噴砂處理，其噴砂工藝為:角度為90度，距離為200mm，砂粒為60?180目的剛玉砂，時間為3分鐘，從而獲得理想的NiCoCrAH表面；
[0035]以經(jīng)過噴砂處理后的NiCoCrAH粘結(jié)層為基底，在其上采用等離子噴涂技術(shù)制備陶瓷頂層，其具體工藝為:將Pr 2O5粉末摻雜到氧化鋯中，其中Pr2O5粉末的質(zhì)量分數(shù)為30%，所述氧化鋯粉體的粒度為I?10 μ m，經(jīng)過攪拌均勻后，采用等離子噴涂制備成厚度為120 μ m左右的新型抗高溫的熱障涂層，其具體的工藝如下表所示:
[0036]表I低壓等離子噴涂制備Pr2Zr2O7系構(gòu)成的陶瓷頂層的工藝參數(shù)
[0037]
【權(quán)利要求】
1.一種新型的低熱導(dǎo)率和耐高溫?zé)嵴贤繉?，其特征在?所述熱障涂層為雙層結(jié)構(gòu)，其中NiCoCrAH作為粘接層，Pr2Zr2O7作為陶瓷頂層，二者相連構(gòu)成；所述NiCoCrAH粘接層中Co的質(zhì)量分數(shù)為22%?24%，Cr的質(zhì)量分數(shù)為20%?22%，Al的質(zhì)量分數(shù)為8%?10%，Y的質(zhì)量分數(shù)為0.5%?1.5%，其余為Ni。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱障涂層，其特征在于:所述Pr2Zr2O7陶瓷頂層具有與燒綠石礦物相同的結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱障涂層，其特征在于:所述Pr2Zr2O7陶瓷頂層的熱導(dǎo)率為1.6?IW.π1.K—1，其熔點為2350°C，其熱膨脹系數(shù)為11?5K-1。
4.一種新型的低熱導(dǎo)率和耐高溫?zé)嵴贤繉拥闹苽浞椒?，其特征在于，具體步驟如下: (1)NiCoCrAlY粘結(jié)層的制備，采用以下兩種方案之一: a.采用電子束物理氣相沉積技術(shù)制備NiCoCrAH粘結(jié)層的工藝為:將配置好的原料在.1500?1600°C溫度下進行高溫熔煉，熔煉后澆鑄成NiCoCrAH料棒，所述原料中Co的質(zhì)量分數(shù)為22%?24%，Cr的質(zhì)量分數(shù)為20%?22%，Al的質(zhì)量分數(shù)為8%?10%，Y的質(zhì)量分數(shù)為0.5%?1.5%，其余為Ni ;將所得NiCoCrAH料棒放入電子束物理氣相沉積真空室中，將真空室的真空度控制為I X 10_2?IOX 10_2Pa，以0.1?2 μ m/min的速率進行沉積；沉積時基板溫度控制為800?900°C,涂層厚度控制為60?90 μ m,將所制備好的試樣冷卻下來之后，放入真空爐中進行熱處理；所述熱處理工藝為:真空度控制為1X10_2?10X10_2Pa，升溫速率為3°C /min，在1050°C下保溫4小時，隨爐冷卻之后，即可得到NiCoCrAH粘結(jié)層； b.采用等離子噴涂技術(shù)制備NiCoCrAlY粘結(jié)層的工藝參數(shù)為:電壓為50?60V，電流為500?600A，氬氣流量為50?60L/min，送粉速率為20?40g/min，所使用的原料中Co的質(zhì)量分數(shù)為22%?24%，Cr的質(zhì)量分數(shù)為20%?22%，Al的質(zhì)量分數(shù)為8%?10%，Y的質(zhì)量分數(shù)為0.5%?1.5%，其余為Ni ； (2)NiCoCrAlY粘結(jié)層的噴砂處理: 在制備好的NiCoCrAH粘結(jié)層表面進行噴砂處理，其噴砂工藝為:角度為90度，距離為.200mm，砂粒為60?180目的剛玉砂，時間為3分鐘； (3)以經(jīng)過噴砂處理后的NiCoCrAH粘結(jié)層為基底，在其上制備Pr2Zr2O7陶瓷頂層，從而得到熱障涂層，采用以下兩種方案之一: a.將Pr2O5粉末摻雜到氧化鋯中，其中Pr2O5粉末的質(zhì)量分數(shù)為10%?30%，攪拌均勻后，在壓力為0.6MPa的條件下，在1500°C溫度下燒結(jié)10小時，進行熱等靜壓，得到電子束物理氣相沉積所需的料棒，再采用電子束物理氣相沉積制備Pr2Zr2O7陶瓷頂層； 所述電子束物理氣相沉積工藝為:將合成的Pr2Zr2O7系料棒，放入電子束物理氣相沉積真空室中，將真空室的真空度控制為1X10—2?10 X10_2Pa，以0.1?2 μ m/min的速率進行沉積；沉積時NiCoCrAH粘結(jié)層基底溫度控制為800?900°C，涂層厚度控制為80?.100 μ m，將所制備好的試樣冷卻下來之后，放入爐中進行熱處理；所述熱處理工藝為:升溫速率為3°C /min, 1050°C下保溫2小時，隨爐冷卻之后，即可制備出Pr2Zr2O7陶瓷頂層，從而得到熱障涂層； b.將Pr2O5摻雜到氧化鋯粉體中，其中Pr2O5的質(zhì)量分數(shù)為10%?30%，所述氧化鋯粉體的粒度為I?10 μ m，攪拌均勻后，得到等離子噴涂所需的陶瓷頂層粉體，采用等離子噴涂制備出Pr2Zr2O7陶瓷頂層，從而得到熱障涂層；所述等離子噴涂的工藝參數(shù)為:電壓為50?60V，電流為500?600A，氬氣流量為50?60L/min,氫氣流量為15?25L/min，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為5?15轉(zhuǎn)/min，噴槍轉(zhuǎn)速為35?45轉(zhuǎn)/min，腔內(nèi)壓力為70乇，送粉速率為20?40g/min。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于:步驟(I)中，所述NiC0CrAH料棒的尺寸為 Φ68ι?πιΧ200mm 。
【文檔編號】C23C28/00GK103434209SQ201310396194
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月4日
【發(fā)明者】張東博, 宋冠禹 申請人:華北電力大學(xué)