本發(fā)明涉及表面工程中的隔熱防護(hù)，尤其涉及寬溫域低熱導(dǎo)率的高熵合金陶瓷復(fù)合涂層及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、柴油機(jī)由于熱效率高，功率范圍寬廣，運(yùn)行安全，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。但是柴油的過(guò)度消耗不僅帶來(lái)了能源危機(jī)，而且其燃燒產(chǎn)生的尾氣也嚴(yán)重污染了環(huán)境。在柴油機(jī)的高耗熱部件的熱端面上制備熱障涂層(thermal?barrier?coatings，tbcs)可以有效地提高熱效率，降低尾氣排放。

2、由于熱障涂層技術(shù)在航空航天等高溫領(lǐng)域上的成功應(yīng)用，為柴油機(jī)相關(guān)部件的熱防護(hù)提供了較好的參考。目前，應(yīng)用比較廣泛的是以ysz為代表的陶瓷材料，其具有優(yōu)異的隔熱性能、良好的高溫相穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。但在內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用時(shí)，由于陶瓷材料的固有脆性，使得涂層在熱載荷和機(jī)械載荷的耦合作用下容易誘發(fā)高頻熱疲勞，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致涂層開(kāi)裂剝落，影響涂層的使用壽命。

3、基于陶瓷基熱障涂層在內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用可能存在的問(wèn)題，有研究團(tuán)隊(duì)提出了金屬基熱障涂層的設(shè)計(jì)理念。目前，相關(guān)金屬基熱障涂層的研究仍然以fe基非晶涂層為主，例如周正團(tuán)隊(duì)公開(kāi)的發(fā)明專利201410128869.4、201610024163.2、201610024343.0、201610025620.x和201710811742.6等。但fe基非晶合金為亞穩(wěn)態(tài)材料，在600℃左右會(huì)發(fā)生晶化，使熱導(dǎo)率急劇上升，進(jìn)而引發(fā)涂層隔熱性能退化，而大型船舶類重載型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部活塞等熱端面面臨的溫度瞬時(shí)可達(dá)1000℃以上，這對(duì)fe基非晶合金涂層的性能穩(wěn)定性與可靠性是巨大挑戰(zhàn)。盡管周正團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型高熵合金作為金屬基熱障涂層的候選材料，但其室溫?zé)釋?dǎo)率約為3w/mk，900℃時(shí)涂層熱導(dǎo)率已升高至約10?w/mk，意味著涂層隔熱性能的嚴(yán)重退化，也限制了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的提升。

4、有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種寬溫域低熱導(dǎo)率的高熵合金陶瓷復(fù)合涂層及其制備方法和應(yīng)用。

2、具體的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種寬溫域低熱導(dǎo)率的高熵合金陶瓷復(fù)合涂層，其是由混合的高熵合金粉末和陶瓷粉末經(jīng)大氣等離子噴涂制得；所述高熵合金粉末包括如下質(zhì)量百分含量的成分：al：3～8%；co：5～10%；cr：27～32%；fe：28～33%；ni：10～15%；ti：8～13%；si：0.1～3%；b：0.1～1%；所述陶瓷粉末選用氧化釔穩(wěn)定氧化鋯；按體積計(jì)，所述陶瓷粉末的用量為高熵合金粉末和陶瓷粉末總用量的15~25%。

4、優(yōu)選地，本發(fā)明經(jīng)大氣等離子噴涂制得的高熵合金陶瓷復(fù)合涂層中的高熵合金粒子和陶瓷粒子間形成以al-ti-si-o為主要元素的無(wú)序結(jié)構(gòu)界面層；所述無(wú)序結(jié)構(gòu)界面層的厚度為20～40nm。

5、優(yōu)選地，本發(fā)明所述高熵合金粉末包括如下質(zhì)量百分含量的成分：al：4～7%；co：6～9%；cr：26～30%；fe：29～32%；ni：10～15%；ti：9～12%；si：1～2%；b：0.1～1%；

6、優(yōu)選地，本發(fā)明所述高熵合金粉末為球形粉末，粒徑范圍為38~80μm。

7、優(yōu)選地，本發(fā)明所述陶瓷粉末為團(tuán)聚燒結(jié)粉末，粒徑范圍為25～75μm。

8、第二方面，本發(fā)明提供了所述寬溫域低熱導(dǎo)率的高熵合金陶瓷復(fù)合涂層的制備方法，其包括如下步驟：將高熵合金粉末和陶瓷粉末混合，進(jìn)行大氣等離子噴涂。

9、優(yōu)選地，所述大氣等離子噴涂的工藝參數(shù)包括：電流630～720a，氬氣流量55±5l/min，氫氣流量5～10l/min，送粉率38±2g/min，噴涂距離90～100mm。

10、更優(yōu)選地，所述大氣等離子噴涂的工藝參數(shù)包括：電流650±10a，氬氣流量55±1l/min，氫氣流量8±1l/min，送粉率38±1g/min，噴涂距離95±1mm。

11、第三方面，本發(fā)明提供了所述寬溫域低熱導(dǎo)率的高熵合金陶瓷復(fù)合涂層或者所述制備方法制得的寬溫域低熱導(dǎo)率的高熵合金陶瓷復(fù)合涂層在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件隔熱防護(hù)中的應(yīng)用。

12、優(yōu)選地，所述隔熱防護(hù)在1000℃以內(nèi)能夠保持1.75～3.58w/mk的熱導(dǎo)率，600℃磨損率低至2×10-5?mm3?n-1?m-1以下。

13、有益效果：

14、本發(fā)明提供了一種寬溫域低熱導(dǎo)率的高熵合金陶瓷復(fù)合涂層及其制備方法和應(yīng)用。所述寬溫域低熱導(dǎo)率的高熵合金陶瓷復(fù)合涂層是由混合的高熵合金粉末和陶瓷粉末經(jīng)大氣等離子噴涂制得；所述高熵合金粉末包括如下質(zhì)量百分含量的成分：al：3～8%；co：5～10%；cr：27～32%；fe：28～33%；ni：10～15%；ti：8～13%；si：0.1～3%；b：0.1～1%；所述陶瓷粉末選用氧化釔穩(wěn)定氧化鋯；按體積計(jì)，所述陶瓷粉末的用量為高熵合金粉末和陶瓷粉末總用量的15~25%。本發(fā)明提供的涂層具有優(yōu)良的隔熱性能和力學(xué)性能，在中、高溫隔熱防護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.寬溫域低熱導(dǎo)率的高熵合金陶瓷復(fù)合涂層，其特征在于，其是由混合的高熵合金粉末和陶瓷粉末經(jīng)大氣等離子噴涂制得；所述高熵合金粉末包括如下質(zhì)量百分含量的成分：al：3～8%；co：5～10%；cr：27～32%；fe：28～33%；ni：10～15%；ti：8～13%；si：0.1～3%；b：0.1～1%；所述陶瓷粉末選用氧化釔穩(wěn)定氧化鋯；按體積計(jì)，所述陶瓷粉末的用量為高熵合金粉末和陶瓷粉末總用量的15~25%。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述寬溫域低熱導(dǎo)率的高熵合金陶瓷復(fù)合涂層，其特征在于，經(jīng)大氣等離子噴涂制得的高熵合金陶瓷復(fù)合涂層中的高熵合金粒子和陶瓷粒子間形成以al-ti-si-o為主要元素的無(wú)序結(jié)構(gòu)界面層；所述無(wú)序結(jié)構(gòu)界面層的厚度為20～40nm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述寬溫域低熱導(dǎo)率的高熵合金陶瓷復(fù)合涂層，其特征在于，所述高熵合金粉末包括如下質(zhì)量百分含量的成分：al：4～7%；co：6～9%；cr：26～30%；fe：29～32%；ni：10～15%；ti：9～12%；si：1～2%；b：0.1～1%。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述寬溫域低熱導(dǎo)率的高熵合金陶瓷復(fù)合涂層，其特征在于，所述高熵合金粉末為球形粉末，粒徑范圍為38~80μm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述寬溫域低熱導(dǎo)率的高熵合金陶瓷復(fù)合涂層，其特征在于，所述陶瓷粉末為團(tuán)聚燒結(jié)粉末，粒徑范圍為25～75μm。

6.權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述寬溫域低熱導(dǎo)率的高熵合金陶瓷復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：將高熵合金粉末和陶瓷粉末混合，進(jìn)行大氣等離子噴涂。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述制備方法，其特征在于，所述大氣等離子噴涂的工藝參數(shù)包括：電流630～720a，氬氣流量55±5l/min，氫氣流量5～10l/min，送粉率38±2g/min，噴涂距離90～100mm。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述制備方法，其特征在于，所述大氣等離子噴涂的工藝參數(shù)包括：電流650±10a，氬氣流量55±1l/min，氫氣流量8±1l/min，送粉率38±1g/min，噴涂距離95±1mm。

9.權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述寬溫域低熱導(dǎo)率的高熵合金陶瓷復(fù)合涂層或者權(quán)利要求6-8任意一項(xiàng)所述制備方法制得的寬溫域低熱導(dǎo)率的高熵合金陶瓷復(fù)合涂層在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件隔熱防護(hù)中的應(yīng)用。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述應(yīng)用，其特征在于，所述隔熱防護(hù)在1000℃以內(nèi)能夠保持1.75～3.58w/mk的熱導(dǎo)率，600℃磨損率低至2×10-5?mm3?n-1?m-1以下。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及表面工程中的隔熱防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及寬溫域低熱導(dǎo)率的高熵合金陶瓷復(fù)合涂層及其制備方法和應(yīng)用。所述涂層是由混合的高熵合金粉末和陶瓷粉末經(jīng)大氣等離子噴涂制得，其具有優(yōu)良的隔熱性能和力學(xué)性能，在中、高溫隔熱防護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：周正,王向昭,趙宇,姚海華,談?wù)?郭星曄,吳楊,馬利霞,王國(guó)紅,賀定勇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9