一種兼有熱輻射性能的熱障涂層及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種能夠兼有熱輻射性能的熱障涂層，是在ZrO2陶瓷層的表面上，采用浸漬-提拉法，經(jīng)溶膠凝膠后在ZrO2涂層表面制備的高光潔度、低粗糙度的SiO2封堵面層，一方面起到了增加涂層表面熱輻射率的作用，另一方面對(duì)防熱涂層的孔隙起到了填充作用，彌補(bǔ)了涂層表面的孔洞。這種新型結(jié)構(gòu)復(fù)合涂層，提高了鈦合金表面在高溫下的熱防護(hù)性能，對(duì)于高速飛行器外殼的防護(hù)具有重要價(jià)值。
【專利說明】一種兼有熱輻射性能的熱障涂層及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于熱噴涂【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種兼有熱輻射性能的熱障涂層及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]高速飛行器長(zhǎng)時(shí)高速飛行，腔體外表面與大氣發(fā)生劇烈摩擦生熱，帶來嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱效應(yīng)。高超飛行器腔體表面往往短時(shí)溫度可達(dá)800°C以上。一方面構(gòu)成腔體主要承力構(gòu)件的金屬基結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能將迅速下降，另一方面該類飛行器對(duì)結(jié)構(gòu)重量及有效裝載容積要求苛刻，熱防護(hù)層厚度及重量必須盡可能減小，通過在飛行器腔體表面制備大面積、薄厚度熱防護(hù)涂層，一方面在一定程度上減小熱流向基體內(nèi)部的傳遞，另一方面又可降低相關(guān)結(jié)構(gòu)部件的密度，滿足高超飛行器使用要求。
[0003]起隔熱作用的熱防護(hù)涂層通常稱為熱障涂層。目前工業(yè)上廣泛采用的熱障涂層結(jié)構(gòu)基本上為由陶瓷層與粘結(jié)層所構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)。陶瓷層材料主要為氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯，即YSZ。然而，傳統(tǒng)的熱障涂層雖然熱導(dǎo)率低，但由于涂層表面氧化鋯層黑度低，為熱量半透明狀態(tài)(所謂半透明狀態(tài)是指熱量一部分被陶瓷涂層吸收向內(nèi)傳導(dǎo)，另一部分與外界環(huán)境產(chǎn)生對(duì)流和輻射疏散至大氣)，對(duì)外的熱輻射非常小(熱輻射率僅為0.3-0.6)，熱量會(huì)大部分沿著垂直于涂層方向向基體傳導(dǎo)，并在陶瓷層中衰減被吸收(見圖2)。經(jīng)過一定時(shí)間達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，熱障涂層與基體結(jié)合處的溫度僅比涂層表面低0-40°C，造成常規(guī)的熱障涂層防熱性能不能滿足高超飛行器腔體外表面鈦合金材料的防護(hù)需求。
[0004]另一方面，由于飛行器腔體外表面在飛行中還會(huì)同時(shí)與大氣產(chǎn)生對(duì)流換熱及熱輻射換熱，因此，希望找到新型熱障涂層，該涂層材料體系可處于近不透明狀態(tài)(所謂不透明狀態(tài)是指熱量全部與外界環(huán)境產(chǎn)生對(duì)流和輻射疏散至大氣，極少量被陶瓷涂層吸收向內(nèi)傳導(dǎo))。因此，與航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等應(yīng)用的半透明狀態(tài)的熱障涂層相比，高超飛行器腔體外表面所需使用的熱障涂層除了要求有好的隔熱性能還需要好的熱輻射性能，才能保證對(duì)腔體內(nèi)部基體的熱障效果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種兼有熱輻射性能的新型熱障涂層。
[0006]一種兼有熱輻射性能的熱障涂層，涂層分為3層，從外至內(nèi)依次為封孔散熱層、陶瓷層和粘結(jié)層?；瘜W(xué)成分:封孔散熱層為S12 ;陶瓷層為6-8% Y203>92-94% ZrO2 ;粘結(jié)層為 NiCrAH合金，其組成為 70-72% Ni,21.3-24.5% Cr,5-6% Α1、0.5-0.7% Y。涂層厚度:封孔散熱層4-6 μ m ;陶瓷層200-300 μ m ;粘結(jié)層80-150 μ m。
[0007]本發(fā)明中除另有說明的以外，百分比為質(zhì)量比。
[0008]一種兼有熱輻射性能的熱障涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0009](I)對(duì)工件進(jìn)行熱噴涂前的常規(guī)預(yù)處理，諸如除油、除銹、噴砂；
[0010](2)在預(yù)處理后的工件表面噴涂NiCrAH粘接層；
[0011](3)在噴涂粘接層后的工件表面噴涂氧化鋯陶瓷層；
[0012](4)用S12溶膠封孔劑對(duì)氧化鋯陶瓷層封孔處理。
[0013]進(jìn)一步地，步驟(4)所述的封孔處理方法為:將正硅酸乙酯、無水乙醇、去離子水按3-5:2-4:1的體積比混合，加入前述混合物體積10-30%的二甲基甲酰胺(DMF)作為添加齊IJ，加入適量鹽酸用于調(diào)節(jié)溶液的PH值，用攪拌器攪拌使之均勻混合，形成S12溶膠。將ZrO2涂層浸入S12溶膠中10-30秒，然后以一定速度均勻地提起，向上運(yùn)動(dòng)著的ZrO2涂層將鍍液帶起。靠近ZrO2涂層側(cè)的鍍液隨ZrO2涂層不斷向上運(yùn)動(dòng)，而遠(yuǎn)離ZrO2涂層的外層鍍液，由于受重力作用，不斷向下流動(dòng)，流回鍍液槽。隨ZrO2*層向上的鍍液層或溶膠層，由于聚合反應(yīng)及溶劑的蒸發(fā)作用，黏度迅速增大，溶膠不斷向凝膠轉(zhuǎn)化，5-10分鐘后ZrO2涂層表面即形成一層半凝固的透明凝膠膜。從溶膠中制成的膜經(jīng)自然干燥后在烘箱中200-250°C保溫0.5-2小時(shí)后出爐冷卻，可以獲得與基體結(jié)合性好的涂層，即為封孔層。干燥燒結(jié)處理可以消除干凝膠的氣孔，使其致密化，并使制品的相組成和顯微結(jié)構(gòu)能滿足產(chǎn)品性能的要求。
[0014]進(jìn)一步地，NiCrAH粘接層的化學(xué)成分為 70-72% Ni,21.3-24.5% Cr,5-6% Al、0.5-0.7% Y。
[0015]進(jìn)一步地，NiCrAH粘接層的噴涂方法為超音速火焰(HVOF)噴涂。HVOF噴涂典型工藝參數(shù)為:煤油22.0L/h，氧氣900L/min，送粉器載粉氣體7.0L/min,噴距370mm。
[0016]進(jìn)一步地，氧化鋯陶瓷層的化學(xué)成分為6-8% Y203>92-94% Zr02。
[0017]進(jìn)一步地，氧化鋯陶瓷層的噴涂方法為大氣等離子(APS)噴涂。APS噴涂典型工藝參數(shù)為:電流560A，主氣量1900L/h，送粉率33g/min，噴距120mm。
[0018]本發(fā)明所公開的一種兼有熱輻射性能的熱障涂層，是采用熱噴涂技術(shù)在鈦合金表面制備常規(guī)熱障涂層，再在熱障涂層表面制備了一層具有熱輻射作用的封孔散熱層，涂層結(jié)構(gòu)為:超音速火焰噴涂底層(MCrAlY)+大氣等離子噴涂防熱涂層(氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯YSZ) +熱輻射面層(S12溶膠封孔劑)，完成對(duì)高超飛行器結(jié)構(gòu)材料的表面強(qiáng)化處理。在ZrO2陶瓷層的表面上，采用S12溶膠封孔劑封孔方法制備了的高光潔度、低粗糙度的封堵面層，一方面起到了減摩的作用，另一方面對(duì)防熱涂層的孔隙起到了填充作用，彌補(bǔ)了涂層表面的孔洞。這種新型結(jié)構(gòu)復(fù)合涂層，提高了鈦合金表面在高溫下的熱防護(hù)性能，增強(qiáng)了涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，有效降低了熱防護(hù)層的重量。
[0019]本發(fā)明所公開的兼有熱輻射性能的熱障涂層的制備方法，是將熱輻射率高的S12層采用溶膠浸潰-提拉-烘干的方法，沉積于陶瓷層(ZrO2)的表面上。采用添加二甲基甲酰胺(DMF)的S12溶膠對(duì)大氣等離子噴涂制備ZrO2涂層進(jìn)行封孔處理，在熱噴涂涂層的表面獲得了致密的S12封孔層，使涂層的開孔隙率由封孔前的8.70%降為1.24%，顯著提高了涂層表面的致密度，降低了涂層表面的粗糙度。
[0020]所述的兼有熱輻射性能的熱障涂層，采用石英燈加熱的靜態(tài)隔熱試驗(yàn)，涂刷S12溶膠封孔劑制備的復(fù)合防熱涂層的防熱溫度約為150°C左右，試驗(yàn)后涂層表面平整，無脫落現(xiàn)象，靜態(tài)隔熱防護(hù)溫差比普通雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層提高了 1-2倍。
[0021]所述的兼有熱輻射性能的熱障涂層，采用電弧風(fēng)洞模擬金屬在高速氣流下與氣體摩擦生熱的環(huán)境試驗(yàn)，當(dāng)噴管前室總壓為0.65MPa、試驗(yàn)時(shí)間為1600s、鈦板涂層面溫度維持在60(TC時(shí)，涂層防熱溫差為143.67°C，抗燃?xì)鉄釠_擊防護(hù)溫差比普通雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層提高了 1-3倍。
[0022]本發(fā)明兼有熱輻射性能的熱障涂層的優(yōu)點(diǎn):
[0023](I)熱障涂層的封孔散熱層采用熱輻射率高的S12材料作為熱障涂層的表層，故提高了熱障涂層的對(duì)外輻射散熱，從而提高了熱障涂層的綜合防熱性能；
[0024](2)采用浸潰-提拉-烘干的方法，制備一定厚度的S12膜層，從而提高熱障涂層的熱防護(hù)性能。其目的是有效地促進(jìn)熱障涂層和環(huán)境進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生散熱的效果，提高熱障涂層的綜合防熱能力。
[0025](3)用DMF做添加劑的封孔劑，滲透性好，能滲入Zr02熱涂層孔隙內(nèi)部，封孔后，封孔層與涂層結(jié)合良好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明的兼有熱輻射性能的熱障涂層結(jié)構(gòu)示意圖，1-基體，2-粘接層，3-陶瓷層，4-封孔散熱層。
[0027]圖2為未封孔的熱障涂層。
[0028]圖3為封孔后的熱障涂層。

【具體實(shí)施方式】
[0029]一種兼有熱輻射性能的熱障涂層，涂層分為3層，從外至內(nèi)依次為封孔散熱層、陶瓷層和粘結(jié)層?；瘜W(xué)成分:封孔散熱層為S12 ;陶瓷層為6-8% Y203>92-94% ZrO2 ;粘結(jié)層為 NiCrAH合金，其組成為 70-72% Ni,21.3-24.5% Cr,5-6% Α1、0.5-0.7% Y。涂層厚度:封孔散熱層4-6 μ m ;陶瓷層200-300 μ m ;粘結(jié)層80-150 μ m。
[0030]一種兼有熱輻射性能的熱障涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0031](I)對(duì)工件進(jìn)行熱噴涂前的常規(guī)預(yù)處理，諸如除油、除銹、噴砂。
[0032](2)在預(yù)處理后的工件表面超音速火焰(HVOF)噴涂NiCrAH粘接層，NiCrAH粘接層的化學(xué)成分為 70-72% Ni,21.3-24.5% Cr,5-6% Α1、0.5-0.7% Y。HVOF 噴涂典型工藝參數(shù)為:煤油22.0L/h，氧氣900L/min，送粉器載粉氣體7.0L/min,噴距370mm。
[0033](3)在噴涂粘接層后的工件表面大氣等離子(APS)噴涂氧化鋯陶瓷層；氧化鋯陶瓷層的化學(xué)成分為6-8% Y203>92-94% ZrO20 APS噴涂工藝參數(shù)為:電流560Α，主氣量1900L/h，送粉率 33g/min，噴距 120mm。
[0034](4)用S12溶膠封孔劑對(duì)氧化鋯陶瓷層封孔處理。封孔處理方法為:將正硅酸乙酯、無水乙醇、去離子水按3-5:2-4:1的體積比混合，加入前述混合物體積10-30%的二甲基甲酰胺(DMF)作為添加劑，加入適量鹽酸用于調(diào)節(jié)溶液的PH值，用攪拌器攪拌使之均勻混合，形成S12溶膠。將ZrO2涂層浸入S12溶膠中10-30秒，然后以一定速度均勻地提起，向上運(yùn)動(dòng)著的ZrO2涂層將鍍液帶起?？拷黌rO2涂層側(cè)的鍍液隨ZrO2涂層不斷向上運(yùn)動(dòng)，而遠(yuǎn)離ZrO2涂層的外層鍍液，由于受重力作用，不斷向下流動(dòng)，流回鍍液槽。隨ZrO2涂層向上的鍍液層或溶膠層，由于聚合反應(yīng)及溶劑的蒸發(fā)作用，黏度迅速增大，溶膠不斷向凝膠轉(zhuǎn)化，5-10分鐘后ZrO2涂層表面即形成一層半凝固的透明凝膠膜。從溶膠中制成的膜經(jīng)自然干燥后在烘箱中200-250°C保溫0.5-2小時(shí)后出爐冷卻，可以獲得與基體結(jié)合性好的涂層，即為封孔層。干燥燒結(jié)處理可以消除干凝膠的氣孔，使其致密化，并使制品的相組成和顯微結(jié)構(gòu)能滿足產(chǎn)品性能的要求。
【權(quán)利要求】
1.一種兼有熱輻射性能的熱障涂層，其特征在于，涂層分為3層，從外至內(nèi)依次為封孔散熱層、陶瓷層和粘結(jié)層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱障涂層，其特征在于，所述封孔散熱層化學(xué)成分為S12；所述陶瓷層化學(xué)成分為6-8% Y203>92-94% ZrO2 ;所述粘結(jié)層為NiCrAH合金，其組成為70-72% Ni,21.3-24.5% Cr,5-6% Α1、0.5-0.7% Y。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱障涂層，其特征在于，所述封孔散熱層厚度4-6μπι;所述陶瓷層厚度200-300 μ m ;所述粘結(jié)層厚度80-150 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱障涂層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)對(duì)工件進(jìn)行熱噴涂前的常規(guī)預(yù)處理，諸如除油、除銹、噴砂； (2)在預(yù)處理后的工件表面噴涂NiCrAH粘接層； (3)在噴涂粘接層后的工件表面噴涂氧化鋯陶瓷層； (4)用S12溶膠封孔劑對(duì)氧化鋯陶瓷層封孔處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟(4)所述的封孔處理方法為:將正硅酸乙酯、無水乙醇、去離子水按3-5:2-4:1的體積比混合，加入前述混合物體積10-30 %的二甲基甲酰胺作為添加劑，加入適量鹽酸用于調(diào)節(jié)溶液的PH值，用攪拌器攪拌使之均勻混合，形成S12溶膠；將氧化鋯陶瓷層浸入S12溶膠中10-30秒，然后以一定速度均勻地提起，5-10分鐘后氧化鋯陶瓷層表面即形成一層半凝固的透明凝膠膜；從溶膠中制成的膜經(jīng)自然干燥后在烘箱中200-250°C保溫0.5-2小時(shí)后出爐冷卻，得到封孔散熱層。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，NiCrAlY粘接層的化學(xué)成分為70-72% Ni,21.3-24.5% Cr,5-6% Α1、0.5-0.7% Y。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，NiCrAH粘接層的噴涂方法為超音速火焰噴涂，噴涂工藝參數(shù)為:煤油22.0L/h,氧氣900L/min，送粉器載粉氣體7.0L/min,噴距370mmo
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，氧化鋯陶瓷層的化學(xué)成分為6-8%Y2O3'92-94% ZrO20
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，氧化鋯陶瓷層的噴涂方法為大氣等離子噴涂，噴涂工藝參數(shù)為:電流560A，主氣量1900L/h，送粉率33g/min，噴距120mm。
【文檔編號(hào)】C23C4/12GK104451525SQ201410648069
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】章德銘, 張?chǎng)? 袁建鵬, 高峰, 徐紅艷, 劉安強(qiáng), 趙曉東 申請(qǐng)人:北京礦冶研究總院