一種類(lèi)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷涂層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種類(lèi)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷涂層的制備方法，屬于熱障涂層技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)不斷向大推力、高效率、低油耗和長(zhǎng)壽命方向發(fā)展，因而提高渦輪 進(jìn)口溫度，是提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力的重要途徑。目前國(guó)外的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度已達(dá)1400~ 1500°C，隨著溫度的提高，伴隨而來(lái)的困難是，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端高溫部件金屬材料的耐熱性 能不能滿(mǎn)足在高溫下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的要求。為克服這一難題，可以采用熱噴涂技術(shù)，在渦輪 高溫部件的表面制備熱障涂層以降低高溫部件的工作溫度。
[0003] 熱障涂層主要由低熱導(dǎo)率氧化物陶瓷隔熱表層和抗氧化合金粘結(jié)底層組成。目前 在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端高溫部件表面普遍采用以Yb203部分穩(wěn)定ZrO2 (YSZ)作為熱障涂層 的隔熱表層。但是隨著渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度提高，YSZ涂層性能已無(wú)法滿(mǎn)足要求，主要表現(xiàn) 為熱導(dǎo)率較高，熱膨脹系數(shù)較低。而且YSZ涂層在高溫下具有較高的氧傳輸性能，易導(dǎo)致粘 結(jié)層金屬氧化，加速涂層失效剝落。因此，需要開(kāi)發(fā)新型熱障涂層材料來(lái)代替YSZ材料。
[0004]類(lèi)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷材料BaDyJb"，1。.502.5 (0彡x彡1)是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)（AB03) 的一種變體。其晶胞為類(lèi)體心立方，其中BaDyxYb(Q.5x)Ala502.5中的Ba原子占據(jù)于鈣鈦 礦結(jié)構(gòu)中的A位置，Dy(Yb)和A1原子則占據(jù)鈣鈦礦中的B位置，同鈣鈦礦對(duì)比可以看到 BaDyJhux)Ala502.3#構(gòu)中有1/6的氧原子空缺，且有研究發(fā)現(xiàn)R和A1原子是有序排布 的，氧空位在氧原子的亞點(diǎn)陣中排布也是有序的。氧空位作為一種點(diǎn)缺陷，對(duì)聲子的散射作 用包括缺失質(zhì)量以及缺失原子作用鍵。由于其具有比YSZ高的氧空位濃度，一方面促進(jìn)了 聲子的散射，降低了聲子的平均自由程，從而降低了熱導(dǎo)率；另一方面降低了離子鍵結(jié)合強(qiáng) 度，降低了晶格能，從而增大了熱膨脹系數(shù)。且由于氧空位的存在，增加的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜程 度，使得氧元素在晶體結(jié)構(gòu)更難擴(kuò)散，具有良好的阻氧效果。綜上所述，類(lèi)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷 材料BaDyxYb& 5x)Ala502.5在熱障涂層方向具有良好的應(yīng)用前景。
[0005]傳統(tǒng)制備涂層的方法主要為刷涂，該方法雖然制備方法簡(jiǎn)單可行，成本也較低，但 是存在工藝可控性差，結(jié)合強(qiáng)度低，使用范圍較小，無(wú)法適用于熱障涂層高溫高速燃?xì)鉀_刷 環(huán)境使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種類(lèi)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷涂層的制備方法，所述 方法制備粉體后，采用等離子噴涂技術(shù)或氧乙炔火焰噴涂技術(shù)在基體表面制備涂層，所述 涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高，且所述方法可控性較好、生產(chǎn)效率高和成本較低。
[0007] 其中，等離子噴涂技術(shù)是利用等離子體產(chǎn)生的熱源，在一定的可控氣氛中，將噴涂 粉末顆粒加熱至熔融狀態(tài)，在等離子射流場(chǎng)的作用下將熔融粒子沖擊并凝固在基體表面， 制備出具有典型層狀組織的涂層。氧乙炔火焰噴涂技術(shù)是利用氧乙炔火焰作為熱源，將噴 涂粉末顆粒加熱至熔化狀態(tài)，在火焰射流作用下沖擊并凝固在基體表面。
[0008] 本發(fā)明的目的由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0009] -種類(lèi)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷涂層的制備方法，所述方法具體步驟如下：
[0010] (1)向球磨罐中加入BaC03、A1203、R203和分散劑，球磨，干燥，篩選，得到粒徑小于 50ym的混合粉體；
[0011] 其中，以所述8&0)3、六120 3、1?203的總質(zhì)量為100%計(jì)，其中，
[0012] BaC03 61. 4 ~62. 43%，
[0013] A1203 7. 94 ~8. 07%，
[0014] R203 29. 5 ~30. 66%，
[0015] 其中，所述R2〇3為Dy203和Yb203中的一種或兩種；
[0016] 所述分散劑優(yōu)選無(wú)水乙醇，分散劑質(zhì)量為粉體質(zhì)量的3倍；所述球?yàn)闈穹ㄇ蚰ィ?磨介質(zhì)為氧化錯(cuò)球磨珠，球磨機(jī)旋轉(zhuǎn)速率優(yōu)選400r/min，球磨時(shí)間優(yōu)選6h;
[0017] (2)將混合粉體于1000~1300°C預(yù)煅燒6~10h，升溫至1500~1600°C高溫焙 燒2~4h，冷卻至18~30°C，得到粉體a;
[0018] 其中，升溫速率優(yōu)選3~6°C/min;所述冷卻優(yōu)選采用隨爐冷卻；
[0019] (3)將粉體a、分散劑和粘結(jié)劑加入球磨罐中，球磨，干燥，機(jī)械破碎、篩選，得到粒 徑為34~80ym的粉體b;
[0020] 其中，以粉體a和分散劑的總質(zhì)量為100%計(jì)，粉體a含量為75~85wt%，分散劑 含量為15~25wt% ;所述粘結(jié)劑質(zhì)量占粉體a質(zhì)量的0. 5wt% ;
[0021] 所述球磨的球磨介質(zhì)為氧化錯(cuò)球磨珠，磨機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)選250r/min，球磨時(shí)間優(yōu)選 2h;分散劑優(yōu)選無(wú)水乙醇，粘結(jié)劑優(yōu)選聚乙烯吡咯烷酮；
[0022] 所述干燥為于100°C下干燥48h;
[0023] (4)以丙酮為分散劑，對(duì)粉體b進(jìn)行清洗以去除粉體中殘留的粘結(jié)劑，干燥，篩選， 得到粒徑為34~80ym的粉體c;
[0024] 所述丙酮與粉體b的質(zhì)量比為7:3 ;
[0025] (5)采用等離子噴涂的方法，將NiCoCrAlY合金粉末噴涂到不銹鋼基體上，得到厚 度為0. 08mm的粘結(jié)層；
[0026] 其中，等離子噴涂工藝參數(shù)為：噴涂距離70~80mm，電流650~840A，主氣流量 80~130L/min，輔氣流量5~25L/min，載氣流量5~18L/min，送粉量1~4rpm;主氣和 載氣均為氬氣，輔氣為氦氣；
[0027] (6)采用等離子噴涂或氧乙炔噴涂工藝，將粉體c噴涂到粘結(jié)層上，得到厚度為 0. 18~0. 22mm的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷涂層；
[0028] 其中，所述等離子噴涂工藝參數(shù)為：噴涂距離70~80mm，電流700~900A，主氣流 量80~90L/min，輔氣流量25~45L/min，載氣流量7~9L/min，送粉量2~3rpm;主氣和 載氣均為氬氣，輔氣為氦氣；
[0029] 所述氧乙炔噴涂工藝參數(shù)為：噴涂距離90~120mm，氧氣流量15~35SCFH，乙炔 流量40~65SCFH，送粉量1~4rpm。
[0030] 有益效果
[0031] (1)本發(fā)明所述方法制備得到的涂層為類(lèi)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，具有良好的熱物理性能，在 1200°(：下測(cè)得涂層熱導(dǎo)率為1.19~2.011八111*1()，熱膨脹系數(shù)為11.25~12.76\10 6/1(， 相比較YSZ涂層材料熱導(dǎo)率2. 25WAm?K)，熱膨脹系數(shù)10. 98X10 6/K，性能有較大提高。
[0032] (2)本發(fā)明所述方法制備得到涂層為類(lèi)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良隔氧性能。在氧化 物陶瓷中，氧元素以離子形式擴(kuò)散，采用交流阻抗法測(cè)量材料氧離子電導(dǎo)率可間接衡量材 料隔氧性能。在600°C下所述涂層的氧離子電導(dǎo)率為4. 95X10 3S/cm，YSZ氧離子電導(dǎo)經(jīng)測(cè) 試得率為1. 96X10 3S/cm，所述涂層的阻氧性能遠(yuǎn)高于YSZ材料，可有效防止粘接層氧化， 提高涂層使用壽命。
[0033] (3)本發(fā)明所述方法制備得到涂層的致密度為94%，通過(guò)氧乙炔噴涂技術(shù)制備涂 層的致密度為97 %，兩種涂層的致密度遠(yuǎn)高于刷涂制備涂層的致密度。涂層致密度越高，涂 層隔熱性能越尚，耐沖刷性能越尚。
【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1為實(shí)施例1的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷涂層表面掃描電鏡圖；
[0035] 圖2為實(shí)施例1的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷涂層的X射線衍射（XRD)圖譜；
[0036]圖3為實(shí)施例2的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷涂層表面掃描電鏡圖；
[0037]圖4為實(shí)施例2的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷涂層的X射線衍射（XRD)圖譜；
[0038]圖5為實(shí)施例3的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷涂層表面掃描電鏡圖；
[0039] 圖6為實(shí)施例3的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷涂層的X射線衍射（XRD)圖譜。
[0040]圖7為實(shí)施例4的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷涂層表面掃描電鏡圖；
[0041] 圖8為實(shí)施例4的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷涂層的X射線衍射（XRD)圖譜。
[0042] 其中，intensity表示強(qiáng)度。
【具體實(shí)施方式】
[0043] 下面結(jié)合附圖和