[发明专利]一种氧化锆热障涂层的制备方法

说明书

本发明提供了一种氧化锆热障涂层的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)基体表面设置粘结层；(2)步骤(1)所述粘结层表面等离子喷涂球形空心纳米氧化钇稳定氧化锆粉末，得到所述氧化锆热障涂层；所述空心纳米氧化钇稳定氧化锆粉末的外部为致密的壳体，内部为空心结构。本发明提供的氧化锆热障涂层在1200℃的条件下具有与金属过渡层更接近的热膨胀系数，有利于减小涂层在形成和使用过程中的热应力，改善涂层的抗热震性能；而且，本发明所得热障涂层由于晶粒尺寸的减小、晶界随之增多，在晶界和两相邻熔滴界面处越容易发生光散射，这等效于平均自由程的减小，将有助于降低纳米氧化锆涂层的导热性能，从而提高涂层隔热性能。

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及一种热障涂层的制备方法，尤其涉及转移一种氧化锆热障涂层的制备方法。

背景技术

航空发动机热端部件的高温防护是航空发动机制造中的关键技术之一，热障涂层是采用耐高温、低导热的陶瓷材料以涂层的形式与高温合金相复合、以降低高温环境下金属表面温度的一种热防护技术。从开始研究到实际应用的几十年间，热障涂层的制备工艺不断得到改进，出现了很多热障涂层制备技术，如磁控溅射、高速火焰喷涂、化学气相沉积(CVD)、等离子喷涂(PS)、电子束物理气相沉积(PVD)及其复合制备技术。

热障涂层的隔热性能与涂层制备材料的选取、涂层结构的布置、制备工艺以及工作环境等密切相关。材料的微观结构对涂层的热传导有着很大的影响，陶瓷涂层材料总的热传递方式由声子热传导和光子辐射组成，其中的声子热传导起主要作用。材料的成分、显微组织结构等能够对声子和光子的平均自由程产生一定的影响，从而最终影响材料的热导率。

CN 102094164A公开了一种纳米氧化锆热障涂层及制备方法，其特点是纳米氧化锆热障涂层分为粘结层和陶瓷层，其中粘结层采用超音速火焰喷涂制备NiCrAlY；陶瓷层采用等离子喷涂制备ZrO₂/Y₂O₃层，陶瓷层为含有5-8％氧化钇的部分稳定的纳米氧化锆，氧化锆粉末为纳米级。

其采用的氧化锆的热导率相对较低，膨胀系数较高，同时具有优良的力学性能与断裂韧性，还具有小的热辐射率和高反射率。但氧化锆由四方相转变为单斜相时，会伴随4-6％的体积增大效应，反复造成的应力积累会导致裂纹的形成，而掺杂氧化钇能够得到氧化钇稳定氧化锆。但普通的氧化钇稳定氧化锆的膨胀系数仍然较低。

氧化钇稳定氧化锆的导热系数是其本身致密度的函数，导热系数随着孔隙率的增加而减小；晶粒尺寸与导热系数也有一定的关系，晶粒尺寸越小，晶界增多则导热系数越低，纳米材料的尺寸减小，则晶界较多，能够对声子传播产生强烈的散射作用。

氧化钇稳定氧化锆热障涂层的常用方法包括电子束物理气相沉积与等离子喷涂。电子束物理气相沉积能够得到致密性良好的氧化钇稳定氧化锆热障涂层，但涂层形成柱状晶，生长方向与热传导的方向一致，使热传导更容易进行，导致涂层的导热系数高，且柱状晶的间隙也存在有害气体渗入的可能性。等离子喷涂由于原料粉末尺寸小、质量差、流动性差，不适用于直接喷涂，而传统的烧结致密化过程则不可避免的存在材料损失大的问题。

CN 107699840A公开了一种多孔氧化锆热障涂层的制备方法，包括如下步骤：(1)采用氧化钇稳定的纳米氧化锆粉末，将纳米氧化锆粉末与高分子聚合物造孔剂混合，再均匀混合入粘结剂，由此配置得到用于热喷涂的氧化锆基复合粉；(2)对所需涂层的金属基体材料表面进行喷砂处理，再在喷砂处理后的金属基体材料表面喷涂一层粘结层材料底层，由此完成金属基材料预处理；(3)采用热喷涂的方法，将第一步中配置得到的用于热喷涂的氧化锆基复合粉喷涂在经过预处理的金属基体材料表面，制备成多孔氧化锆热障涂层；(4)对多孔氧化锆热障涂层加热，完成热处理，得到多孔氧化锆热障涂层。

上述制备方法得到的多孔氧化锆热障涂层虽然具有较低的导热系数，但由于隔热材料的膨胀系数较低，使隔热材料与合金基体的膨胀系数相差较大，涂层长期使用存在易开裂的问题。