双层热障/高温低红外发射率一体化涂层、带涂层的金属复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种双层热障/高温低红外发射率一体化涂层，所述涂层为多层叠加结构，所述多层叠加结构由内至外依次包括金属黏结层、热障陶瓷内层、热障陶瓷外层以及低红外发射率层，所述热障陶瓷内层为La2Zr2O7‑8YSZ混合物层，其中，La2Zr2O7粉末占混合物的质量分数不超过45％，所述热障陶瓷外层为稀土锆酸盐层，所述低红外发射率层为含有导电相AuPt合金粉的Bi2O3‑Al2O3‑ZrO2‑CaO‑SiO2系玻璃涂层。本发明专利技术还提供一种带涂层的金属复合材料及其制备方法。本发明专利技术的一体化涂层具有隔热性能、高温低红外发射率、抗热震性能优异等特点。

Double-layer thermal barrier/high temperature and low infrared emissivity integrated coatings and coated metal composites and their preparation methods

【技术实现步骤摘要】
双层热障/高温低红外发射率一体化涂层、带涂层的金属复合材料及其制备方法
本专利技术属于功能涂层及复合材料领域，尤其涉及一种复合涂层、金属复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着航空发动机推重比的不断提升，高温金属合金需要能够在更高温度环境下使用。相比于通过金属合金成分优化来提高其耐温性，采用热喷涂工艺在金属合金基底表面制备热障涂层(ThermalBarrierCoatings，TBCs)来提高其耐温性是最快速、有效的手段之一。经典热障涂层通常包括高温金属合金基底、金属黏结层和陶瓷表层三部分。在高温燃气环境下，通过陶瓷表层将高温金属合金基底与高温火焰隔开，利用陶瓷涂层的低热导率特性为高温金属合金基底提供隔热功能，从而有效降低了金属合金基底的表面温度，并延缓金属的高温燃气热氧化腐蚀。红外隐身技术是采用冷却、降温或降低发射率等手段来降低目标表面温度与发射率，从而改变目标表面的红外辐射特征。当表面温度为1200℃时，典型400μm厚的单层结构热障涂层可使金属基底温度下降约230℃。利用热障涂层优异的高温隔热性能可以有效降低飞行器金属合金无涂层的外壁面(如尾喷管外壁)工作温度，从而降低其红外辐射强度，但热障涂层材料本身的高温红外发射率比较高(＞0.4)，因此有涂层表面的高温红外发射率仍然较高，亟需解决内壁面涂层表面红外发射率偏高问题。此外，由于高温金属合金材料(～17×10-6/K)与热障陶瓷涂层材料(8～11.5×10-6/K)之间的热膨胀系数差别太大，传统的单层结构热障涂层抗冷热冲击性能是直接影响涂层高温服役寿命的重要因素之一。热喷涂过程中陶瓷层中累积的残余应力、热循环过程中金属基底与陶瓷材料之间热膨胀不匹配产生的热应力、金属黏结层界面处热生长氧化物(ThermallyGrownOxide，TGO)形成的生长应力、以及陶瓷表层材料长时高温烧结引起的收缩应力等均为涂层失效的影响因素。当涂层中应力累积到一定程度时就容易引起涂层出现裂纹、分层以及脱落，从而直接影响到涂层的服役寿命与高温功能稳定性。因此，具有如何提供一种具有优异抗热震性能与高温红外隐身性能的复合涂层是本领域科研人员需要攻克的技术难题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种具有隔热性能、高温低红外发射率、抗热震性能优异的双层热障/高温低红外发射率一体化涂层、带涂层的金属复合材料及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种双层热障/高温低红外发射率一体化涂层，所述涂层为多层叠加结构，所述多层叠加结构由内至外依次包括金属黏结层、热障陶瓷内层、热障陶瓷外层以及低红外发射率层，所述热障陶瓷内层为La2Zr2O7-8YSZ混合物层，其中，La2Zr2O7粉末占混合物的质量分数不超过45％，8YSZ为8％质量分数的Y2O3稳定化的ZrO2，所述热障陶瓷外层为稀土锆酸盐层(Re2Zr2O7)，所述低红外发射率层为含有导电相AuPt合金粉的Bi2O3-Al2O3-ZrO2-CaO-SiO2系玻璃涂层。上述一体化涂层中，优选的，所述金属黏结层的厚度为0.03～0.15mm；所述热障陶瓷内层的厚度为0.05～0.20mm；所述热障陶瓷外层的厚度为0.03～0.20mm；所述低红外发射率层的厚度为0.005～0.03mm。上述一体化涂层中，优选的，所述金属黏结层为NiCrAlY合金黏结层或CoNiCrAlY合金黏结层，所述稀土锆酸盐层中的稀土元素为La、Gd、Nd或Sm中的任一种。上述一体化涂层中，优选的，所述Bi2O3-Al2O3-ZrO2-CaO-SiO2系玻璃涂层的原料包括以下质量百分比的组分：其中Re为稀土金属。本专利技术中，上述Bi2O3-Al2O3-ZrO2-CaO-SiO2系玻璃涂层的原料组成与我们优选的热障陶瓷内层、热障陶瓷外层之间的相互配合关系好，涂层的隔热性能、高温低红外发射率、抗热震性能等性能好，涂层的使用寿命更高。上述一体化涂层中，优选的，导电相AuPt合金粉占低红外发射率层总质量的70～85％。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供一种带涂层的金属复合材料，包括高温金属合金基底以及涂覆于所述高温金属合金基底表面的涂层，所述涂层为上述的一体化涂层。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供一种上述带涂层的金属复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将高温金属合金基底置于喷砂机中进行喷砂处理；(2)采用大气等离子喷涂工艺在喷砂后的高温金属合金基底表面涂覆金属黏结层；(3)将热障陶瓷内层材料通过大气等离子喷涂工艺涂覆在步骤(2)得到的金属黏结层表面得到热障陶瓷内层；(4)将热障陶瓷外层材料通过大气等离子喷涂工艺涂覆在步骤(3)得到的热障陶瓷内层表面得到热障陶瓷外层；(5)通过空气喷涂-烧结工艺将低红外发射率涂料涂覆在步骤(4)得到的热障陶瓷外层表面得到低红外发射率层，即得到上述带涂层的金属复合材料。上述制备方法中，优选的，所述步骤(1)中，喷砂处理的工艺参数为：压力为0.3～0.6MPa，喷砂距离40～150mm，砂子粒径为60～100μm，喷砂时间1～4min；所述步骤(2)中，大气等离子喷涂工艺的工艺参数为：氩气流量为30～45L/min，氢气流量为6～12L/min；电流大小控制为500～600A，功率为30～40kW；送粉氩气流量为2.0～3.5L/min，送粉量10～30％；喷涂距离为80～150mm；所述步骤(3)中，大气等离子喷涂工艺的工艺参数为：氩气流量为25～45L/min，氢气流量为9～15L/min；电流大小控制为500～600A，功率为30～45kW；送粉氩气流量为2.0～5.0L/min，送粉量10～30％；喷涂距离为80～200mm；所述步骤(4)中，大气等离子喷涂工艺的工艺参数为：氩气流量为25～45L/min，氢气流量为8～14L/min；电流大小控制为500～600A，功率为25～40kW；送粉氩气流量为2.0～5.0L/min，送粉量10～30％；喷涂距离为80～200mm；所述步骤(5)中，空气喷涂-烧结工艺时，烧结工艺参数为：峰值烧结温度为700～1000℃，升温速度为15～25℃/min，烧结时间为10～60min，烧结气氛为空气。上述制备方法中，优选的，所述热障陶瓷内层材料的制备方法包括以下步骤：①将氧化锆与氧化钇粉末经过高温热处理，按照化学计量比将氧化锆与氧化钇、去离子水依次加入球磨罐中，通过湿法球磨工艺混合后得到陶瓷浆料；将陶瓷浆料经过干燥处理，并将干燥的粉末研磨细化，通过筛分后的粉末再进行高温固相合成反应从而得到8YSZ陶瓷粉末；②以硝酸镧与氧氯化锆为原料，水与乙醇为混合溶剂，醋酸为水解催化剂和螯合剂，采用溶胶凝胶法合成La2Zr2O7溶胶，按照化学计量比将上述原料依次加入反应容器中，密封后水浴恒温搅拌反应，再静置陈化，最后通过干燥-热处理后获得纳米La2Zr2O7粉末；③将步骤②中合成的纳米La2Zr2O7粉末与步骤①中得到的8YSZ陶瓷粉末混合，依次加入去离子水、阿拉伯树胶粉与柠檬酸三铵，通过球磨工艺混合均匀，采用喷雾干燥工艺制备出得到类球形La2Zr2O7-8YSZ热喷涂粉末，即为热障陶瓷内层材料；上述步骤①中，氧化锆与氧化钇粉末高温热处理温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双层热障/高温低红外发射率一体化涂层，所述涂层为多层叠加结构，其特征在于，所述多层叠加结构由内至外依次包括金属黏结层、热障陶瓷内层、热障陶瓷外层以及低红外发射率层，所述热障陶瓷内层为La2Zr2O7‑8YSZ混合物层，其中，La2Zr2O7粉末占混合物的质量分数不超过45％，所述热障陶瓷外层为稀土锆酸盐层，所述低红外发射率层为含有导电相AuPt合金粉的Bi2O3‑Al2O3‑ZrO2‑CaO‑SiO2系玻璃涂层。

【技术特征摘要】
1.一种双层热障/高温低红外发射率一体化涂层，所述涂层为多层叠加结构，其特征在于，所述多层叠加结构由内至外依次包括金属黏结层、热障陶瓷内层、热障陶瓷外层以及低红外发射率层，所述热障陶瓷内层为La2Zr2O7-8YSZ混合物层，其中，La2Zr2O7粉末占混合物的质量分数不超过45％，所述热障陶瓷外层为稀土锆酸盐层，所述低红外发射率层为含有导电相AuPt合金粉的Bi2O3-Al2O3-ZrO2-CaO-SiO2系玻璃涂层。2.根据权利要求1所述的一体化涂层，其特征在于，所述金属黏结层的厚度为0.03～0.15mm；所述热障陶瓷内层的厚度为0.05～0.20mm；所述热障陶瓷外层的厚度为0.03～0.20mm；所述低红外发射率层的厚度为0.005～0.03mm。3.根据权利要求1所述的一体化涂层，其特征在于，所述金属黏结层为NiCrAlY合金黏结层或CoNiCrAlY合金黏结层，所述稀土锆酸盐层中的稀土元素为La、Gd、Nd或Sm中的任一种。4.根据权利要求1所述的一体化涂层，其特征在于，所述Bi2O3-Al2O3-ZrO2-CaO-SiO2系玻璃涂层的原料包括以下质量百分比的组分：其中Re为稀土金属。5.根据权利要求1～4中任一项所述的一体化涂层，其特征在于，导电相AuPt合金粉占低红外发射率层总质量的70～85％。6.一种带涂层的金属复合材料，其特征在于，包括高温金属合金基底以及涂覆于所述高温金属合金基底表面的涂层，所述涂层为权利要求1～5中任一项所述的一体化涂层。7.一种如权利要求6所述的带涂层的金属复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将高温金属合金基底置于喷砂机中进行喷砂处理；(2)采用大气等离子喷涂工艺在喷砂后的高温金属合金基底表面涂覆金属黏结层；(3)将热障陶瓷内层材料通过大气等离子喷涂工艺涂覆在步骤(2)得到的金属黏结层表面得到热障陶瓷内层；(4)将热障陶瓷外层材料通过大气等离子喷涂工艺涂覆在步骤(3)得到的热障陶瓷内层表面得到热障陶瓷外层；(5)通过空气喷涂-烧结工艺将低红外发射率涂料涂覆在步骤(4)得到的热障陶瓷外层表面得到低红外发射率层，即得到上述带涂层的金属复合材料。8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，喷砂处理的工艺参数为：压力为0.3～0.6MPa，喷砂距离40～150mm，砂子粒径为60～100μm，喷砂时间1～4min；所述步骤(2)中，大气等离子喷涂工艺的工艺参数为：氩气流量为30～45L/min，氢气流量为6～12L/min；电流大小控制为500～600A，功率为30～40kW；送粉氩气流量为2.0～3.5L/min，送粉量10～30％；喷涂距离为80～150mm；所述步骤(3)中，大气等离子喷涂工艺的工艺参数为：氩气流量为25～45L/min，氢气流量为9～15L/min；电流大小控制为500～600A，功率为30～45kW；送粉氩气流量为2.0～5.0L/min，送粉量10～30％；喷涂距离为80～200mm；所述步骤(4)中，大气等离子喷涂工艺的工艺参数为：氩气流量为25～45L/min，氢气流量为8～14L/min；电流大小控制为500～600A，功率为25～40kW；送粉氩气流量为2.0～5.0L/min，送粉量10～30％；喷涂距离为80～200mm；所述步骤(5)中，空气喷涂-烧结工艺时，烧结工艺参数为：峰值烧结温度为700～1000℃，升温速度为15～25℃/min，烧结时间为10～60min，烧结气氛为空气。9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述热障陶瓷内层材料的制备方法包括以下步骤：①将氧化锆与氧化钇粉末经过高温热处理，按照化学计量比将氧化锆与氧化钇、去离子水依次加入球磨罐中，通过湿法球磨工艺混合后得到陶瓷浆料；将陶瓷浆料经过干燥处理，并将干燥的粉末研磨细化，通过筛分后的...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄文质，刘海韬，甘霞云，黄丽华，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43