一种用于热障涂层孔隙率调控与强度补充的材料及方法技术

本发明专利技术涉及一种用于热障涂层孔隙率调控与强度补充的材料及方法，包括：采用抑制孔隙形成的抑孔改性相与陶瓷基质粉共混处理，制备热障涂层喷涂用抑孔粉；采用促进孔隙形成的增韧造孔改性相与陶瓷基质粉共混处理，制备热障涂层喷涂用增韧造孔粉。运用机械混合、悬浮吸、悬浮分散、喷雾造粒手段制备抑孔粉与增韧造孔粉；将抑孔粉装入同步送粉器的第一送粉筒中，将增韧造孔粉装入同步送粉器的第二送粉筒中；通过精确调控抑孔粉与增韧造孔粉的配比，在粘结层表面制备孔隙率可控的等离子喷涂陶瓷功能层。本发明专利技术充分利用抑孔改性相与增韧造孔改性相对热障涂层孔隙率调控的特性，达到充分发挥热障涂层孔隙隔热性能，并避免涂层力学结构稳定性降低的目的。

A material and method for porosity control and strength supplement of thermal barrier coating

The invention relates to a material and method for controlling porosity and strength supplement of thermal barrier coating, which comprises the following steps: adopting the blending treatment of pore inhibiting modified phase and ceramic matrix powder to prepare pore suppressing powder for thermal barrier coating spraying; adopting the blending treatment of pore toughening modified phase and ceramic matrix powder to prepare pore toughening powder for thermal barrier coating spraying. Using mechanical mixing, suspension absorption, suspension dispersing and spray granulation to prepare pore inhibiting powder and toughening pore forming powder, the hole suppressing powder is loaded into the first powder feeding cylinder of the synchronous powder feeder, and the toughening pore forming powder is loaded into the second powder feeding barrel of the synchronous powder feeder. Layer. The invention makes full use of the characteristics of pore inhibition modification phase and toughening pore making modification relative to the porosity control of thermal barrier coating, so as to give full play to the pore heat insulation performance of thermal barrier coating and avoid the decrease of the mechanical structure stability of the coating.

【技术实现步骤摘要】
一种用于热障涂层孔隙率调控与强度补充的材料及方法
本专利技术涉及表面工程领域，尤其涉及一种用于热障涂层孔隙率调控与强度补充的材料及方法领域。
技术介绍
随着舰船装备的快速发展，大吨位的现代化舰船对其主要动力源燃气轮机的功率与效率要求越来越高，具体体现是在透平部更高的进气温度。而涡轮叶片等高温部件受其自身高温合金高温稳定性极限的限制无法在进气温度下长时可靠服役，因此需在其表面制备一层热障涂层来保证叶片在高温下的服役稳定性。其中，热障涂层的主要隔热原理为陶瓷材料自身隔热性能与喷涂涂层内部孔隙隔热。而现阶段常用的氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)陶瓷，其自身材料隔热属性难以满足新型船用燃机的服役温度需求，锆酸镧等新材料因其部分力学性能缺陷等难以应用，因此现阶段隔热提升重点可着重于喷涂涂层的孔隙率调控。但孔隙率的提升将引发喷涂涂层的力学结构稳定性下降，在陶瓷层/粘结层界面附近存在较多孔隙将易引发界面断裂甚至剥落，因此不能无限提升喷涂陶瓷层内部所有位置的孔隙率，应有选择性的调控喷涂陶瓷涂层内部孔隙率，实现喷涂层内部孔隙率的调控，提升孔隙隔热性能的同时保证力学结构稳定性。为突破现有热障涂层内部空隙率调控难题，公开号CN106435432A专利采取引入石墨或活性炭添加/高温去除的方式调控热障涂层的孔隙率。但该专利采用石墨活性炭占据喷涂涂层中相对位置后通过高温氧化处理去除石墨或活性炭，难以实现热喷涂涂层原有孔隙的调控且无法解决孔隙率过高情况下涂层力学结构稳定性的降低问题。在热喷涂过程中，受环境等多种参量的影响，在未添加改性试剂前提下涂层自身将存在固有孔隙率，孔隙中的空气作为热的不良导体实现部分隔热与降温功能。但孔隙率过高时，涂层将在复杂服役条件下，随着冷热循环过程中热应力的累积，高孔隙率处易发生裂纹的萌生、拓展，导致热障涂层大面剥落、失效。因此，针对粘结层/陶瓷层界面、喷涂层顶端等需较高力学稳定性的部分分别采取低孔隙增强与韧性相增韧的方式保证喷涂层整体的力学结构稳定性，实现陶瓷涂层顶端隔热性能与力学结构稳定性的提升，以及陶瓷层/粘结层界面处较高的力学结构稳定性，保证孔隙隔热与力学结构稳定性的最优化调控，可以大幅度提升热障涂层的服役性能。稀土氧化物等材料将促进热喷涂过程中粉末的熔化，从而降低喷涂涂层内部孔隙率。纤维等高强度增韧相因其与陶瓷基体间的低相容性可在喷涂过程中制造孔隙，提升涂层孔隙率。并且，纤维因起自身的高强度特性，可承担热障涂层服役过程中的累计热应力，提升涂层的热应力容限，改善涂层的力学结构稳定性，提升涂层整体的强度。稀土氧化物与纤维分别作为抑制与促进孔隙形成的调控改性相添加至喷涂粉体中，通过抑/造孔调控改性相间成分的精确控制，利用抑孔与增孔的交互作用，实现涂层内部孔隙率的调控。同时，利用纤维提升高孔隙率情况下涂层的力学结构稳定性，提升热障涂层的高温服役性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可以调控热障涂层内部孔隙率，并利用强韧相增韧效果避免高孔隙率部位力学结构稳定性降低的热障涂层孔隙率调控材料及方法。本专利技术是这样实现的：一种用于热障涂层孔隙率调控与强度补充的材料，包括：基材1、粘接层2、陶瓷层3、喷涂熔滴4、增韧造孔改性相5、涂层内部孔隙6、纤维桥接补强7、纤维拔出补强8，采用抑制孔隙形成的抑孔改性相与陶瓷基质粉共混处理，制备热障涂层喷涂用抑孔粉；采用促进孔隙形成的增韧造孔改性相与陶瓷基质粉共混处理，制备热障涂层喷涂用增韧造孔粉。其制作步骤为：(1)运用机械混合、悬浮吸、悬浮分散、喷雾造粒手段制备抑孔粉与增韧造孔粉；(2)将抑孔粉装入同步送粉器的第一送粉筒中，将增韧造孔粉装入同步送粉器的第二送粉筒中；(3)通过精确调控第一送粉筒和第二送粉筒的送粉速率控制抑孔粉与增韧造孔粉的配比，在粘结层表面制备孔隙率可控的等离子喷涂陶瓷功能层。所述抑孔改性相至少选择氧化钕、氧化镧、氧化铈、氧化钐、氧化钆中的一种稀土氧化物粉末，所述粉末均为分析纯，粒径为30nm-60nm，与陶瓷基质粉的制粉过程中所述粉末质量占比为5％-10％。所述增韧造孔改性相选择碳化硅纤维、碳化硅晶须、氧化钇稳定氧化锆纤维以及碳纤维材料中的一种或几种，所有增韧造孔改性相粒径小于200目，长径比为20-150，与陶瓷基质粉的混合过程中质量比占比为6％-12％。所述陶瓷基质粉为氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷材料、BaLn2Ti3O10陶瓷、多元稀土改性的BaAxB2-xTi3O10陶瓷、热障涂层陶瓷材料，其中Ln为La、Sm、Nd、Ce，A为La、Sm、Nd、Ce稀土中的一种，B为La、Sm、Nd、Ce稀土中的一种，且A与B不同种。一种用于热障涂层内部孔隙率调控的方法，所述方法包括如下步骤：(1)运用机械混合、悬浮吸、悬浮分散、喷雾造粒手段制备抑孔粉与增韧造孔粉；(2)将抑孔粉装入同步送粉器的第一送粉筒中，将增韧造孔粉装入同步送粉器的第二送粉筒中；(3)通过精确调控第一送粉筒和第二送粉筒的送粉速率控制抑孔粉与增韧造孔粉的配比，在粘结层表面制备孔隙率可控的等离子喷涂陶瓷功能层。所述抑孔粉进行干燥处理，按与陶瓷基质粉的制粉过程中抑孔粉质量占5％-10％配比，在15％三甲胺TMA水溶液悬浮剂中，按球料比2:1，球磨，抽滤；对所述抑孔粉进行喷雾造粒，进口温度为350℃-390℃，出口温度为120℃-150℃。所述增韧造孔粉在磁力搅拌作用下，在按质量比1:1配置的氢氟酸纯化剂与聚二醇分散剂混合液中，浸泡增韧造孔改性相；在吐温80分散剂中进行湿法球磨研碎；将陶瓷基质粉与增韧造孔改性相/吐温80混合液依照体积比0.5:1依次逐层加入球磨罐。依照陶瓷层隔热性能需求对陶瓷层厚度进行n等分，陶瓷层喷涂整体送粉速率α，单位为g/min，45≤α≤55，根据相关等分分布由下至上第β等分，第一送粉筒送粉速率为单位g/min，第二送粉筒送粉速率为单位g/min。所述15％三甲胺TMA水溶液悬浮剂可替换为硅胶或阿拉伯胶水溶液。所述步骤(3)中，喷涂前高温合金基体材料进行预热处理，预热温度为300℃-800℃。本专利技术的有益效果在于：步骤(1)中使用的抑孔改性相，可以通过改善陶瓷基质粉的熔化效能，降低喷涂涂层自身固有的孔隙率，且根据相关孔隙率需求可通过多种抑孔改性相组合的方式调控喷涂涂层的最低孔隙率。步骤(1)中使用的增韧造孔改性相，在提升喷涂涂层孔隙率的同时，可凭借自身的高强度特性，承担涂层内部更多的热应力，避免顶部喷涂层因高孔隙率发生力学结构稳定性下降，提升喷涂涂层的力学结构强度。步骤(1)中的抑孔粉前处理可实现造孔剂与陶瓷基质粉在悬浮剂搅拌条件下的均匀自组合，充分均匀化提升抑孔效果；造孔粉前处理通过多型分散剂的使用，避免增韧造孔改性相与陶瓷基质粉的过度浸润，提升其造孔效果。步骤(3)中抑孔/造孔等孔隙率调控组分的精确调控，其调控关系可根据喷涂涂层的具体孔隙要求按照相关送粉速率的计算函数进行微调，适当提升或降低抑孔粉/造孔粉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于热障涂层孔隙率调控与强度补充的材料，包括：基材(1)、粘接层(2)、陶瓷层(3)、喷涂熔滴(4)、增韧造孔改性相(5)、涂层内部孔隙(6)、纤维桥接补强(7)、纤维拔出补强(8)，其特征在于：采用抑制孔隙形成的抑孔改性相与陶瓷基质粉共混处理，制备热障涂层喷涂用抑孔粉；采用促进孔隙形成的增韧造孔改性相与陶瓷基质粉共混处理，制备热障涂层喷涂用增韧造孔粉。/n其制作步骤为：/n(1)运用机械混合、悬浮吸、悬浮分散、喷雾造粒手段制备抑孔粉与增韧造孔粉；/n(2)将抑孔粉装入同步送粉器的第一送粉筒中，将增韧造孔粉装入同步送粉器的第二送粉筒中；/n(3)通过精确调控第一送粉筒和第二送粉筒的送粉速率控制抑孔粉与增韧造孔粉的配比，在粘结层表面制备孔隙率可控的等离子喷涂陶瓷功能层。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于热障涂层孔隙率调控与强度补充的材料，包括：基材(1)、粘接层(2)、陶瓷层(3)、喷涂熔滴(4)、增韧造孔改性相(5)、涂层内部孔隙(6)、纤维桥接补强(7)、纤维拔出补强(8)，其特征在于：采用抑制孔隙形成的抑孔改性相与陶瓷基质粉共混处理，制备热障涂层喷涂用抑孔粉；采用促进孔隙形成的增韧造孔改性相与陶瓷基质粉共混处理，制备热障涂层喷涂用增韧造孔粉。
其制作步骤为：
(1)运用机械混合、悬浮吸、悬浮分散、喷雾造粒手段制备抑孔粉与增韧造孔粉；
(2)将抑孔粉装入同步送粉器的第一送粉筒中，将增韧造孔粉装入同步送粉器的第二送粉筒中；
(3)通过精确调控第一送粉筒和第二送粉筒的送粉速率控制抑孔粉与增韧造孔粉的配比，在粘结层表面制备孔隙率可控的等离子喷涂陶瓷功能层。


2.根据权利要求1所述的一种用于热障涂层孔隙率调控与强度补充的材料，其特征在于：所述抑孔改性相至少选择氧化钕、氧化镧、氧化铈、氧化钐、氧化钆中的一种稀土氧化物粉末，所述粉末均为分析纯，粒径为30nm-60nm，与陶瓷基质粉的制粉过程中所述粉末质量占比为5％-10％。


3.根据权利要求1所述的一种用于热障涂层孔隙率调控与强度补充的材料，其特征在于：所述增韧造孔改性相至少选择碳化硅纤维、碳化硅晶须、氧化钇稳定氧化锆纤维以及碳纤维材料中的一种，所有增韧造孔改性相粒径小于200目，长径比为20-150，与陶瓷基质粉的混合过程中质量比占比为6％-12％。


4.根据权利要求1所述的一种用于热障涂层孔隙率调控与强度补充的材料，其特征在于：所述陶瓷基质粉至少选择氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷材料、BaLn2Ti3O10陶瓷、多元稀土改性的BaAxB2-xTi3O10陶瓷、热障涂层陶瓷材料中的一种，其中Ln为La、Sm、Nd、Ce，A为La、Sm、Nd、Ce稀土中的一种，B为La、Sm、Nd、Ce稀土中的一种，且A与B不同种。

【专利技术属性】
技术研发人员：金国，房永超，崔秀芳，刘二宝，张丹，温鑫，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23