一种抗CMAS腐蚀的自愈合热障涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种抗CMAS腐蚀的自愈合热障涂层及其制备方法。自愈合热障涂层包括基体从下到上的粘结层、热障涂层、抗腐蚀层，粘结层材料为NiCrAlY；热障涂层材料为掺杂TiAl3的RE3TaO7；抗腐蚀层材料为抗腐蚀材料。制备方法包括预处理、粘结层制备、热障涂层制备、抗腐蚀层制备、烘干步骤。本发明专利技术以掺杂TiAl3的RE3TaO7作为热障涂层，既利用稀土钽酸盐优异的热绝缘性和抗CMAS性，又利用TiAl3作为愈合剂不仅可减少涂层开裂及孔洞，且可修复裂纹；以耐腐蚀性能和抗热震性能较好、能阻止CMAS渗透的抗腐蚀材料作为抗腐蚀层，从而形成抗CMAS腐蚀、耐高温性和热绝缘性较好的热障涂层。高温性和热绝缘性较好的热障涂层。高温性和热绝缘性较好的热障涂层。

【技术实现步骤摘要】
一种抗CMAS腐蚀的自愈合热障涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于热障涂层
，具体涉及一种抗CMAS腐蚀的自愈合热障涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]热障涂层(Thermal Barrier Coatings，简称TBCs)是将耐高温、低导热、抗腐蚀的陶瓷材料以涂层的形式复合到基体金属上，通过降低热端部件的表面温度，从而延长基体构件的使用寿命，提高基体构件的可运行温度进而显著提升且热效率及性能。研究表明，CMAS颗粒对热障涂层的影响主要是在高温下(大于1250℃)，熔融CMAS沿涂层表面的空隙和裂纹等缺陷渗入到陶瓷层内部，填充陶瓷层的开放式结构(孔洞、裂纹)，使陶瓷层致密化，从而降低陶瓷层的应变容限从而诱发开裂，且在冷却过程中产生的脆性玻璃相导致陶瓷层应变容限降低而进一步诱发开裂。此外，热障涂层的抗腐蚀性能和热循环寿命不仅与涂层的材料有关，还受涂层相成分、组织、结构及CMAS成分等影响。因此，研究热障涂层需要深入研究特定成分的CMAS腐蚀规律，才能取得较好抗CMAS腐蚀效果。
[0003]岩棉在我国的建筑行业有着非常广泛的应用，岩棉的生产过程，其实是模拟了火山喷发这一自然过程，岩棉产品均采用优质玄武岩、白云石等为主要原材料，其组成成分包括氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)以及少量的氧化铁等，简称CMAS。原材料在1450℃以上高温熔化后置入离心机，随后经过各项工艺流程，得到具有一定性能的岩棉产品。
[0004]在使用离心机进行岩棉产品制备的过程中存在以下问题：(1)离心机的工作环境在1450~2000℃，在离心过程中，转速为8000～14000rpm。为了提高离心机的耐高温性、热绝缘性和耐磨性，目前通过在拉丝用离心机的工件上制备氧化钇稳定性化氧化锆(YSZ)涂层，然而当工作温度超过1200℃时，原材料中熔融的氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)会渗透到YSZ涂层的孔隙中，与热障涂层的成分反生反应，使得YSZ涂层受到严重腐蚀，导致涂层脱落，进而快速腐蚀钢制的离心机，从而降低离心机的使用寿命。(2)虽然离心机具有冷却系统，但会使得熔融体温度减低，粘度增大，容易形成渣球，因此离心机的工作面持续保持高温很有必要，但工件面会因高温而遭到损耗。
[0005]现有技术中，针对YSZ涂层在1200℃以上抗CMAS腐蚀下降的问题，有通过在YSZ涂层表面，设置由稀土铝酸盐石榴石结构化合物、稀土铝酸盐钙钛矿化合物或稀土锆酸盐中掺杂Sc2O3构成第二陶瓷层，即利用第二陶瓷层的稀土铝酸盐很低的氧透过率提高了涂层的抗氧化性，又能利用第二陶瓷层的R3Al5O
12
、稀土掺杂R3Al5O
12
及掺杂Sc2O3的稀土锆酸盐本身较低的热导率，与YSZ涂层形成双陶瓷层热障涂层以提高隔热性能。也有通过在热障陶瓷层的表面进行激光重熔以得到激光重熔层，从而对陶瓷层进行表面改性，优化热障陶瓷层的表面组织、细化晶粒，提高表面的致密度，减少表面的孔洞以及大颗粒，从而减少陶瓷层内部的CMAS扩散通道以提高抗CMAS腐蚀性。但是，由于单纯的稀土锆酸盐、稀土铝酸盐作为陶瓷层的断裂韧性较差，并且会与粘结层反应生成铝酸盐而影响服役寿命；此外，上述技术
方案都是在YSZ涂层的基础上通过增加涂层或进行表面改性，以提高YSZ涂层的性能，由于YSZ涂层固有的问题仍然存在，导致其1450℃以上的高温抗腐蚀性提升有限。因此，根据1450~2000℃的高温使用环境，结合岩棉产品制备中CMAS的成分特定，有针对性的研究一种具有优异的高温稳定性，且抗腐蚀性和抗氧化性能较强的热障涂层是提高岩棉用离心机使用寿命的关键。

技术实现思路

[0006]本专利技术的第一目的在于提供一种抗CMAS腐蚀的自愈合热障涂层，第二目的在于提供一种抗CMAS腐蚀的自愈合热障涂层的制备方法。
[0007]本专利技术的第一目的是这样实现的：包括设置于基体上的粘结层以及从下到上依次设置于粘结层上的热障涂层、抗腐蚀层，所述粘结层的材料为NiCrAlY；所述热障涂层的材料为掺杂TiAl3的RE3TaO7，其中RE为Y、La、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的任意一种或两种；所述抗腐蚀层的材料为碳钛化铝、矾钛化铝、铬钛化铝、钛氮化铝、钼碳化铝、铌碳化铝、碳化钛、碳硅化钛中的任意一种或几种的组合。
[0008]本专利技术的第二目的是这样实现的：包括预处理、粘结层制备、热障涂层制备、抗腐蚀层制备、烘干步骤，具体步骤为：A、预处理：将金属基体进行清洗和喷砂处理；B、粘结层制备：采用热喷涂工艺在预处理后的金属基体表面制备NiCoCrAlY粘结层；C、热障涂层制备：按(17~19):(1~3)的质量比称取RE3TaO7与TiAl3粉末并混合均匀，然后采用大气等离子喷涂工艺在粘结层上制备热障涂层；其中，RE为Y、La、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的任意一种或两种；D、抗腐蚀层制备：将碳钛化铝、矾钛化铝、铬钛化铝、钛氮化铝、钼碳化铝、铌碳化铝、碳化钛、碳硅化钛中的任意一种或几种的组合的乙醇浆料涂刷在热障涂层上，制备得到抗腐蚀层；E、烘干：在涂刷上述乙醇浆料后进行真空或气氛烘干，得到抗CMAS腐蚀的自愈合热障涂层。
[0009]本专利技术的有益效果：1、为了提高离心机涂层的抗CMAS腐蚀性能和隔热性能，本专利技术采用掺杂TiAl3的RE3TaO7（稀土钽酸盐）作为耐腐蚀的热障涂层，既利用RE3TaO7具有热导率较小（1.1~2.1W
·
m
‑1·
K
‑1，25~900℃）［明显低于YSZ（2.3~3.5W
·
m
‑1·
K
‑1，900℃），低于RE2Zr2O7（1.3~2.5W
·
m
‑1·
K
‑1，900℃）］、较高的热膨胀系数8.8~10.6
×
10
‑
6 K
‑1（100
‑
1200℃）、合适的硬度（5.0~10GPa）和较小的杨氏模量（131.0~260.0GPa），从而对CMAS熔体的高温腐蚀表现出较好的抵抗力和优异的氧障性能；同时，还利用TiAl3作为愈合剂，在高温时与O2发生氧化反应，不仅使得Al元素高温条件下形成氧化物可填充RE3TaO7陶瓷层的开放式结构(孔洞、裂纹)，使陶瓷层致密化，从而可延缓CMAS沿表面缺陷渗入到陶瓷层内部，减缓乃至避免陶瓷层应变容限的降低而诱发开裂，而且高温条件下形成的氧化物还可以修复陶瓷层产生的裂纹以避免进一步扩展，从而实现涂层的自愈合修复，而且TiAl3还能对CMAS和氧气起到一定的抑制作用。因此，本专利技术掺杂TiAl3的RE3TaO7（稀土钽酸盐）作为热障涂层，不仅具有优异的热绝缘
性和高温稳定性，还具有自愈合功能，从而形成良好的抗CMAS腐蚀性能，可显著延长涂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抗CMAS腐蚀的自愈合热障涂层，其特征在于包括设置于基体上的粘结层以及从下到上依次设置于粘结层上的热障涂层、抗腐蚀层，所述粘结层的材料为NiCrAlY；所述热障涂层的材料为掺杂TiAl3的RE3TaO7，其中RE为Y、La、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的任意一种或两种；所述抗腐蚀层的材料为碳钛化铝、矾钛化铝、铬钛化铝、钛氮化铝、钼碳化铝、铌碳化铝、碳化钛、碳硅化钛中的任意一种或几种的组合。2.根据权利要求1所述抗CMAS腐蚀的自愈合热障涂层，其特征在于所述粘结层的厚度为40~80
µ
m，所述热障涂层的厚度为140~200
µ
m且致密度>98%，所述抗腐蚀层的厚度为10~500
µ
m且致密度>98%，所述抗CMAS腐蚀的自愈合热障涂层的总厚度为260~830
µ
m。3.根据权利要求1所述抗CMAS腐蚀的自愈合热障涂层，其特征在于所述热障涂层中RE3TaO7与TiAl3的质量比为(17~19):(1~3)；所述碳钛化铝包括Ti3AlC2、Ti2AlC，所述矾钛化铝为V2AlC，所述铬钛化铝为Cr2AlC，所述钛氮化铝为Ti2AlN，所述钼碳化铝为Mo3AlC2，所述铌碳化铝为Nb2AlC，所述碳化钛包括Ti3C2、Ti2C，所述碳硅化钛为Ti3SiC2。4.根据权利要求1、2或3所述抗CMAS腐蚀的自愈合热障涂层，其特征在于所述粘结层采用超音速火焰喷涂NiCrAlY制备得到，所述热障涂层采用大气等离子喷涂掺杂TiAl3的RE3TaO7制备得到，所述抗腐蚀层采用涂刷碳钛化铝、矾钛化铝、铬钛化铝、钛氮化铝、钼碳化铝、铌碳化铝、碳化钛、碳硅化钛中的任意一种或几种组合的乙醇浆料得到。5.一种抗CMAS腐蚀的自愈合热障涂层的制备方法，其特征在于包括预处理、粘结层制备、热障涂层制备、抗腐蚀层制备、烘干步骤，具体步骤为：A、预处理：将金属基体进行清洗和喷砂处理；B、粘结层制备：采用热喷涂工艺在预处理后的金属基体表面制备NiCoCrAlY粘结层；C、热障涂层制备：按(17~19):(1~3)的质量比称取RE3TaO7与TiAl3粉末并混合均匀，然后采用大气等离子喷涂工艺在粘结层上制备热障涂层；其中，RE为Y、La、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的任意一种或两种；D、抗腐蚀层制备：将碳钛化铝、矾钛化铝、铬...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯晶，汪俊，张宇轩，王建坤，苏涛，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：