一种高温热阻涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种气相

【技术实现步骤摘要】
coatingswith low thermal conductivity and high thermal reflectivity for turbine applications,Surfaceand Coatings Technology 190(1)(2005)132
‑
149.)。但是层间界面存在结合力弱的问题，在服役的多次冷热循环过程中，在这些层间界面处更容易开裂剥落，大大降低涂层寿命。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是克服上述现有技术存在的缺点，提供一种包含多层反射界面且兼顾优异结合力的高温阻辐射涂层的制备方法；该方法制备的涂层厚度适中、热导率低、抗冲刷和腐蚀，能够实现超高温阻红外辐射的功能且保持稳定服役。
[0008]本专利技术完整的技术方案包括：
[0009]一种气相
‑
液相共沉积的多界面超高温高反射率的阻热辐射涂层的方法,包括如下
[0010]步骤：
[0011](1)制备适合于等离子物理气相沉积工艺的Yb掺杂Gd2Zr2O7的锆酸钆材料(GYbZ)和高发射率镧锶铁氧La
0.5
Sr
0.5
FeO3(LSF)粉末。
[0012]其中，LSF粉末由于其独特的能级结构，因此该材料具有对1
‑
5微米红外波段光低吸收、高反射率的特性，相比于传统的热障涂层材料如YSZ等，可以更加有效的反射红外光，起到阻隔辐射热量传输的作用。另外，GYbZ材料热稳定性能好，在1600℃以内没有相变，高温稳定性好，相比于传统的金属类涂层材料，具有更好的热服役性能。相比于YSZ材料，GYbZ材料具有更低的热导率，作为组成涂层的主要气相材料，选用GYbZ可以更加有效的降低涂层的热导率，提高隔热性能。LSF材料在近、中红外波段都具有高吸收特性，可以有效吸收透过GYbZ材料的1
‑
6微米红外辐射，大幅度降低涂层体系的透过率。另外由于LSF材料和GYbZ材料的折射率相差很大，红外辐射在LSF和GYbZ微界面处会产生散射损耗，此机理也可以降低涂层体系的红外辐射透过率。
[0013](2)粉体的粒径控制，要求GYbZ粒径为5
‑
15微米，LSF粒径30
‑
40微米。LSF块体材料在3
‑
14微米波段的积分发射率大于0.8。
[0014]在粉体粒径选择方面，考虑了粒径越低，有利于粉体在高温束流内部的运动过程中的充分传热。由于气化所需要的热量传输比液化更高，因此对于基体材料GYbZ，选择小粒径且流动性好的粉体，且比LSF粉体更小的粒径，对作为液相片层的第二相LSF材料，要求其粒径略大于GYbZ，但不能过大，使其在束流中可以液化但不会进一步气化。
[0015](3)利用PS
‑
PVD制备陶瓷层，采用双送粉口调控不同送粉率，分别输送GYbZ和LSF粉体，获得气相
‑
液相共沉积的涂层，涂层厚度约为200微米。为控制气相液相共沉积，需要严格控制送粉率，其中气相送粉口输送GYbZ粉的送粉率为10
‑
12g/min；液相送粉口送LSF粉的送粉率为4
‑
6g/min。
[0016]送粉率同时影响着涂层体系中气相、液相的比例，以及粉体受热的能力。如果LSF的送粉率过高，会导致涂层体系中主要结构为LSF液相结构，且会掺入部分固相未熔化颗粒。如果LSF送粉率过低，会导致LSF粉体颗粒气化，无法形成横向水平界面。因此控制送粉率是涂层制备工艺的关键参数。
[0017]传统的热障涂层制备技术，包括EB
‑
PVD和APS都无法实现多相共沉积，因此技术人
员很难想到利用一般的涂层制备工艺去实现多层微界面的涂层。本专利技术利用等离子物理气相沉积，将特定的涂层制备工艺参数和特定粒径分布的粉末结合起来，实现了一种多层微界面阻红外辐射涂层的制备。本专利技术中采用的气相
‑
液相共沉积的方法，在GYbZ的气相柱状晶沉积过程中不断有LSF的液相扁平液滴共同沉积形成水平的横向微界面，由于这些横向微界面是均匀弥散在整个涂层中，涂层仍可以保持较好的柱状晶结构。相比于其他方法制备的多层完整涂层结构，本方法制备涂层拥有更高的结合力和热循环寿命。且由于对表面粗糙度没有要求，因此可以避免表面粒子冲刷造成的反射率下降的问题。相比现有技术，本专利技术具有如下优点：
[0018]1.在组分选择方面进行了设计，首先，选择选择了具备更低的近红外辐射发射率、吸收率，更高的近红外辐射反射率的GYbZ材料，并且选用具有独特能级结构，对1
‑
5微米红外波段光低吸收、高反射率的特性的LSF材料与之协同，使得制备的涂层具备更优异的阻近红外热辐射穿透能力。
[0019]2.在沉积方式方面，进行了合理且优化的粉体粒径、送粉方式、送粉速率，与对应的PS
‑
PVD工艺参数相配合，实现了GYbZ材料的气相沉积和LSF材料的液相沉积。气相、液相共沉积的柱状晶+片层状弥散界面具备均匀的热物理性质，并且保证了优秀的涂层结合力。
[0020]3.在涂层的结构方面，设计使两种组分可以形成具有横向微界面弥散分布的整体柱状晶结构。弥散的多层界面显著提高了提高涂层对红外热辐射的反射能力。
附图说明
[0021]图1为本专利技术气相
‑
液相共沉积涂层的微观结构示意图。
[0022]图2为多层涂层结构示意图。
[0023]图3为多层涂层结构组织图。
具体实施方式
[0024]下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请的实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。
[0025]制备适合PS
‑
PVD喷涂的粉体，可以选用任何常见的制备粉体的方法；优选地，可以使用喷雾造粒法。得到粒径为5
‑
15微米的GYbZ粉体和粒径为30
‑
40微米的LSF粉体。
[0026](1)将金属工件进行去油污、去绣以及喷砂处理。
[0027](2)制备金属粘结层，通过多弧离子镀在上述准备得到洁净工件表面制备约50微米厚的NiCrAlY涂层；具体步骤可以为：将经过步骤(2)预处理的高温合金工件置于真空室中可旋转的样品台上，工件与靶材的距离约为200mm，真空室中温度设置为约450℃，工件旋转速度为3rpm。当真空室中真空度达到4
×
10
‑3pa时对工件表面进行离子轰击清洗并活化表面。涂层制备过程中，反应气体为Ar和N2混合气体，其中Ar流量为200sccm，N2流量为200
‑
400sccm，压强为1Pa。基体偏压
‑
80V，弧电流100A,沉积时间约50分钟。
[0028]3)利用PS
‑
PVD制备阻红外辐射涂层，具体喷涂参数为：真空室真空度2...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气相
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液相共沉积的多界面超高温高反射率阻热辐射涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)选择适合于等离子物理气相沉积工艺的Yb掺杂Gd2Zr2O7的锆酸钆即GYbZ粉末，和高发射率镧锶铁氧La
0.5
Sr
0.5
FeO3即LSF粉末；所述GYbZ粉末粒径小于LSF粉末粒径，LSF材料在3
‑
14微米波段的积分发射率大于0.8；(2)利用PS
‑
PVD设备，采用双送粉口，其中气相送粉口输送GYbZ粉末，液相送粉口送LSF粉末，采用不同送粉率同时输送GYbZ和LSF粉末，所述GYbZ粉末的送粉速率大于LSF粉末的送粉速率，在工件表面制备气相
‑
液相共沉积的多界面阻热辐射陶瓷涂层；制备过程中所述GYbZ粉末为气相沉积，所述LSF粉末为液相沉积。2.根据权利要求1所述的一种气相
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液相共沉积的多界面超高温高反射率阻热辐射涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，GYbZ粉末粒径为5
‑
15微米，LSF粉末粒径30
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40微米。3.根据权利要求1所述的一种气相
‑
液相共沉积的多界面超高温高反射率阻热辐射涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，其中气相送粉口输送GYbZ粉的送粉率为10
‑
12g/min；液相送粉口送LSF粉的送粉率为4
‑
6g/min。4.根据权利要求1所述的一种气相
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【专利技术属性】
技术研发人员：郭洪波，何雯婷，刘冬瑞，魏亮亮，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：