一种基于双壳微结构复合陶瓷粉末的抗烧结热障涂层及其制备方法 |
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| 申请号 | CN202410186273.3 | 申请日 | 2024-02-20 | 公开(公告)号 | CN117987759A | 公开(公告)日 | 2024-05-07 |
| 申请人 | 西安石油大学; | 发明人 | 董会; 白如雪; 郭鹏飞; 冯玉坤; 王丽爽; 姚建洮; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于涂层技术领域，具体涉及一种基于双壳微结构复合陶瓷粉末的抗 烧结 热障涂层及其制备方法，所述抗烧结热障涂层的陶瓷层采用双壳微结构复合陶瓷粉末制备。粉末内壳为 氧 化钇稳定氧化锆（YSZ）， 外壳 为La2Zr2O7（LZO）。陶瓷层以YSZ为骨架，以LZO为抗烧结的屏障群。本发明基于 等离子 喷涂 工艺，制备“LZO+YSZ+LZO”的夹芯式 片层 微结构“屏障群”陶瓷层，阻断YSZ片层间烧结传质路径，大幅度提升陶瓷层烧结抗 力 。这种夹芯式片层微结构“屏障群”陶瓷层能够在高于传统服役 温度 的高温下保持高抗烧结、高 隔热 、以及高应变容限，可显著提高热障涂层服役温度，继而提升 燃气轮机 的效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种抗烧结热障涂层，其特征在于，所述抗烧结热障涂层的陶瓷层由众多“LZO+YSZ+ LZO”的夹芯式片层微结构组成，采用双壳微结构复合陶瓷粉末制备，所述双壳微结构复合陶瓷粉末的内壳为YSZ粒子，外壳为La2Zr2O7粒子，所述YSZ的质量百分数为8 wt%。 |
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| 说明书全文 | 一种基于双壳微结构复合陶瓷粉末的抗烧结热障涂层及其制备方法 技术领域[0001] 本发明属于涂层技术领域，具体涉及一种基于双壳微结构复合陶瓷粉末的抗烧结热障涂层及其制备方法。 背景技术[0002] 热障涂层（TBCs）是一种运用于航空发动机涡轮叶片表面的耐高温、高隔热和抗腐蚀的陶瓷涂层材料。随着航空航天技术的快速发展，对发动机燃烧室和燃气轮机进气温度的要求也在不断提高。热障涂层面临的主要挑战是高温下的烧结问题，烧结会导致涂层的孔隙率降低、热导率升高以及弹性模量增加，这些变化会导致涂层内部的残余应力改变并促进微裂纹的扩展。微观间隙的降低会显著削弱使陶瓷层隔热能力与应变容限，影响陶瓷涂层服役寿命。 [0003] 在高温工作环境中，YSZ的粒子表面会因为烧结而发生变化，粒子间的突起增大，导致相邻片层合并。为提高其烧结抗性，需要研究防止这种片层间扩散桥连的方法。然而现有研究尚未从烧结机理上有效解决这一问题。而稀土锆酸盐是目前有望代替YSZ的新型热障陶瓷材料，其具有优异的抗烧结性和相稳定性，但断裂韧性却低于YSZ。为了克服这个问题，可以考虑将YSZ的良好的热膨胀系数和断裂韧性与La2Zr2O7高温热稳定和低热导率结合起来，以有效提高YSZ层的抗烧结能力和热障涂层的整体性能，进而提升燃气轮机效率。 [0004] 近年来，核壳纳米结构材料因其独特的性能和可控的物理化学特性而受到广泛关注，在这种结构中，内核被外壳包裹，通过控制壳体和内核之间的组分来实现性能优化。基于此，开发一种基于双壳微结构复合陶瓷粉末的抗烧结热障涂层，提高TBCs的服役问题十分有必要。 发明内容[0005] 本发明的目的在于提供一种基于双壳微结构复合陶瓷粉末的抗烧结热障涂层及其制备方法，抗烧结热障涂层的陶瓷层采用双壳微结构复合陶瓷粉末制备，粉末内壳为氧化钇稳定氧化锆（YSZ），外壳为La2Zr2O7（LZO）。抗烧结热障涂层的陶瓷层采用等离子喷涂工艺制备，以YSZ为骨架，以LZO为抗烧结屏障群，由众多“LZO+YSZ+ LZO”的夹芯式片层微结构组成。基于阻断YSZ片层间烧结传质路径的原理，旨在通过LZO屏障群阻断高温过程中YSZ扁平粒子之间的桥连路径，达到抗烧结、提升服役温度的目的，实现新一代高效燃机热障涂层的制备。 [0006] 本发明的目的是通过如下技术方案实现的：本发明提供了一种抗烧结热障涂层，所述抗烧结热障涂层的陶瓷层由众多“LZO+YSZ+ LZO”的夹芯式片层微结构组成，采用双壳微结构复合陶瓷粉末制备，所述双壳微结构复合陶瓷粉末的内壳为YSZ粒子，外壳为La2Zr2O7粒子，所述YSZ的质量百分数为8 wt%。 [0007] 本发明还提供了一种所述的抗烧结热障涂层的制备方法，包括以下步骤：（1）在热烘箱中分别烘干YSZ粉末和La2Zr2O7两种粉末，烘箱温度设置为100 ℃，烘干时间设置为2 h，以去除粉末里的水分； （2）以等离子作为热源，利用大气等离子喷涂设备喷涂熔融后的La2Zr2O7粉末，利用送粉器将固态YSZ粉末与喷出的熔融La2Zr2O7粒子碰撞，形成以YSZ为内壳，La2Zr2O7为外壳的YSZ@La2Zr2O7双壳微结构粉末，呈现机械包覆状态。 [0008] 进一步的，在步骤（2）中，所述利用大气等离子喷涂设备喷涂熔融后的La2Zr2O7粉末还包括设置等离子喷涂工艺参数以及设置送粉速度及喷涂时间进行喷涂处理。 [0009] 进一步的，所述大气等离子喷涂设备喷涂粉末采用氩气为主流气体，氢气为辅助气体，氮气为送粉气体。 [0011] 进一步的，所述送粉速度为6.0 r/min，陶瓷层厚度介于300 600μm之间。~ [0012] 进一步的，在步骤（2）中，所述混合过程中大气等离子喷涂设备的枪头与送粉器的喷头形成的角度为60°120°中的任意角度，距离为7 10公分。~ ~ [0013] 本发明有益效果在于：本发明公开一种基于双壳微结构复合陶瓷粉末的抗烧结热障涂层及其制备方法，基于等离子喷涂工艺，制备“LZO+YSZ+ LZO”的夹芯式片层微结构“屏障群”陶瓷层，阻断YSZ片层间烧结传质路径的思路，大幅度提升陶瓷层烧结抗力。这种结构能够在高温下保持较高的隔热性能和应变容限，有助于提高涂层在极端环境下的稳定性和可靠性。由于减少了烧结导致的性能下降，这种新型热障涂层的寿命将比传统涂层更长，其设计为热障涂层的高性能发展提供了新的可能性。这种基于双壳微结构复合陶瓷粉末的制备不仅优化了热障涂层的微观形貌和结构特性，如孔隙率和收缩率，使得YSZ层的抗烧结能力得到显著提升，从而增强了热障陶瓷涂层在高温环境下的性能和稳定性，这种夹芯式片层微结构“屏障群”陶瓷层能够在高于传统服役温度的高温下保持高抗烧结、高隔热、以及高应变容限，可显著提高热障涂层服役温度，继而提升燃气轮机的效率。应用这种粉末的热障涂层于发动机部件，将有助于显著延长这些部件在高温环境下的使用寿命，特别适用于航空发动机和其他高性能燃烧设备。 附图说明 [0014] 图1为La2Zr2O7包覆YSZ扁平粒子薄膜屏障群示意图，其中图1a为原理示意图，图1b为实际喷涂涂层截面图；图2为机械包覆法制备产品的包覆机理图； 图3为YSZ经过高温热处理的表面形貌图； 图4为YSZ@LZO结构试样经过高温热处理的表面形貌图； 图5为热处理后烧结引发的孔隙率及收缩率变化对比示意图； 图6为试样显微硬度随热处理时间的变化图。 具体实施方式[0015] 本发明的目的是提供一种基于双壳微结构复合陶瓷粉末的抗烧结热障涂层的制备方法，包括以下步骤：混合8YSZ和La2Zr2O7粉末，利用大气等离子喷涂设备，经机械包覆法后高温热处理，得粉末内壳为氧化钇稳定氧化锆（YSZ），外壳为La2Zr2O7（LZO），陶瓷层以YSZ为骨架，以LZO为抗烧结的屏障群。具体包括以下步骤：步骤一：将等离子作为热源，将熔融后的LZO粉末通过送粉器以适当的角度和距离喷出； 步骤二：利用另一送粉器将YSZ粉末与喷出的熔融LZO粒子混合，形成YSZ@LZO陶瓷层粉末，呈现机械包覆状态； 步骤三：对制备出的YSZ@LZO陶瓷层粉末进行高温热处理，模拟烧结过程； 步骤四：进行性能测试，包括物相和显微组织分析、孔隙率、收缩率和显微硬度测试，以评估其抗烧结性能。 [0016] 下述实施例用于进一步说明本发明，但不限于本发明。 [0017] 实施例1一种基于双壳微结构复合陶瓷粉末，采用等离子喷涂设备进行机械包覆制备，设置合适的等离子喷涂工艺参数，YSZ粉末置于普通送粉器中，将La2Zr2O7粉末置于强制送粉器中，改变等离子喷枪与YSZ送粉枪之间的角度，制备出60°、90°和120°的YSZ@LZO粉末。其具体制备工艺如下： （1）在热烘箱中分别烘干YSZ粉末和La2Zr2O7两种粉末，烘箱温度设置为100 ℃，烘干时间设置为2 h，以去除粉末里的水分； （2）以等离子作为热源，利用大气等离子喷涂设备喷涂熔融后的La2Zr2O7粉末，喷涂过程中采用氩气为主流气体，辅助气体为氢气，氮气为送粉气体，设置大气等离子喷涂设备参数为电流650 A，电压69 V，氩气速度为45.2 SLM，氢气速度为5.6 SLM，送粉速度为6.0 r/min， （3）利用送粉器将YSZ粉末与喷出的熔融La2Zr2O7粒子混合，控制大气等离子喷涂设备的枪头与送粉器的喷头角度为60°、90°及120°，距离为7‑8公分，喷涂时间为10 min，分别制备出三种角度的YSZ@La2Zr2O7粉末，其中YSZ的质量百分数为8 wt%。 [0018] 对制备出的YSZ@La2Zr2O7粉末进行压条后，在箱式电阻炉内对其进行高温热处理，对烧结后试样的表面微观形貌进行观察，将制备YSZ@LZO的试样与8YSZ的结果进行对比，进一步研究粉末的高温烧结性能。其中，La2Zr2O7包覆YSZ扁平粒子薄膜屏障群示意图如图1a所示，热障涂层的断面形貌如图1b所示，图中白色衬度为La2Zr2O7，灰色衬度为YSZ。La2Zr2O7穿插于YSZ之间，阻碍YSZ烧结。通过双壳结构粉末能够制备出以La2Zr2O7为烧结屏障的陶瓷层机械包覆法制备的包覆机理图如图2所示。 [0019] 在200小时的高温热处理（1200℃）之后，传统YSZ材料的晶粒之间发生了显著的相互连接，从最初的网状结构转变为更加致密的形态。这种变化表明YSZ材料在长时间的热处理后经历了严重的致密化过程，显示了明显的烧结现象。烧结导致的致密化是高温条件下材料性能退化的主要原因之一，尤其是在需要保持一定孔隙率以维持隔热性能的应用中。与此形成对比的是，通过机械包覆法制备，并且喷涂角度分别为60°、90°和120°的YSZ@La2Zr2O7试样，在相同的热处理条件下并未展现出类似YSZ的严重烧结现象。这些结构试样在热处理后没有发生晶粒间的密集连接或大面积的晶粒紧密成块现象。这一结果明确指出，与传统YSZ粉末相比，YSZ@La2Zr2O7粉末在高温下展现了更强的抗烧结性能。YSZ和YSZ@La2Zr2O7试样经过高温热处理后的显微形貌如图3和4所示。 [0020] 实施例2对实施例1中制备出的YSZ@La2Zr2O7粉末进行压条后，在箱式电阻炉内对其进行高温热处理，对烧结后试样的孔隙率进行分析，将制备YSZ@La2Zr2O7的试样与8YSZ的结果进行对比，进一步研究基于双壳微结构复合陶瓷粉末的高温烧结性能。 [0021] 本实施例的试样在200 h热处理前后的孔隙率分布在17 31 %区间，所有三种试样~孔隙率下降趋势基本一致，平均下降幅度约10 %。相比之下，传统YSZ涂层孔隙率整体下降幅度约18 %，试样孔隙率下降幅度仅为YSZ的大约55 %。在热处理的前20小时，YSZ试样的孔隙率高于所有三种试样，但随后YSZ的孔隙率迅速下降，表明其组织的致密化十分严重。与之形成鲜明对比的是，试样即便经过长时间的热处理，也没有表现出显著的致密化现象。这一结果明确表明，与传统YSZ涂层相比，本发明的陶瓷试样在高温环境下具有更好的抗烧结性能。孔隙率对比图如图5（a）。 [0022] 实施例3对实施例1中制备出的YSZ@La2Zr2O7粉末进行压条后，在箱式电阻炉内对其进行高温热处理，对烧结后试样的收缩率进行分析，将制备YSZ@La2Zr2O7的试样与8YSZ的结果进行对比，进一步研究基于双壳微结构复合陶瓷粉末的高温烧结性能。 [0023] 本发明的YSZ/LZO最终的收缩率分别为2.56 %、2.41 %、2.38 %。而传统YSZ收缩率高达4.62 %，这一显著的差异揭示了本发明所制备涂层相对于传统YSZ涂层在抗烧结性能方面的优越性。较低的收缩率表明，在YSZ/LZO结构中，YSZ粒子之间的粘接强度相对较弱。这是因为外部的LZO膜有效阻止了YSZ粒子间的桥连和合并，这是烧结过程中的常见现象。 在烧结过程中，材料通常会发生密度增加和孔隙率减少的现象，而YSZ/LZO结构因其独特的构造，能够有效减缓这一过程。高温热处理后两种陶瓷粉末收缩率对比图如图5（b）。 [0024] 实施例4对实施例1中制备出的YSZ@La2Zr2O7粉末进行压条后，在箱式电阻炉内对其进行高温热处理，对烧结后试样的显微硬度进行分析，将制备YSZ@La2Zr2O7的试样与8YSZ的结果进行对比，进一步研究基于双壳微结构复合陶瓷粉末的高温烧结性能。 [0025] 本发明的三种不同喷涂方向制备的试样在热处理过程中的硬度都呈现出正相关增长，硬度范围在400~800 HV0.5之间，随着热处理时间的延长而增加，具体来说三种试样显微硬度值分别增加了183 %、169 %和167 %。相比之下，传统YSZ涂层在相同热处理条件下的硬度范围在700~1100 HV0.5之间，虽然其变化幅度与试样相似，但在每个时间段的硬度值均显著高于YSZ@LZO结构。试样组织在热处理过程中保持着较多孔隙，抵抗了致密化现象，因此组织结构相对于YSZ更为疏松，导致硬度值显著低于YSZ，而YSZ的孔隙率严重下降和体积收缩率上升导致其严重的致密化，晶粒尺寸的持续增大使YSZ的致密度升高，带来更高的显微硬度值。综上，本发明的YSZ@La2Zr2O7粉末在热处理过程中相比YSZ具有明显的热稳定性和抗烧结性能。高温热处理后两种陶瓷粉末硬度对比图如图6。 |
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