CN103058654A - 用于热障涂层防腐蚀功能的梯度纳米涂层及其制备方法 - Google Patents

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施利毅
袁帅
刘瑞丽
王竹仪
赵尹
张美红
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Abstract

本发明公开了一种用于热障涂层防腐蚀功能的梯度纳米涂层及其制备方法。通过将基片在YSZ和Al2O3的纯溶胶和混合溶胶中进行浸渍提拉，制备得到YSZ和Al2O3比例由内而外逐渐变化的梯度涂层结构。梯度纳米涂层由粒径为10-100nm的颗粒组成，涂层总厚度为0.5-5μm。该发明设计的新梯度涂层结构有望在保留Al2O3的防腐蚀性能的同时，克服YSZ与Al2O3材料间由于热膨胀系数差异引起的涂层剥落现象。该发明采用混合溶胶浸渍提拉方法制备梯度纳米涂层结构，然后进行高温煅烧。混合溶胶中YSZ和Al2O3重量组成比例在9：1-1：9之间变化。YSZ溶胶所含颗粒为单斜晶型，高温煅烧温度为500-800℃。该方法简便易行，制备的涂层结构均匀。

Description

用于热障涂层防腐蚀功能的梯度纳米涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于热障涂层防腐蚀功能的梯度纳米涂层及其制备方法，属于热障涂层防腐蚀保护技术领域。
背景技术
热障涂层   (Thermal barrier coatings，TBCs)是目前最先进的高温防护涂层之一，通过在金属表面沉积一层或多层陶瓷涂层，使高温燃气和工作基体之间产生很大的温降，来保护在高温工作环境下的金属基体，达到延长零件寿命、提高热机热效率的目的。自从20世纪70年代，Y2O3稳定的ZrO2（YSZ）热障涂层成功应用于航空发动机的燃烧室和其它高温部件以来，YSZ TBCs 已被广泛用于航空涡轮机、航海推进器和工业发动机。工业发动机使用的燃料通常含有硫和钒，高温下在涡轮表面产生钒盐，硫酸钠、硫酸钙以及硫酸镁的熔盐。氧化锆本身具有良好的耐熔盐腐蚀性质，而YSZ涂层由于氧化钇与痕量的钠、硫，尤其是钒盐反应，而发生降解。氧化钇与V2O5或NaVO3反应生成YVO4，消耗了ZrO2基质中的Y2O3稳定剂，引起氧化锆结构不稳定，在冷却过程中氧化锆从四方或立方相转化为单斜相，伴随着巨大的体积变化，引起陶瓷层分层或剥落。熔盐还可能沿着孔隙渗透进入YSZ涂层内部，与金属粘结层反应，产生多种腐蚀产物，产生裂缝，并引起氧化水平提高。通过在YSZ涂层表面沉积致密的Al2O3涂层，可有效防止YSZ涂层接触熔盐，避免YSZ涂层发生物理化学变化，是提高TBCs的耐热腐蚀性能的重要方法之一。氧化铝在熔盐中的溶解度极低，具有良好的耐腐蚀性能，将其用作陶瓷层的外层，可有效提高涂层的耐热腐蚀性能。但是由于YSZ和氧化铝热膨胀系数不匹配，氧化铝和氧化锆的热膨胀系数分别为8×10-6/℃和10×10-6/℃；其涂层结构之间存在由于热膨胀系数不匹配导致的张应力，易引起涂层剥落失效。
本发明设计了一种新的用于热障涂层防腐蚀功能的梯度YSZ/Al2O3纳米涂层，通过在基材表面涂覆组成成分连续变化的YSZ-Al2O3混合溶胶，制备得到功能梯度防腐蚀热障涂层，有望解决不同涂层结构间热膨胀系数不匹配的问题。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种用于热障涂层防腐蚀功能的梯度YSZ/Al2O3纳米涂层，以解决覆盖在YSZ热障涂层表面的防腐蚀氧化铝涂层结构中，YSZ材料与氧化铝材料热膨胀系数不匹配，易导致外层防腐蚀氧化铝涂层剥落的问题。
本发明的目的之二在于提供该梯度纳米涂层结构的制备方法。
为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于热障涂层防腐蚀功能的梯度YSZ/Al2O3纳米涂层结构，其特征在于：涂层附着在基片上，由YSZ和Al2O3纳米颗粒组成，YSZ和Al2O3组成比例由内而外呈现梯度变化。
上述涂层结构中纳米颗粒大小为10-100nm，涂层总厚度为0.5μm-5μm。
上述的梯度涂层结构包含YSZ层，中间层和Al2O3层，其中中间层为1-6层由90-10wt%YSZ/10-90wt %Al2O3组成的纳米涂层，其中YSZ含量由内而外逐渐减少，Al2O3含量由内而外逐渐增多。
一种制备上述梯度纳米涂层的方法，其特征在于：将基片在YSZ和Al2O3纯溶胶和混合溶胶中浸渍提拉，然后进行高温煅烧。
上述的混合溶胶中YSZ和Al2O3重量组成比例在（9：1）-（1：9）之间变化。
上述的YSZ溶胶所含颗粒为单斜晶型。
上述高温煅烧温度为500-800℃。
该发明设计的新功能梯度结构有望在保留Al2O3的防腐蚀性能的同时，克服YSZ与Al2O3材料间由于热膨胀系数差异引起的涂层剥落现象。该发明采用混合溶胶浸渍提拉方法制备梯度纳米涂层结构，方法简便易行，制备的涂层结构均匀。
附图说明
图1是梯度YSZ/ Al2O3涂层扫描电镜表面图（涂层组成参照实施例1，由内而外依次为YSZ，75wt%YSZ/25wt% Al2O3, 50wt%YSZ/50%wt Al2O3, 25wt%YSZ/75wt% Al2O3，Al2O3）
图2 是梯度YSZ/ Al2O3涂层扫描电镜截面图（涂层组成参照实施例1，由内而外依次为YSZ，75wt%YSZ/25wt% Al2O3, 50wt%YSZ/50%wt Al2O3, 25wt%YSZ/75wt% Al2O3，Al2O3），其中a为梯度涂层，b为陶瓷基片。截面图显示涂层中各层间无明显的界限，说明涂层化学组分实现了梯度渐变。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明：
实施例一    
YSZ/Al2O3梯度纳米涂层的制备方法，通过如下步骤实现：
第一步：将固含量为2wt%的单斜晶型YSZ溶胶与固含量为2wt%的Al2O3溶胶，分别按体积比为3：1、1：1和1：3的比例配制YSZ- Al2O3混合溶胶。
第二步：使用浸涂机将氧化锆陶瓷基片依次浸涂YSZ溶胶、体积比为3：1，1：1和1：3的YSZ- Al2O3混合溶胶，以及Al2O3溶胶。下降和上升速率分别为20mm/min，浸渍时间为120s，100℃烘干。每种溶胶浸涂5次，600℃煅烧2小时。制备得到总厚度为1.23 μm，颗粒粒径为10-100nm的梯度纳米涂层结构（其表面和截面的SEM图像见图1）。根据图1（2），涂层截面图显示涂层中各层间无明显的界限，说明涂层化学组分实现了梯度渐变，预示其性能将发生梯度渐变。
实施例二  
YSZ/ Al2O3梯度纳米涂层的制备方法，通过如下步骤实现：
第一步：将固含量为2wt%的单斜晶型YSZ溶胶与固含量为2wt%的Al2O3溶胶，分别按体积比为9：1，3：1，3：2，1：1，2：3，1：3和1：9的比例配制YSZ- Al2O3混合溶胶。
第二步：使用浸涂机将氧化锆陶瓷基片依次浸涂YSZ溶胶、体积比为9：1，3：1，3：2，1：1，2：3，1：3和1：9的YSZ- Al2O3混合溶胶，以及Al2O3溶胶。下降和上升速率分别为20mm/min，浸渍时间为120s，100℃烘干。每种溶胶浸涂5次，800℃煅烧2小时。制备得到总厚度为5.0μm，颗粒粒径为10-100nm的梯度纳米涂层结构。

Claims (7)

1. 一种用于热障涂层防腐蚀功能的梯度纳米涂层，其特征在于该涂层包括：氧化钇掺杂氧化锆（YSZ）和Al2O3纳米颗粒，YSZ和Al2O3比例由内而外实现渐变。
2.根据权利要求1所述的梯度纳米涂层，其特征在于所述的梯度涂层包含YSZ层，中间层和Al2O3层，其中中间层为1-6层由90-10wt%YSZ/10-90wt % Al2O3组成的纳米涂层，其中YSZ含量由内而外逐渐减少，Al2O3含量由内而外逐渐增多。
3. 根据权利要求1所述的梯度纳米涂层，其特征在于所述的梯度纳米涂层由粒径为10-100nm的颗粒组成，涂层总厚度为0.5-5μm。
4.一种根据权利要求1所述的梯度纳米涂层的制备方法，其特征在于：将基片在YSZ和Al2O3纯溶胶和混合溶胶中浸渍提拉，然后进行高温煅烧。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述的混合溶胶中YSZ和Al2O3重量组成比例在9：1-1：9之间变化。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述的YSZ溶胶所含颗粒为单斜晶型。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于高温煅烧温度为500-800℃。
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