一种MAB相增强稀土锆酸盐热障涂层材料及其制备方法、热障涂层与流程

本发明属于热障涂层材料领域，尤其涉及一种mab相增强稀土锆酸盐热障涂层材料及其制备方法、热障涂层。

背景技术：

1、随着现代技术的发展，燃气轮机、航空发动机等热端部件对其承受温度提出更高的要求。热障涂层材料主要为耐高温、隔热性能好的陶瓷材料覆盖在高温合金的表面所形成的涂层材料，其主要作用为了减少高温燃气对热端部件的热传递，达到提升热端部件使用温度的目的。

2、目前广泛使用的热障涂层主要是8ysz陶瓷材料。但8ysz陶瓷材料的抗烧结性和相稳定性差，无法长时间在高于1200℃以上的高温下使用。同时，热障涂层在使用的过程中还容易受到cmas的腐蚀，熔化的cmas会沿着陶瓷层的缝隙进入涂层内部，与之发生反应并产生相变，破坏其微观结构，使得涂层剥落失效。因此，为了先进燃气轮机、航空发动机的不断发展需求，减少这些问题的发生，亟需开发能够长时间在高温下使用且稳定的热障涂层陶瓷层材料来替代传统的8ysz材料。

3、re2zr2o7(re为稀土元素，下同)型稀土锆酸盐材料在1600℃下能保持良好的热稳定性，且具有良好的抗烧结性和低的热导率等优点，被认为是具有很好发展前景的新型热障陶瓷材料之一。虽然稀土锆酸盐材料具有许多优良的热物理性能，但也存在一些缺陷，主要为断裂韧性差，且没有足够的应变容限以承受材料热循环过程中的形变，导致涂层材料的热循环寿命低、易开裂，且存在易tgo反应产生铝酸盐等问题，大大降低了稀土锆酸盐材料的预期应用效果。

技术实现思路

1、基于上述技术问题，本发明提供了一种mab相增强稀土锆酸盐热障涂层材料，以mab相为增强相，通过第二相弥散强化稀土锆酸盐，由此得到的热障涂层材料具有高温相稳定、高断裂韧性、热循环寿命长等优点。

2、本发明具体方案如下：

3、本发明目的之一在于，提供了一种稀土锆酸盐热障涂层材料，按质量百分比计，其成分包括：8-25％mab相，余量为稀土锆酸盐。

4、本发明所述热障涂层材料以稀土锆酸盐为基材，以mab相为弥散陶瓷增强相，通过第二相弥散强化稀土锆酸盐，可以有效提高稀土锆酸盐热障涂层的断裂韧性和抗热震性能，延长涂层材料的热循环寿命。同时mab相在高温氧化环境下还可形成具有保护性的氧化膜,具备良好的抗氧化特性，可减缓氧气氛进入到涂层内部，降低tgo层的形成速度，进一步提高了稀土锆酸盐的使用寿命。

5、优选地，mab相选自cr-al-b体系、mn-al-b体系、mo-al-b体系、fe-al-b体系和w-al-b体系中的一种或多种。本发明所述cr-al-b体系、mn-al-b体系、mo-al-b体系、fe-al-b体系和w-al-b体系是指mab相中m分别为cr元素、mn元素、mo元素、fe元素和w元素。

6、优选地，mab相选自cr2alb2、cr3alb4、cralb4、cr4alb6、mn2alb2、fe2alb2、moalb和walb的一种或多种。

7、优选地，稀土锆酸盐化学式为re2zr2o7，re为la、y、nd、yb、er、sm和gd中的任意一种。

8、本发明目的之二在于，提供了一种稀土锆酸盐热障涂层材料的制备方法，包括：按比例将稀土锆酸盐粉末与mab相粉末混合，经湿法球磨后，造粒得到。

9、优选地，湿法球磨时，以无水乙醇为溶剂，聚乙二醇为分散剂，球磨转速为300～500r/min，球磨时间为24～48h。

10、优选地，聚乙二醇的加入量为稀土锆酸盐粉末和mab相粉末总质量的2～5％；无水乙醇的加入量为稀土锆酸盐粉末和mab相粉末总质量的45～60％。

11、优选地，采用离心喷雾造粒，离心转速为14000～16000r/min，进风温度为200～350℃，出风温度为110～150℃，料浆流速为2～5l/min。

12、优选地，还包括造粒后的干燥，筛分；干燥温度为100～150℃，干燥时间为12～15h。

13、优选地，所述mab相粉末的粒径为50～200nm，稀土锆酸盐粉末的粉末粒径为1～3μm。

14、本发明目的之三在于，提供了一种热障涂层，采用的喷涂材料为以上任一项稀土锆酸盐热障涂层材料。

15、优选地，稀土锆酸盐热障涂层材料的粒径为20～75μm。

16、优选地，采用热喷涂方法在基体表面制备金属粘结层，然后在金属粘结层表面热喷涂稀土锆酸盐热障涂层材料，得到热障涂层；更优选地，金属粘结层成分选自conicraly、nicocraly或nicocraltay；尤其优选地，金属粘结层厚度为50-100μm。

17、本发明所述基体为高温合金，高温合金是指铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。

18、优选地，所述热喷涂方法选自超音速火焰喷涂、大气等离子喷涂、等离子喷涂中至少一种；更优选地，采用超音速火焰喷涂在基体表面制备金属粘结层；采用大气等离子喷涂将所述稀土锆酸盐热障涂层材料喷涂在金属粘结层表面，得到热障涂层。

19、优选地，大气等离子喷涂参数为：氩气流量为35～49l/min，氢气流量为8～15l/min，氮气流量为15～25l/min；电流为550～650a，工作电压为66～80v，喷涂距离为110～150mm，喷枪移动速度为650～1000mm/min，送粉速度为30～50g/min。

20、优选地，喷涂前对基体进行预处理，包括清洗、烘干和喷砂毛化，喷砂后基体表面粗糙度为6.3～12.0μm。

21、优选地，热障涂层厚度为300～1000μm。

22、本发明有益效果为：

23、本发明提供了一种mab相增强稀土锆酸盐热障涂层材料及其制备方法，利用该材料得到的热障涂层的断裂韧性≥3.5mpa·m1/2,热膨胀系数＞11.0×10-6k-1，1100℃水冷热循环性能＞100次，热循环寿命长。

24、相较于未改性的稀土锆酸盐热障涂层，断裂韧性比烧绿石结构稀土锆酸盐提升约1～1.5mpa·m1/2，涂层的热循环寿命增大30％以上，且材料的制备工艺可靠，性能稳定，适合大规模批量生产，在燃气轮机、航空发动机等热端构件隔热防护领域具有很好的推广前景。

技术特征：

1.一种稀土锆酸盐热障涂层材料，其特征在于，按质量百分比计，其成分包括：8-25％mab相，余量为稀土锆酸盐。

2.根据权利要求1所述的稀土锆酸盐热障涂层材料，其特征在于，mab相选自cr-al-b体系、mn-al-b体系、mo-al-b体系、fe-al-b体系和w-al-b体系中的一种或多种；优选地，mab相选自cr2alb2、cr3alb4、cralb4、cr4alb6、mn2alb2、fe2alb2、moalb和walb的一种或多种。

3.根据权利要求1或2所述的稀土锆酸盐热障涂层材料，其特征在于，稀土锆酸盐化学式为re2zr2o7，re为la、y、nd、yb、er、sm和gd中的任意一种。

4.权利要求1-3任一项所述稀土锆酸盐热障涂层材料的制备方法，其特征在于，包括：按比例将稀土锆酸盐粉末与mab相粉末混合，经湿法球磨后，造粒得到。

5.根据权利要求4所述的稀土锆酸盐热障涂层材料的制备方法，其特征在于，湿法球磨时，以无水乙醇为溶剂，聚乙二醇为分散剂，球磨转速为300～500r/min，球磨时间为24～48h。

6.根据权利要求5所述的稀土锆酸盐热障涂层材料的制备方法，其特征在于，湿法球磨时，聚乙二醇的加入量为稀土锆酸盐粉末和mab相粉末总质量的2～5％；无水乙醇的加入量为稀土锆酸盐粉末和mab相粉末总质量的45～60％。

7.一种热障涂层，其特征在于，采用的喷涂材料为权利要求1-3任一项所述稀土锆酸盐热障涂层材料。

8.根据权利要求7所述的热障涂层，其特征在于，稀土锆酸盐热障涂层材料的粒径为20～75μm。

9.根据权利要求7或8所述的热障涂层，其特征在于，采用热喷涂方法在基体表面制备金属粘结层，然后在金属粘结层表面热喷涂稀土锆酸盐热障涂层材料，得到热障涂层；优选地，金属粘结层成分选自conicraly、nicocraly或nicocraltay，金属粘结层厚度为50-100μm。

10.根据权利要求7-9任一项所述的热障涂层，其特征在于，热障涂层的厚度为300～1000μm。

技术总结本发明公开了一种稀土锆酸盐热障涂层材料，按质量百分比计，其成分包括：8‑25％MAB相，余量为稀土锆酸盐。其制备方法包括：按比例将稀土锆酸盐粉末与MAB相粉末混合，经湿法球磨后，造粒得到。还公开了利用该稀土锆酸盐热障涂层材料得到的热障涂层。本发明以MAB相为增强相，通过第二相弥散强化稀土锆酸盐，由此得到的热障涂层材料具有高温相稳定、高断裂韧性、热循环寿命长等优点，在燃气轮机、航空发动机等热端构件隔热防护领域具有很好的推广前景。技术研发人员：周夏凉,徐群飞,毛鹏展,骆仁智,陈利斌,张健月,左都云受保护的技术使用者：杭钢金属陶瓷（安吉）有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/26