一种电解沉积高熵稀土锆酸盐热障涂层的方法与流程

本发明涉及热障涂层，特别涉及一种电解沉积高熵稀土锆酸盐热障涂层的方法。

背景技术：

1、热障涂层常用在高温热端部件表面，是一种具有表面防护功能的涂层系统，具有良好的隔热效果，主要用来降低基体的工作温度，免受腐蚀、磨损、高温氧化。将热障涂层制备在高温发动机热端部件上，不仅可以减少燃油消耗，提高效率，延长热端部件的使用寿命，更能提高基体抗高温腐蚀能力，提高发动机工作温度。

2、稀土锆酸盐结构中的氧空位可以提高声子的散射，降低声子的平均自由程，提高隔热能力。此外，稀土锆酸盐具有良好的高温相稳定性、耐腐蚀、抗烧结、低氧透过率等优良的特性，是热障涂层中最具应用前景的材料。高熵稀土陶瓷材料是指由5种或5种以上稀土元素以等物质的量比或近等物质的量比形成的多组元单相固溶体，因其独特的“高熵效应”及优越的性能成为新一代热障涂层材料的研究焦点。高熵效应包括热力学的高熵效应、结构的晶格畸变效应、动力学的迟滞扩散效应以及组元的协同增效作用。

3、目前，热障涂层的制备方法主要有等离子喷涂和电子束-物理气相沉积等。等离子喷涂是通过等离子喷枪产生等离子焰流，使涂层材料加热融化，通过高速气流使其雾化并以很高的速度喷射到基体表面，形成涂层。其成分可以人为控制，并且生产效率较高，但制备的涂层存在孔隙和孔洞的层状结构，抗热冲击性能有限。

4、电子束-物理气相沉积是在设备真空室达到一定真空度要求后，电子枪开始发射电子束，直接照射到预蒸发的材料上，加热并气化材料，材料蒸汽以原子或分子的形式沉积到基体上形成涂层。这种技术设备造价昂贵，制造成本高，而且需要在真空下进行，不易沉积大面积试样。

5、此外，这些方法都难以在形状复杂工件表面和内腔制备热障涂层。因此，如何在航空发动机表面制备热障涂层还存在一定的挑战。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明目的在于提供一种电解沉积高熵稀土锆酸盐热障涂层的方法，本发明提供的制备方法工艺简单，涂层制备效率高，避免了昂贵设备的使用，所得涂层具有良好的抗热冲击性能。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种电解沉积高熵稀土锆酸盐热障涂层的方法，包括以下步骤：

4、将高温合金置于电解液中，连接脉冲电源，以高温合金试样为阴极、石墨板为阳极，进行阴极液相等离子体电解，在高温合金表面获得高熵稀土锆酸盐热障涂层；

5、所述电解液的溶质包括可溶性锆盐和可溶性稀土元素金属盐，所述可溶性稀土元素金属盐的稀土元素包括镧、钕、钐、铕和钆。

6、优选的，所述将高温合金置于电解液前，还包括对所述高温合金进行表面预处理，所述表面预处理包括以下步骤：

7、对所述高温合金进行喷砂处理，得到喷砂后的高温合金；

8、采用等离子喷涂的方式在喷砂后的高温合金表面喷涂粘结层。

9、优选的，所述等离子喷涂的参数包括：电压为120～150v，电流为400～450a，氩气流量为180～200l/min，氢气流量为6～8l/min，喷距为100～120mm。

10、优选的，所述粘结层的材质为nicraly或conicraly，厚度为50～150μm。

11、优选的，所述电解液中可溶性锆盐的浓度为0.1～1mol/l；

12、所述电解液中锆离子与所有稀土元素离子之和的摩尔比为1：1。

13、优选的，所述电解液的溶剂为乙醇-水混合溶剂，所述乙醇-水混合溶剂中水的体积分数为10～50％。

14、优选的，所述阴极液相等离子体电解的脉冲电压为200～500v，工作频率为100～1000hz，占空比为5～30％；

15、所述阴极液相等离子体电解的时间为10～60min。

16、优选的，所述高温合金为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金中的一种或几种。

17、本发明提供了上述方法制备得到的高熵稀土锆酸盐热障涂层，所述高熵稀土锆酸盐热障涂层的成分为m2zr2o7，其中m表示高熵稀土元素，包括镧、钕、钐、铕和钆。

18、优选的，所述高熵稀土锆酸盐热障涂层的厚度为100～300μm。

19、本发明提供了一种电解沉积高熵稀土锆酸盐热障涂层的方法，包括以下步骤：将高温合金置于电解液中，连接脉冲电源，以高温合金试样为阴极、石墨板为阳极，进行电解，在高温合金表面获得高熵稀土锆酸盐热障涂层；所述电解液的溶质包括可溶性锆盐和可溶性稀土元素金属盐，所述可溶性稀土元素金属盐的稀土元素包括镧、钕、钐、铕和钆。

20、液相等离子体电解技术是在阳极氧化基础上发展起来的一种在金属表面生长陶瓷涂层的新型技术，按试样连接电源阴、阳极不同，主要分为阳极液相等离子体电解技术和阴极液相等离子体电解技术两类，该技术有一个很大的优点就是能在复杂的表面和内腔制备涂层。阳极液相等离子电解氧化技术通常也被称为“微弧氧化”，是以al、mg、ti等阀金属及其合金为阳极，但是其仅适用于阀金属，不能用于非阀金属高温合金。阴极液相等离子体电解技术以被处理金属为阴极，在一个较高的电压下金属基体表面的气膜或预制膜被击穿放电而产生微弧，微弧的能量把沉积物烧结成陶瓷层，可以打破基体材料的限制，在非阀金属上仍然可以获得金属或陶瓷涂层。本发明通过阴极液相等离子体电解沉积技术制备出高熵稀土锆酸盐热障涂层，整个过程在电解液的液相环境下进行，所以可以在任何复杂形状工件内外表面形成涂层。本发明仅要求基体材料导电，因此可适用于所有金属，基体材料适用性广。本发明所需设备简单，仅需一个普通微弧氧化电源，设备成本低，通过调节电压、频率、占空比等电源参数和电解液的成分，就可控制涂层成分和结构，工艺简单，不需要气氛保护和高温等苛刻条件。

21、本发明方法在处理过程中工件表面会有等离子体的产生与参与，等离子体的高能量密度使工件表面沉积物烧结形成陶瓷涂层，并赋予涂层优异的性能。

22、此外，本发明采用的设备简单，工艺参数调节方便，涂层结构和厚度可灵活控制，能够有效应用于热防护领域。

技术特征：

1.一种电解沉积高熵稀土锆酸盐热障涂层的方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将高温合金置于电解液前，还包括对所述高温合金进行表面预处理，所述表面预处理包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述等离子喷涂的参数包括：电压为120～150v，电流为400～450a，氩气流量为180～200l/min，氢气流量为6～8l/min，喷距为100～120mm。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述粘结层的材质为nicraly或conicraly，厚度为50～150μm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电解液中可溶性锆盐的浓度为0.1～1mol/l；

6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述电解液的溶剂为乙醇-水混合溶剂，所述乙醇-水混合溶剂中水的体积分数为10～50％。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阴极液相等离子体电解的脉冲电压为200～500v，工作频率为100～1000hz，占空比为5～30％；

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高温合金为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金中的一种或几种。

9.权利要求1～8任意一项所述方法制备得到的高熵稀土锆酸盐热障涂层，所述高熵稀土锆酸盐热障涂层的成分为m2zr2o7，其中m表示高熵稀土元素，包括镧、钕、钐、铕和钆。

10.根据权利要求9所述的高熵稀土锆酸盐热障涂层，其特征在于，所述高熵稀土锆酸盐热障涂层的厚度为100～300μm。

技术总结本发明提供了一种电解沉积高熵稀土锆酸盐热障涂层的方法，属于热障涂层技术领域。本发明通过阴极液相等离子体电解沉积技术制备出高熵稀土锆酸盐热障涂层，整个过程在电解液的液相环境下进行，所以可以在任何复杂形状工件内外表面形成涂层。本发明仅要求基体材料导电，因此可适用于所有金属，基体材料适用性广。本发明所需设备简单，仅需一个普通微弧氧化电源，设备成本低，通过调节电压、频率、占空比等电源参数和电解液的成分，就可控制涂层成分和结构，工艺简单，不需要气氛保护和高温等苛刻条件。本发明方法在处理过程中工件表面会有等离子体的产生与参与，等离子体的高能量密度使工件表面沉积物烧结形成陶瓷涂层，并赋予涂层优异的性能。技术研发人员：汪瑞军,吕聪,白宇,詹华,赵迪,王玉受保护的技术使用者：中国农业机械化科学研究院集团有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/30