一种耐腐蚀热障涂层制备方法和应用与流程

本发明涉及一种耐腐蚀热障涂层制备方法和应用，属于耐腐蚀热障涂层。

背景技术：

1、艾萨炉喷枪管需要长时间在高温熔融的铜液中工作，因此，对艾萨炉喷枪管底部插入铜液中的部分的耐高温和抗腐蚀性能有严苛的要求。然而，现有的以316不锈钢为原料的艾萨炉喷枪管不足以长时间服役在高温熔融铜液中。对此，在艾萨炉喷枪基体表面喷涂一层热障抗腐蚀涂层来减缓高温熔融铜液直接与艾萨炉喷枪基体接触而导致喷枪管的快速失效，从而延长其在高温铜液中的工作时长。涂层由粘结层和陶瓷层组成，粘结层是在陶瓷层和基体之间，可以有效地减少陶瓷层和基体的热膨胀不匹配，降低涂层间的热应力，同时保护基体不被氧化。陶瓷层起着隔热作用，减少外界热量传导到基体上。

2、研究发现，降低涂层的热导率可以提高其抗高温性能，因此，研究者们从涂层材料本身和喷涂方式上来改善涂层的性能。一些新型的热障涂层材料在高温下，例如先进的ysz涂层，其热导率较zro2-dy3tao7高；此外，类似于钙钛矿结构的氧化物涂层，其热膨胀系数远低于zro2-dy3tao7并且裂纹缺陷严重。喷涂技术也是影响涂层材料性能的重要因素之一，物理化学气相沉积技术以其成本低，操作方便，所喷涂的涂层抗高温性能良好而往往被人们所关注，但物理气相沉积技术(pvd)的装置复杂且高温下易生成大的颗粒，严重影响涂层质量；而化学气相沉积技术(cvd)沉积速率低，所形成的涂层抗高温性能不如物理气相沉积技术(pvd)，在高温下易失效。

3、针对上述存在的问题，本发明提出了一种采用超音速等离子喷涂(hvof)制备粘结层，大气等离子喷涂-物理气相沉积技术(ps-pvd)制备陶瓷层来制备抗高温，两种喷涂方式相结合制备耐腐蚀的优异性能涂层。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供了一种耐腐蚀热障涂层制备方法，通过将zr和dy掺杂到钽酸盐中来引入晶格缺陷，降低材料的热导率，提高热膨胀系数。zro2-dy3tao7稀土涂层材料具有低热导率，高热膨胀系数，良好的抗冲击和抗腐蚀性能，以解决现有耐腐蚀热障涂层在高温条件下稳定性不足、易产生相变、产生大量内应力、韧性降低、易剥离失效的问题。

2、本发明所述一种耐腐蚀热障涂层的制备，具体包括如下步骤：

3、(1)称取zro2、dy2o3、tao5粉末进行球磨混合，随后烘干。

4、(2)将步骤(1)中得到的混合物进行烧结，随后常规造粒，最后过筛得到zro2-dy3tao7陶瓷粉末。

5、(3)将基体材料表面抛磨，喷砂，超声清洗。

6、(4)采用超音速等离子喷涂技术，在步骤(3)得到的基体上喷涂nicocraly形成粘结层。

7、(5)通过大气等离子喷涂技术将步骤(2)获得的zro2-dy3tao7陶瓷粉末沉积在步骤(4)得到的粘结层表面，形成zro2-dy3tao7陶瓷层。

8、优选的，步骤(1)中zro2、dy2o3、tao5粉末的质量比为：12.69～16.34：55.23～60.56：40.58～46.45，各粉末的纯度为99％以上；球磨介质为无水乙醇或去离子水，球磨混合时间10-20h，转速250-280r/min；烘干条件为60℃～70℃的条件下烘烤1.5h以上。

9、优选的，步骤(2)中在1450～1550℃大气中进行烧结，烧结的时间为15-25h；过筛后使zro2-dy3tao7陶瓷粉末的粒径在40～100μm之间。

10、优选的，步骤(3)中所述基体材料是316不锈钢；打磨处理使用抛光机或砂纸打磨基体表面的杂质和氧化皮；喷砂采用10-50目颗在风压0.15-0.55mpa进行喷砂，喷砂距离为110-130mm，喷砂角度为50-60°，喷砂时间为40-60s；超声清洗处理使用酒精、煤油或丙酮中的任意一种溶液对基体进行超声清洗。

11、优选的，步骤(4)中喷涂距离200-400mm，喷枪移动速度450-550mm/s，喷涂电压为120-130v，喷涂电流为350-400a，喷涂气压为0.65-0.75mpa，送粉速率30-50g/min，喷涂气源为ar气和压缩空气，压缩空气的流量为10-20slpm，辅气氩气流量50-100slpm，所述nicocraly粘结层的厚度为150-250μm，nicocraly的成分为包括如下质量百分比的物质：47.5％的ni，23％的co，16.7％的cr，12.3％的al，0.5t％的y。

12、优选的，步骤(5)中使用ps-pvd在粘结层上喷涂zro2-dy3tao7陶瓷层时，将舱内真空抽至0.6～0.8mbar，然后回填氩气至30～35mbar后喷枪点火，再抽真空至1.8～2.0mbar，预热温度900～950℃，开始喷涂陶瓷层，所述陶瓷层制备的参数为：喷涂距离100-180mm，喷枪移动的速度300-500mm/s，喷涂电压为60-100v，喷涂电流为450-600a，送粉速率30-40g/min，送粉氩气流量60-120slpm，氢气流量10-20slpm，所述zro2-dy3tao7陶瓷层的厚度为150-240μm。

13、优选的，所制备的zro2-dy3tao7耐高温腐蚀涂层，各元素的摩尔含量为：zr 20-30％，dy 20-50％，ta 10-20％，所述耐高温腐蚀涂层孔隙率为8％-25％，耐温可达1200℃。

14、本发明的另一目的在于提供一种耐腐蚀热障涂层的应用，本发明所述耐腐蚀热障涂层应用于艾萨熔炉所使用的喷枪表面。

15、发明原理：将zro2、dy2o3、tao5粉末混合烧结发生了一系列的化学反应生成了zro2-dy3tao7，其中，稀土元素ta和dy的存在使得制备的稀土镝坦酸盐陶瓷材料相对于传统的氧化钇稳定氧化锆涂层具有更高的工作温度、更显著的隔热防护性能和更长的服役寿命等特点。

16、大气等离子喷涂-物理气相沉积技术制备zro2-dy3tao7热障涂层，通过等离子喷枪将所喷涂材料粉末汽化，在预处理后的粘结层表面急冷和快速沉积，所得到的陶瓷涂层与粘结层结合强度高，并且陶瓷层颗粒均匀连续致密分布在粘结层表面。在热量传递的过程中，原子无序分布使得缺陷大量存在，导致声子的平均自由程减小，因而热导率也会降低。

17、本发明的有益效果

18、(1)以tao5为体系进行zro2和dy2o3掺杂得到的zro2-dy3tao7耐高温涂层并提高抗铜液腐蚀能力

19、(2)利用超音速等离子喷涂制备获得了nicocraly陶瓷粘结层，大气等离子喷涂-物理气相沉积技术制备获得了zro2-dy3tao7耐腐蚀热障涂层，具有连续致密的特点，孔隙率为8％-25％，并且存在微裂纹，缓解涂层的内部应力，有效降低涂层的热导率，在1200℃的高温下工作1000小时后未出现剥离脱落现象

20、(3)上述耐腐蚀热障涂层可将其设置于艾萨熔炉所使用的喷枪表面，达到更长时间的工作服役。

技术特征：

1.一种耐腐蚀热障涂层的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述耐腐蚀热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤(1)中zro2、dy2o3、tao5粉末的质量比为：12.69～16.34：55.23～60.56：40.58～46.45，各粉末的纯度为99％以上。

3.根据权利要求1所述耐腐蚀热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤(1)中球磨介质为无水乙醇或去离子水，球磨混合时间10-20h，转速250-280r/min；烘干条件为60℃～70℃的条件下烘烤1.5h以上。

4.根据权利要求1所述耐腐蚀热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤(2)中在1450～1550℃大气中进行烧结，烧结的时间为15-25h；过筛后使zro2-dy3tao7陶瓷粉末的粒径在40～100μm之间。

5.根据权利要求1所述耐腐蚀热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述基体材料是316不锈钢；打磨处理使用抛光机或砂纸；喷砂采10-50目的白刚玉砂，风压0.15-0.55mpa进行喷砂，喷砂距离为110-130mm，喷砂角度为50-60°，喷砂时间为40-60s；超声清洗处理使用酒精、煤油或丙酮中的任意一种溶液对基体进行超声清洗，超声清洗时间为8min～20min。

6.根据权利要求1所述耐腐蚀热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤(4)中喷涂距离200-400mm，喷枪移动速度450-550mm/s，喷涂电压为120-130v，喷涂电流为350-400a，喷涂气压为0.65-0.75mpa，送粉速率30-50g/min，喷涂气源为ar气和压缩空气，压缩空气的流量为10-20slpm，辅气氩气流量50-100slpm。

7.根据权利要求1所述耐腐蚀热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所制备得到的nicocraly粘结层的厚度为150-250μm；nicocraly的成分为包括如下质量百分比的物质：47.5％的ni，23％的co，16.7％的cr，12.3％的al，0.5％的y。

8.根据权利要求1所述耐腐蚀热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤(5)中使用大气等离子喷涂-物理气相沉积技术在粘结层上喷涂zro2-dy3tao7陶瓷层时，将舱内真空抽至0.6～0.8mbar，然后回填氩气至30～35mbar后喷枪点火，再抽真空至1.8～2.0mbar，预热温度900～950℃，开始喷涂陶瓷层，所述陶瓷层制备的参数为：喷涂距离100-180mm，喷枪移动的速度300-500mm/s，喷涂电压为60-100v，喷涂电流为450-600a，送粉速率30-40g/min，送粉氩气流量60-120slpm，氢气流量10-20slpm。

9.根据权利要求1所述耐腐蚀热障涂层的制备方法，其特征在于：步骤(5)中所制备得到的zro2-dy3tao7陶瓷层的厚度为150-240μm，陶瓷层中各元素的摩尔含量为：zr 10-20％，dy 30-60％，ta 10-20％，所述耐腐蚀热障涂层孔隙率为8％-25％，耐温可达1200℃。

10.将权利要求1～6中任意一项所述耐腐蚀热障涂层应用于艾萨熔炉所使用的喷枪表面。

技术总结
本发明公开了一种耐腐蚀热障涂层制备方法和应用，该制备方法包括以下步骤：(1)分别称取制备涂层所需要的陶瓷粉末：ZrO<subgt;2</subgt;、Dy<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;和TaO<subgt;5</subgt;；(2)提供一种材料基体，对其进行磨抛，喷砂，超声清洗处理；(3)利用超音速等离子喷涂技术在基体表面制备NiCoCrAlY粘结层；(4)利用大气等离子喷涂‑物理气相沉积技术将ZrO<subgt;2</subgt;‑Dy<subgt;3</subgt;TaO<subgt;7</subgt;粉末沉积在粘结层表面，即获得一种单陶瓷层涂层体系，根据本发明制备的耐腐蚀热障涂层具有良好的致密度，能够在1200℃高温下服役1000小时后仍保持致密连续，未出现陶瓷层脱落剥离现象，具有很好的应用前景。

技术研发人员：李东波,荣菊,冯晶,张敏,邓戈,杨渊,李超,桂荣,杨贵忠,赵晓杨
受保护的技术使用者：云南铜业股份有限公司西南铜业分公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22