一种等离子喷涂纳米结构热障涂层用液体喂料的制备方法

技术领域

本发明涉及热障涂层制备领域，具体涉及一种等离子喷涂纳米结构热障涂层用液体喂料的制备方法。

背景技术

热障涂层是将低导热性的氧化物陶瓷材料以涂层的方式涂覆于金属工件的表面以降低在高温环境下工作的工件表面温度，既可以提高工件的使用寿命，也可以使得现有的金属材料在更高的温度环境下工作。在航空发动机及地面燃气轮机高温部件上涂覆热障涂层，可降低金属部件表面温度、提高部件抗氧化抗腐蚀性能、大幅度延长金属部件使用寿命。

传统的等离子喷涂法制备纳米结构热障涂层工艺流程：采用化学共沉淀技术或高能球磨固相合成等手段获得纳米粉体原料——纳米粉体团聚成流动性满足等离子喷涂工艺要求的微米级颗粒的一次造粒——微米级颗粒烧结致密化的二次造粒——等离子喷涂制备纳米结构热障涂层。不仅成本高，而且在不同环节纳米粉体晶粒均有不同程度的长大，由于工艺过程中各工序的累积效应最终可能导致制备的涂层晶粒尺寸超出纳米结构范围，即晶粒尺寸超过100纳米。尤其是在粉末烧结致密化及等离子喷涂过程中明显存在纳米晶粒长大现象。因此，即使原料为纳米粉末，所制得的热障涂层不一定为纳米结构，从而导致涂层的物理性能和力学性能明显下降。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种等离子喷涂纳米结构热障涂层用液体喂料的制备方法，微观上呈纳米结构，具有优异的高温相稳定性、抗高温烧结、耐腐蚀性能。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种等离子喷涂纳米结构热障涂层用液体喂料的制备方法，包括如下步骤：

S1、取ScCl₃6-8份，YbCl₃2-3份，La₂Zr₂O₇2-3份分别溶于去离子水中，配制成摩尔浓度为0.8mol/L-1.2mol/L的盐溶液；

S2、将所得的三种盐溶液混合均匀后，加入0.3-0.5份的分散剂，得混合液；

S3、将所得的混合液加入到预先配制的pH值为10-11的氨水中进行化学共沉淀反应，用浓氨水调节pH，使pH值保持10-11，直至无新沉淀物形成，静置24-48小时，得胶状共沉淀物；

S4、用去离子水和无水乙醇分别洗涤并过滤胶状共沉淀物3-5次，去除氯离子，得沉淀物；

S5、取2-3份无机纳米粒子通过超声波振荡设备分散于纯净水中形成无机纳米粒子分散液；

S6、取ZrO₂86-90份，Lu₂O₃3-5份、In₂O₃3-5份、Al₂O₃3-5份、纳米颗粒3-5份、耐化学品改性剂0.5-5份、耐热剂6-8份、阻燃协效剂2-6份、溴系阻燃剂5-25份置于中速混合器中混合20min，得混合物；

S7、取3-5份纳米颗粒团聚成60μm-120μm的团聚粉末、步骤S4所得的沉淀物、步骤S5所得的无机纳米粒子分散液、步骤S6所得的混合物置于球磨机中球磨2h，球磨的速率为270-290r/min；

S8、通过等离子喷枪形成高温高速等离子射流，送粉气流推动步骤S6所得的混合粉体进入等离子射流后，混合粉体被迅速加热到熔融或半熔融状态，并被等离子射流加速，形成飞向基材的喷涂粒子束，粒子束撞击到经过预处理的基材表面，最后形成热障涂层。

其中，所述分散剂为工业用聚乙二醇PEG4000。

其中，所述耐化学品改性剂为含有全氟烷基的丙烯酸系添加剂。

其中，所述的阻燃协效剂为硼酸锌、三氧化二锑、五氧化二锑、锑酸钠和氧化钼中的一种或多种的混合物。

其中，所述的溴系阻燃剂为四溴双酚A，十溴二苯乙烷、2，4，6-三溴三苯氧基-1，3，5-三嗪、溴化环氧中的一种或多种的混合物。

其中，所述耐热剂为N-苯基马来酰亚胺的共聚物或α-甲基苯乙烯的共聚物。

本发明具有以下有益效果：

大大减少了操作步骤、简化了工序，可以实现工业化生产；喷涂制备出的纳米结构复合热障涂层具有很高的高温相稳定性、抗烧结、耐腐蚀能力，隔热效果优异，使用寿命长，长期工作温度可达1500℃而不发生四方相向单斜相的转变；引入全氟烷基的丙烯酸系添加剂作为耐化学品改性剂，该添加剂的迁移效率极高，在制件注塑成型的过程中即可完全迁移到表面形成一种保护膜，这层保护膜和水不相容且具有较强的耐酸碱的性能；选择了Lu₂O₃、In₂O₃的混合物作为稳定剂，在喷涂粒子束时，粒子束中主剂和稳定剂之间发生扩散，形成粒子束，粒子束撞击到经过预处理的基材表面，最终形成Lu₂O₃、In₂O₃多元稳定抗热腐蚀层。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下实施例中所使用的分散剂为工业用聚乙二醇PEG4000；所使用的耐化学品改性剂为含有全氟烷基的丙烯酸系添加剂；所使用的阻燃协效剂为硼酸锌、三氧化二锑、五氧化二锑、锑酸钠和氧化钼中的一种或多种的混合物；所述使用的溴系阻燃剂为四溴双酚A，十溴二苯乙烷、2，4，6-三溴三苯氧基-1，3，5-三嗪、溴化环氧中的一种或多种的混合物。

实施例1

S1、取ScCl₃6份，YbCl₃2份，La₂Zr₂O₇2份分别溶于去离子水中，配制成摩尔浓度为0.8mol/L的盐溶液；

S2、将所得的三种盐溶液混合均匀后，加入0.3份的分散剂，得混合液；

S3、将所得的混合液加入到预先配制的pH值为10的氨水中进行化学共沉淀反应，用浓氨水调节pH，使pH值保持10，直至无新沉淀物形成，静置24小时，得胶状共沉淀物；

S4、用去离子水和无水乙醇分别洗涤并过滤胶状共沉淀物3次，去除氯离子，得沉淀物；

S5、取2-3份无机纳米粒子通过超声波振荡设备分散于纯净水中形成无机纳米粒子分散液；

S6、取ZrO₂86份，Lu₂O₃3份、In₂O₃3份、Al₂O₃3份、纳米颗粒3份、耐化学品改性剂0.5份、耐热剂6份、阻燃协效剂2份、溴系阻燃剂5份置于中速混合器中混合20min，得混合物；

S7、取3-5份纳米颗粒团聚成60μm的团聚粉末、步骤S4所得的沉淀物、步骤S5所得的无机纳米粒子分散液、步骤S6所得的混合物置于球磨机中球磨2h，球磨的速率为270r/min；

S8、通过等离子喷枪形成高温高速等离子射流，送粉气流推动步骤S6所得的混合粉体进入等离子射流后，混合粉体被迅速加热到熔融或半熔融状态，并被等离子射流加速，形成飞向基材的喷涂粒子束，粒子束撞击到经过预处理的基材表面，最后形成热障涂层。

实施例2

S1、取ScCl₃8份，YbCl₃3份，La₂Zr₂O₇3份分别溶于去离子水中，配制成摩尔浓度为1.2mol/L的盐溶液；

S2、将所得的三种盐溶液混合均匀后，加入0.5份的分散剂，得混合液；

S3、将所得的混合液加入到预先配制的pH值为11的氨水中进行化学共沉淀反应，用浓氨水调节pH，使pH值保持11，直至无新沉淀物形成，静置48小时，得胶状共沉淀物；

S4、用去离子水和无水乙醇分别洗涤并过滤胶状共沉淀物3-5次，去除氯离子，得沉淀物；

S5、取3份无机纳米粒子通过超声波振荡设备分散于纯净水中形成无机纳米粒子分散液；

S6、取ZrO₂90份，Lu₂O₃5份、In₂O₃5份、Al₂O₃5份、纳米颗粒5份、耐化学品改性剂5份、耐热剂8份、阻燃协效剂6份、溴系阻燃剂25份置于中速混合器中混合20min，得混合物；

S7、取3-5份纳米颗粒团聚成120μm的团聚粉末、步骤S4所得的沉淀物、步骤S5所得的无机纳米粒子分散液、步骤S6所得的混合物置于球磨机中球磨2h，球磨的速率为290r/min；

S8、通过等离子喷枪形成高温高速等离子射流，送粉气流推动步骤S6所得的混合粉体进入等离子射流后，混合粉体被迅速加热到熔融或半熔融状态，并被等离子射流加速，形成飞向基材的喷涂粒子束，粒子束撞击到经过预处理的基材表面，最后形成热障涂层

实施例3

S1、取ScCl₃7份，YbCl₃2.5份，La₂Zr₂O₇2.5份分别溶于去离子水中，配制成摩尔浓度为1mol/L的盐溶液；

S2、将所得的三种盐溶液混合均匀后，加入0.4份的分散剂，得混合液；

S3、将所得的混合液加入到预先配制的pH值为10.5的氨水中进行化学共沉淀反应，用浓氨水调节pH，使pH值保持10.5，直至无新沉淀物形成，静置24-48小时，得胶状共沉淀物；

S4、用去离子水和无水乙醇分别洗涤并过滤胶状共沉淀物3-5次，去除氯离子，得沉淀物；

S5、取2-3份无机纳米粒子通过超声波振荡设备分散于纯净水中形成无机纳米粒子分散液；

S6、取ZrO₂88份，Lu₂O₃4份、In₂O₃4份、Al₂O₃4份、纳米颗粒4份、耐化学品改性剂2.75份、耐热剂7份、阻燃协效剂4份、溴系阻燃剂15份置于中速混合器中混合20min，得混合物；

S7、取3-5份纳米颗粒团聚成90μm的团聚粉末、步骤S4所得的沉淀物、步骤S5所得的无机纳米粒子分散液、步骤S6所得的混合物置于球磨机中球磨2h，球磨的速率为280r/min；

S8、通过等离子喷枪形成高温高速等离子射流，送粉气流推动步骤S6所得的混合粉体进入等离子射流后，混合粉体被迅速加热到熔融或半熔融状态，并被等离子射流加速，形成飞向基材的喷涂粒子束，粒子束撞击到经过预处理的基材表面，最后形成热障涂层

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。