中国科协海智计划(马鞍山)基地 - 海智项目
热防护涂层简介
[日期:2013-6-3]
来源:
发布者:

曹学强

中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室

吉林省长春市人民大街5625号,邮编130022

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一、热防护涂层原理

热防护涂层是一种起隔热和抗高温腐蚀作用的陶瓷涂层常见的热防护涂层包括两层,即表面陶瓷层和金属粘结层。热防护涂层还具有耐高温、隔热效果良好、耐腐蚀、不老化、抗冲刷等优势。

制备金属和陶瓷涂层的方法有很多,包括热喷涂、电子束-物理气相沉积、化学气相沉积、冷喷涂。热喷涂又可分为爆炸喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂。其中应用最广泛的是等离子喷涂。

等离子喷涂是将金属或陶瓷粉通过等离子弧加热到熔化状态,随着焰流以高速喷射并沉积到经预处理的器件表面上,从而形成一种具有特殊性能的涂层。等离子弧具有高温(中心温度约2×104)和高速(粉末喷射速度约0.7~0.9Mach)的特点,且等离子弧稳定、可控。喷涂时可使用还原气体(N2H2)和惰性气体(ArHe)作为工作气体。等离子喷涂有两种,即大气等离子喷涂和真空等离子喷涂。大气等离子喷涂主要用来制备陶瓷涂层而真空等离子喷涂用来制备金属粘结层。在等离子喷涂过程中,陶瓷或金属粉末被熔化而高速喷涂在金属基体上从而产生层状结构。等离子喷涂制备的涂层比较疏松、有很多孔和微裂纹,而真空等离子喷涂制备的粘结层很致密。对于陶瓷涂层,疏松的结构比致密的结构有更好的隔热性质和抗热冲击性。孔隙率约15%涂层热循环寿命最长。影响涂层质量的因素非常复杂,大致包括等离子喷枪结构设计、喷涂功率、喷涂距离(即喷枪与金属基体之间的距离)、等离子气体、气体流量、送粉方式和速度、粉末性质(粒度分布、形貌和密度)以及金属基体的粗糙度等。对于不同的喷涂设备、粉末和金属基体,必须确定一套优化的喷涂参数才能得到高质量的涂层。大气等离子喷涂设备相对简单,涂层制备速度快(数分钟到十余分种即可完成)、沉积效率高,尤其在大面积和厚涂层制备如燃气轮机的燃烧室和喷火管等方面有很强的竞争优势。陶瓷涂层内存在大量微孔,这些微孔能降低涂层的热导率、提高陶瓷涂层的抗热震性能。当陶瓷涂层内的孔隙率在15%左右时,热防护涂层的抗热震性能最好。有些孔隙之间是相互联通的,腐蚀物透过这些孔隙将内部的金属基体腐蚀。因此,如果要提高热防护涂层的抗腐蚀能力,还必须对其进行封孔处理。

二、热防护涂层材料

性能最好的陶瓷涂层材料是稀土复合氧化物YSZYttria Stabilized ZirconiaZrO2。稀土复合氧化物的热导率1.7 W×m-1×K-11000,体材料);YSZ的热导率为2.1 W×m-1×K-11000,体材料),制备成涂层后可以降低到1.2 W×m-1×K-11000,涂层)以内。稀土复合氧化物涂层的瞬间耐热温度在2000以上,长时间的使用温度可以达到1250100mm厚的涂层可以隔热120左右。该材料还具有非常优秀的抗热冲击性能,即突然加热到高温然后突然冷却也不脱落。Al2O3的热导率为5.8 W×m-1×K-11000,体材料)制备成涂层后可以降低到3.0 W×m-1×K-11000,涂层)以内,100mm厚的涂层可以隔热30左右。Al2O3涂层的性能比YSZ差,后者价格比前者便宜很多、涂层制备也简单。

本项目采用的陶瓷涂层原材料有:YSZLa2O3ZrO2CeO2Al2O3MgO纯度都99.5%

金属粘结层材料采用MCrAlYM=NiCo)高温合,粒度45~100mm,各元素的含量是:Ni(余量),Co22~24%),Cr19~21%),Al7.5~8.5%),Y0.4~0.8%),Ta和其它微量元素(3.5~5.5%)。

三、热防护涂层的制备过程及主要仪器设备

1热防护涂层的制备过程

金属基体表面喷砂粗糙化;

用等离子喷涂的方法在金属基体表面制备金属粘结层;

用等离子喷涂的方法在金属粘结层基体表面制备陶瓷涂层。

2主要仪器设备

陶瓷材料制备设备:高温炉(国产),球磨机(国产),筛分仪(德国Retzsch),陶瓷粉末球化设备(喷雾干燥仪,国产)

陶瓷和金属粘结层制备设备:等离子喷涂仪(瑞士SulzerMetco

四、热防护涂层的基本性能

1、应用领域:起隔热、耐磨和抗腐蚀作用

1火焰3000强烈微粒冲刷速度5Mach1.5s火焰3000无冲刷,30s火焰2200微粒冲刷较弱,15s火焰2000无冲刷,1500s

(2)如果涂层背部没有冷却,当火焰2000时,120s之内涂层表面和背部的热扩散将达到平衡,隔热温度在200~300之间(涂层厚度300mm

3如果使用时间超过120s,涂层背部需要冷却。

2、基本性能

1热导率

所有热防护涂层在1000的热导率都低于3.0W×m-1×K-1。特别是LZC涂层,其1000的热导率仅0.493W×m-1×K-1100%致密体的热导率仅0.893W×m-1×K-1,这是目前所有热防护涂层中热导率最低的。

2硬度

显微硬度即维氏硬度Hv= 4.93 ± 0.70GPa503 ± 69DPN),相当于洛氏硬度49.3HRC

3结合强度

涂层与金属基体之间的结合强度为³35MPa(碳钢基体)、12MPa(铝合金基体)。

4)表面粗糙度

热防护涂层表面的粗糙度Ra6~10mm(光洁度3~4级),涂层表面依次经过150目、800目和1200目砂纸抛光后,粗糙度Ra降低到2.1±0.6mm(光洁度5~6级)

5)抗弯曲性能

    当钢基体涂层变形达到13.9°时(解除压力后,变形角度恢复到10.0°),涂层的反面出现微裂纹,裂纹宽度在5~10mm之间。在涂层样品变形过程中,样品正面(即施加压力的那一面)的陶瓷涂层发生挤压而粉碎,但没产生裂纹。铝合金基体热防护涂层的极限抗弯角度为10.0°

6盐雾腐蚀性能

盐雾腐蚀的实验条件:温度35,盐雾溶液含食盐5wt%,盐雾沉降量1~2ml×h-1,试验时间120h,执行标准GB-6458,未发现有腐蚀现象

7机械加工性能

可进行简单机械加工,如钻孔、焊接、铣,抗撞击。