纳米锆酸镧团聚体特性及等离子涂层性能的研究.pdf

’3 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 纳米锆酸镧团聚体特性及等离子涂层性能的研究 赵晓东，谢建刚，曾克里，于胃光 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 攘要采懋嚷雾手漂法麓备 续寒镑酸壤爨聚体粉寒，采震大气簿蹇子囔涂裁套 绫寒镑酸键涂麓，势 餍扫描电镜和X R D 对涂屡鹣微观组织结梅进彳彳了研究。结皋淡臻喷雾予漂法毹备的缡米L a 2 Z r z O r 团聚体，靛度接近正态分布。流动性好，松装密度较大．采用大气簿离子喷涂制备纳米锆酸镧涂层中存 在一定量的孔隙和微裂纹，剃于隔热。纳米错酸镧热障涂层在14 7 3 K 烧蚀8h 后的相结构稳定。 关键词镑酸镧；缡米团聚体 等离子唼涂；热障涂层 牵鋈分类器T G l 7 4 。毒文簸标谖璃A文章缓号l O 7 7 5 4 5 1 2 0 0 8 ；弱一0 0 3 4 - - 0 4 S t u d yo nt h eP r o p e r t i e so fN a n o - - a g g l o m e r a t e d P o w d e r so fL a 2 Z r 20 7a n dI t sT B C s Z H A OX i a o - d o n g ，X I EJ i a n - g a n g ，Z E N GK e l i ，Y UY u e - g u a n g B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C K n a A b s t r a c t W i t ht h en a n o s t r u c t u r e da g g l o m e r a t e dp o w d e r so fL a 2Z r 20 7m a d eb ys p r a yd r y i n gf i r s t l y ，t h e 纛纛热o s t f 醢e 圭珏r e dc o a t i n g sw e r ep r e p a r e db ya t m o s p h e r i cp l a s m as p r a y e d A P S s u b s e q u e n t l y ．T h em i c r o s t r u c t u r e sw e r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e db yS E Ma n dX R D 。T h er e s u l t ss h o wt h a tt h en a n o s t r u e t u r e dl a n t h a - n u mz i r c o n a t ec o a t i n g sw e r et y p i c a ll a m e l l a rs t r u c t u r e ．Al a r g eq u a n t i t yo fh o m o g e n e o u sd i s t r i b u t e df i n e p o r e si Sf o r m e di nt h en a n o s t r u c t u r e dz i r c o n i ac o a t i n g ．A f t e ra b l a t i o na t14 7 3 Kf o r8h ，n oa p p a r e n tp h a s e t r a n s f o r m a t i o nw a so b s e r v e di nl a n t h a n u mz i r c o n a t ec o a t i n g ． K e y w o r d s L a n t h a n u mz i r c o n a t e ；N a n o s t r u c t u r e da g g l o m e r a t e d ；P l a s m as p r a y i n g ；T B C s 应用于航空发动机热端部件 涡轮叶片、一级喷 嚏、火焰筒、过渡段落 上的热障涂层 t h e r m a lb a r r i e rc o a t i n g s T B C s ，麓有效缝保护基俸合金受受 高温热流的冲刷与腐蚀，可显著地提高发动机的实 际操作温度，延长篡使用寿命。常见的热障涂层系 统为双层结构，丑p 由金属粘结层朔陶瓷涂层组成。 金属糙结篡鳇主要戎分是醚C r A l 其中M N i ， C o ，金属秸结层隽基俸舍金提供一定的抗环境腐 蚀 氧化 能力。陶瓷涂层为Y S Z 8 ％Y 0 。部分稳 定的Z r O 涂层。但氧化锫热障涂层在高温应用 对，遇到了楣变等因素造成的阻力。两乙a Z r Q 熔 点赛 24 0 0 ℃ ，熔基羧下无稷交，热导率糅予Y S Z L a 2 Z r 0 7 的导热系数为1 ．5 6W ／ m K ，7 Y S Z 作者简介赵晓东 1 9 7 9 一 ，男，安徽濉澳人，硕士． 的导热系数为2 ．3W ／ m K [ 1 _ 2 ] ，具有热稳定性 和化学稳定性好等优点，它几乎满足热障涂层材料 鳇爨有要求，残隽热障涂溱耪料研究的热赢【3 _ 】。 一些实验研究表明，搿材辩尺寸达到纳米级对， 由于晶粒尺寸效应和晶界的存在，材料的力学、电 学、热物理等性能将得到不同程度的提高[ 5 ] 。这些 特征对改善热障涂层的性髓积可靠性起到良好俸 蔫。缡米L a Z r 2 0 ，粉采由予比表面积穴、表面能 高，流动性极差，不适合赢接作为喷涂材料使用。本 文采用喷雾干燥法制备纳米L a z Z r O ，嗣聚粉末材 料 即缡米己a Z r O ，团聚体 ，作为喷涂喂料，采用 大气等离子囔涂靛备纳米锆酸锈热障涂层。续米 L a 2 Z r z O ，粉末的制备方法为溶胶一凝胶法H j 。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 3 5 l试验过程 1 ．1 纳采镑馥镧团聚体翱备王艺 本文采用喷雾干燥法制备纳米锆酸镧团聚体， 工艺流程见豳1 。 流动性” G B l 4 8 2 ～8 4 测定纳米锆酸镧团聚体的流 动性。 涂层的微观缀织和形貔在疆l 零A e } { lS 一3 5 0 0 型扫描电镜上进行。实验用S H I M A D Z U 一6 0 0 0 越 X 射线衍射仪进行物性分析，管压4 0k V ，石墨单色 器，管流3 0 m A ，C u K e 靶 波长为0 ．1 5 4 0 6r i m ，熬 接范醒2 舀～1 0 0 。 。涂屡的蕊热性撮据国军称 G J B l 2 0 ．1 9 1 E l l 激光脉冲法测定。 2 结果与讨论 2 ．1 皱寒镑鼗镧翻聚体豹棠规物理性能 原始锫酸镧纳米晶体的合成方法为溶胶一凝胶 法，其一次粒径大小为4 0 ～8 0n m E 们。喷雾干燥法 制备的纳米L a 。Z 如O ，团聚体粒度在O ～1 0 0 肚m 阀 近予正态分布 0 ．0 8m m0 ．2 ％，一O ．0 8m m ～ 0 。0 6 1 m m6 8 ％，一0 ．0 6 1 m m ～ 0 。0 4 3m m 3 1 ．8 ％。 粉末的形貌赢接影响着粉末的流动性和松装密 度。取一O ．0 8m m 0 ．0 6 1 r a m 造粒后中的颗糠 观察，萁形貌霓匿2 。莓泼看窭暖雾干澡法懿备戆 纳米锫酸镧团聚体为球形，平均粒径约为7 0 , u m 。 兰结层喷毫三苎篓，耋参数为竺要1 5 _ 1 4 、煤油篓 图2装L a z z r 2 伤团聚嚣 量2 2L ／h 、璞涂距离3 5 0m m 、送粉3 6 2g ／m i n ，送 一 ．。，～～。⋯⋯ 2 芏燃孑墨之掣M 。P 。a 嚣錾登笼等 F 羹三桊p 漏h 斗o l o 法g i e 测s 定o f 粉a g 末g l o 流m 洲e r a t e d 。p G o B w 瑚d e r 2 一 技术参数机黧甜2 竺氩气流爨3 8u ㈣菇豢；磊磊赢藁豢荔磊某磊薹嘉淼；簇。 m 蹬i n 薯．糍。，J ，J 篓凳羹漉量1 ⋯4L ／m ⋯i n , ；i 蝴⋯磊≤磊二焉．0 6 ～1m 8 一m - - - “ 卜0 ”．”0 ”4 3 ”r a ”m “, 荔差芸羹瑟 竺量三‘暖5 彰聪瓢送鍪萎离sm m 虻廿要涂题譬如。 装密度僻臁惜瑚1 ．2 3 。g ／c m a , 流动速度8 9 ．i 7 1s ／磊。哥’夏喜7 5 m m 、电压 “ - - 7 6V 、电流6 2 5A 、阳极6m m 。 ”。⋯一“⋯’⋯～”．。．一” 万方数据 3 6 有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 曾经报道的锆酸镧纳米晶体相结构一致。 图3纳米L a 2 Z r 20 7 团聚体X R D 图谱 F i g ．3X R Dp l a t eo fN a n o - - L a z Z r zo ， a g g l o m e r a t e dp o w d e r 2 ．2 涂层的微观组织结构 图4 为采用大气等离子喷涂制备的纳米锆酸镧 热障涂层体系的微观组织与结构。由图4 a 可以看 出，底层和面层也有良好的结合，在界面可看到部分 面层L a z Z r z O ，和底层M C r A l Y 互相交叉结合在一 起，形成犬牙交错的结合面。这种结合对提高底层／ 面层之间的结合强度，抵抗面层的剥落是有利的。 进一步研究发现涂层中存在一定量的孔隙和微裂 纹，这对降低传热，增加隔热效果是有利的。图4 b 为采用纳米锆酸镧涂层表面的微观结构。由高倍表 面S E M 照片研究发现，小于1 0 0a m 的纳米 L a 2 Z r 2 0 ，颗粒清晰可见。 图4 涂层微观组织与形貌 F i g ．4M o r p h o l o g i e so fN a n o - - L a Z r z 0 7T B C s 2 ．3 涂层的隔热性 试验根据国军标 G J B l 2 0 ．1 9 1 测定了涂层 的热扩散率。然后公式 1 计算得到的锆酸镧热障 涂层的热导率。 入一p a C 。 1 式中，x 一热导率，W ／ m K ；a 一热扩散率， m 2 ／s ；p 一密度，k g ／m 3 ；C ，一定压比热容，k J ／k g K 。 表1 是根据公式 1 计算得到的热障涂层的热 导率。从表1 可以看出随着温度的升高，等离子喷 涂纳米L a Z r 2 0 ，涂层的热导率下降，而微米 L a 。Z r O ，涂层的热导率却是先降低再升高。因为 涂层的热导率直接影响到涂层的隔热性能，所以纳 米L a Z r O ，涂层在高温下有将会起到更好的隔热 效果，即纳米L a Z r O ，涂层的使用温度大大提高。 进一步研究发现，纳米L a Z r 2 0 ，涂层比微米 L a 。Z r O ，涂层和纳米Z r O 涂层的热导率低。比如 在14 7 3 K 时，纳米L a Z r 0 ，涂层的热导率约为微 米L a Z r O ，涂层热导率的6 8 ％，即降低了3 2 ％。 这说明在14 7 3 K 下纳米L a Z r 2 0 ，热障涂层将起到 较好的隔热效果。 表1 不同温度下的涂层热导率 T a b l e1T h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fT B C su n d e rd i f f e r e n tt e m p e r t u r e ／ W m _ 1 K - 1 纳米L a 2 Z r 2 0 7 涂层 1 2 3 平均 2 ．3 8 2 ．3 6 2 ．3 7 Z ．3 7 2 ．1 6 2 ．1 4 2 ．1 5 2 ．1 4 1 ．6 0 1 ．6 4 1 ．6 5 1 ．6 3 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊3 7 2 ．4 涂层的高温稳定性 图5 为涂层l4 7 3 K 烧蚀8h 前后的X R D 图。 分辊结果表鞠，涂层浇蚀前磁裙结构稳定不燮，玛与 J C P D F 卡片中的L a 2 Z r 2 0 ，衍射图一一对应，并且 3结论 ▲ 烧蚀前 由图可以看出烧蚀后的衍射峰更加尖锐，说明涂层 中缡米晶粒迸一步熊长。这与澍乐公式诗算结果一 致，帮涂层浇馕翦睾蜂宽0 。5 9 2 、隧粒度2 0 ．7 2n m ； 涂鼷烧蚀后半峰宽0 ．4 4 9 、晶粒度3 2 ．5 3n m 。 ．耐， 一一九k ≈惫。。； 丽丽。面1 矛砀 2 03 04 05 06 0 7 08 0饼} 2 0 ／ 。 2 0 t 。 图5L 觏Z r 2 0 7 纳米涂滕X R D 衍射图 F i g 。5 X R Dp l a t eo fN a n o - - L a z Z r z 饶T B C s 1 在合适的工艺参数条件下，喷雾干燥法制备 了适合大气等离子囔涂用的缡米锆酸镧团聚俸。囔 涂前常规物遐性麓检测表嚼，喷雾干燥法糍备的纳 米L a z Z r 。0 ，团聚体，粒度接近正态分布，流动性好， 松装密度较大，有利于喷涂； ， 2 采熙大气等离子唆涂制备纳米锆酸镧涂层 中存在一定爨静孔隙裰骰裂纹，这零l 手涂屡的隔热。 纳米锫酸镧涂层热导率随漱度的升高而下降，利于 该涂层使用温度的进一步提高。并且岛微米 L a 2 Z r 2 0 ，涂层相比，纳米锚黢镧涂层热导率涂层的 热导率较低，如在l4 7 3K 约力微米L a 2 Z r z 0 ，涂层 热导率的6 8 ％，郎降低了3 2 ％； 3 纳米锆酸镧热障涂层在14 7 3 K 烧蚀8h 后 的相结构稳定。 参考文靛 [ 1 ] S t o v e rD ，G ．P r a c h tH ，L e h m a n n ，e ta 1 ．N e wM a t e r i a l C o n c e p t sf o rN e x tG e n e r a t o no fP 1 8 8 m a S p r a y e dT B i 涤 [ J ] ．I T S C ，2 0 0 3 1 4 5 5 1 4 6 2 ． [ 2 ] C a oXQ ，V e s s e nR ，S t o e v e rD ．C e r a m i cM a t e r i a l sf o r T h e r m a lB a r r i e rC o a t i n g s [ J ] ．j ．E u r ．C e r ．S o c ，2 0 0 4 ， 2 l l 1 0 。 [ 3 ] Z H A Ox - 培。一d o n g ，Z E N GK e l i ，X I Ej i a n g a n g 。 N a n o s t r u c t u r e dL a n t h a n u mZ i r c o n a t eC o a t i n ga n dI t s T h e r m a lS t a b i l i t yP r o p e r t i e s [ J ] ．J o u r n a lo fi r o na n ds t e e l r e s e a r c h i n t e r n a t i o n a l ，2 0 0 7 ，1 4 s u p p l e m e n t l 1 4 7 1 5 1 。 [ 4 ] C a oXQ ，V a s s e nR ，F i s c h e rW ，e ta 1 ．L a n t h a n u m - - c e r l u mo x i d ea sat h e r m a lb a r r i e r - c o a t i n gm a t e r i a lf o rh i g h t e m p e r a t u r ea p p l i c a t i o n s [ J ] - A d v ．M a t e r ．，2 0 0 3 ，1 5 1 7 1 4 3 8 1 4 4 2 。 I s ] 粱渡，丁传瑟。裁亿镑绣来等枣子浚绥豹缮梅毒热震稳 能研究[ J ] ．无机材料学报，2 0 0 6 ，2 1 1 2 5 0 - - 2 5 6 ． [ 6 ] 赵晓东，曾克里，谢建刚，等．溶胶一凝胶在合成中纳米 锚酸镧中的应用[ J ] 。有色金属 冶炼部分 增刊，2 0 0 7 S O l 一3 。 万方数据