一種高壽命耐氧化熱障涂層材料及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于熱障涂層表面處理及改性【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種高壽命耐氧化熱障涂層材料及其制備方法。該涂層材料，包括高溫合金基體、金屬粘結(jié)層、細(xì)晶重熔層和陶瓷面層。本發(fā)明還公開(kāi)了一種高壽命耐氧化熱障涂層材料的制備方法：高溫合金基體經(jīng)過(guò)預(yù)磨、清洗、噴砂粗化處理后利用等離子噴涂的方法在基體表層沉積金屬粘結(jié)層，然后利用強(qiáng)流脈沖電子束設(shè)備對(duì)金屬粘結(jié)層進(jìn)行重熔處理；對(duì)重熔層最表層進(jìn)行噴砂處理后，最后利用等離子噴涂方法在重熔層表層沉積陶瓷面層。本發(fā)明所制備的高壽命耐氧化熱障涂層材料界面結(jié)合力好，組織成分均勻，在高溫使用環(huán)境中具有穩(wěn)定的耐氧化性能及較長(zhǎng)的涂層使用壽命。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種高壽命耐氧化熱障涂層材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于熱障涂層表面處理及改性【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種高壽命耐氧化熱障涂層材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)膺M(jìn)口溫度和效率不斷提高，而現(xiàn)有的高溫合金和冷卻技術(shù)已無(wú)法滿足這一需求，目前國(guó)際上通用的最為有效、經(jīng)濟(jì)和可行的方法是在工件噴涂具有高溫氧化和絕熱功能的熱障涂層(TBCs)材料，以此來(lái)保護(hù)葉片等高溫部件免受高溫度的侵蝕，增加燃?xì)廨啓C(jī)功率，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。
[0003]TBCs是由陶瓷氧化物和具有抗高溫氧化性能的中間層組成的一種熱防護(hù)系統(tǒng)；目前實(shí)際應(yīng)用的典型航空用TBCs大都采用雙層結(jié)構(gòu):起隔熱作用的陶瓷面層(TC)和改善基體與陶瓷層物理相容性的金屬粘結(jié)層(BC);熱障涂層的制備方法有多種，例如激光熔覆、超音速火焰噴涂(HV0F)、大氣等離子噴涂(APS)、電子束物理氣相沉積(EB-PVD)等；其中，大氣等離子噴涂由于具有較高的噴涂沉積效率及結(jié)合強(qiáng)度、低的材料要求、良好的經(jīng)濟(jì)效益、簡(jiǎn)易的工藝過(guò)程等優(yōu)點(diǎn)，是目前民航發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層的主要制備方法。
[0004]在實(shí)際應(yīng)用中，由于TBCs在強(qiáng)烈的高溫氧化和腐蝕的惡劣環(huán)境中服役，并且承受頻繁的冷熱循環(huán)沖擊，所以其使用壽命非常有限，容易發(fā)生涂層開(kāi)裂、剝離、脫落等形式的失效，而且主要發(fā)生在化學(xué)組成和物理性能陡變的金屬粘結(jié)層和陶瓷層的結(jié)合界面上；由等離子噴涂制備的熱 障涂層具有以下缺點(diǎn):涂層疏松多孔且涂層成分不均勻，表面粗糙度較大；因此，在高溫環(huán)境中，外界氧元素向陶瓷層和金屬粘結(jié)層快速擴(kuò)散，形成所謂的熱生長(zhǎng)氧化物TGO ;由于等離子噴涂制備的涂層表面疏松多孔，因此在涂層界面處很難形成連續(xù)致密的TGO保護(hù)膜，并且隨著氧化反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，過(guò)渡層中的Al逐漸貧化，粘結(jié)層內(nèi)的N1、Cr、Co等元素則會(huì)形成具有尖晶石結(jié)構(gòu)的大顆粒氧化物，形成較大的生長(zhǎng)應(yīng)力，進(jìn)而在涂層界面和TGO層內(nèi)部萌生裂紋，最終導(dǎo)致涂層過(guò)早失效。
[0005]鑒于以上技術(shù)問(wèn)題考慮，本發(fā)明公開(kāi)了一種高壽命耐氧化熱障涂層材料及其制備方法；這種涂層材料主要分為三層:金屬粘結(jié)層、細(xì)晶重熔層、陶瓷層；這種涂層材料在陶瓷層與粘結(jié)層界面處引入一層重熔層，并且對(duì)該重熔層進(jìn)行噴砂處理，進(jìn)一步粗化最表層結(jié)構(gòu)，能夠更好的實(shí)現(xiàn)陶瓷層與粘結(jié)層之間的機(jī)械結(jié)合；此外，該重熔層組織成分均勻，具有超細(xì)的晶體結(jié)構(gòu)，在高溫氧化環(huán)境中，能夠加速Al元素的選擇性氧化，促使涂層在很短的時(shí)間內(nèi)快速形成連續(xù)致密的氧化膜，從而使非受控的TGO生長(zhǎng)按照預(yù)想的模式生長(zhǎng)，進(jìn)而有效地提高涂層的抗氧化性能，是一種理想的高壽命耐氧化熱障涂層材料。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]為了解決【背景技術(shù)】中存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種高壽命耐氧化熱障涂層材料及其制備方法；通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備方法設(shè)計(jì)，解決了離子噴涂方法制備涂層時(shí)粘結(jié)層表面疏松多孔，界面處難以獲得連續(xù)致密的TGO保護(hù)膜，導(dǎo)致涂層容易開(kāi)裂、翹曲和脫落等問(wèn)題，具有較強(qiáng)的高溫耐氧化性能，提高了熱效率，延長(zhǎng)了使用壽命。
[0007]本發(fā)明提出的一種高壽命耐氧化熱障涂層材料，包括金屬基體，在所述的金屬基體表面形成金屬粘結(jié)層，在所述的金屬粘結(jié)層表面形成組織均勻的細(xì)晶重熔層，在所述的細(xì)晶重熔層表面形成陶瓷面層。
[0008]所述的粘結(jié)層及陶瓷層均采用等離子噴涂方法獲得，所述的細(xì)晶重熔層采用強(qiáng)流脈沖電子束重熔技術(shù)制備而成。
[0009]所述金屬基體優(yōu)選采用鎳基高溫合金，先采用噴砂粗化處理后再沉積金屬粘結(jié)層。
[0010]所述等離子噴涂制備的金屬粘結(jié)層采用MCrAlY，其中；M:Co、Ni或Co+Ni，為常規(guī)技術(shù)選擇，厚度在15(T200iim之間。
[0011]所述強(qiáng)流脈沖電子束制備的細(xì)晶重熔層表面光滑致密，重熔層厚度在IOlOil m之間。
所述細(xì)晶重熔層最表層先采用噴砂粗化處理后再沉積陶瓷面層。
[0012]所述等離子噴涂制備的陶瓷面層優(yōu)選采用質(zhì)量百分含量為6%~8% Y2O3穩(wěn)定的ZrO2，厚度在 20(T300iim 之間。
[0013]本發(fā)明中，上述公開(kāi)的高壽命耐氧化熱障涂層材料與現(xiàn)有制備技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):利用電子束對(duì)等離子噴涂方法制備的金屬粘結(jié)層表面進(jìn)行重熔處理，涂層表面形成均勻致密的重熔層，厚度可達(dá)幾十微米；該層重熔層組織細(xì)化、均勻，在氧化前期能夠快速形成TGO保護(hù)膜，從而有效抑制了其他元素的擴(kuò)散，提高了涂層的抗氧化性能，減小了循環(huán)熱應(yīng)力的廣生，有效提聞了涂層的使用壽命。
[0014]本發(fā)明還提出了一種高壽命耐氧化熱障涂層材料的制備方法，技術(shù)方案如下:
(1)對(duì)高溫合金基體,例如發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等部件,進(jìn)行預(yù)磨、清洗、噴砂粗化處理；
(2)利用等離子噴涂的方法在粗化處理后的高溫合金基體表面沉積金屬粘結(jié)層，完成金屬粘結(jié)層的制備；
(3)對(duì)制備好的金屬粘結(jié)層進(jìn)行脈沖電子束轟擊處理，實(shí)現(xiàn)金屬粘結(jié)層表面重熔，完成細(xì)晶重熔層的制備；
(4)對(duì)制備好的細(xì)晶重熔層最表層進(jìn)行噴砂粗化處理，提高其表層粗糙度；
(5)利用等離子噴涂的方法在粗化后的細(xì)晶重熔層表面沉積陶瓷面層，完成熱障涂層的制備。
[0015]所述步驟(1)中采用的噴砂材料為5(T200目剛玉，噴砂壓強(qiáng)為0.2^0.5MPa，噴砂距離為100~150mm。
[0016]所述步驟(2)中采用的等離子噴涂技術(shù)為，大氣等離子噴涂技術(shù)，選擇電壓為30~40V，電流為70(T800A，噴槍速率為40(T500mm/s，噴涂距離為70~100臟。
[0017]所述步驟(3)中采用的HCPEB重熔技術(shù)，選擇真空度P≤8X10_3 Pa，電子束能量為2(T40KeV，能量密度為4~20J/cm2，轟擊次數(shù)為5~50次，靶源距離15~20cm。
[0018]所述 步驟(4)中采用的噴砂材料為5(Tl00目剛玉，壓強(qiáng)為0.2^0.5MPa，噴砂距離為100~150臟。
[0019]所述步驟(5)中采用的等離子噴涂技術(shù)為，大氣等離子噴涂技術(shù)，選擇電壓為35~45V，電流為80(T900A，噴砂速率為20(T300mm/s，噴涂距離為70~100臟。[0020]本發(fā)明所制備的高壽命耐氧化熱障涂層材料具有均勻的涂層界面，增強(qiáng)了界面結(jié)合力，有效控制了 TGO的形成與生長(zhǎng)，緩解了界面應(yīng)力，有效提高了涂層的使用壽命和抗氧化性能。
[0021]
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是本發(fā)明中一種高壽命耐氧化熱障涂層材料截面掃描電鏡(SEM)圖；
圖2是圖1中熱障涂層材料等溫氧化200h后截面SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合具體實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0024]實(shí)施例1:
(I)熱障涂層的制備:
S1、對(duì)高溫合金基體進(jìn)行預(yù)磨、清洗、噴砂粗化處理；根據(jù)噴砂設(shè)備的技術(shù)要求選擇噴砂材料為60目白剛玉,壓強(qiáng)為0.4MPa,噴砂距離為120mm。
[0025]S2、利用大氣等離子噴涂的方法在粗化處理后的高溫合金基體表面沉積金屬粘結(jié)層Co23Crl3A10.5Y，完成金屬粘結(jié)層的制備，粘結(jié)層厚度為160 u m ;根據(jù)大氣等離子噴涂設(shè)備要求，選擇選擇電壓 為38V，電流為750A，噴槍速率為450mm/s，噴涂距離為85mm。
[0026]S3、對(duì)制備好的金屬粘結(jié)層進(jìn)行HCPEB轟擊處理，完成細(xì)晶重熔層的制備；根據(jù)HCPEB設(shè)備的技術(shù)要求選擇電子束能量為27KeV，能量密度為4J/cm2，靶源距離為15cm，對(duì)試樣進(jìn)行10、20及30次輻照處理。
[0027]S4、對(duì)制備好的細(xì)晶重熔層最表層進(jìn)行噴砂粗化處理，提高其表層粗糙度；根據(jù)噴砂設(shè)備的技術(shù)要求選擇噴砂材料為60目白剛玉，噴砂壓強(qiáng)為0.3MPa，噴砂距離為120mm。
[0028]S5、利用大氣等離子噴涂的方法在粗化后的重熔層表面沉積8% Y2O3穩(wěn)定的ZrO2陶瓷面層，完成熱障涂層的制備，陶瓷面層厚度在240 u m ;根據(jù)大氣等離子噴涂設(shè)備要求，選擇電壓為39V，電流為860A，噴槍速率為250mm/s，噴涂距離為72mm。
[0029](2)高溫氧化性能測(cè)試
56、將制備好的熱障涂層置于封閉的箱式熱處理爐內(nèi)，在常壓靜態(tài)空氣氛圍中1050°C下等溫氧化200h。
[0030](3)熱循環(huán)性能測(cè)試
57、將制備好的熱障涂層置于封閉的箱式熱處理爐內(nèi)，在常壓靜態(tài)空氣氛圍中1050°C下保溫20min后取出，利用壓縮空氣冷卻lOmin，該過(guò)程記為一次熱循環(huán)，共記200次熱循環(huán)。
[0031 ] 對(duì)熱障涂層截面進(jìn)行SEM觀察。結(jié)果顯示，不同脈沖次數(shù)轟擊處理后，界面處重熔層厚度隨轟擊次數(shù)的增加而增厚，重熔層與陶瓷層界面結(jié)合完好，無(wú)孔洞裂紋等微觀缺陷出現(xiàn)。
[0032]對(duì)熱障涂層高溫氧耐化性能進(jìn)行測(cè)試。在1050°C下的靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn)顯示，在陶瓷層與重熔層界面處，TGO為一條連續(xù)、均勻且致密的氧化膜結(jié)構(gòu)，僅有少量的Cr、Co氧化物出現(xiàn)，并且隨著轟擊次數(shù)的增加TGO厚度不斷減小。[0033]對(duì)熱障涂層熱循環(huán)性能進(jìn)行測(cè)試；鑒于目前對(duì)抗熱震性能尚未有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)，本案例則對(duì)比最常用的雙層熱障涂層來(lái)判斷該案例涂層熱震性能的提高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，200次熱循環(huán)后，原始雙層涂層表面氧化膜脫落超過(guò)20%，宣告失效；本案例提出的三層涂層表面氧化膜僅有少部分脫落，10次轟擊后制備的涂層脫落面積不超過(guò)10%，20次轟擊后制備的涂層脫落面積不超過(guò)5%，30次轟擊后制備的熱障涂層表面完好無(wú)損。
[0034]實(shí)施例2
同實(shí)施例1，僅改變步驟S3中電子束參數(shù)，根據(jù)HCPEB設(shè)備的技術(shù)要求選擇電子束能量為21.6,23.4及27KeV，能量密度為4J/cm2，對(duì)金屬粘結(jié)層進(jìn)行30次輻照處理。
[0035]對(duì)熱障涂層截面進(jìn)行SEM觀察。結(jié)果顯示，不同脈沖能量轟擊處理后，界面處重熔層厚度隨轟擊能量的增加而增厚，重熔層與陶瓷層界面結(jié)合完好，無(wú)孔洞裂紋等微觀缺陷出現(xiàn)。
[0036]對(duì)熱障涂層高溫氧耐化性能進(jìn)行測(cè)試。在1050°C下的靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn)顯示，在陶瓷層與重熔層界面處，TGO為一條連續(xù)均勻且致密的氧化膜結(jié)構(gòu)，并且隨著轟擊能量的增加TGO厚度不斷減小。
[0037]對(duì)熱障涂層高熱循環(huán)性能進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，200次熱循環(huán)后，原始雙層涂層表面氧化膜脫落超過(guò)20%，宣告失效；本案例提出的三層涂層表面氧化膜僅有少部分脫落，低能量21.6KeV與中能量23.4KeV制備的熱障涂層脫落面積不超過(guò)5%，高能量27KeV制備的熱障涂層表面 完好無(wú)損。
[0038]實(shí)施例3
同實(shí)施例1，僅改變步驟S2中金屬粘結(jié)層的成分，利用大氣等離子噴涂的方法在粗化處理后的高溫合金基體表面沉積金屬粘結(jié)層Ni21Co32Cr8A10.5Y，完成金屬粘結(jié)層的制備。
[0039]對(duì)熱障涂層截面進(jìn)行SEM觀察。結(jié)果顯示，不同脈沖次數(shù)轟擊處理后，界面處重熔層厚度隨轟擊次數(shù)的增加而增厚，重熔層與陶瓷層界面結(jié)合完好，無(wú)孔洞裂紋等微觀缺陷出現(xiàn)。
[0040]對(duì)熱障涂層高溫氧耐化性能進(jìn)行測(cè)試。在1050°C下的靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn)顯示，在陶瓷層與重熔層界面處，TGO為一條連續(xù)均勻且致密的氧化膜結(jié)構(gòu)，僅有少量的N1、Cr、Co混合氧化物出現(xiàn)，并且隨著轟擊次數(shù)的增加TGO厚度不斷減小。
[0041]對(duì)熱障涂層高熱循環(huán)性能進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，200次熱循環(huán)后，原始雙層涂層表面氧化膜脫落超過(guò)20%，宣告失效；本案例提出的三層涂層表面氧化膜僅有少部分脫落，10次和20次轟擊處理后脫落面積不超過(guò)5%，電子束30次轟擊制備的熱障涂層表面完好無(wú)損。
[0042]實(shí)施例4
同實(shí)施例1，僅改變步驟S2中金屬粘結(jié)層的成分，利用大氣等離子噴涂的方法在粗化處理后的高溫合金基體表面沉積金屬粘結(jié)層Ni21Co32Cr8A10.5Y，完成金屬粘結(jié)層的制備。
[0043]對(duì)熱障涂層截面進(jìn)行SEM觀察；結(jié)果顯示，不同脈沖次數(shù)轟擊處理后，界面處重熔層厚度隨轟擊次數(shù)的增加而增厚，重熔層與陶瓷層界面結(jié)合完好，無(wú)孔洞裂紋等微觀缺陷出現(xiàn)。
[0044]對(duì)熱障涂層高溫氧耐化性能進(jìn)行測(cè)試；在1050°C下的靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn)顯示，在陶瓷層與重熔層界面處，TGO為一條連續(xù)均勻且致密的氧化膜結(jié)構(gòu)，并且隨著轟擊次數(shù)的增加TGO厚度不斷減小。
[0045]對(duì)熱障涂層高熱循環(huán)性能進(jìn)行測(cè)試；實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，200次熱循環(huán)后，原始雙層涂層表面氧化膜脫落超過(guò)20%，宣告失效；本案例提出的三層涂層表面氧化膜僅有少部分脫落，低能量21.6KeV與中能量23.4KeV制備的熱障涂層脫落面積不超過(guò)5%，高能量27KeV制備的熱障涂層表面完好無(wú)損。
[0046]在實(shí)施例1-4中獲得的熱障涂層材料具有三層結(jié)構(gòu)，分別為陶瓷層、細(xì)晶重熔層、金屬粘結(jié)層，其截面形貌如圖1所示；圖1是高壽命耐氧化熱障涂層截面SEM分析圖；圖2為圖1中熱障涂層材料等溫氧化200h后截面SEM圖；結(jié)果顯示，這種復(fù)合技術(shù)制備而成的熱障涂層界面結(jié)合得到明顯提高，細(xì)晶重熔層厚度在10-40 μ m之間，其利于TGO的形成與生長(zhǎng)。這種熱障涂層具有良好的高溫耐氧化性能及較長(zhǎng)的使用壽命。
【權(quán)利要求】
1.一種高壽命耐氧化熱障涂層材料，包括高溫合金基體，其特征在于，在所述高溫合金基體表面形成金屬粘結(jié)層，在所述的金屬粘結(jié)層表面形成組織均勻的細(xì)晶重熔層，在所述的細(xì)晶重熔層表面形成陶瓷面層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壽命耐氧化熱障涂層材料，其特征在于:所述金屬粘結(jié)層及陶瓷層均采用等離子噴涂方法獲得，所述的細(xì)晶重熔層采用強(qiáng)流脈沖電子束重熔技術(shù)制備而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高壽命耐氧化熱障涂層材料，其特征在于:所述等離子噴涂制備的金屬粘結(jié)層采用MCrAH，M為Co、Ni或Co+Ni，涂層厚度在150-200 y m之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高壽命耐氧化熱障涂層材料，其特征在于:強(qiáng)流脈沖電子束制備的細(xì)晶重熔層厚度在10-40 iim之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高壽命耐氧化熱障涂層材料，其特征在于:等離子噴涂制備的陶瓷面層采用質(zhì)量百分含量為6%~8% Y2O3穩(wěn)定的ZrO2,厚度在200-300 y m之間。
6.一種高壽命耐氧化熱障涂層材料的制備方法，其特征在于::包括下述步驟: (1)對(duì)高溫合金基體進(jìn)行預(yù)磨、清洗、噴砂粗化處理； (2)利用等離子噴涂的方法在粗化處理后的高溫合金基體表面沉積金屬粘結(jié)層，完成金屬粘結(jié)層的制備； (3)對(duì)制備好的金屬粘結(jié)層進(jìn)行HCPEB轟擊處理，實(shí)現(xiàn)金屬粘結(jié)層表面重熔，完成細(xì)晶重熔層的制備； (4)對(duì)制備好的細(xì)晶重熔層最表層進(jìn)行噴砂粗化處理，提高其表層粗糙度； (5)利用等離子噴涂的方法在粗化后的細(xì)晶重熔層表面沉積陶瓷面層，完成熱障涂層的制備。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高壽命耐氧化熱障涂層材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中采用的噴砂材料為5(T200目剛玉，壓強(qiáng)為0.2^0.5MPa，噴砂距離為100~150mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高壽命耐氧化熱障涂層材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中采用的等離子噴涂技術(shù)為大氣等離子噴涂技術(shù)，選擇電壓為3(T40V，電流為70(T800A，噴槍速率為40(T500mm/s，噴涂距離為70~100臟。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高壽命耐氧化熱障涂層材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中采用的HCPEB重熔技術(shù)，選擇真空度P≤8X10_3 Pa，電子束能量為2(T40KeV，能量密度為4~20J/cm2，轟擊次數(shù)為5~50次，靶源距離為15~20cm。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高壽命耐氧化熱障涂層材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)中采用的噴砂材料為5(T100目剛玉，壓強(qiáng)為0.2^0.5MPa，噴砂距離為100~150mm。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高壽命耐氧化熱障涂層材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(5)中采用的等離子噴涂技術(shù)為大氣等離子噴涂技術(shù)，選擇電壓為35~45V，電流為80(T900A，噴槍速率為20(T300mm/s，噴涂距離為70~100臟。
【文檔編號(hào)】C23C4/10GK103789715SQ201410046125
【公開(kāi)日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年2月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月10日
【發(fā)明者】關(guān)慶豐, 蔡杰, 楊盛志, 侯秀麗, 王曉彤, 李艷 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)