一種高應變容限柱狀組織的熱障涂層的制備方法
【專利摘要】本發明公開一種高應變容限柱狀組織的熱障涂層的制備方法，該熱障涂層呈現帶有柱間孔隙的柱狀組織從而具有高應變容限。本制備方法在腔室氣壓10?5000Pa下，以含有單原子和/或原子團簇的涂層材料微粒子的混合束流為沉積源，對表面溫度維持或保溫在涂層材料熔點的0.2倍以上并放置在超過混合束流中涂層材料微粒子最小的自由程2倍以上的工件進行間歇性和/或連續性的沉積，制備得到帶有柱間孔隙的高應變容限柱狀組織的熱障涂層。與傳統熱障涂層相比，本發明制備的熱障涂層具備帶有柱間孔隙的高應變容限柱狀組織，能夠有效釋放因熱失配而產生的應力，提高應變容限，從而提高熱障涂層的使用壽命。
【專利說明】
一種高應變容限柱狀組織的熱障涂層的制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于材料領域，具體涉及一種熱障涂層的制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著航空航天、能源動力等行業的快速發展，在科學日漸發展的今天，這些行業對燃氣輪機的要求日益嚴格，要求其部件能在更高的工作溫度下長期服役，同時具備耐腐蝕、耐磨損等特性，更直接要求了燃氣輪機渦輪葉片需要有更好的耐高溫特性。目前，提高燃氣輪機葉片的工作溫度的方法主要有:葉片內部氣流冷卻技術、氣膜冷卻技術和熱障涂層。
[0003]熱障涂層具備低縱向熱導率、耐高溫性能好的特性，可以延緩和阻隔燃氣熱流量向高溫合金基體傳導，對燃氣輪機葉片進行高溫隔熱，從而降低葉片的工作溫度。目前，低熱導率的熱障涂層的運用可以提高燃氣溫度，即降低高溫合金葉片表面溫度，進而提高燃氣輪機的熱效率，并延長燃氣輪機葉片的使用壽命。
[0004]目前，熱障涂層的主要制備工藝有以下兩種:大氣等離子噴涂和電子束物理氣相沉積。大氣等離子噴涂制備的熱障涂層具備大量層間孔隙，縱向熱導率較低，制備成本低，但熱應力和熱應變能力差，使用壽命較短。而電子束物理氣相沉積制備的熱障涂層具備良好的帶有柱間孔隙的柱狀組織，熱應力和熱應變承受能力好，具備高應變容限，使用壽命長。研究表明，熱障涂層具備柱間孔隙的高應變容限柱狀組織是涂層熱應變承受能力好壽命長的主要原因。
[0005]然而，電子束物理氣相沉積制備的熱障涂層只能試用于平坦的平面工件，無法應用于結構復雜的工件。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種高應變容限柱狀組織的熱障涂層的制備方法，能夠使得熱障涂層具備帶柱間孔隙的高應變容限柱狀組織，從而能夠大幅度提高熱障涂層的使用壽命O
[0007]為達到上述目的，本發明采用的技術方案為:
[0008]—種高應變容限柱狀組織的熱障涂層的制備方法，利用含有單原子和/或原子團簇的涂層材料微粒子的混合束流，在溫度為0.2倍噴涂材料熔點以上的工件表面進行間歇性和/或連續性的沉積，在工件表面獲得高應變容限柱狀組織的熱障涂層。
[0009]進一步的，具體包括以下步驟:
[0010](I)將工件放置在沉積腔室中，工件與距混合束流起點之間的間距超過混合束流中涂層材料微粒子的最小的自由程的2倍以上；
[0011](2)將沉積腔室氣壓調節為10_5000Pa;
[0012](3)利用高能束流加熱蒸發涂層材料粉末形成微粒子流，微粒子流中的涂層材料微粒子含有單原子和/或原子團簇，與等離子氣或載氣構成混合束流對工件表面進行間歇性或連續性的沉積獲得高應變容限柱狀組織的熱障涂層。
[0013]進一步的，高能束流將涂層材料蒸發形成涂層材料微粒子流，所述的微粒子流所包含的單原子包括狹義單原子、單分子或單離子，所述的微粒子所包含的原子團簇包括狹義原子團簇、分子團簇或離子團簇。
[0014]進一步的，高能束流將粉末原料蒸發形成微粒子流，微粒子流內單原子沉積單元體積百分比為50%~99% ,原子團簇體積百分比為I %-50%。
[0015]進一步的，混合束流內的涂層材料微粒子隨等離子氣或載氣共同具有繞流特性，在遇到形貌遮擋時，依靠該特性繞開遮擋位置進行沉積。
[0016]進一步的，間歇性沉積時，混合束流在樣品上進行掃動，使得涂層材料微粒子的沉積在0-180°各個角度上都能進行，隨機沉積形成表面起伏。
[0017]進一步的，所述工件為帶有粘結層的高溫合金基體。
[0018]進一步的，所述涂層材料為YSZ粉末、LZO粉末、CeO2粉末或SZO粉末。
[0019]—種高應變容限柱狀組織的熱障涂層的制備方法所制備，包括以下步驟:將帶有粘結層的高溫合金基體放置在距混合束流起點950mm處，將腔室壓力控制在150Pa，對高溫合金表面預先加熱至960 °C，然后利用功率為127kW的高能等離子束流將氧化釔部分穩定氧化鋯粉末加熱蒸發形成含鋯離子、氧離子、鋯氧離子及其團簇的微粒子流，與等離子氣體Ar氣和He氣一起構成混合束流對高溫合金基體進行連續式沉積，沉積時間為20min獲得高應變容限柱狀組織的熱障涂層;其中等離子氣體Ar氣和He氣進氣量分別為35NLPM和60NLPM。
[0020]相對于現有技術，本發明具有以下有益效果:
[0021]本發明所提供的高應變容限柱狀組織的熱障涂層的制備方法，不同于電子束物理氣相沉積和等離子噴涂這兩種視線性工藝，本制備方法屬于宏觀非視線性的沉積類型，混合束流內的涂層材料微粒子隨等離子氣或載氣共同具有繞流特性，從而具備繞鍍特性，在遇到形貌遮擋時，依靠該特性繞開遮擋位置進行沉積，在宏觀上屬于非視線性沉積。具有良好繞鍍特性從而可在形狀復雜的工件表面均勻制備高性能熱障涂層。通過調整的工藝參數，來控制沉積單元的自由程，造成有效的遮擋效應，從而制備得到高應變容限柱狀組織的熱障涂層，對提高熱障涂層壽命具有重要意義。
[0022]形成高應變容限柱狀組織的熱障涂層所需的遮擋效應來自于近基體表面處粗糙度尺度上的粗糙起伏，即在近基體表面粗糙度尺度上的沉積是視線性沉積。
【附圖說明】
[0023]圖1為實施例1制得的熱障涂層的表面組織圖，其中圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)、圖1(d)分別為同一試樣從低倍到高倍下的表面組織掃描電鏡照片；
[0024]圖2為實施例1制得的熱障涂層的斷面組織圖，其中圖2(a)為試樣在低倍下的斷面組織掃描電鏡照片，圖2(b)為試樣在高倍下的斷面組織掃描電鏡照片；
[0025]圖3為實施例1制得的熱障涂層的拋光斷面組織圖3，其中圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)、圖3(d)分別為同一試樣從低倍到高倍下的拋光斷面組織掃描電鏡照片。
【具體實施方式】
[0026]本發明一種高應變容限柱狀組織的熱障涂層的制備方法所制備的高應變容限柱狀組織的熱障涂層，具備由熱障涂層材料粉末形成的具有柱間孔隙的柱狀組織，在熱障涂層使用過程中，能有效釋放因熱失配而產生的應力，提高應變容限，從而提高熱障涂層的使用壽命。
[0027]以下是本發明給出的高應變容限柱狀組織的熱障涂層的制備方法的具體實施例，需要說明的是，這些實施例用于本領域的技術人員理解本發明，但本發明并不局限于這些實施例。
[0028]實施例1
[0029]—種高應變容限柱狀組織的熱障涂層的制備方法所制備，包括以下步驟:將帶有粘結層的高溫合金基體放置在距混合束流起點950mm處，將腔室壓力控制在150Pa，對高溫合金表面預先加熱至960 °C，然后利用功率為127kW的高能等離子束流將氧化釔部分穩定氧化鋯(YSZ)粉末(M6700，Zr02/Y203 = 87/13，粉末粒度-22+5μπι)加熱蒸發形成含鋯離子、氧離子、錯氧離子及其團簇的微粒子流，與等離子氣體Ar氣和He氣一起構成混合束流。其中等離子氣體Ar氣和He氣進氣量分別為35NLPM和60NLPM。束流對高溫合金基體進行連續式沉積，沉積時間為2 Om i η。
[0030]實施例1制得的熱障涂層的表面組織如圖1所示，其中(a)(b)(c)(d)分別為同一試樣從低倍到高倍下的表面組織掃描電鏡照片。由圖l(a)(b)(c)(d)可知，熱障涂層表面含有大量深坑。制得的熱障涂層的斷面組織如圖2所示，其中(a)為試樣在低倍下的斷面組織掃描電鏡照片，(b)為試樣在高倍下的斷面組織掃描電鏡照片。從圖2(a)中可知，制得的熱障涂層呈現帶有柱間孔隙的柱狀組織，具備高應變容限。圖2(b)中可知，微粒子流中的涂層材料微粒子含有較大的原子團簇。制得的熱障涂層的拋光斷面組織如圖3所示，其中(a)(b)(c)(d)分別為同一試樣從低倍到高倍下的拋光斷面組織掃描電鏡照片。從圖3(a)中可知，制得的熱障涂層呈現帶有柱間孔隙的柱狀組織，具備高應變容限。圖3(c)(d)中可知，微粒子流中的涂層材料微粒子含有較大的原子團簇。
[0031]實施例2
[0032]—種高應變容限柱狀組織的熱障涂層的制備方法所制備，包括以下步驟:將帶有粘結層的高溫合金基體放置在距混合束流起點350_處，將腔室壓力控制在10Pa，對高溫合金表面預先加熱至850°C，然后利用高能激光束將鋯酸鑭La2Zr2O7(LZO)粉末加熱蒸發形成含鑭離子、鋯離子、氧離子、鋯氧離子及其團簇的微粒子流，與載氣Ar氣一起構成混合束流。最后按1000mm/s的掃描速度對高溫合金基體進行掃描式的間歇性沉積。
[0033]實施例3
[0034]—種高應變容限柱狀組織的熱障涂層的制備方法所制備，包括以下步驟:將帶有粘結層的不銹鋼基體放置在距混合束流起點900mm處，將腔室壓力控制在350Pa，對不銹鋼表面預先加熱至720°C，然后利用功率為60kW的等離子束流將氧化鈰CeO2粉末加熱蒸發形成含鋪尚子、氧尚子、鋪氧尚子及其團簇的微粒子流，與等尚子氣體Ar氣和He氣一起構成混合束流。其中等離子氣體Ar氣和He氣進氣量分別為30NLPM和55NLPM。最后按500mm/s的掃描速度對不銹鋼基體進行掃描式的間歇性沉積。
[0035]實施例4
[0036]—種高應變容限柱狀組織的熱障涂層的制備方法所制備，包括以下步驟:將帶有滲鋁層的高溫合金基體放置在距混合束流起點900mm處，將腔室壓力控制在5000Pa，對高溫合金表面預先加熱至870°C，然后利用高能激光束將鋯酸釤Sm2Zr2O7(SZO)粉末加熱蒸發形成含釤1?子、錯1?子、氧1?子、錯氧1?子及其團簇的微粒子流，與載氣Ar氣最后按200mm/s的掃描速度對高溫合金基體進行掃描式的間歇性沉積;然后進行連續式沉積。
【主權項】
1.一種高應變容限柱狀組織的熱障涂層的制備方法，其特征在于，利用含有單原子和/或原子團簇的涂層材料微粒子的混合束流，在溫度為0.2倍噴涂材料熔點以上的工件表面進行間歇性和/或連續性的沉積，在工件表面獲得高應變容限柱狀組織的熱障涂層。2.根據權利要求1所述的一種高應變容限柱狀組織的熱障涂層的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟: (1)將工件放置在沉積腔室中，工件與距混合束流起點之間的間距超過混合束流中涂層材料微粒子的最小的自由程的2倍以上； (2)將沉積腔室氣壓調節為10-5000Pa; (3)利用高能束流加熱蒸發涂層材料粉末形成微粒子流，微粒子流中的涂層材料微粒子含有單原子和/或原子團簇，與等離子氣或載氣構成混合束流對工件表面進行間歇性或連續性的沉積獲得高應變容限柱狀組織的熱障涂層。3.根據權利要求2所述的一種高應變容限柱狀組織的熱障涂層的制備方法，其特征在于，高能束流將涂層材料蒸發形成涂層材料微粒子流，所述的微粒子流所包含的單原子包括狹義單原子、單分子或單離子，所述的微粒子所包含的原子團簇包括狹義原子團簇、分子團簇或離子團簇。4.根據權利要求2所述的一種高應變容限柱狀組織的熱障涂層的制備方法，其特征在于，高能束流將粉末原料蒸發形成微粒子流，微粒子流內單原子沉積單元體積百分比為50%-99%，原子團簇體積百分比為I %-50%。5.根據權利要求2所述的一種高應變容限柱狀組織的熱障涂層的制備方法，其特征在于，混合束流內的涂層材料微粒子隨等離子氣或載氣共同具有繞流特性，在遇到形貌遮擋時，依靠該特性繞開遮擋位置進行沉積。6.根據權利要求2所述的一種高應變容限柱狀組織的熱障涂層的制備方法，其特征在于，間歇性沉積時，混合束流在樣品上進行掃動，使得涂層材料微粒子的沉積在0-180°各個角度上都能進行，隨機沉積形成表面起伏。7.根據權利要求1所述的一種高應變容限柱狀組織的熱障涂層的制備方法，其特征在于，所述工件為帶有粘結層的高溫合金基體。8.根據權利要求1所述的一種高應變容限柱狀組織的熱障涂層的制備方法，其特征在于，所述涂層材料為YSZ粉末、LZO粉末、CeO2粉末或SZO粉末。9.一種高應變容限柱狀組織的熱障涂層的制備方法所制備，其特征在于，包括以下步驟:將帶有粘結層的高溫合金基體放置在距混合束流起點950mm處，將腔室壓力控制在150Pa，對高溫合金表面預先加熱至960°C，然后利用功率為127kW的高能等離子束流將氧化釔部分穩定氧化鋯粉末加熱蒸發形成含鋯離子、氧離子、鋯氧離子及其團簇的微粒子流，與等離子氣體Ar氣和He氣一起構成混合束流對高溫合金基體進行連續式沉積，沉積時間為20min獲得高應變容限柱狀組織的熱障涂層；其中等離子氣體Ar氣和He氣進氣量分別為35NLPM和60NLPM。
【文檔編號】C23C14/08GK105839057SQ201610224706
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月12日
【發明人】楊冠軍, 李長久, 李成新, 章夢
【申請人】西安交通大學