一種制備高性能層級熱障涂層體系的方法
【專利摘要】本發明公開一種制備高性能層級熱障涂層體系的方法，包括以下步驟：第一步，在基體表面制備合金粘接層；第二步，利用超音速等離子體射流對合金粘接層進行表面改性處理；第三步，在改性后的合金粘接層表面制備單層或多層陶瓷材料涂層，獲得熱障涂層體系。本發明采用內送粉超音速大氣等離子噴涂方法獲得由高溫合金粘接層及陶瓷表層組成的層級熱障涂層體系，與傳統熱障涂層制備方法相比，有效地避免了因工藝轉換而引起的涂層制備效率低、質量批次穩定性差等問題，對提高熱障涂層的高溫服役壽命具有重要的應用價值，在航空渦輪發動機及重型燃氣輪機等國防尖端工業中具有廣闊的應用前景，具有巨大的經濟及社會效益。
【專利說明】
一種制備高性能層級熱障涂層體系的方法
技術領域
[0001] 本發明涉及熱障涂層技術領域，特別涉及一種制備高性能層級熱障涂層體系的方 法。
【背景技術】
[0002] 航空渦輪發動機及重型燃氣輪機亟需一種高性能熱障涂層體系以降低合金基體 溫度從而保證其在高溫條件下正常使用。熱障涂層體系包括合金粘接層、陶瓷層以及由合 金粘接層氧化而形成的熱生長氧化物層(TGOs)。這種熱生長氧化物在生長初期主要以氧化 鋁(ai 2〇3)為主，致密的ai2〇3薄膜對阻止合金涂層的進一步氧化起著一定的積極作用。但 Al2〇3薄膜在形成的同時，一些其他的氧化物如氧化鉻（Cr203)、氧化鎳（NiO)及尖晶石 (附六12〇4、附〇2〇4、(^12〇4、(：0〇2〇4)等也同時得以生長。這些氧化物與412〇3相比具有更高 的生長速度，導致在TGOs/陶瓷層界面處產生大量的生長應力，尤其當TGOs達到一定厚度 時，在上述界面及TGOs內部引起裂紋的萌生及擴展，最終導致陶瓷表層的剝落，即熱障涂層 的失效。目前合金粘接層的常用的制備工藝有真空等離子噴涂(Vacuum Plasma Spraying, VPS)、低壓等離子噴涂（Low-Pressure Plasma Spraying，LPPS)、超音速火焰噴涂（High Velocity Oxygen Fuel, HV0F)、冷氣動力噴涂（Cold Gas Dynamic Spraying, CGDS 或 CS) 〇 而陶瓷層的制備工藝則為電子束物理氣相沉積（Electron Beam Physical Vapor Deposition,EB-PVD)和大氣等離子噴涂(Air Plasma Spraying,APS)兩種。從中可以看出， 現有熱障涂層體系需要用不同方法來制備合金粘接層及陶瓷層，這必然會涉及到因工藝轉 換而帶來的生產效率降低的問題，不利于連續生產。同時噴涂工藝的轉換也易導致合金粘 接層表面污染。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于提供一種制備高性能層級熱障涂層體系的方法，以獲得質量穩 定可靠、抗高溫氧化性能優良、抗熱沖擊性能優異的熱障涂層體系，通過設計不同未熔顆粒 比例的合金粘接層及對合金粘接層進行表面改性處理來提高其抗高溫氧化性能，最后在改 性后的合金粘接層表面沉積單層或雙層陶瓷層從而形成完整的熱障涂層體系。
[0004]為達到以上目的，本發明采取的技術方案是：
[0005] -種制備高性能層級熱障涂層體系的方法，包括以下步驟:第一步，在基體表面制 備合金粘接層；第二步，利用超音速等離子體射流對合金粘接層進行表面改性處理；第三 步，在改性后的合金粘接層表面制備單層或多層陶瓷材料涂層，獲得熱障涂層體系。
[0006] 進一步的，第一步具體包括以下步驟:采用內送粉超音速大氣等離子噴涂噴槍噴 涂合金粘接層，噴涂過程中功率調節至25-70kW，噴涂距離范圍為80-140mm，噴涂過程中控 制合金粒子飛行速度范圍為350-550m/s，溫度范圍為1900-2600°C，獲得未熔顆粒含量在5-60 %的合金粘接層；內送粉超音速大氣等離子噴涂噴槍所噴涂的合金粘接層材料為 CoNiCrAlY、NiCoCrAlY或NiCrAlY。
[0007] 進一步的，第二步具體包括以下步驟:采用內送粉超音速大氣等離子噴涂噴槍在 無送粉狀態下對已形成的合金粘接層表面進行連續掃描，功率為30-100kW，距離為70-150mm，次數為10-50次。
[0008] 進一步的，第二步中利用內送粉超音速大氣等離子噴涂過程中的高溫、高速的超 音速等離子體射流將合金粘接層表面熔化并形成致密的氧化物層，同時將粘附在合金粘接 層表面的未熔顆粒去除。
[0009] 進一步的，第三步中在改性后的合金粘接層表面制備陶瓷層，陶瓷層為:氧化釔部 分穩定的二氧化鋯單層陶瓷層、YSZ-鈰酸鑭雙層陶瓷層或YSZ-鑭鎂鋁氧(LaMA)雙層陶瓷 層。
[0010]進一步的，第三步中采用內送粉超音速大氣等離子噴涂方法制備陶瓷層時的功率 選擇在30-80kW，噴涂距離范圍為80-120mm，噴涂過程中控制陶瓷粒子飛行速度范圍為340-800m/s，溫度范圍為 2000-3600°C。
[0011] 相對于現有技術，本發明具有以下有益效果:按照本發明的方法，可高效連續沉積 質量穩定可靠、抗高溫氧化性能優良、抗熱沖擊性能優異的熱障涂層體系，在航空渦輪發動 機及重型燃氣輪機等國防尖端工業中具有廣闊的應用前景。
【附圖說明】
[0012] 圖1為實施例1未熔顆粒含量為35%的合金粘接層剖面腐蝕形貌；
[0013] 圖2為實施例1噴涂態合金粘接層表面形貌；
[0014]圖3為實施例1超音速等離子體射流表面改性后合金粘接層表面形貌；
[0015] 圖4為實施例1熱障涂層體系剖面形貌；
[0016] 圖5為實施例1涂層1100°C下的氧化動力學曲線；
[0017]圖6為實施例1涂層1100°C、不同熱沖擊次數下的表面形貌。
【具體實施方式】
[0018] 以下結合具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。
[0019] 實施例1
[0020] -種制備高性能層級熱障涂層體系的方法，采用CoNiCrAlY合金粉末為原料，采用 內送粉超音速大氣等離子噴涂噴槍噴涂合金粘接層，噴涂過程中功率調節至54.8kW，噴涂 距離為110mm，在噴涂過程中采用高速攝影及雙波長輻射強度比值法對等離子體射流中的 合金粉體粒子飛行速度及溫度進行在線測量，得到的粒子飛行速度為420m · ?Γ1，溫度為 2330Γ，對合金粘接層腐蝕后進行掃描電鏡觀察，得到的涂層剖面形貌如圖1所示，表面形 貌如圖2所示。采用圖像處理軟件分析涂層中未熔顆粒含量為35%。利用超音速等離子體射 流對合金粘接層表面進行處理(功率為50kW，距離為90mm，連續加熱50遍），處理后的涂層表 面形貌加圖3所示，對比圖2及圖3可以發現，超音速等離子體射流可以去除噴涂態合金粘接 層表面粘附的未熔顆粒，提高了合金粘接層的表面光潔度。在表面改性后的合金層表面噴 涂YSZ陶瓷層，構成完整的熱障涂層體系，其剖面圖如圖4所示。對涂層體系進行1100°C高溫 氧化實驗及熱沖擊實驗，結果分別如圖5及圖6所示，從中可以發現在對合金粘接層表面改 性后，可以明顯提高涂層的抗高溫氧化性能，表現為其氧化增重量相對較低，該熱障涂層體 系在1100 °C保溫5分后淬水，在846次后表面只有9.3 %的面積剝落，與未經表面改性處理的 涂層相比表現出了良好的抗熱沖擊性能。
[0021 ]表1合金粘接層噴涂參數及對應的粒子飛行速度、表面溫度與未熔顆粒含量 [0022]
[0026]
[0027] 內送粉超音速大氣等離子噴涂是一種新型等離子噴涂技術，其基本原理是利用噴 槍系統，通過機械壓縮、熱壓縮和磁壓縮將電弧拉長，進而得到具有極高能量密度的超音速 等離子體射流，并使進入到射流中的原料粉末粒子快速受熱熔化撞擊基體而形成涂層。利 用內送粉超音速大氣等離子噴涂技術沉積合金粘接層及陶瓷層，不需要工藝轉換，從而極 大地提高了噴涂效率。與此同時，現階段對合金粘接層進行表面處理大多采用真空加熱的 方法，目的是其表面形成以氧化鋁為主的氧化物層，從而降低合金粘接層在高溫服役條件 下的氧化速率。采用真空處理，零件尺寸將受到真空室的限制，大大限制了該方法的應用。 利用超音速等離子體射流高溫高速特點，在大氣條件下對合金粘接層進行表面改性處理， 使其表面形成氧化物的同時，又可將表面粘附的未熔顆粒去除。總之，采用內送粉超音速大 氣等離子噴涂可以沉積合金粘接層、對合金粘接層表面進行改性處理及制備陶瓷層，可連 續化生產，涂層質量穩定可靠。
[0028] 通過本發明，最終獲得質量穩定可靠、抗高溫氧化性能優良、抗熱沖擊性能優異的 熱障涂層體系，在航空渦輪發動機及重型燃氣輪機等國防尖端工業中具有廣闊的應用前 景。
【主權項】
1. 一種制備高性能層級熱障涂層體系的方法，其特征在于，包括以下步驟： 第一步，采用內送粉超音速大氣等離子噴涂噴槍在基體表面制備合金粘接層； 第二步，利用超音速等離子體射流對合金粘接層進行表面改性處理； 第三步，在改性后的合金粘接層表面制備單層或多層陶瓷材料涂層，獲得完整的熱障 涂層體系。2. 根據權利要求1所述的一種制備高性能層級熱障涂層體系的方法，其特征在于，第一 步具體包括以下步驟:采用內送粉超音速大氣等離子噴涂噴槍噴涂合金粘接層，噴涂過程 中功率調節至25-70kW，噴涂距離范圍為80-140mm，噴涂過程中控制合金粒子飛行速度范圍 為350-550m/s，溫度范圍為1900-2600 °C，獲得未熔顆粒含量在5-60 %的合金粘接層；內送 粉超音速大氣等離子噴涂噴槍所噴涂的合金粘接層材料為C〇NiCrAlY、NiC 〇CrAlY或 NiCrAlY03. 根據權利要求1所述的一種制備高性能層級熱障涂層體系的方法，其特征在于，第二 步具體包括以下步驟:采用內送粉超音速大氣等離子噴涂噴槍在無送粉狀態下對已形成的 合金粘接層表面進行連續掃描，功率為30-100kW，距離為70-150mm，次數為10-50次。4. 根據權利要求3所述的一種制備高性能層級熱障涂層體系的方法，其特征在于，第二 步中利用內送粉超音速大氣等離子噴涂過程中的高溫、高速的超音速等離子體射流將合金 粘接層表面熔化并形成致密的氧化物層，同時將粘附在合金粘接層表面的未熔顆粒去除。5. 根據權利要求1所述的一種制備高性能層級熱障涂層體系的方法，其特征在于，第三 步中在改性后的合金粘接層表面制備陶瓷層，陶瓷層為:氧化釔部分穩定的二氧化鋯單層 陶瓷層、YSZ-鈰酸鑭雙層陶瓷層或YSZ-鑭鎂鋁氧(LaM)雙層陶瓷層。6. 根據權利要求1所述的一種制備高性能層級熱障涂層體系的方法，其特征在于，第三 步中采用內送粉超音速大氣等離子噴涂方法制備陶瓷層時的功率選擇在30-80kW，噴涂距 離范圍為80-120mm，噴涂過程中控制陶瓷粒子飛行速度范圍為340-800m/s，溫度范圍為 2000-3600。。。
【文檔編號】C23C4/11GK105886994SQ201610228040
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月13日
【發明人】白宇, 唐健江, 王俊文
【申請人】西安交通大學