CN102776512B - 一种梯度热障涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型梯度热障涂层的制备方法，该制备方法包括如下步骤：a）制备喷涂粉料，b）基材前处理，c）喷涂粘结层，d）喷涂陶瓷层，e）涂层后处理。本发明揭示了一种新型梯度热障涂层的制备方法，该制备方法工序安排紧凑，成分配制合理，成本适中，涂层的粘结层中含有易于形成氧化膜的氧化物，且氧化物含量具有梯度变化，使制得的热障涂层在具有良好耐热性能的同时抗氧化能力突出。
Description
技术领域
本发明涉及一种热障涂层的制备方法，尤其涉及一种具有梯度抗氧化性能的梯度热障涂层的制备方法，属于金属涂层技术领域。
背景技术
近年来随着航空发动机向高流量比、高推重比和高涡轮进口温度方向的发展，发动机燃烧室中的燃气温度和燃气压力不断提高。当发动机的推重比达到20 时，燃气入口温度将超过2000℃，这个温度已经超出制造涡轮叶片和导向叶片的镍基高温合金所能承受的温度，即使采用金属间化合物材料及利用定向凝固技术也难以承受。采用压缩空气对叶片的冷却效果有限，而且冷却技术在降低叶片温度的同时，不可避免地损失很大一部分热量，降低了发动机的效率。在这种情况下，抗击发动机叶片高温的另一种有效途径——热障涂层也就应运而生，成为近年来国际高温涂层领域最活跃的研究课题之一。
对于高温防护涂层零件，氧化是导致零件失效的重要原因之一，其抗氧化性能的提高依赖于热障涂层中的氧化膜，其主要成分一般是氧化铝、氧化镁和氧化硅。在高温下，均匀致密的氧化膜具有优异的热稳定性，低的扩散系数，因此，防护涂层中希望加入含量较高的铝、镁等元素以生成氧化膜，使基体不受氧化或降低氧化速率，延长零件使用寿命。现行工艺中采用固体埋包渗入法可实现铝、镁等元素的梯度渗入，以形成高质量的氧化膜，但该种工艺实施成本高，工艺环节复杂，操作要求高，实用性欠佳。
发明内容
针对上述需求，本发明提供了一种梯度热障涂层的制备方法，该涂层的粘结层中含有易于形成氧化膜的氧化物，且氧化物含量具有梯度变化，使制得的热障涂层在具有良好耐热性能的同时抗氧化能力突出。
本发明是一种梯度热障涂层的制备方法，该制备方法包括如下步骤：a）制备喷涂粉料，b）基材前处理，c）喷涂粘结层，d）喷涂陶瓷层，e）涂层后处理。
在本发明一较佳实施例中，所述的步骤a）中，喷涂粉料包括粘结层粉料和陶瓷层粉料；粘结层粉料中MCrAlY 合金的颗粒度为200-300 目，可形成氧化膜的氧化物的颗粒度为300-400 目；陶瓷层粉料研磨后的颗粒度为500-600 目。
在本发明一较佳实施例中，所述的步骤b）中，基材前处理包括喷砂处理、超声波洗涤、去离子水清洗以及烘干处理。
在本发明一较佳实施例中，所述的步骤c）中，粘结层采用等离子喷涂工艺进行制备，采用两根喷枪同时平行送粉的方式，喷枪移动速度均为200-220mm/s，喷枪喷口与基材距离控制在80-100mm，喷涂电压为30-40V，喷涂时间控制在20-30 分钟。
在本发明一较佳实施例中，所述的第一根喷枪喷射MCrAlY 合金粉料，送粉气体选用H2，流量为15-20L/min，送粉率随粘结层厚度的增加而略微下降，由25g/min 降至22g/min，粘结层厚度每增加0.02mm，送粉率减少1g/min; 第二根喷枪喷射氧化铝粉料，送粉气体选用Ar，流量为50-55L/min，送粉率随粘结层厚度的增加略微升高，由10g/min 升至15g/min，粘结层厚度每增加0.02mm，送粉率增加1.5g/min。
在本发明一较佳实施例中，所述的步骤d）中，将研磨后的陶瓷层粉料制作成靶材，通过电子束物理气相沉积工艺进行陶瓷层的制备；真空室内的真空度为0.001-0.0001Pa，基材转速为10-15rpm，沉积速度为2.5-3μm/min，沉积时间为40-50min。
在本发明一较佳实施例中，所述的步骤e）中，涂层后处理包括去应力退火和打磨抛光处理；去应力退火温度控制在450℃以下，时间为2-3 小时；打磨抛光处理可使用砂带，抛光后的基材表面的粗糙值可达0.06μm。
本发明揭示了一种梯度热障涂层的制备方法，该制备方法工序安排紧凑，成分配制合理，成本适中，涂层的粘结层中含有易于形成氧化膜的氧化物，且氧化物含量具有梯度变化，使制得的热障涂层在具有良好耐热性能的同时抗氧化能力突出。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1 是本发明实施例梯度热障涂层的制备方法的工序步骤图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
图1 是本发明实施例梯度热障涂层的制备方法的工序步骤图；该制备方法包括如下步骤：a）制备喷涂粉料，b）基材前处理，c）喷涂粘结层，d）喷涂陶瓷层，e）涂层后处理。
实施例1本发明提及的梯度热障涂层的制备方法的具体实施步骤如下：a）制备喷涂粉料，该喷涂粉料包括粘结层粉料和陶瓷层粉料；其中，粘结层粉料由MCrAlY 合金与可形成氧化膜的氧化物组成，两组份需进行单独制备；MCrAlY 合金的主要成分为： Co、Cr、Al、S 和Ni，研磨后MCrAlY 合金的颗粒度为250 目；可形成氧化膜的氧化物选用氧化铝，研磨后氧化铝的颗粒度控制在350 目；陶瓷层粉料选用氧化钇稳定氧化锆陶瓷，研磨后的颗粒度为550 目；b）基材前处理，基材前处理包括喷砂处理、超声波洗涤、去离子水清洗以及烘干处理；喷砂选用150 目的玻璃丸，压力为0.7MPa，表面粗糙度值为0.6μm 左右；超声波洗涤时采用丙酮作为洗涤剂，清洗时间为15 分钟，可去除基材表面的各类油污和油脂；烘箱内的烘干温度控制在60℃左右，时间为5 分钟；c）喷涂粘结层，粘结层材料选用百分含量比为94% ：6% 的MCrAlY 合金粉料和氧化铝粉料，采用等离子喷涂工艺进行制备；等离子喷涂工艺实施过程中，采用两根喷枪同时平行送粉的方式，喷枪移动速度均为200mm/s，喷枪喷口与基材表面距离控制在90mm，喷涂电压为35V ；其中，一根喷枪喷射MCrAlY 合金粉料，送粉气体选用H2，流量为15L/min，送粉率随粘结层厚度的增加而略微下降，由25g/min 降至22g/min 左右，粘结层厚度每增加0.02mm，送粉率减少1g/min; 另一根喷枪喷射氧化铝粉料，送粉气体选用Ar，流量为50L/min，送粉率随粘结层厚度的增加略微升高，由10g/min 升至15g/min 左右，粘结层厚度每增加0.02mm，送粉率增加1.5g/min ；喷涂时间控制在25 分钟，可制得的粘结层厚度约0.9mm ；d）喷涂陶瓷层，将研磨后的陶瓷层粉料制作成靶材，通过电子束物理气相沉积工艺进行陶瓷层的制备；该工艺实施过程中，真空室内的真空度为0.0005Pa，基材转速为15rpm，沉积速度为3μm/min，沉积时间为50min，可制得厚度为0.15mm 的陶瓷层；e）涂层后处理，涂层后处理包括去应力退火和打磨抛光处理；去应力退火温度控制在420℃，时间为2.5 小时，消除涂层间的内应力，提高层间结合强度，并可进一步稳定尺寸；打磨抛光处理可使用砂带，抛光后的基材表面的粗糙值可达0.06μm。
实施例2本发明提及的梯度热障涂层的制备方法的具体实施步骤如下：a）制备喷涂粉料，该喷涂粉料包括粘结层粉料和陶瓷层粉料；其中，粘结层粉料由MCrAlY 合金与可形成氧化膜的氧化物组成，两组份需进行单独制备；MCrAlY 合金的主要成分为： Co、Cr、Al、S 和Ni，研磨后MCrAlY 合金的颗粒度为250 目；可形成氧化膜的氧化物选用氧化镁，研磨后氧化镁的颗粒度控制在400 目；陶瓷层粉料为氧化钙稳定氧化锆陶瓷料，研磨后的颗粒度为600 目；b）基材前处理，基材前处理包括喷砂处理、超声波洗涤、去离子水清洗以及烘干处理；喷砂选用150 目的玻璃丸，压力为0.6MPa，表面粗糙度值为0.6μm 左右；超声波洗涤时采用丙酮作为洗涤剂，清洗时间为12 分钟，可去除基材表面的各类油污和油脂；烘箱内的烘干温度控制在60℃左右，时间为20 分钟；c）喷涂粘结层，粘结层材料选用百分含量比为94.5% ：5.5% 的MCrAlY 合金粉料和氧化铝粉料，采用等离子喷涂工艺进行制备；等离子喷涂工艺实施过程中，采用两根喷枪同时平行送粉的方式，喷枪移动速度均为220mm/s，喷枪喷口与基材表面距离控制在100mm，喷涂电压为40V ；其中，一根喷枪喷射MCrAlY 合金粉料，送粉气体选用H2，流量为20L/min，送粉率随粘结层厚度的增加而略微下降，由25g/min 降至22g/min 左右，粘结层厚度每增加0.02mm，送粉率减少1g/min; 另一根喷枪喷射氧化铝粉料，送粉气体选用Ar，流量为55L/min，送粉率随粘结层厚度的增加略微升高，由10g/min升至15g/min 左右，粘结层厚度每增加0.02mm，送粉率增加1.5g/min ；喷涂时间控制在30 分钟，可制得的粘结层厚度约为0.1mm ；d）喷涂陶瓷层，将研磨后的陶瓷层粉料制作成靶材，通过电子束物理气相沉积工艺进行陶瓷层的制备；该工艺实施过程中，真空室内的真空度为0.0005Pa，基材转速为12rpm，沉积速度为2.5μm/min，沉积时间为40min，可制得厚度为0.1mm 的陶瓷层；e）涂层后处理，涂层后处理包括去应力退火和打磨抛光处理；去应力退火温度控制在400℃以下，时间为3 小时，消除涂层间的内应力，提高层间结合强度，并可进一步稳定尺寸；打磨抛光处理可使用砂带，抛光后的基材表面的粗糙值可达0.06μm。
本发明揭示了一种梯度热障涂层的制备方法 ,其特点是：该制备方法工序安排紧凑，成分配制合理，成本适中，涂层的粘结层中含有易于形成氧化膜的氧化物，且氧化物含量具有梯度变化，使制得的热障涂层在具有良好耐热性能的同时抗氧化能力突出。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种梯度热障涂层的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：a）制备喷涂粉料，b）基材前处理，c）喷涂粘结层，d）喷涂陶瓷层，e）涂层后处理，
所述的步骤c）中，粘结层采用等离子喷涂工艺进行制备，采用两根喷枪同时平行送粉的方式，喷枪移动速度均为200-220mm/s，喷枪喷口与基材表面距离控制在80-100mm，喷涂电压为30-40V，喷涂时间控制在20-30 分钟。第一根喷枪喷射MCrAlY 合金粉料，送粉气体选用H2，流量为15-20L/min，送粉率随粘结层厚度的增加而略微下降，由25g/min 降至22g/min，粘结层厚度每增加0.02mm，送粉率减少1g/min; 第二根喷枪喷射氧化铝粉料，送粉气体选用Ar，流量为50-55L/min，送粉率随粘结层厚度的增加略微升高，由10g/min 升至15g/min，粘结层厚度每增加0.02mm，送粉率增加1.5g/min；所述的步骤d）中，将研磨后的陶瓷层粉料制作成靶材，通过电子束物理气相沉积工艺进行陶瓷层的制备；真空室内的真空度为0.001-0.0001Pa，基材转速为10-15rpm，沉积速度为2.5-3μm/min，沉积时间为40-50min。
2.根据权利要求1 所述的梯度热障涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤a）中，喷涂粉料包括粘结层粉料和陶瓷层粉料；粘结层粉料中MCrAlY 合金的颗粒度为200-300 目，可形成氧化膜的氧化物的颗粒度为300-400 目；陶瓷层粉料研磨后的颗粒度为500-600 目。
3.根据权利要求1 所述的梯度热障涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤b）中，基材前处理包括喷砂处理、超声波洗涤、去离子水清洗以及烘干处理。
4.根据权利要求1 所述的梯度热障涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤e）中，涂层后处理包括去应力退火和打磨抛光处理；去应力退火温度控制在450℃以下，时间为2-3 小时；打磨抛光处理可使用砂带，抛光后的基材表面的粗糙值可达0.06μm。
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