CN103276394A - 一种等离子喷涂双层结构热障涂层激光重熔一步强化加工方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子喷涂双层结构热障涂层激光重熔一步强化加工方法及其装置，在经过净化和活化处理后的基体表面上采用等离子喷涂工艺依次喷涂双层结构热障涂层；采用感应加热辅助激光重熔复合工艺对双层结构热障涂层进行重熔。采用感应加热辅助激光重熔复合工艺，能够弥补单纯激光重熔能量不足的缺点，从而使一次激光重熔可以同时熔化双层结构热障涂层中陶瓷层和粘结层，使陶瓷层与粘结层界面、粘结层与基体界面同时达到冶金结合的一步强化目的；具有工艺简单、稳定性好、重熔涂层质量高等优点，因此有望应用于航空涡轮发动机叶片等关键热端零部件表面。

Description

一种等离子喷涂双层结构热障涂层激光重熔一步强化加工方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种对热障涂层进行激光重熔强化的方法和装置，尤其涉及的是一种等离子喷涂双层结构热障涂层激光重熔一步强化加工方法及其装置。

背景技术

为了降低未来航天航空发动机的燃料消耗，提高推力/质量比和使用寿命，许多密度低、室温韧性好、高温强度高的先进材料将被大量使用，同时各种功能涂层将得到广泛应用，其中热障涂层对提高发动机工作温度起着非常重要的作用。

热障涂层主要有三种结构：双层结构、多层结构和梯度结构。其中双层结构的面层是表面陶瓷层，中间层为金属粘结层。多层结构是在双层结构的基础上多加了几层封阻层，一般有五层，但这种结构对抗热震性能改善不大，而且工艺复杂，因而逐渐被梯度涂层所取代。梯度结构涂层是在陶瓷层和基体金属之间采用成分、结构连续变化的一种结构，它可以减小陶瓷层与粘结层因线膨胀系数不同而引起的内应力，从而提高涂层的结合强度和抗热震性能。由于制备工艺简单，双层结构热障涂层成为热障涂层主要采用的结构形式。

目前，制备热障涂层的技术主要有等离子喷涂和电子束物理气相沉积等。等离子喷涂具有成本低，生产效率高，厚度可调，成分易控制等优点，但涂层呈典型的层状结构，气孔多，抗热冲击差；涂层与基体为机械结合，耐应变差；而电子束物理气相沉积技术制备的垂直于基体表面的柱状晶结构，空隙少，涂层与基体为冶金结合，抗热冲击和剥落能力强，但电子束物理气相沉积技术的沉积速率较低，设备造价昂贵，受元素蒸汽压的影响涂层的成分控制较困难，基体零件需要加热且试样尺寸不能太大。因此这两种制备技术都有明显的不足，从而限制了其应用范围。

激光重熔是改善等离子喷涂热障涂层性能的有效方法。在激光重熔的过程中，高能量密度热源快速移动，材料快速凝固产生均匀、致密的显微结构，且表面光洁度高，从而提高涂层质量，延长涂层寿命。但是由于热障涂层表面陶瓷材料的耐热冲击性差、断裂韧性值低，因此在激光重熔过程中的急剧加热、冷却条件下易产生裂纹，再加上表面陶瓷材料的熔点大大高于粘结层和金属基体，且它们之间的热膨胀系数、弹性模量和导热系数等物理参数相差很大，在激光辐照后所形成的熔池区域的温度梯度很大，由此产生的热应力容易导致涂层产生裂纹或剥落，一定程度上限制了涂层性能的进一步发挥。

目前，激光重熔等离子喷涂双层结构热障涂层通常有两种方式：一种是对等离子喷涂预置的双层结构热障涂层进行整体一次激光重熔强化，另一种方法是首先等离子喷涂金属粘结层，然后对其进行激光重熔强化，经过表面处理后再喷涂表面陶瓷层，最后对陶瓷层进行重熔强化的分步强化工艺。

一次重熔法工艺简单，相关报道也较多，最初主要侧重于激光重熔处理对涂层组织、性能的影响以及工艺参数优化等研究，如Tsai（Tsai P C,Lee J H,Hsu C S.Hot corrosionbehavior of laser-glazed plasma-sprayed yttria-stabilized zirconia thermal barriercoatings in the presence of V₂O₅[J].Surface&Coatings Technology,2007,201:5134-5147.）和Lee（Lee J H,Tsai P C,Chang C L.Microstructure and thermal cyclicperformance of laser-glazed plasma-sprayed ceria–yttria-stabilized zirconiathermal barrier coatings[J].Surface&Coatings Technology,2008,202:5607-5612.）（Tsai P C,Lee J H,Hsu C S.激光重熔等离子喷涂Y₂O₃稳定ZrO₂热障涂层V₂O₅熔盐热腐蚀行为[J].表面涂层技术,2007,201:5134-5147.和Lee J H,Tsai P C,Chang C L.激光重熔等离子喷涂CeO₂-Y₂O₃稳定ZrO₂热障涂层组织及热循环性能[J].表面涂层技术,2008,202:5607-5612.）等研究了激光重熔对等离子喷涂热障涂层组织、热腐蚀性能及热震性能的影响，而发明人研究了激光重熔对等离子喷涂MCrAlY/ZrO₂-7%Y₂O₃双层结构热障涂层组织、高温氧化性能及冲蚀性能的影响（王东生,田宗军,沈理达,等.TiAl合金表面激光重熔热障涂层组织及抗高温氧化性能[J].功能材料,2009,40(4):578-581.王东生,田宗军,王泾文,等.激光重熔对等离子喷涂热障涂层冲蚀行为影响[J].焊接学报,2011,32(2):5-8.），结果表明：等离子喷涂热障陶瓷涂层呈典型的层状堆积特征，有一定的孔隙且分布有微裂纹；经过激光重熔处理后，陶瓷涂层片层状组织得以消失，致密性提高，获得了基本没有裂纹等缺陷的重熔层；整个重熔层包括界面没有明显特征的平面晶和上部沿热流方向生长的柱状晶组织；等离子喷涂热障涂层具有较好的抗高温氧化和冲蚀性能，经过激光重熔后可进一步提高其抗高温氧化及冲蚀能力；等离子喷涂层的冲蚀磨损以片层状脱落为主，同时有一定程度的脆性陶瓷颗粒破碎，而激光重熔试样以近表面的裂纹萌生和扩展，最终导致重熔层晶粒破碎、剥离为主。但是由于受到激光功率、能量密度、激光作用区温度场分布、陶瓷导热系数和涂层厚度等因素的综合影响，激光一次重熔往往只能使陶瓷表面得到重熔强化，而陶瓷面层与金属粘结层、粘结层与基体界面及粘结层本身不能获得有效的强化，从而成为整个热障涂层工作过程中破坏的薄弱环节。

相对于激光一次重熔工艺，分步强化方法要依次重熔粘结层和陶瓷层，从而使工艺过于复杂，而且其制备的可重复性和涂层质量的稳定性不高，再加上二次重熔的应力叠加效应使涂层更易开裂和剥落，因而虽然其强化效果比一次激光重熔好，但该技术并没有得到广泛的应用。如高阳等（高阳,解仑,佟百运,等.激光熔敷氧化锆热障涂层微观结构研究[J].航空材料学报,2003,23(3):1-4.高阳,潘峰,梁勇,等.高温合金表面激光熔敷热障涂层组织结构与氧化性能[J].航空材料学报,2003,21(1):4-7.）研究了激光二次重熔对热障涂层组织结构与氧化性能的影响。在试验中其对基体喷砂处理后首先等离子喷涂NiCoCrAlY合金层，然后采用5KW连续CO₂激光器进行重熔；对重熔合金层表面喷砂处理后，再将ZrO₂陶瓷粉等离子喷涂于表面，然后喷漆黑化，再次进行激光重熔。结果表明：激光快速熔化和凝固获得定向外延生长、紧密堆积的柱状晶氧化锆陶瓷层。NiCoCrAlY结合层与柱状晶之间存在氧化铝层，保证了柱状晶与NiCoCrAlY层的联结，另外氧化锆层与NiCoCrAlY结合层、结合层与基体间均为冶金结合。高温氧化性能测试得出激光重熔试样氧化动力学近似地遵守抛物线速率方程。在1200℃，空气下激光重熔热障涂层抗氧化性明显高于等离子喷涂热障涂层。

众多的研究表明裂纹的产生和涂层的剥落是激光重熔等离子喷涂热障涂层最棘手的问题。为了获得质量优异、无缺陷或少缺陷的激光重熔热障涂层，一方面应从理论上对激光重熔技术理论基础的快速凝固理论及复合涂层界面精细结构作深入的研究，揭示激光重熔过程的本质；另一方面，应从工艺上对涂层的构成与质量进行控制与改进，以减少重熔后的热应力和组织应力。目前所采用的抑制激光重熔（熔覆）开裂的方法主要有：调整应力状态，尽可能降低拉应力；优化工艺方法和参数；合理设计熔覆层以及改变激光作用模式等。调整熔覆层应力状态常用的措施是对试样进行预热和/或缓冷处理，如通过保温箱的预热和/或缓冷，发明人提出了一种通过改变激光能量密度分布来控制熔覆层裂纹的方法（王东生,田宗军,王泾文,等.一种通过改变激光能量密度分布控制熔覆层裂纹的方法[J].中国激光,2011,38(1):0103004.）。结果表明：用均布光斑熔覆呈激光加工典型的快速加热、快速冷却特征，而采用凸字形光斑可在一定程度上起到了预热、缓冷的效果，从而降低熔覆区与非熔覆区的温度梯度，另外，在熔覆效果相当的前提下，其熔覆层热应力也较小，因而可以有效的减小熔覆层的开裂趋势。采用感应加热辅助激光熔覆的方法，即感应预热基材的同时进行激光熔覆，该方法不仅可使熔覆效率大大提高而且也能获得了无裂纹的熔覆层。

美国的Grilloud等（Grilloud R,Gonseth D,Dekumbis R,et al.Apparatus forproducing a surface layer on a metallic workpiece[P].US Patent5224997,1993:l-16.）（Grilloud R,Gonseth D,Dekumbis R,等.一种金属工作表面制备涂层的装置[P].美国专利5224997,1993:l-16.）人率先提出了感应加热辅助激光熔覆技术，该技术集成了激光熔覆和感应加热的优势，能够弥补单纯激光熔覆能量不足及热源分布不利的缺点，具有工艺稳定性好、易于形成冶金结合、容易获得无裂纹的熔覆涂层等优点，因此具有很好的发展前途。Bernal工艺研究所对感应辅助加热激光熔覆的裂纹行为进行了研究（Zhang Y.Eliminating cladding cracks:pre-heating and stress analysis[C].ICALEO 2001,Section D:1-10.）（Zhang Y.涂除熔覆裂纹：预热和应力分析[C].2001年激光和电子光学应用国际大会,D:1-10.）。研究表明，感应加热辅助激光熔覆层拉伸应力大大降低，对于熔覆材料MM10(含碳量2.45%)可以获得高硬度免裂纹的熔覆层，预热工艺对熔覆层的显微组织和耐磨性没有显著影响。丁向东等（丁向东,连建设,关振中等.圆柱体中频感应重熔与激光强化的复合新工艺[[J].焊接学报,2000,21(4):5-8.）对国产Ni60A自熔合金粉末的热喷涂层，进行了中频感应重熔与激光强化复合加工的试验研究。试验研究表明，复合加工具有中频感应重熔的优点，能够获得大面积的表面光洁的覆层，且覆层组织均匀，无裂纹，与基体存在良好的冶金结合；同时，复合加工又具有激光重熔的优点，不仅降低了覆层中的孔隙率，而且提高了熔覆层与基体的结合强度，使之具有较好的抗磨损能力。华中科技大学在相关方面做了较多的研究工作，周圣丰（Zhou S F,Huang Y J,Zeng X Y,et al.Microstructure characteristics of Ni-based WC composite coatings by laser inductionhybrid rapid cladding[J].Materials Science and Engineering A,2008,480:564-572.）（Zhou S F,Huang Y J,Zeng X Y,等.激光感应复合快速熔覆Ni基WC复合涂层组织特征[J].材料科学与工程A,2008,480:564-572.）对感应加热辅助激光熔覆Ni基WC复合层进行了研究，而黄永俊（Huang Y J,Y S F.Modeling the geometric formation and powderdeposition mass in laser induction hybrid cladding[J].Journal of Mechanical Scienceand Technology,2012,26(8):2347-2351.）（Huang Y J,Yuan S F.激光感应复合熔覆宏观尺寸及粉末沉积率模型[J].机械科学与技术杂志,2012,26(8):2347-2351.）则重点研究了感应加热辅助激光熔覆的机理。

综上所述，经对现有技术文献的检索发现，常见的对等离子喷涂双层结构热障涂层强化方法有一次激光重熔强化和分步重熔强化，但传统的一次激光重熔只能强化表面陶瓷层，而分步强化不仅工艺复杂，而且涂层易产生裂纹，都有明显的不足。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种等离子喷涂双层结构热障涂层激光重熔一步强化加工方法及其装置，达到增加能量输入及改善重熔层质量的双重效果。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

（1）在经过净化和活化处理后的基体表面上采用等离子喷涂工艺依次喷涂双层结构热障涂层；

（2）采用感应加热辅助激光重熔复合工艺对双层结构热障涂层进行重熔。

所述步骤（1）中，双层结构热障涂层的面层是表面陶瓷层，中间层是金属粘结层。

作为本发明的优选方式之一，所述等离子喷涂工艺选自大气等离子喷涂、保护气氛等离子喷涂、真空等离子喷涂、水稳等离子喷涂中的一种。

作为本发明的优选方式之一，所述基体为镍基高温合金，所述表面陶瓷层是ZrO₂基陶瓷材料，金属粘结层为McrAlY合金。

一种等离子喷涂双层结构热障涂层激光重熔一步强化加工的装置，包括感应加热线圈、激光头、高频感应加热器，所述高频感应加热器和感应加热线圈相连，感应加热线圈固定在激光头上，激光头发射的激光位于感应加热线圈的加热区域中央。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明首先在经过预处理的基体表面上依次等离子喷涂金属粘结层和表面陶瓷层，然后采用感应加热辅助激光重熔复合工艺对热障涂层进行处理，可以同时熔化双层结构热障涂层中陶瓷层和粘结层，使陶瓷层与粘结层界面、粘结层与基体界面同时达到冶金结合；采用感应加热辅助激光重熔复合工艺，能够弥补单纯激光重熔能量不足的缺点，从而使一次激光重熔可以同时熔化双层结构热障涂层中陶瓷层和粘结层，使陶瓷层与粘结层界面、粘结层与基体界面同时达到冶金结合的一步强化目的；把激光束作用于感应加热区域中部，可以弥补激光热源分布不利的不足，从而减小重熔区域与周围的温度梯度，另外较大的感应加热区域相当于对熔池起到了预热和缓冷作用，从而可有效减小重熔热障涂层开裂趋势；具有工艺简单、稳定性好、重熔涂层质量高等优点，因此有望应用于航空涡轮发动机叶片等关键热端零部件表面。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本发明的加工装置，包括感应加热线圈2、激光头3、高频感应加热器4，所述高频感应加热器4和感应加热线圈2相连，感应加热线圈2固定在激光头3上，激光头3发射的激光位于感应加热线圈2的加热区域中央，试样5固定在工作台7上，本装置还使用数控控制台1分别控制激光器6和高频感应加热器4，激光器6和激光头3相连。

在镍基高温合金基体表面采用感应加热辅助激光重熔复合工艺一步强化等离子喷涂MCrAlY/ZrO₂双层结构热障涂层，具体步骤如下：

（1）将电火花线切割至40mm×40mm×8mm的GH4033镍基高温合金基体表面进行打磨、除油、喷砂和清洗等预处理；

（2）在镍基高温合金基体表面用美国普莱克斯公司生产的3710型大气等离子喷涂***依次喷涂MCrAlY金属粘结层和ZrO₂表面陶瓷层，MCrAlY金属粘结层的名义成分为：Ni-20Co-18Cr-15Al-2Y₂O₃，质量分数，%。喷涂工艺参数见表1；

（3）感应加热辅助激光重熔采用SLCF-X12×25型CO₂激光加工机，Hac高频感应加热器4，激光光斑尺寸通过调节焦距来实现，而激光功率，扫描速度及高频感应加热器4功率由数控控制台1调节，工艺参数见表2。通过激光重熔处理使双层结构热障涂层中ZrO₂表面陶瓷层和MCrAlY金属粘结层同时熔化，使ZrO₂表面陶瓷层与MCrAlY金属粘结层界面、MCrAlY金属粘结层与GH4033镍基高温合金基体界面同时达到冶金结合，达到一步强化效果，同时重熔热障涂层表面只有少量网状裂纹，有效的减小了热障涂层在激光重熔过程中的开裂趋势。

实施例2

本实施例在镍基高温合金基体表面采用感应加热辅助激光重熔复合工艺一步强化等离子喷涂MCrAlY/ZrO₂-MgO双层结构热障涂层，具体步骤如下：

（1）将GH4033镍基高温合金基体表面进行打磨、除油、喷砂和清洗等预处理；

（2）在镍基高温合金基体表面依次喷涂MCrAlY金属粘结层和ZrO₂-22%MgO（质量分数）表面陶瓷层，喷涂工艺参数见表1；

（3）通过激光重熔处理使双层结构热障涂层中ZrO₂-22%MgO表面陶瓷层和MCrAlY金属粘结层同时熔化，使ZrO₂-22%MgO表面陶瓷层与MCrAlY金属粘结层界面、MCrAlY金属粘结层与GH4033镍基高温合金基体界面同时达到冶金结合，达到一步强化效果，另外重熔热障涂层表面只有少量网状裂纹，有效的减小了热障涂层在激光重熔过程中的开裂趋势。工艺参数见表2。

其他实施方式和实施例1相同。

实施例3

本实施例在镍基高温合金基体表面采用感应加热辅助激光重熔复合工艺一步强化等离子喷涂MCrAlY/ZrO₂-CaO双层结构热障涂层，具体步骤如下：

（1）将GH4033镍基高温合金基体表面进行打磨、除油、喷砂和清洗等预处理；

（2）在镍基高温合金基体表面依次喷涂MCrAlY金属粘结层和ZrO₂-15%CaO（质量分数）表面陶瓷层，喷涂工艺参数见表1；

（3）通过激光重熔处理使双层结构热障涂层中ZrO₂-22%MgO表面陶瓷层和MCrAlY金属粘结层同时熔化，使ZrO₂-15%CaO表面陶瓷层与MCrAlY金属粘结层界面、MCrAlY金属粘结层与GH4033镍基高温合金基体界面同时达到冶金结合，达到一步强化效果，另外重熔热障涂层表面只有少量网状裂纹，有效的减小了热障涂层在激光重熔过程中的开裂趋势。工艺参数见表2。

其他实施方式和实施例1相同。

实施例4

本实施例在镍基高温合金基体表面采用感应加热辅助激光重熔复合工艺一步强化等离子喷涂MCrAlY/ZrO₂-Y₂O₃双层结构热障涂层，具体步骤如下：

（1）将GH4033镍基高温合金基体表面进行打磨、除油、喷砂和清洗等预处理；

（2）在镍基高温合金基体表面依次喷涂MCrAlY金属粘结层和Y₂O₃-7%ZrO₂（质量分数）表面陶瓷层，喷涂工艺参数见表1；

（3）通过激光重熔处理使双层结构热障涂层中Y₂O₃-7%ZrO₂表面陶瓷层和MCrAlY金属粘结层同时熔化，使Y₂O₃-7%ZrO₂表面陶瓷层与MCrAlY金属粘结层界面、MCrAlY金属粘结层与GH4033镍基高温合金基体界面同时达到冶金结合，达到一步强化效果，另外重熔热障涂层表面只有少量网状裂纹，有效的减小了热障涂层在激光重熔过程中的开裂趋势。工艺参数见表2。

其他实施方式和实施例1相同。

实施例5

本实施例在镍基高温合金基体表面采用感应加热辅助激光重熔复合工艺一步强化等离子喷涂MCrAlY/ZrO₂-CeO₂双层结构热障涂层，具体步骤如下：

（1）将GH4033镍基高温合金基体表面进行打磨、除油、喷砂和清洗等预处理；

（2）在镍基高温合金基体表面依次喷涂MCrAlY金属粘结层和ZrO₂-10%CeO₂（质量分数）表面陶瓷层，喷涂工艺参数见表1；

（3）通过激光重熔处理使双层结构热障涂层中ZrO₂-10%CeO₂表面陶瓷层和MCrAlY金属粘结层同时熔化，使ZrO₂-10%CeO₂表面陶瓷层与MCrAlY金属粘结层界面、MCrAlY金属粘结层与GH4033镍基高温合金基体界面同时达到冶金结合，达到一步强化效果，另外重熔热障涂层表面只有少量网状裂纹，有效的减小了热障涂层在激光重熔过程中的开裂趋势。工艺参数见表2。

其他实施方式和实施例1相同。

表1等离子喷涂参数

工艺参数	MCrAlY	ZrO2	ZrO2-MgO	ZrO2-CaO	ZrO2-Y2O3	ZrO2-CeO2
							电流/A	710	920	920	920	920	920
电压/V	42	42	42	42	42	42
							主气,Ar/PSI	65	45	45	45	45	45

辅气,He/PSI	115	150	150	150	150	150
							载体气,Ar/PSI	45	45	45	45	45	45
送粉率/(r·min-1)	2	3	3	3	3	3
							喷涂距离/mm	110	100	100	100	100	100
喷枪移动速度/(mm·s-1)	100	100	100	100	100	100
							涂层厚度/μm	100	350	350	350	350	350

表2感应加热辅助激光重熔复合工艺参数

Claims (5)

1.一种等离子喷涂双层结构热障涂层激光重熔一步强化加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在经过净化和活化处理后的基体表面上采用等离子喷涂工艺依次喷涂双层结构热障涂层；

（2）采用感应加热辅助激光重熔复合工艺对双层结构热障涂层进行重熔。

2.根据权利要求1所述的一种等离子喷涂双层结构热障涂层激光重熔一步强化加工方法，其特征在于，所述步骤（1）中，双层结构热障涂层的面层是表面陶瓷层，中间层是金属粘结层。

3.根据权利要求1所述的一种等离子喷涂双层结构热障涂层激光重熔一步强化加工方法，其特征在于，所述基体为镍基高温合金，所述表面陶瓷层是ZrO₂基陶瓷材料，金属粘结层为McrAlY合金。

4.根据权利要求1所述的一种等离子喷涂双层结构热障涂层激光重熔一步强化加工方法，其特征在于，所述等离子喷涂工艺选自大气等离子喷涂、保护气氛等离子喷涂、真空等离子喷涂、水稳等离子喷涂中的一种。

5.一种如权利要求1所述的等离子喷涂双层结构热障涂层激光重熔一步强化加工的装置，其特征在于，包括感应加热线圈、激光头、高频感应加热器，所述高频感应加热器和感应加热线圈相连，感应加热线圈固定在激光头上，激光头发射的激光位于感应加热线圈的加热区域中央。