CN105886994B - 一种制备高性能层级热障涂层体系的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种制备高性能层级热障涂层体系的方法，包括以下步骤：第一步，在基体表面制备合金粘接层；第二步，利用超音速等离子体射流对合金粘接层进行表面改性处理；第三步，在改性后的合金粘接层表面制备单层或多层陶瓷材料涂层，获得热障涂层体系。本发明采用内送粉超音速大气等离子喷涂方法获得由高温合金粘接层及陶瓷表层组成的层级热障涂层体系，与传统热障涂层制备方法相比，有效地避免了因工艺转换而引起的涂层制备效率低、质量批次稳定性差等问题，对提高热障涂层的高温服役寿命具有重要的应用价值，在航空涡轮发动机及重型燃气轮机等国防尖端工业中具有广阔的应用前景，具有巨大的经济及社会效益。

Description

一种制备高性能层级热障涂层体系的方法
技术领域
本发明涉及热障涂层技术领域，特别涉及一种制备高性能层级热障涂层体系的方法。
背景技术
航空涡轮发动机及重型燃气轮机亟需一种高性能热障涂层体系以降低合金基体温度从而保证其在高温条件下正常使用。热障涂层体系包括合金粘接层、陶瓷层以及由合金粘接层氧化而形成的热生长氧化物层(TGOs)。这种热生长氧化物在生长初期主要以氧化铝(Al2O3)为主，致密的Al2O3薄膜对阻止合金涂层的进一步氧化起着一定的积极作用。但Al2O3薄膜在形成的同时，一些其他的氧化物如氧化铬(Cr2O3)、氧化镍(NiO)及尖晶石(NiAl2O4、NiCr2O4、CoAl2O4、CoCr2O4)等也同时得以生长。这些氧化物与Al2O3相比具有更高的生长速度，导致在TGOs/陶瓷层界面处产生大量的生长应力，尤其当TGOs达到一定厚度时，在上述界面及TGOs内部引起裂纹的萌生及扩展，最终导致陶瓷表层的剥落，即热障涂层的失效。目前合金粘接层的常用的制备工艺有真空等离子喷涂(Vacuum Plasma Spraying,VPS)、低压等离子喷涂(Low-Pressure Plasma Spraying,LPPS)、超音速火焰喷涂(HighVelocity Oxygen Fuel,HVOF)、冷气动力喷涂(Cold Gas Dynamic Spraying,CGDS或CS)。而陶瓷层的制备工艺则为电子束物理气相沉积(Electron Beam Physical VaporDeposition,EB-PVD)和大气等离子喷涂(Air Plasma Spraying,APS)两种。从中可以看出，现有热障涂层体系需要用不同方法来制备合金粘接层及陶瓷层，这必然会涉及到因工艺转换而带来的生产效率降低的问题，不利于连续生产。同时喷涂工艺的转换也易导致合金粘接层表面污染。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备高性能层级热障涂层体系的方法，以获得质量稳定可靠、抗高温氧化性能优良、抗热冲击性能优异的热障涂层体系，通过设计不同未熔颗粒比例的合金粘接层及对合金粘接层进行表面改性处理来提高其抗高温氧化性能，最后在改性后的合金粘接层表面沉积单层或双层陶瓷层从而形成完整的热障涂层体系。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种制备高性能层级热障涂层体系的方法，包括以下步骤：第一步，在基体表面制备合金粘接层；第二步，利用超音速等离子体射流对合金粘接层进行表面改性处理；第三步，在改性后的合金粘接层表面制备单层或多层陶瓷材料涂层，获得热障涂层体系。
进一步的，第一步具体包括以下步骤：采用内送粉超音速大气等离子喷涂喷枪喷涂合金粘接层，喷涂过程中功率调节至25-70kW，喷涂距离范围为80-140mm，喷涂过程中控制合金粒子飞行速度范围为350-550m/s，温度范围为1900-2600℃，获得未熔颗粒含量在5-60％的合金粘接层；内送粉超音速大气等离子喷涂喷枪所喷涂的合金粘接层材料为CoNiCrAlY、NiCoCrAlY或NiCrAlY。
进一步的，第二步具体包括以下步骤：采用内送粉超音速大气等离子喷涂喷枪在无送粉状态下对已形成的合金粘接层表面进行连续扫描，功率为30-100kW，距离为70-150mm，次数为10-50次。
进一步的，第二步中利用内送粉超音速大气等离子喷涂过程中的高温、高速的超音速等离子体射流将合金粘接层表面熔化并形成致密的氧化物层，同时将粘附在合金粘接层表面的未熔颗粒去除。
进一步的，第三步中在改性后的合金粘接层表面制备陶瓷层，陶瓷层为：氧化钇部分稳定的二氧化锆单层陶瓷层、YSZ-铈酸镧双层陶瓷层或YSZ-镧镁铝氧(LaMA)双层陶瓷层。
进一步的，第三步中采用内送粉超音速大气等离子喷涂方法制备陶瓷层时的功率选择在30-80kW,喷涂距离范围为80-120mm，喷涂过程中控制陶瓷粒子飞行速度范围为340-800m/s，温度范围为2000-3600℃。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：按照本发明的方法，可高效连续沉积质量稳定可靠、抗高温氧化性能优良、抗热冲击性能优异的热障涂层体系，在航空涡轮发动机及重型燃气轮机等国防尖端工业中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1未熔颗粒含量为35％的合金粘接层剖面腐蚀形貌；
图2为实施例1喷涂态合金粘接层表面形貌；
图3为实施例1超音速等离子体射流表面改性后合金粘接层表面形貌；
图4为实施例1热障涂层体系剖面形貌；
图5为实施例1涂层1100℃下的氧化动力学曲线；
图6为实施例1涂层1100℃、不同热冲击次数下的表面形貌。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种制备高性能层级热障涂层体系的方法，采用CoNiCrAlY合金粉末为原料，采用内送粉超音速大气等离子喷涂喷枪喷涂合金粘接层，喷涂过程中功率调节至54.8kW，喷涂距离为110mm，在喷涂过程中采用高速摄影及双波长辐射强度比值法对等离子体射流中的合金粉体粒子飞行速度及温度进行在线测量，得到的粒子飞行速度为420m·s-1，温度为2330℃，对合金粘接层腐蚀后进行扫描电镜观察，得到的涂层剖面形貌如图1所示，表面形貌如图2所示。采用图像处理软件分析涂层中未熔颗粒含量为35％。利用超音速等离子体射流对合金粘接层表面进行处理(功率为50kW，距离为90mm，连续加热50遍)，处理后的涂层表面形貌加图3所示，对比图2及图3可以发现，超音速等离子体射流可以去除喷涂态合金粘接层表面粘附的未熔颗粒，提高了合金粘接层的表面光洁度。在表面改性后的合金层表面喷涂YSZ陶瓷层，构成完整的热障涂层体系，其剖面图如图4所示。对涂层体系进行1100℃高温氧化实验及热冲击实验，结果分别如图5及图6所示，从中可以发现在对合金粘接层表面改性后，可以明显提高涂层的抗高温氧化性能，表现为其氧化增重量相对较低，该热障涂层体系在1100℃保温5分后淬水，在846次后表面只有9.3％的面积剥落，与未经表面改性处理的涂层相比表现出了良好的抗热冲击性能。
表1合金粘接层喷涂参数及对应的粒子飞行速度、表面温度与未熔颗粒含量
内送粉超音速大气等离子喷涂是一种新型等离子喷涂技术，其基本原理是利用喷枪***，通过机械压缩、热压缩和磁压缩将电弧拉长，进而得到具有极高能量密度的超音速等离子体射流，并使进入到射流中的原料粉末粒子快速受热熔化撞击基体而形成涂层。利用内送粉超音速大气等离子喷涂技术沉积合金粘接层及陶瓷层，不需要工艺转换，从而极大地提高了喷涂效率。与此同时，现阶段对合金粘接层进行表面处理大多采用真空加热的方法，目的是其表面形成以氧化铝为主的氧化物层，从而降低合金粘接层在高温服役条件下的氧化速率。采用真空处理，零件尺寸将受到真空室的限制，大大限制了该方法的应用。利用超音速等离子体射流高温高速特点，在大气条件下对合金粘接层进行表面改性处理，使其表面形成氧化物的同时，又可将表面粘附的未熔颗粒去除。总之，采用内送粉超音速大气等离子喷涂可以沉积合金粘接层、对合金粘接层表面进行改性处理及制备陶瓷层，可连续化生产，涂层质量稳定可靠。
通过本发明，最终获得质量稳定可靠、抗高温氧化性能优良、抗热冲击性能优异的热障涂层体系，在航空涡轮发动机及重型燃气轮机等国防尖端工业中具有广阔的应用前景。

Claims (4)

1.一种制备高性能层级热障涂层体系的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，采用内送粉超音速大气等离子喷涂喷枪在基体表面制备合金粘接层；
第二步，利用超音速等离子体射流对合金粘接层进行表面改性处理；
第三步，在改性后的合金粘接层表面制备单层或多层陶瓷材料涂层，获得完整的热障涂层体系；
第一步具体包括以下步骤：采用内送粉超音速大气等离子喷涂喷枪喷涂合金粘接层，喷涂过程中功率调节至25-70kW，喷涂距离范围为80-140mm，喷涂过程中控制合金粒子飞行速度范围为350-550m/s，温度范围为1900-2600℃，获得未熔颗粒含量在5-60％的合金粘接层；内送粉超音速大气等离子喷涂喷枪所喷涂的合金粘接层材料为CoNiCrAlY、NiCoCrAlY或NiCrAlY；
第三步中采用内送粉超音速大气等离子喷涂方法制备陶瓷层时的功率选择在30-80kW,喷涂距离范围为80-120mm，喷涂过程中控制陶瓷粒子飞行速度范围为340-800m/s，温度范围为2000-3600℃。
2.根据权利要求1所述的一种制备高性能层级热障涂层体系的方法，其特征在于，第二步具体包括以下步骤：采用内送粉超音速大气等离子喷涂喷枪在无送粉状态下对已形成的合金粘接层表面进行连续扫描，功率为30-100kW，距离为70-150mm，次数为10-50次。
3.根据权利要求2所述的一种制备高性能层级热障涂层体系的方法，其特征在于，第二步中利用内送粉超音速大气等离子喷涂过程中的高温、高速的超音速等离子体射流将合金粘接层表面熔化并形成致密的氧化物层，同时将粘附在合金粘接层表面的未熔颗粒去除。
4.根据权利要求1所述的一种制备高性能层级热障涂层体系的方法，其特征在于，第三步中在改性后的合金粘接层表面制备陶瓷层，陶瓷层为：氧化钇部分稳定的二氧化锆单层陶瓷层、YSZ-铈酸镧双层陶瓷层或YSZ-镧镁铝氧(LaMA)双层陶瓷层。
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