CN108179373A - 一种喷涂方式制备的燃气轮机叶片热障涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明属于热障涂层技术领域，具体涉及一种喷涂方式制备的燃气轮机叶片热障涂层，包括高温基体，所述高温基体上侧喷涂有扩散成，所述扩散成上侧喷涂有粘接层，所述粘接层上侧喷涂有氧化膜层，所述氧化膜层上侧喷涂有陶瓷层，所述粘接层由Co、Ni、Cr、Al、Y金属粉末或者合金粉末组成。其制备方法为，步骤一：将高温基体表面除油、水洗、烘干，用50～100目刚玉行喷砂粗化处理，去除浮尘，形成粗糙表面；步骤二：将粘接层的各粉末在200～250℃下保温3～5h，充分软化粉末；步骤三：采用冷喷涂方法在基体表面制备粘结层；步骤四：粘结层表面采用等离子工艺喷涂获得陶瓷面层；步骤五：将完整热障涂层在真空热处理。

Description

一种喷涂方式制备的燃气轮机叶片热障涂层
技术领域
本发明属于热障涂层技术领域，具体涉及一种喷涂方式制备的燃气轮机叶片热障涂层。
背景技术
燃气轮机叶片是燃气轮机的重要热端部件，其工作温度决定着燃气轮机的热效率，因此其承受着最苛刻的工作环境。如何提高燃气轮机叶片在包括腐蚀和氧化等严酷服役环境下的热效率是燃气轮机发展的主要方向。目前普遍采用的技术是叶片表面制备热障涂层。典型的热障涂层由部分氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）陶瓷面层和MCrAlY粘结层构成，而粘结层质量好坏决定着整个热障涂层高温抗氧化性能的优劣。传统技术中一般采用低压等离子喷涂（LPPS）或者超音速火焰喷涂（HVOF），其成分和先进的制备工艺被国外所掌握。
现有的热喷涂制备热障涂层粘结层孔隙率高、涂层致密性不够。
冷喷涂技术（Gas Dynamic Spray，GDS）是近年来发展起来的一种涂层制备技术；冷喷涂的理论基础是：压缩气体（空气、N2、He）加热到一定温度（小于600℃），并通过压缩气体加速金属粒子到临界速度（超音速），金属粒子撞击到基体表面后发生剧烈塑性变形。金属粒子撞扁在基体表面并牢固附着，整个过程金属粒子没有被融化；获得的涂层致密性好，孔隙率低，厚度易于控制。
发明内容
针对上诉背景技术所提出的问题，本发明的目的是：旨在提供一种喷涂方式制备的燃气轮机叶片热障涂层。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
一种喷涂方式制备的燃气轮机叶片热障涂层，包括高温基体，所述高温基体上侧喷涂有扩散成，所述扩散成上侧喷涂有粘接层，所述粘接层上侧喷涂有氧化膜层，所述氧化膜层上侧喷涂有陶瓷层，所述粘接层由Co、Ni、Cr、Al、Y金属粉末或者合金粉末组成，其中各组分百分比质量比为Ni：30～32%，Cr：30～32%，Al：7～9%，Y：0.5～0.8%，Co为余量，所述陶瓷层为8YSZ陶瓷层。
作为本发明的一种优选方案；所述粘接层的厚度尺寸为100～150μm，所述粘接层中各组分的粉末粒径范围20～50μm。
作为本发明的一种优选方案；所述粘接层中各组分百分比质量比为Ni：32%，Cr：32%，Al：8%，Y：0.5%，Co为余量。
作为本发明的一种优选方案；所述高温基体为GTD111或MGA1400高温基体。
作为本发明的一种优选方案；所述燃气轮机叶片热障涂层的制备方法，包括以下步骤，
步骤一：将高温基体表面除油、水洗、烘干，用50～100目刚玉行喷砂粗化处理，去除浮尘，形成粗糙表面；
步骤二：将粘接层的各粉末在200～250℃下保温3～5h，充分软化粉末；
步骤三：采用冷喷涂方法在基体表面制备粘结层，其中参数为：工作气体N2，喷涂压力2.5～3MPa，温度500～600℃，喷涂距离为8～10 mm，喷枪移动速度为60～80mm/s，送粉速率在18～20g·min-1；
步骤四：粘结层表面采用等离子工艺喷涂获得8YSZ陶瓷面层，参数为：喷涂电流650A，电压36V，主Ar流量30psi，辅助H2流量20psi，送粉速率2.3rpm，喷涂距离60～80mm，喷涂6～10道次；表面陶瓷层厚度200～250μm；
步骤五：将完整热障涂层在真空热处理炉下1000～1100℃保温不少于3h，真空度低于2*10-3Pa。
作为本发明的一种优选方案；所述步骤三中N2的纯度99.99wt％，其中氧含量小于0.0005wt％。
作为本发明的一种优选方案；所述的步骤四中的Ar的纯度为99.99wt％，其中氧含量小于0.001wt％，H2的纯度为99.99wt％，其中氧含量小于0.001wt％。
作为本发明的一种优选方案；所述步骤三中喷涂距离为10mm，喷枪移动速度为80mm/s。
作为本发明的一种优选方案；所述步骤四采用的具体参数为：喷涂电流650A，电压36V，主Ar流量30psi，辅助H2流量30psi，送粉速率2.3rpm，喷涂距离80mm，喷涂9道次；表面陶瓷层厚度200μm。
作为本发明的一种优选方案；所述步骤五中热障涂层在真空热处理炉下1050～1100℃保温不少于3～5h，真空度低于2*10-3Pa。
本专利获得的热障涂层与现有技术制备的涂层相比，具有以下的优点和效果：
1、冷喷涂技术工艺简单，成本低；
2、冷喷涂制备的粘结层孔隙率控制在1.5%以下，结构致密；
3、制备的涂层内部有压应力，可缓解涂层服役过程的热膨胀匹配；
4、热处理后粘结层与基体形成扩散层，改善了涂层结合强度；
5、热处理后粘结层表面形成一层氧化膜，涂层抗氧化性能提高。
本专利制备的粘结层克服了传统热喷涂技术带来的孔洞缺陷，又通过热处理，改善了涂层的组织和结构，使高温抗氧化性得到提高，热障涂层寿命延长，可以在大型燃气轮机叶片上推广使用。
附图说明
本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；
图1 为本发明一种喷涂方式制备的燃气轮机叶片热障涂层实施例的结构示意图；
图2 用于本发明一种喷涂方式制备的燃气轮机叶片热障涂层实施例中热障涂层粘结层粉末原始SEM形貌；
图3 用于本发明一种喷涂方式制备的燃气轮机叶片热障涂层实施例中陶瓷层粉末原始SEM形貌。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。
如图1所示，本发明的一种喷涂方式制备的燃气轮机叶片热障涂层，包括高温基体1，高温基体1上侧喷涂有扩散成2，扩散成2上侧喷涂有粘接层3，粘接层3上侧喷涂有氧化膜层4，氧化膜层4上侧喷涂有陶瓷层5，粘接层3由Co、Ni、Cr、Al、Y金属粉末或者合金粉末组成，其中各组分百分比质量比为Ni：30～32%，Cr：30～32%，Al：7～9%，Y：0.5～0.8%，Co为余量，陶瓷层5为8YSZ陶瓷层。
作为本发明的一种优选方案；粘接层3的厚度尺寸为100～150μm，粘接层3中各组分的粉末粒径范围20～50μm。
作为本发明的一种优选方案；粘接层3中各组分百分比质量比为Ni：32%，Cr：32%，Al：8%，Y：0.5%，Co为余量。
作为本发明的一种优选方案；高温基体1为GTD111或MGA1400高温基体。
作为本发明的一种优选方案；燃气轮机叶片热障涂层的制备方法，包括以下步骤，
步骤一：将高温基体表面除油、水洗、烘干，用50～100目刚玉行喷砂粗化处理，去除浮尘，形成粗糙表面；
步骤二：将粘接层3的各粉末在200～250℃下保温3～5h，充分软化粉末；
步骤三：采用冷喷涂方法在基体表面制备粘结层3，其中参数为：工作气体N2，喷涂压力2.5～3MPa，温度500～600℃，喷涂距离为8～10 mm，喷枪移动速度为60～80mm/s，送粉速率在18～20g·min-1；
步骤四：粘结层3表面采用等离子工艺喷涂获得8YSZ陶瓷面层，参数为：喷涂电流650A，电压36V，主Ar流量30psi，辅助H2流量20psi，送粉速率2.3rpm，喷涂距离60～80mm，喷涂6～10道次；表面陶瓷层厚度200～250μm；
步骤五：将完整热障涂层在真空热处理炉下1000～1100℃保温不少于3h，真空度低于2*10-3Pa。
作为本发明的一种优选方案；步骤三中N2的纯度99.99wt％，其中氧含量小于0.0005wt％。
作为本发明的一种优选方案；步骤四中的Ar的纯度为99.99wt％，其中氧含量小于0.001wt％，H2的纯度为99.99wt％，其中氧含量小于0.001wt％。
作为本发明的一种优选方案；步骤三中喷涂距离为10mm，喷枪移动速度为80mm/s。
作为本发明的一种优选方案；步骤四采用的具体参数为：喷涂电流650A，电压36V，主Ar流量30psi，辅助H2流量30psi，送粉速率2.3rpm，喷涂距离80mm，喷涂9道次；表面陶瓷层厚度200μm。
作为本发明的一种优选方案；步骤五中热障涂层在真空热处理炉下1050～1100℃保温不少于3～5h，真空度低于2*10-3Pa。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种喷涂方式制备的燃气轮机叶片热障涂层，其特征在于：包括高温基体（1），所述高温基体（1）上侧喷涂有扩散成（2），所述扩散成（2）上侧喷涂有粘接层（3），所述粘接层（3）上侧喷涂有氧化膜层（4），所述氧化膜层（4）上侧喷涂有陶瓷层（5），所述粘接层（3）由Co、Ni、Cr、Al、Y金属粉末或者合金粉末组成，其中各组分百分比质量比为Ni：30～32%，Cr：30～32%，Al：7～9%，Y：0.5～0.8%，Co为余量，所述陶瓷层（5）为8YSZ陶瓷层。
2.根据权利要求1所述的一种喷涂方式制备的燃气轮机叶片热障涂层，其特征在于：所述粘接层（3）的厚度尺寸为100～150μm，所述粘接层（3）中各组分的粉末粒径范围20～50μm。
3.根据权利要求2所述的一种喷涂方式制备的燃气轮机叶片热障涂层，其特征在于：所述粘接层（3）中各组分百分比质量比为Ni：32%，Cr：32%，Al：8%，Y：0.5%，Co为余量。
4.根据权利要求3所述的一种喷涂方式制备的燃气轮机叶片热障涂层，其特征在于：所述高温基体（1）为GTD111或MGA1400高温基体。
5.根据权利要求4所述的一种喷涂方式制备的燃气轮机叶片热障涂层，其特征在于：所述燃气轮机叶片热障涂层的制备方法，包括以下步骤，
步骤一：将高温基体表面除油、水洗、烘干，用50～100目刚玉行喷砂粗化处理，去除浮尘，形成粗糙表面；
步骤二：将粘接层（3）的各粉末在200～250℃下保温3～5h，充分软化粉末；
步骤三：采用冷喷涂方法在基体表面制备粘结层（3），其中参数为：工作气体N2，喷涂压力2.5～3MPa，温度500～600℃，喷涂距离为8～10 mm，喷枪移动速度为60～80mm/s，送粉速率在18～20g·min-1；
步骤四：粘结层（3）表面采用等离子工艺喷涂获得8YSZ陶瓷面层，参数为：喷涂电流650A，电压36V，主Ar流量30psi，辅助H2流量20psi，送粉速率2.3rpm，喷涂距离60～80mm，喷涂6～10道次；表面陶瓷层厚度200～250μm；
步骤五：将完整热障涂层在真空热处理炉下1000～1100℃保温不少于3h，真空度低于2*10-3Pa。
6.根据权利要求5所述的一种喷涂方式制备的燃气轮机叶片热障涂层，其特征在于：所述步骤三中N2的纯度99.99wt％，其中氧含量小于0.0005wt％。
7.根据权利要求6所述的一种喷涂方式制备的燃气轮机叶片热障涂层，其特征在于：所述的步骤四中的Ar的纯度为99.99wt％，其中氧含量小于0.001wt％，H2的纯度为99.99wt％，其中氧含量小于0.001wt％。
8.根据权利要求7所述的一种喷涂方式制备的燃气轮机叶片热障涂层，其特征在于：所述步骤三中喷涂距离为10mm，喷枪移动速度为80mm/s。
9.根据权利要求8所述的一种喷涂方式制备的燃气轮机叶片热障涂层，其特征在于：所述步骤四采用的具体参数为：喷涂电流650A，电压36V，主Ar流量30psi，辅助H2流量30psi，送粉速率2.3rpm，喷涂距离80mm，喷涂9道次；表面陶瓷层厚度200μm。
10.根据权利要求9所述的一种喷涂方式制备的燃气轮机叶片热障涂层，其特征在于：所述步骤五中热障涂层在真空热处理炉下1050～1100℃保温不少于3～5h，真空度低于2*10-3Pa。
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