CN110735117B - 一种双联体导向叶片热障涂层制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空发动机双联体导向叶片防护涂层技术，特别是涉及一种双联体导向叶片热障涂层制备方法。MCrAlY底层采用真空电弧镀工艺制备，真空电弧镀设备具有多个弧源、弧源在真空电弧镀设备的炉体内壁上等特点，双联体导向叶片可以在靶材正前方实现自转，从而实现MCrAlY底层一炉多件一次成型、无需分区、多次涂覆。YSZ陶瓷面层采用EB‑PVD工艺制备，通过高温合金丝穿过叶片导流管将叶片下缘板保护夹具固定，在两个导流管内部各穿入热电偶实时测量双联体导向叶片不同位置的温度以保证叶片表面温度的均匀性。该方法应用于双联体导向叶片热障涂层的制备，显著提升涂层质量的一致性和稳定性，有效提高叶片的服役寿命和可靠性。

Description

一种双联体导向叶片热障涂层制备方法
技术领域
本发明属于航空发动机双联体导向叶片防护涂层技术，特别是涉及一种双联体导向叶片热障涂层制备方法。
背景技术
航空发动机双联体导向叶片长期经受高温燃气的冲击和侵蚀，服役环境恶劣，其表面无一例外的涂覆热障涂层以满足高可靠性和长服役寿命需求。热障涂层(TBCs)一般由抗氧化腐蚀性能良好的金属粘结底层(PtAl或MCrAlY，M＝Ni，Co或Ni+Co)和导热系数低的陶瓷面层(Y2O3部分稳定的ZrO2、YSZ)组成。它广泛应用于航空发动机热端部件，使得高温合金能够承受更高的服役温度，提高涡轮前燃气进口温度，同时也可使发动机寿命和可靠性大幅度提高，耗油量降低，动力性能显著改善。
双联体导向叶片零件较大，以某叶片为例，其上缘板对角线距离22cm，下缘板对角线距离16cm，采用真空电弧镀设备(单弧、靶材在设备中心、零件在靶材和炉体内壁之间)涂覆MCrAlY抗氧化涂层时零件无法实现自转，需进行分区多次涂覆，存在界面污染、界面结合处起棱、涂层厚度过厚从而导致涂层过早失效、剥落等风险。
由于双联体导向叶片零件较大，采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)设备制备YSZ陶瓷面层时无法有效保护叶片非涂覆区域。此外涂层沉积温度作为EB-PVD工艺过程中的一个重要工艺参数亦无法保证，从而导致双联体导向叶片热障涂层质量一致性和稳定性无法保证。
为保证双联体导向叶片表面形成气膜冷却，其尾劈缝区域需不涂覆YSZ陶瓷面层以保证气膜冷却的通畅性。
现有热障涂层制备技术无法解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双联体导向叶片热障涂层制备方法，该方法应用于双联体导向叶片热障涂层的制备，可以显著提升涂层质量的一致性和稳定性，有效提高叶片的服役寿命和可靠性。
本发明的技术方案是：
一种双联体导向叶片热障涂层制备方法，包括如下步骤：
(1)将湿吹砂后的双联体导向叶片装入真空电弧镀夹具，叶片非涂覆区域通过夹具盒进行保护；同时，夹具上携带随炉弯曲试样用于评价涂层结合强度和厚度；涂覆前对叶片表面进行离子清洗，清洗后进行MCrAlY底层的真空电弧镀，真空电弧镀的工艺参数为：电弧电流70～80A，压强为0.1～0.5Pa，负偏压为-100～-200V，占空比为20％～35％，涂覆时间为1～2小时；
采用具有两个以上弧源、弧源在炉体内壁上的真空电弧镀设备制备MCrAlY底层，真空电弧镀设备炉体内壁的弧源为两组以上，每组两个以上弧源上下排布；MCrAlY底层涂覆夹具为两组以上，每组两个以上MCrAlY底层涂覆夹具上下排布，使每个双联体导向叶片在一个靶材正前方实现自转，实现MCrAlY底层的一次成型；
(2)将涂覆完MCrAlY底层的双联体导向叶片真空热处理后进行湿吹砂处理，并进行超声波清洗、丙酮溶液浸洗、烘干；湿吹砂工艺参数为：白刚玉砂粒度为150～200目，白刚玉砂含量15～25wt％，风压0.1～0.2MPa，吹砂距离为150～200mm；
(3)将上述叶片装入电子束物理气相沉积设备，并携带随炉弯曲试样；打开机械泵和罗茨泵，进行抽真空，待主真空室、装载室真空度分别为(4～6)×10-2Pa、0.5～2Pa时开启主真空室、装载室之间的闸板阀，通入Ar气，对叶片表面进行离子轰击清洗5～15min；
(4)将离子轰击清洗后叶片及夹具移到主真空室，进行YSZ陶瓷面层沉积；沉积YSZ面层工艺参数为：主真空室压强为(3～5)×10-2Pa，电子枪电压为15～20KV，YSZ靶材加热电流为1～2A，叶片转速为10～20r/min，叶片加热温度为850℃～950℃；
(5)将沉积完YSZ陶瓷面层叶片进行称重处理。
所述的双联体导向叶片热障涂层制备方法，步骤(1)中，获得厚度为20～40μm的MCrAlY底层。
所述的双联体导向叶片热障涂层制备方法，步骤(1)中，每个双联体导向叶片两端的缘板非涂覆区域通过夹具盒一、夹具盒二进行保护，同时双联体导向叶片中心与真空电弧镀设备的靶材中心重合；同时，夹具上携带随炉弯曲试样用于评价涂层结合强度和厚度。
所述的双联体导向叶片热障涂层制备方法，步骤(2)中，真空热处理工艺参数为：装炉温度在150℃以下，在2.5～3小时内升温至1050±10℃，在该温度下保持2～4小时后充氩气0.2～0.4MPa冷至80℃以下出炉。
所述的双联体导向叶片热障涂层制备方法，步骤(4)中，获得厚度为80～120μm的YSZ面层。
所述的双联体导向叶片热障涂层制备方法，步骤(4)中，冷却空气通过尾劈缝区域的通道在叶片表面形成气膜冷却，为了避免冷却通道的堵塞，在叶片尾劈缝区域***随型高温合金薄片以避免YSZ涂层沉积到尾劈缝区域，保证叶片气膜冷却效果。
所述的双联体导向叶片热障涂层制备方法，将高温合金丝沿着下缘板导流管穿入、上缘板导流管穿出，将下缘板夹具盒一、上缘板夹具盒二固定住，有效保护双联体导向叶片两端的上缘板、下缘板非涂覆区域。
所述的双联体导向叶片热障涂层制备方法，将热电偶***叶片导流管实时测量叶片涂覆过程中不同位置的沉积温度。
本发明的设计思想是：
本发明的要点在于双联体导向叶片MCrAlY底层和YSZ陶瓷面层制备方法，其中：
MCrAlY底层采用真空电弧镀工艺制备，真空电弧镀设备具有多个弧源、弧源在真空电弧镀设备的炉体内壁上等特点，双联体导向叶片可以在靶材正前方实现自转，从而实现MCrAlY底层一炉多件一次成型、无需分区、多次涂覆。同时，在夹具上随炉携带弯曲试样以评价MCrAlY底层厚度和结合强度。
YSZ陶瓷面层采用EB-PVD工艺制备，通过高温合金丝穿过叶片导流管将叶片下缘板保护夹具固定，在两个导流管内部各穿入三根热电偶实时测量双联体导向叶片6个不同位置的温度以保证叶片表面温度的均匀性，在叶片尾劈缝区域***随型薄高温合金片避免YSZ涂层沉积到尾劈缝区域以保证叶片气膜冷却效果。同时为了检测叶片涂层厚度和涂层结合强度，在上缘板保护夹具表面固定三个随炉弯曲试样。
与现有技术相比，本发明具有以下主要优点及有益效果：
(1)本发明通过采用具有多个弧源、弧源在炉体内壁上的真空电弧镀设备制备MCrAlY底层，双联体导向叶片可以在靶材正前方实现自转，从而实现MCrAlY底层一炉多件一次成型、无需分区、多次涂覆。
(2)本发明双联体导向叶片MCrAlY底层涂覆时可以携带随炉弯曲试样，有利于监控涂层厚度和涂层结合强度。
(3)本发明对叶片涂覆过程中的关键参数-沉积温度进行实时测量，同时携带随炉弯曲试样检测叶片涂层厚度和涂层结合强度，有利于保证EB-PVD工艺制备YSZ陶瓷面层质量的一致性和稳定性。
(4)本发明在叶片尾劈缝区域***随型高温合金薄片可以有效避免YSZ涂层沉积到尾劈缝区域，保证叶片气膜冷却效果。
(5)本发明热障涂层制备方法涂层质量一致性和稳定性好。
附图说明
图1为真空电弧镀MCrAlY底层夹具示意图。
图2(a)-图2(b)为不同角度的叶片下缘板保护夹具示意图。
图3为叶片热电偶***位置示意图。
图4为随炉携带弯曲试样位置示意图。
图5为叶片尾劈缝区域局部保护示意图。
图中，1主轴，2真空电弧镀夹具，3双联体导向叶片，4夹具盒一，5夹具盒二，6上缘板，7下缘板，8弯曲试样，9上缘板导流管，10下缘板导流管，11热电偶，12高温合金薄片。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明针对航空发动机双联体导向叶片表面对高性能热障涂层制备的需求，采用具有多个弧源真空电弧镀工艺制备MCrAlY底层实现了一炉多件一次成型、无需分区、多次涂覆，同时在夹具上随炉携带弯曲试样以评价MCrAlY底层和结合强度。YSZ陶瓷面层采用EB-PVD工艺制备，通过高温合金丝穿过叶片导流管将叶片下缘板保护夹具(夹具盒二5)固定，在两个导流管内部各穿入三根热电偶实时测量双联体导向叶片6个不同位置的温度以保证叶片表面温度的均匀性，在叶片尾劈缝区域***随型高温合金薄片避免YSZ涂层沉积到尾劈缝区域以保证叶片气膜冷却效果。同时，为了检测叶片涂层厚度和涂层结合强度，在上缘板保护夹具(夹具盒一4)表面固定三个随炉弯曲试样。
下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。
实施例1.
本实施例中，双联体导向叶片热障涂层制备方法如下：
(1)将湿吹砂后的双联体导向叶片装入真空电弧镀夹具，叶片非涂覆区域通过夹具盒进行保护，叶片中心与MCrAlY靶材中心重合。同时，夹具上可以携带随炉弯曲试样用于评价涂层结合强度和厚度。涂覆前对叶片表面进行离子清洗，清洗后进行MCrAlY底层的真空电弧镀，真空电弧镀的工艺参数为：电弧电流70A，压强为0.2Pa，负偏压为-100V，占空比为20％，涂覆时间为2小时。从而，获得厚度为40μm的MCrAlY底层。
(2)将涂覆完MCrAlY底层的双联体导向叶片进行真空热处理，真空热处理工艺参数为：装炉温度50℃，在3小时内升温至1050℃，在该温度下保持2小时后充氩气0.2MPa冷至80℃以下出炉。然后进行湿吹砂处理，并进行超声波清洗、丙酮溶液浸洗、烘干。湿吹砂工艺参数为：白刚玉砂粒度为180目，白刚玉砂含量20wt％，风压0.15MPa，吹砂距离为180mm。
(3)将上述叶片装入电子束物理气相沉积(EB-PVD)设备，并携带随炉弯曲试样。打开机械泵和罗茨泵，进行抽真空，待主真空室、装载室真空度分别为5×10-2Pa、1Pa时开启主真空室、装载室之间的闸板阀，通入Ar气，对叶片表面进行离子轰击清洗10min，目的是清除叶片表面污物，提高涂层与基体间的结合强度。
为了保证EB-PVD工艺制备YSZ陶瓷面层质量的一致性和稳定性，对叶片涂覆过程中的关键参数-沉积温度进行实时测量，同时携带随炉弯曲试样检测叶片涂层厚度和涂层结合强度。
(4)将离子清理后试片及夹具移到主真空室，进行YSZ陶瓷面层沉积。沉积YSZ面层工艺参数为：主真空室压强为4×10-2Pa，电子枪电压为18KV，YSZ靶材加热电流为1.5A，双联体导向叶片转速为15r/min，双联体导向叶片加热温度为900℃，涂覆时间为50min，从而，获得厚度为100μm的YSZ面层。
(5)将沉积完YSZ陶瓷面层叶片进行称重处理。
如图1所示，真空电弧镀MCrAlY底层夹具示意图，图示为一组真空电弧镀夹具2上下排布三个双联体导向叶片3，每组真空电弧镀夹具2上下设置主轴1实现双联体导向叶片3自转。为了解决传统真空电弧镀(单弧、靶材在设备中心、叶片在靶材和炉体内壁之间)涂覆MCrAlY抗氧化涂层时叶片无法实现自转，需进行分区多次涂覆，存在界面污染、界面结合处起棱、涂层厚度过厚从而导致涂层过早失效、剥落等风险问题，采用具有多个弧源、弧源在炉体内壁上的真空电弧镀设备制备MCrAlY底层，真空电弧镀设备炉体内壁的弧源为两组以上，每组两个以上弧源上下排布；MCrAlY底层涂覆夹具为两组以上，每组两个以上MCrAlY底层涂覆夹具上下排布，使每个双联体导向叶片在一个靶材正前方实现自转，从而无需分区、多次涂覆，实现MCrAlY底层的一次成型。
每个双联体导向叶片3两端的缘板非涂覆区域通过夹具盒一4、夹具盒二5进行保护，同时叶片中心与MCrAlY靶材中心重合。涂覆过程中叶片自转，实现MCrAlY底层一次成型。同时，夹具上可以携带随炉弯曲试样用于评价涂层结合强度和厚度。
如图2(a)-图2(b)所示，不同角度的叶片下缘板保护夹具示意图。将高温合金丝沿着下缘板导流管10穿入、上缘板导流管9穿出，将下缘板夹具盒一4、上缘板夹具盒二5固定住，可以有效保护双联体导向叶片两端的上缘板6、下缘板7非涂覆区域。
如图3所示，叶片热电偶***位置示意图。将热电偶11***叶片导流管实时测量叶片涂覆过程中6个不同位置的沉积温度，可以调整优化电子束加热形状和补偿模式，保证叶片涂层涂覆过程中质量的一致性和稳定性。
如图4所示，随炉携带弯曲试样位置示意图。通过携带随炉弯曲试样8有利于监控涂层厚度和涂层结合强度。
如图5所示，叶片尾劈缝区域局部保护示意图。冷却空气通过尾劈缝区域的通道在叶片表面形成气膜冷却，为了避免冷却通道的堵塞，在叶片尾劈缝区域***随型高温合金薄片12以避免YSZ涂层沉积到尾劈缝区域，通过在叶片尾劈缝区域***随型高温合金薄片可以有效避免YSZ涂层沉积到尾劈缝区域，保证叶片气膜冷却效果。
实施例结果表明，采用具有多个弧源真空电弧镀工艺制备MCrAlY底层，实时测量叶片6个不同位置的温度，尾劈缝局部涂覆，随炉携带弯曲试样。本发明制备方法涂覆的双联体导向叶片热障涂层已完成鉴定性性能评价，性能指标满足设计需求，有效提高了叶片的服役寿命和可靠性。该技术可以推广应用于叶片热障涂层的制备，有效保障其寿命、可靠性及经济性，具有广阔的市场前景。该技术也可推广到其他相关领域，具有较高的经济效益。

Claims (7)

1.一种双联体导向叶片热障涂层制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将湿吹砂后的双联体导向叶片装入真空电弧镀夹具，叶片非涂覆区域通过夹具盒进行保护；涂覆前对叶片表面进行离子清洗，清洗后进行MCrAlY底层的真空电弧镀，真空电弧镀的工艺参数为：电弧电流70~80A，压强为0.1~0.5Pa，负偏压为-100~-200V，占空比为20%~35%，涂覆时间为1~2小时；
采用具有两个以上弧源、弧源在炉体内壁上的真空电弧镀设备制备MCrAlY底层，真空电弧镀设备炉体内壁的弧源为两组以上，每组两个以上弧源上下排布；MCrAlY底层涂覆夹具为两组以上，每组两个以上MCrAlY底层涂覆夹具上下排布，使每个双联体导向叶片在一个靶材正前方实现自转，实现MCrAlY底层的一次成型；
（2）将涂覆完MCrAlY底层的双联体导向叶片真空热处理后进行湿吹砂处理，并进行超声波清洗、丙酮溶液浸洗、烘干；湿吹砂工艺参数为：白刚玉砂粒度为150~200目，白刚玉砂含量15~25wt%，风压0.1~0.2 MPa，吹砂距离为150~200 mm；
（3）将上述叶片装入电子束物理气相沉积设备，并携带随炉弯曲试样；打开机械泵和罗茨泵，进行抽真空，待主真空室、装载室真空度分别为（4~6）×10-2Pa、0.5~2Pa时开启主真空室、装载室之间的闸板阀，通入Ar气，对叶片表面进行离子轰击清洗5~15 min；
（4）将离子轰击清洗后叶片及夹具移到主真空室，进行YSZ陶瓷面层沉积；沉积YSZ面层工艺参数为：主真空室压强为（3~5）×10-2Pa，电子枪电压为15~20KV，YSZ靶材加热电流为1~2A，叶片转速为10~20 r/min，叶片加热温度为850℃~950℃；
（5）将沉积完YSZ陶瓷面层叶片进行称重处理；
步骤（4）中，冷却空气通过尾劈缝区域的通道在叶片表面形成气膜冷却，为了避免冷却通道的堵塞，在叶片尾劈缝区域***随型高温合金薄片以避免YSZ涂层沉积到尾劈缝区域，保证叶片气膜冷却效果。
2.按照权利要求1所述的双联体导向叶片热障涂层制备方法，其特征在于，步骤（1）中，获得厚度为20~40μm的MCrAlY底层。
3.按照权利要求1所述的双联体导向叶片热障涂层制备方法，其特征在于，步骤（1）中，每个双联体导向叶片两端的缘板非涂覆区域通过夹具盒一、夹具盒二进行保护，同时双联体导向叶片中心与真空电弧镀设备的靶材中心重合。
4.按照权利要求1所述的双联体导向叶片热障涂层制备方法，其特征在于，步骤（2）中，真空热处理工艺参数为：装炉温度在150℃以下，在2.5~3小时内升温至1050±10℃，在该温度下保持2~4小时后充氩气0.2~0.4MPa冷至80℃以下出炉。
5.按照权利要求1所述的双联体导向叶片热障涂层制备方法，其特征在于，步骤（4）中，获得厚度为80~120μm的YSZ面层。
6.按照权利要求1所述的双联体导向叶片热障涂层制备方法，其特征在于，将高温合金丝沿着下缘板导流管穿入、上缘板导流管穿出，将下缘板夹具盒一、上缘板夹具盒二固定住，有效保护双联体导向叶片两端的上缘板、下缘板非涂覆区域。
7.按照权利要求1所述的双联体导向叶片热障涂层制备方法，其特征在于，将热电偶***叶片导流管实时测量叶片涂覆过程中不同位置的沉积温度。
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