CN116254496A - 热障涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种热障涂层的制备方法，涉及热防护涂层的制备工艺技术领域，为解决现有技术中难以低成本地制造高性能的热障涂层的问题而设计。热障涂层的制备方法依次包括采用HVOF在叶片表面制备金属粘结层；采用PS‑PVD设备对所述金属粘结层进行热处理；制备陶瓷隔热涂层。本发明提供的热障涂层的制备方法可以降低生产成本，提高产品性能。

Description

热障涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及热防护涂层的制备工艺技术领域，具体而言，涉及一种热障涂层的制备方法。
背景技术
涡轮叶片的热防护涂层技术是先进航空发动机不可或缺的关键技术之一，随着涡轮前温度的不断提升以及高温结构材料的发展变化，热障涂层(Thermal barriercoatings，TBCs)在高温合金结构材料表面的应用成为了必须。热障涂层主要包括金属粘结层和陶瓷隔热层两部分，可由双层或多层组成，其中金属粘结层目前主要为MCrAlY(M为Ni和/或Co)和铝化物两种，其中铝化物又以NiAl、NiPtAl为主，铝化物涂层制备主要依靠电沉积、气相渗或化学气相沉积(CVD)等技术制备，MCrAlY粘结层主要依靠超音速火焰喷涂(HVOF)、大气等离子喷涂(APS)、真空等离子喷涂(VPS)、真空电弧镀(ARC-PVD)、电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)等技术制备；其中第一代MCrAlY涂层的制备技术主要以APS技术为主，随着金属粘结层和陶瓷隔热涂层匹配性、粘结层氧化对热障涂层寿命影响等因素逐步受到关注，VPS等成本高、效率低的高性能金属粘结层技术逐步发展成为主要。随着高性能动力***的制造经济性、经济可承受性等不断提高，在航空、重型燃气轮机等领域，发展了低成本的HVOF技术替代高成本技术，并获得应用。
超音速火焰喷涂技术(HVOF，high-velocity oxygen-fuel)是依靠氧-煤油、氧-燃气(天然气、丙烷、氢气等)为热源，熔融和软化粉体材料，粒子高速撞击至基体形成涂层的一种大气环境下的低成本制备技术。HVOF制备工艺可控性差，主要表现在射流和大气环境的气氛交换、射流的不稳定性等方面，导致HVOF喷涂制备的金属粘结层存在：①未熔颗粒多；②颗粒和层间存在一定的氧化物夹杂；③孔隙率、颗粒及扁平化粒子间缺陷多，进而导致在高温服役过程中：①成本不均匀和微结构不连续，导致表面氧化速率由于铝元素不能连续扩散供应氧化消耗，局部快速形成脆性尖晶石相；②界面不平直，导致适配气相沉积工艺陶瓷隔热层，如EB-PVD、PS-PVD时，界限和氧化形成TGO(Thermally Grown Oxide，热生长氧化物)对界面应力影响显著增大，影响涂层的服役寿命；③成分和缺陷导致服役过程中金属粘结层内氧化，最终导致金属粘结层力学性能、热物性等衰减退化，导致热障涂层各层间热不匹配性增大，涂层容易过早剥落失效。
等离子物理气相沉积技术(Plasma Spraying-Physical Vapor Deposition,PS-PVD)是在低压等离子喷涂技术(LPPS)的基础上发展的一种新的涂层制备技术，它兼具APS和EB-PVD的优点，采用大功率的等离子喷枪以及超低的工作气压，产生的高能等离子射流不仅可以将喷涂粉末迅速气化，从而快速加速到2～3倍以上音速，实现了气-液-固多相复合沉积和准柱状晶复合结构涂层制备。PS-PVD工艺在喷涂沉积过程中，依靠超低压条件下(5Pa～200Pa)的等离子膨胀流(直径200mm～400mm，长度1.5m～2m)，在高能高速条件下，可以实现绕镀(非视线沉积)效果，使得涡轮导向叶片，特别是多联体导向叶片厚度均匀性大幅度提升。为了提高制备过程的效率，避免采用效率较低、成本较高的VPS、PVD等工艺制备金属粘结层，研究人员提出了采用HVOF工艺制备金属粘结层，并辅助在900～1100℃对金属粘结层进行真空扩散处理的方式，提高金属粘结层的成分均匀性、微结构均匀性、致密程度和减少氧化、层间线性缺陷，以提高金属粘结层的抗高温氧化性能并提高和陶瓷隔热涂层的适配性，但真空热处理增加了附加工序、工艺成本和制备周期，探索和寻找一种快速热处理方法及低成本、高效的金属粘结层改性途径，是当下研究人员亟待解决的关键问题之一。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种热障涂层的制备方法，以解决现有技术中难以低成本地制造高性能的热障涂层的技术问题。
本发明提供的一种热障涂层的制备方法，包括采用HVOF工艺在叶片表面制备金属粘结层；采用PS-PVD设备对所述金属粘结层进行热处理；制备陶瓷隔热涂层。
本发明热障涂层的制备方法带来的有益效果是：
该方法节省了真空热处理环节，降低了生产成本，同时将金属粘结层热处理工艺装备和过程结合了陶瓷隔热层制备工艺技术，可以降低金属粘结层孔隙率和提高致密度，降低金属粘结层表面粗糙度和提高金属粘结层的抗高温氧化性能，适宜于工业化的生产。
优选的技术方案中，所述采用PS-PVD设备对所述金属粘结层进行热处理包括：将所述叶片夹持在PS-PVD设备的转台中，关闭真空舱门；开启等离子喷枪，在预设工艺参数下，启动喷枪机械手和转台，对所述叶片预热；经过预设预热时长之后，关闭等离子喷枪，取出所述叶片。
优选的技术方案中，对所述叶片预热的预设预热时长为2min～5min。
优选的技术方案中，对所述叶片预热时，采用He和/或Ar为保护气体，所述Ar的流量为30slpm～60slpm，所述He的流量为60slpm～40slpm，所述PS-PVD设备的真空压力为200Pa，。
优选的技术方案中，对所述叶片预热时，等离子喷枪的电流为2000A～2600A、喷射距离为900mm～1200mm。
优选的技术方案中，对所述叶片预热时，所述叶片的旋转速度为100rpm～200rpm，所述等离子喷枪的摆动幅度与所述叶片的宽度一致，所述等离子喷枪的摆动速度为30mm/s～80mm/s。
优选的技术方案中，所述等离子喷枪与所述叶片的表面垂直，且所述等离子喷枪的摆动与所述叶片的旋转同时进行。
优选的技术方案中，所述金属粘结层为在空心叶片表面制备的MCrAlY金属粘结层，M为Ni和/或Co。
优选的技术方案中，在对所述叶片热处理之后且在制备陶瓷隔热涂层之前，还包括对所述叶片表面的金属粘结层进行喷砂处理。
优选的技术方案中，在对所述叶片表面的所述金属粘结层进行喷砂处理中，采用100目～400目的白刚玉砂，进行干喷砂或湿喷砂。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或背景技术中的技术方案，下面将对实施例或背景技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的热障涂层的制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例一提供的热障涂层的制备方法中金属粘结层热处理后的截面形貌；
图3为本发明实施例二提供的热障涂层的制备方法中采用HVOF工艺制备的金属粘结层典型截面形貌；
图4为本发明实施例二提供的热障涂层的制备方法中金属粘结层热处理后的截面形貌；
图5为本发明实施例三提供的热障涂层的制备方法中金属粘结层热处理后的截面形貌。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明实施例提供的热障涂层的制备方法的流程示意图；如图1所示，本发明实施例提供的一种热障涂层的制备方法，包括采用HVOF工艺在叶片表面制备金属粘结层；采用PS-PVD设备对金属粘结层进行热处理；制备陶瓷隔热涂层。
其中，本申请中的叶片可以是燃气涡轮发动机的叶片，更具体的可以是空心叶片。
通过高能的PS-PVD等离子体，瞬时预热方式，实现了金属粘结层和叶片合金基体互扩散，提高了涂层结合强度；同时在高热流作用下，片层间氧化物进一步弥散强化金属粘结层，提升金属粘结层性能，降低金属粘结层氧化物含量(金相法评定氧化物含量降低至0.1％以下)；金属粘结层和基体互扩散会及PS-PVD热处理过程中金属粘结层表层的氧化，会提高金属粘结层内部成分均匀性。
通过PS-PVD快速热处理后，由于空冷叶片结构特点，在金属粘结层表面高热流量输入后，将持续在加热过程中形成金属粘结层表面和基体薄壁件背面间形成温度梯度，该温度梯度导致热处理时金属粘结层内部形成成分梯度，金属粘结层相对连续的成分梯度可以提高金属粘结层的抗氧化性能，进而降低热障涂层体系中金属粘结层表面热生长氧化物(TGO)的生长速率，同时减少脆性尖晶石相的生成，提高热障涂层体系的服役寿命。
总之，本实施例结合了PS-PVD射流的特点(大直径和长度、高能量、超音速)以及空心叶片型面复杂、薄壁和中空等特征，设计和使用了采用PS-PVD射流对空心叶片表面的金属粘结层的快速热处理，该方法节省了真空热处理环节，降低了生产成本，同时将金属粘结层热处理工艺装备和过程结合了陶瓷隔热层制备工艺技术，可以降低金属粘结层孔隙率和提高致密度，降低金属粘结层表面粗糙度和提高金属粘结层的抗高温氧化性能，适宜于工业化的生产。
如图1所示，优选的，采用PS-PVD设备对金属粘结层进行热处理包括：将叶片夹持在PS-PVD设备的转台中，关闭真空舱门；开启等离子喷枪，在预设工艺参数下，启动喷枪机械手和转台，对叶片预热；经过预设预热时长之后，关闭等离子喷枪，取出叶片。
通过在真空状态下对已经制备了金属粘结层的叶片进行热处理，并且利用喷枪机械手的摆动和转台旋转，可以使得等离子体可以覆盖叶片表面的全部区域，提高热处理效果。具体地，上述的热处理过程可以将金属粘结层的孔隙率大幅度降低，常规的HVOF金属粘结层的孔隙率为0.5％～1％，经过上述的热处理过程可以将金属粘结层的孔隙率降低至0.25％以下。
优选的，对叶片预热的预设预热时长为2min～5min。
将对叶片的预热时长控制在以上时间，可以避免叶片机体过热。考虑到现有技术中传统的真空热处理，需要升温、降温和保温，总时间可以达到12小时，而上述的预热方法可以节省真空热处理装备投入和真空热处理时间，上述预热的时间加上真空准备以及工件安装、拆卸的时间，也只相当于原有时间总长的不足1/20，极大地提高了生产效率，降低生产成本。
利用摆动姿态、叶片快速旋转和喷涂沉积参数耦合孔隙，避免叶片基体过热同时，确保金属粘结层能实现良好的均质化、致密化的扩散热处理，
优选的，对叶片预热时，采用He和/或Ar为保护气体，Ar的流量为30slpm～60slpm，He的流量为60slpm～40slpm，PS-PVD设备的真空压力为200Pa。其中，该气体流量和真空压力为启弧后的气体流量和真空压力。当Ar的流量增加时，He的流量可以对应减少。
采用He和Ar为保护气体，且在上述的流量和真空压力下，可以产生适量的等离子体对叶片表面的金属粘结层进行热处理，而且可以保证在热处理过程中不会产生新的氧化物而降低热障涂层体系的质量。
优选的，对叶片预热时，等离子喷枪的电流为2000A～2600A、喷射距离为900mm～1200mm。
优选的，对叶片预热时，叶片的旋转速度为100rpm～200rpm，等离子喷枪的摆动幅度与叶片的宽度一致，等离子喷枪的摆动速度为30mm/s～80mm/s。
上述的叶片转速相对于普通的陶瓷隔热涂层制备过程中的转速提高一倍以上，而等离子喷枪的摆动速度相对较低，利用摆动姿态、叶片快速旋转和喷涂沉积参数耦合孔隙，避免叶片基体过热同时，确保金属粘结层能实现良好的均质化、致密化的扩散热处理。
优选的，等离子喷枪与叶片的表面垂直，且等离子喷枪的摆动与叶片的旋转同时进行。
优选的，金属粘结层为在空心叶片表面制备的MCrAlY金属粘结层，M为Ni和/或Co。
如图1所示，优选的，在对叶片热处理之后且在制备陶瓷隔热涂层之前，还包括对叶片表面的金属粘结层进行喷砂处理。
具体的，喷砂处理可以包括喷丸、喷砂等方式，采用这种方式去除热处理后的表面氧化膜，降低金属粘结层的表面粗糙度，最终提升热障涂层体系性能。此外，还可以在粘结层服役使用时降低TGO(Thermally Grown Oxide，热生长氧化物)生长的速率。
优选的，在对叶片表面的金属粘结层进行喷砂处理中，采用100目～400目的白刚玉砂，进行干喷砂或湿喷砂。
实施例一：
本实施例中，叶片为带气膜孔双联体导向叶片，金属粘结层选用NiCrAlY金属粉末，采用HVOF工艺在空心叶片表面喷涂涂层，厚度为30～100μm，采用PS-PVD工艺对叶片表面的金属粘结层进行热处理：
步骤一：粗化处理及金属粘结层制备：
采用60目白刚玉，在0.3MPa条件下进行双联体空心叶片表面的粗化处理；采用氧-燃气(丙烷)超音速火焰喷涂***，在叶片表面制备厚度为30～100μm的金属粘结层。
步骤二：夹持叶片，设定运动参数：
将叶片夹持在PS-PVD设备的转台上，通过机械手示教器设定转台旋转速度为200rpm，设定机械手夹持喷枪前端到叶片的距离为1200mm，机械手摆动速率为80mm/s，叶片任意旋转角度下面向喷枪的最宽幅度为喷枪的摆动幅度，即喷枪物理中心左右摆动起止位置；喷枪的姿态为与空心叶片垂直；喷枪的摆动轨迹为在叶片垂直方向中心线位置。
步骤三：开启设备，设定工艺参数，热处理叶片金属粘结层：
开启PS-PVD设备，在3500Pa条件下等离子喷枪启弧，启弧电流为800A，启弧时Ar流量为80slpm；启弧后程序按照设定的参数运行，具体的，热处理时真空压力为200Pa、Ar流量为30slpm、He流量为60slpm、喷枪电流为2600A，控制上述参数达到设定值，开启机械手运动按钮，机械手按照步骤二预设运动参数执行动作，预设预热时长为2min。
步骤四：停止热处理，取出叶片：
预热时间达到后，关闭等离子喷枪，待叶片表面温度低于600℃时，关闭机械手和转台运动，回填Ar至真空舱室内压力为3500Pa后，分别填充Ar和空气，至真空舱室内压力为大气压，取出空心叶片。
步骤五：喷砂处理：
选用400目白刚玉砂粒，在0.2MPa条件下，对热处理后叶片进行干喷砂处理。
步骤六：按需制备陶瓷隔热层：
依据陶瓷隔热层制备工艺，PS-PVD工艺喷涂沉积陶瓷隔热涂层。
HVOF工艺喷涂的NiCrAlY粘结层的表面粗糙度为Ra：5.6μm；孔隙率为0.67％；氧化物含量为0.92％。采用实施例一工艺的热处理后的金属粘结层的截面形貌如图2所示，热处理后的NiCrAlY粘结层表面粗糙度为Ra：4.73μm，喷砂处理后粗糙度为Ra：3.2μm；涂层孔隙率为0.12％，截面氧化物含量为0.09％。
实施例二：
本实施例中，叶片为带气膜孔单联单晶合金导向叶片，金属粘结层选用NiCoCrAlY金属粉末，采用HVOF工艺在空心叶片表面喷涂涂层，厚度为40μm～80μm，采用PS-PVD工艺对叶片表面的金属粘结层进行热处理：
步骤一：粗化处理及金属粘结层制备：
采用60目白刚玉，在0.2MPa条件下进行双联体空心叶片表面的粗化处理；具体采用氧-燃油(航空煤油)超音速火焰喷涂***，在叶片表面制备厚度为40μm～80μm的金属粘结层。
步骤二：夹持叶片，设定运动参数：
将叶片夹持在PS-PVD设备转台上，通过机械手示教器设定转台旋转速度为100rpm，设定机械手夹持喷枪前端到叶片距离为900mm，机械手摆动速率为30mm/s，叶片任意旋转角度下面向喷枪的最宽幅度为喷枪的摆动幅度，即喷枪物理中心左右摆动起止位置；喷枪的姿态为与空心叶片垂直；喷枪的摆动轨迹为在叶片垂直方向中心线位置。
步骤三：开启设备，设定工艺参数，热处理叶片金属粘结层：
开启PS-PVD设备，在3500Pa条件下等离子喷枪启弧，启弧电流为1000A，启弧时Ar流量为100slpm；启弧后程序按照设定的参数运行，具体的，热处理时真空压力为200Pa、Ar流量为60slpm、He流量为40slpm、喷枪电流为2000A，控制上述参数达到设定值，开启机械手运动按钮，机械手按照步骤二预设运动参数执行动作，预设预热时长为5min。
步骤四：停止热处理，取出叶片：
预热时间达到后，关闭等离子喷枪，待叶片表面温度低于400℃时，关闭机械手和转台运动，回填Ar至真空舱室内压力为3500Pa后，分别填充Ar和空气，至真空舱室内压力为大气压，取出空心叶片。
步骤五：喷砂处理：
选用100目白刚玉砂粒，在0.1MPa条件下，对热处理后叶片进行湿喷砂处理。
步骤六：按需制备陶瓷隔热层：
依据陶瓷隔热层制备工艺，PS-PVD喷涂沉积陶瓷隔热涂层。
HVOF工艺喷涂的NiCoCrAlY粘结层的截面形貌如图3所示，表面粗糙度为Ra：5.9μm；孔隙率为0.5％；氧化物含量为1.3％。经过实施例二的热处理步骤后的金属粘结层的截面形貌如图4所示，热处理后的NiCoCrAlY粘结层的表面粗糙度为Ra：4.53μm，喷砂处理后粗糙度为Ra：3.0μm；涂层孔隙率为0.15％，截面氧化物含量为0.08％。
实施例三：
本实施例中，叶片为燃气轮机带气膜孔单晶合金工作叶片，金属粘结层选用NiCrAlYSi金属粉末，采用HVOF工艺在空心叶片表面喷涂涂层，金属粘结层厚度为100μm～150μm，采用PS-PVD工艺对叶片表面金属粘结层进行热处理：
步骤一：粗化处理及金属粘结层制备：
采用120目白刚玉，在0.3MPa条件下进行双联体空心叶片表面的粗化处理，采用氧-燃气(天然气)超音速火焰喷涂***，在叶片表面制备厚度为100μm～150μm的金属粘结层。
步骤二：夹持叶片，设定运动参数：
将叶片夹持在PS-PVD设备转台上，通过机械手示教器设定转台旋转速度为120rpm，设定机械手夹持喷枪前端到叶片距离为1000mm，机械手摆动速率为50mm/s，叶片任意旋转角度下面向喷枪的最宽幅度为喷枪的摆动幅度，即喷枪物理中心左右摆动起止位置；喷枪的姿态为与空心叶片垂直；喷枪的摆动轨迹为在叶片垂直方向中心线位置。
步骤三：开启设备，设定工艺参数，热处理叶片金属粘结层：
开启PS-PVD设备，在3500Pa条件下等离子喷枪启弧，启弧电流为1000A，启弧时Ar流量为100slpm；启弧后程序按照设定的参数运行，具体的，热处理时真空压力为200Pa、Ar流量为40slpm、He流量为50slpm、喷枪电流为2200A，控制上述参数达到设定值，开启机械手运动按钮，机械手按照步骤二预设运动参数执行动作，预设预热时长为2.5min。
步骤四：停止热处理，取出叶片：
预热时间达到后，关闭等离子喷枪，待叶片表面温度低于400℃时，关闭机械手和转台运动，回填Ar至真空舱室内压力为3500Pa后，分别填充Ar和空气，至真空舱室内压力为大气压，取出空心叶片。
步骤五：喷砂处理：
选用300目白刚玉砂粒，在0.1MPa条件下，对热处理后叶片进行干喷砂处理。
步骤六：按需制备陶瓷隔热层：
依据陶瓷隔热层制备工艺，PS-PVD喷涂沉积陶瓷隔热涂层。
采用HVOF工艺喷涂的NiCrAlYSi粘结层的截面形貌如图1所示，表面粗糙度为Ra：6.1μm；孔隙率为0.42％；氧化物含量为0.65％。采用实施例3热处理后的金属粘结层的截面形貌如图5所示，热处理后的NiCrAlYSi粘结层的表面粗糙度为Ra：4.95μm，喷砂处理后粗糙度为Ra：3.7μm；涂层孔隙率为0.12％，截面氧化物含量为0.099％。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
上述实施例中，诸如“上”、“下”等方位的描述，均基于附图所示。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种热障涂层的制备方法，其特征在于，包括采用HVOF在叶片表面制备金属粘结层；采用PS-PVD设备对所述金属粘结层进行热处理；制备陶瓷隔热涂层。
2.根据权利要求1所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，所述采用PS-PVD设备对所述金属粘结层进行热处理包括：将所述叶片夹持在PS-PVD设备的转台中，关闭真空舱门；开启等离子喷枪，在预设工艺参数下，启动喷枪机械手和转台，对所述叶片预热；经过预设预热时长之后，关闭等离子喷枪，取出所述叶片。
3.根据权利要求2所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，对所述叶片预热的预设预热时长为2min～5min。
4.根据权利要求3所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，对所述叶片预热时，采用He和/或Ar为保护气体，所述Ar的流量为30slpm～60slpm，所述He的流量为60slpm～40slpm，所述PS-PVD设备的真空压力为200Pa，。
5.根据权利要求3所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，对所述叶片预热时，等离子喷枪的电流为2000A～2600A、喷射距离为900mm～1200mm。
6.根据权利要求4或5所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，对所述叶片预热时，所述叶片的旋转速度为100rpm～200rpm，所述等离子喷枪的摆动幅度与所述叶片的宽度一致，所述等离子喷枪的摆动速度为30mm/s～80mm/s。
7.根据权利要求2所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，所述等离子喷枪与所述叶片的表面垂直，且所述等离子喷枪的摆动与所述叶片的旋转同时进行。
8.根据权利要求2所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，所述金属粘结层为在空心叶片表面制备的MCrAlY金属粘结层，M为Ni和/或Co。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，在对所述叶片热处理之后且在制备陶瓷隔热涂层之前，还包括对所述叶片表面的金属粘结层进行喷砂处理。
10.根据权利要求9所述的热障涂层的制备方法，其特征在于，在对所述叶片表面的所述金属粘结层进行喷砂处理中，采用100目～400目的白刚玉砂，进行干喷砂或湿喷砂。
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08253875A (ja) * 1995-03-16 1996-10-01 Toshiba Corp 遮熱コーティング部材およびその製造方法
US5817371A (en) * 1996-12-23 1998-10-06 General Electric Company Thermal barrier coating system having an air plasma sprayed bond coat incorporating a metal diffusion, and method therefor
CN104087888A (zh) * 2014-06-19 2014-10-08 哈尔滨东安发动机（集团）有限公司 一种高硬度、低孔隙率镍铬-碳化铬涂层的制备方法
CN105886994A (zh) * 2016-04-13 2016-08-24 西安交通大学 一种制备高性能层级热障涂层体系的方法
CN108130533A (zh) * 2017-12-21 2018-06-08 安徽工业大学 一种具有高抗磨耐蚀硬密封球阀及制备方法
CN111962028A (zh) * 2020-09-03 2020-11-20 北京金轮坤天特种机械有限公司 一种eb-pvd/aps复合结构双陶瓷层热障涂层及其制备方法
CN113151768A (zh) * 2021-03-31 2021-07-23 辽宁科技大学 一种喷气式发动机叶片用热障涂层及其制备方法
CN113981366A (zh) * 2021-12-28 2022-01-28 北京航空航天大学 热障涂层的制备方法、热障涂层和涡轮转子叶片

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08253875A (ja) * 1995-03-16 1996-10-01 Toshiba Corp 遮熱コーティング部材およびその製造方法
US5817371A (en) * 1996-12-23 1998-10-06 General Electric Company Thermal barrier coating system having an air plasma sprayed bond coat incorporating a metal diffusion, and method therefor
CN104087888A (zh) * 2014-06-19 2014-10-08 哈尔滨东安发动机（集团）有限公司 一种高硬度、低孔隙率镍铬-碳化铬涂层的制备方法
CN105886994A (zh) * 2016-04-13 2016-08-24 西安交通大学 一种制备高性能层级热障涂层体系的方法
CN108130533A (zh) * 2017-12-21 2018-06-08 安徽工业大学 一种具有高抗磨耐蚀硬密封球阀及制备方法
CN111962028A (zh) * 2020-09-03 2020-11-20 北京金轮坤天特种机械有限公司 一种eb-pvd/aps复合结构双陶瓷层热障涂层及其制备方法
CN113151768A (zh) * 2021-03-31 2021-07-23 辽宁科技大学 一种喷气式发动机叶片用热障涂层及其制备方法
CN113981366A (zh) * 2021-12-28 2022-01-28 北京航空航天大学 热障涂层的制备方法、热障涂层和涡轮转子叶片

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
曲飞;袁福河;: "一种新型的双层结构热障涂层及其性能", 热喷涂技术, no. 04 *
杨江龙: "K488合金8YSZ/CoCrAlY热障涂层制备工艺和性能", 中国优秀硕士学位论文全文数据库, pages 022 - 718 *
邝子奇;陈文龙;刘敏;毛杰;邓子谦;: "粘结层预处理对PS-PVD沉积7YSZ热障涂层氧化行为的影响", 表面技术, no. 03 *
陈亚军;林晓娉;王志平;王立君;董允;: "超音速火焰喷涂MCrAlY粘结层对热障涂层热震性能的影响", 材料热处理学报, no. 11 *

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