CN101050515A - 一种通过金属结合层表面改性提高热障涂层使用寿命的方法 - Google Patents

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王志平
冯日宝
纪朝辉
陈亚军
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Abstract

一种通过金属结合层表面改性提高热障涂层使用寿命的方法。包括对基体表面进行清洗和喷砂处理；采用超音速火焰喷涂或等离子喷涂方法在基体表面沉积上常用的MCrAlY合金体系的金属结合层；采用超音速冷气喷射Al2O3颗粒轰击的方法对金属结合层进行表面改性；最后采用等离子喷涂方法在结合层表面上沉积常规的ZrO2－Y2O3陶瓷面层即可获得热障涂层。本发明的方法是采用超音速冷气喷射Al2O3颗粒轰击的方法对热障涂层中的金属结合层进行表面改性，以改变其表层的晶粒/颗粒结构、表面形态和应力状态，从而可使表层的晶粒/颗粒更加细化，成分分布更加均匀，从而能够改善热障涂层的抗热冲击性和提高其使用寿命。

Description

一种通过金属结合层表面改性提高热障涂层使用寿命的方法
技术领域
本发明属于涂层制备技术领域，特别是涉及一种通过金属结合层表面改性提高热障涂层使用寿命的方法。
背景技术
随着航空航天技术的进步，航空燃气涡轮机正在向高流量比、高推重比和高涡轮进口温度方向发展。但随着燃气温度和燃气压力的不断提高，现有高温合金已经难以满足要求，由此促进了降低发动机热端部件温度技术的发展与应用。除改进冷却技术外，在高温合金热端部件表面制备热障涂层(TBC)是重要手段之一。
实际应用的典型航空用热障涂层大都采用双层结构，其中表层主要是由6％～8％Y2O3稳定的以ZrO2为主的陶瓷面层(YSZ)，该面层在高温环境下稳定性好，主要起隔热作用；陶瓷面层与基底之间为结合层(BC)，目前该层的通用材料为MCrAlY(M是过渡族金属Ni、Co或Ni与Co的混合物)，其功能是改善基体与陶瓷面层之间的物理相容性(热不匹配)，并且能够形成位于结合层和陶瓷面层之间的热增长氧化物层(TGO)。氧化物层是防止结合层氧化腐蚀和影响热障涂层使用寿命的关键层面。虽然目前热障涂层已广泛应用于发动机热端部件，但其早期剥落失效时有发生，抗热疲劳寿命还需进一步提高。经过多年研究，已发现热端部件热障涂层的使用寿命与氧化物层的生长速度、结构形式、组成成分以及陶瓷面层和结合层界面的形态、应力有直接的关系，即氧化物层是决定热障涂层使用寿命的主要因素。国内外研究人员经过大量的研究发现，随着氧化物层的不断增长，其附近将会形成铝元素贫化区，从而导致该区域镍等元素选择氧化优势增加，最终导致大颗粒氧化物形成，这些大颗粒氧化物将会严重影响到热障涂层的寿命，结果引起涂层失效；此外，氧化物层/结合层的界面不平整，即由各种凸起和凹坑所造成的表面粗糙度过大也会影响到涂层的结合强度和界面热机械应力分布，并且还会通过热机械作用影响热障涂层的使用寿命。因此通过改善铝元素扩散机制和改变界面形态都会有助于改变氧化物层的生成与生长机理，进而对其进行干预与控制，从而有效地提高热障涂层的使用寿命。
中国发明专利第01133423.1号中公开了一种爆炸喷涂制备热障涂层的方法，该涂层包括采用MCrAlY合金体系的结合层和采用ZrO2-Y2O3的陶瓷面层两部分，虽然这种方法可制备出比较致密的MCrAIY成分的结合层，并且陶瓷面层气孔率高、隔热性好、抗热冲击性优，而且成本低且易于操作，但涂层中夹杂孔洞等缺陷，从而降低了涂层的使用性能。中国发明专利第03111363.X号中公开了一种NiCoCrAlYSiB抗热腐蚀涂层及其制备方法，该方法是采用电弧离子镀技术制备上述的抗热腐蚀涂层，具有高能量密度、高效率、能耗低的优点，并且与爆炸喷涂方法相比在制作高致密、高结合强度及低内应力水平、抗高温氧化优的MCrAlY结合层等方面显示出一定的优势，但上述两种方法均未涉及采用对金属结合层表层进行改性的手段，通过对热增长氧化物(TGO)的生成与生长进行干预和控制的方法来改善和提高热障涂层抗热冲击的能力与使用寿命的技术内容。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种涂层抗热冲击性能好，使用寿命长，工艺操作简单且重复性好的通过金属结合层表面改性提高热障涂层使用寿命的方法。
为了达到上述目的，本发明提供的通过金属结合层表面改性提高热障涂层使用寿命的方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)按照常规的工艺程序对基体表面进行清洗和喷砂处理；
2)采用超音速火焰或等离子喷涂方法在上述处理后的基体表面沉积上常用的MCrAlY合金体系的金属结合层；
3)以Al2O3粉末作为喷射轰击颗粒材料，采用超音速冷气喷射轰击表面方法对上述金属结合层进行表面改性，以改变其近表层的晶粒结构、应力状态和表面形态；
4)最后采用等离子喷涂方法在上述喷射轰击处理后的结合层表面上喷涂沉积常规的ZrO2-Y2O3陶瓷面层，即可获得高寿命的热障涂层。
所述的步骤2)中用于沉积金属结合层的粉末粒度分布范围为10-100μm，涂层厚度为0.10-0.30mm。
所述的步骤3)中喷射轰击材料的颗粒尺寸为30-250μm，气体温度为25-200℃，气体压力为1.0-3.0MPa，轰击距离为10-60mm，轰击时间为5-120s，送粉量为3-25g/s。
所述的步骤4)中陶瓷面层的ZrO2-Y2O3成分中Y2O3的重量百分比为7～8％，陶瓷面层的厚度则为0.15-0.30mm。
本发明提供的通过金属结合层表面改性提高热障涂层使用寿命的方法是采用超音速冷气喷射Al2O3颗粒轰击的方法对热障涂层中的金属结合层进行表面改性，以改变其表层的晶粒/颗粒结构、表面形态和应力状态。通过该技术处理可使金属结合层表层的晶粒/颗粒更加细化，从而改善了涂层中铝的扩散，使得界面附近的铝分布趋于均匀，从而减少了铝的局部贫化程度，同时基本上消除了Ni、Co等氧化物的生成，使得氧化物层成分单一、结构致密、厚度均匀一致，有效地改善了界面应力分布；此外，通过该技术处理还可大大改善氧化物层的界面形态，因此基本能够避免出现较大的应力集中问题，从而达到改善热障涂层抗热冲击性和提高使用寿命的目的。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明提供的通过对金属结合层表面改性提高热障涂层使用寿命的方法进行详细说明。
实施例1：
本发明提供的通过对金属结合层表面改性提高热障涂层使用寿命的方法包括按顺序进行的下列步骤：1)按照常规的工艺程序对基体表面进行清洗和喷砂处理；2)采用超音速火焰喷涂方法在上述处理后的基体表面沉积上常用的MCrAlY合金体系的金属结合层，其中M为Ni、Co或Ni与Co的混合物，粉末粒度为10-40μm，涂层厚度为0.10mm；3)以Al2O3粉末作为喷射轰击颗粒材料，采用超音速冷气喷射轰击表面方法对上述金属结合层进行表面改性，以细化结合层表层的晶粒/颗粒结构，其中喷射轰击材料的颗粒尺寸为30-80μm，气体温度为25℃，气体压力为1.0MPa，轰击距离为10mm，轰击时间为5s，送粉量为3.0g/s；4)最后采用等离子喷涂方法在上述喷射轰击处理后的结合层表面上喷涂沉积常规的ZrO2-Y2O3陶瓷面层，即可获得热障涂层。其中ZrO2-Y2O3成分中Y2O3的重量百分比为7％，而陶瓷面层的厚度则为0.18mm。
实施例2：
本发明提供的通过对金属结合层表面改性提高热障涂层使用寿命的方法包括按顺序进行的下列步骤：1)按照常规的工艺程序对基体表面进行清洗和喷砂处理；2)采用等离子喷涂方法在上述处理后的基体表面沉积上常用的MCrAlY合金体系的金属结合层，其中M为Ni、Co或Ni与Co的混合物，粉末粒度为30-100μm，涂层厚度为0.20mm；3)以Al2O3粉末作为喷射轰击颗粒材料，采用超音速冷气喷射轰击表面方法对上述金属结合层进行表面改性，以细化结合层表层的晶粒/颗粒结构，其中喷射轰击材料的颗粒尺寸为50-100μm，气体温度为120℃，气体压力为1.8MPa，轰击距离为30mm，轰击时间为60s，送粉量为15g/s；4)最后采用等离子喷涂方法在上述喷射轰击处理后的结合层表面上喷涂沉积常规的ZrO2-Y2O3陶瓷面层，即可获得热障涂层。其中ZrO2-Y2O3成分中Y2O3的重量百分比为8％，而陶瓷面层的厚度则为0.22mm。
实施例3：
本发明提供的通过对金属结合层表面改性提高热障涂层使用寿命的方法包括按顺序进行的下列步骤：1)按照常规的工艺程序对基体表面进行清洗和喷砂处理；2)采用超音速火焰喷涂方法在上述处理后的基体表面沉积上常用的MCrAlY合金体系的金属结合层，其中M为Ni、Co或Ni与Co的混合物，粉末粒度为30-60μm，厚度为0.30mm；3)以Al2O3粉末作为喷射轰击颗粒材料，采用超音速冷气喷射轰击表面方法对上述金属结合层进行表面改性，以细化结合层表层的晶粒/颗粒结构，其中喷射轰击材料的颗粒尺寸为130-250μm，气体温度为185℃，气体压力为3.0MPa，轰击距离为60mm，轰击时间为120s，送粉量为25g/s；4)最后采用等离子喷涂方法在上述喷射轰击处理后的结合层表面上喷涂沉积常规的ZrO2-Y2O3陶瓷面层，即可获得热障涂层。其中ZrO2-Y2O3成分中Y2O3的重量百分比为7％，而陶瓷面层的厚度则为0.30mm。

Claims (4)

1、一种通过金属结合层表面改性提高热障涂层使用寿命的方法，其特征在于：所述的通过金属结合层表面改性提高热障涂层使用寿命的方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)按照常规的工艺程序对基体表面进行清洗和喷砂处理；
2)采用超音速火焰或等离子喷涂方法在上述处理后的基体表面沉积上常用的MCrAlY合金体系的金属结合层；
3)以Al2O3粉末作为喷射轰击颗粒材料，采用超音速冷气喷射轰击表面方法对上述金属结合层进行表面改性，以改变其近表层的晶粒结构、应力状态和表面形态；
4)最后采用等离子喷涂方法在上述喷射轰击处理后的结合层表面上喷涂沉积常规的ZrO2-Y2O3陶瓷面层，即可获得高寿命的热障涂层。
2、根据权利要求1所述的通过金属结合层表面改性提高热障涂层使用寿命的方法，其特征在于：所述的步骤2)中用于沉积金属结合层的粉末粒度分布范围为10-100μm，涂层厚度为0.10-0.30mm。
3、根据权利要求1所述的通过金属结合层表面改性提高热障涂层使用寿命的方法，其特征在于：所述的步骤3)中喷射轰击材料的颗粒尺寸为30-250μm，气体温度为25-200℃，气体压力为1.0-3.0MPa，轰击距离为10-60mm，轰击时间为5-120s，送粉量为3-25g/s。
4、根据权利要求1所述的通过金属结合层表面改性提高热障涂层使用寿命的方法，其特征在于：所述的步骤4)中陶瓷面层的ZrO2-Y2O3成分中Y2O3的重量百分比为7～8％，陶瓷面层的厚度则为0.15-0.30mm。
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