CN101357854B

CN101357854B - 一种降低陶瓷热障涂层热导率的后处理方法

Info

Publication number: CN101357854B
Application number: CN200810150955XA
Authority: CN
Inventors: 梁工英; 张晖; 丁秉钧; 王铁军; 虞烈
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2028-09-12
Also published as: CN101357854A

Abstract

本发明针对热障涂层系统是氧化钇部分稳定氧化锆面层(YSZ)和抗氧化粘结层MCrAlY合金，基体为镍基高温合金，公开了一种降低陶瓷热障涂层热导率的后处理方法，通过采用激光加热器，火焰加热器或高频感应加热器局部表面加热，利用高温下固态材料中传质和扩散原理，控制热障涂层陶瓷面层中开放连通孔隙和裂纹的形状变化，达到有限封闭，而非表层重熔或烧结致密，从而实现阻碍沿涂层表面向内部高温合金的传热。它能够解决现有技术中热障涂层导热系数大、隔热效果较差的不足，但又不损害原涂层的优异性能。本发明在不改变热障涂层材料的情况下，后处理工艺简单，生产效率高。

Description

一种降低陶瓷热障涂层热导率的后处理方法

技术领域

本发明涉及一种热障涂层的后处理技术，特别涉及一种用于燃气涡轮机热端部件如燃烧室、涡轮机叶片的陶瓷热障涂层的后处理方法。

背景技术

为了降低航空燃气涡轮机的燃料消耗，并提高推重比、流量比，发展航空动力技术，燃气涡轮机的进口温度必须提高。目前燃烧室的燃气温度和压力不断提高，燃气温度已接近2000K，传统的高温合金极限性能已不能在这样高的温度下服役，因此单靠合金本身很难满足燃气发动机的工作要求。为了适应这一恶劣的涡轮工作条件，发展了陶瓷热障涂层技术，1976年陶瓷热障涂层技术被成功用于J-75型燃气轮机叶片，这是陶瓷热障涂层技术发展史上的一个重要标志。随着科学技术的发展，在航天、航空、燃气发电、化工、冶金等众多领域，热障涂层将会得到更广泛的研究和应用。

典型的热障涂层是双层结构，表面是隔热陶瓷层，中间是抗氧化粘结层，下层是高温合金基体。面层材料多选用导热小、耐高温、热稳定性好的氧化物陶瓷，以降低金属或合金表面的使用温度；粘结层用以生成抗氧化保护膜，并减缓隔热面层与基体间的热不匹配。6％～8％氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)是目前使用最广泛、高温防护性能最佳的陶瓷隔热表层材料，可降低合金表面温度200℃左右，金属粘结底层主要为MCrAlY合金，其中M代表Ni，Co，NiCo。热障涂层的制备方法主要有等离子喷涂法和电子束物理气相沉积。陶瓷表层中通常含有大量疏松柱状晶界、连通孔隙以及微裂纹、宏观密集垂直裂纹(如每厘米16～24条)，这些材料组织结构对提高由于基体与热障涂层热膨胀系数差异造成的应变容限和缓解涂层应力起重要和积极的作用，但也有降低隔热效果的严重问题。

热障涂层陶瓷表层材料的隔热性直接关系到部件热端的使用温度。已知降低热导率的方法中，一是寻求更低导热率的涂层材料或结构，但低导热涂层材料原料种类多，合成过程复杂，反应控制难，操作步骤大大增加，耗时多，成本高，涂层性能再现性差；二是在现有氧化锆陶瓷热障涂层的基础上，对热障涂层进行后处理，如增加气孔率。而引入大量气孔后，涂层强度和刚度下降，气孔诱发裂纹而导致涂层失效的危险性也增大。

激光重熔是热障涂层的一种后处理方法，它是依靠激光表面加热，将热障涂层重新加热熔化并凝固，外表层全致密化，封闭连通开放孔隙和裂纹，目的是提高抗热腐蚀气体侵蚀基体合金。这种方法有助于改善表面光洁度和热腐蚀性能，但致密化和组织改变却使隔热性能和应变容限恶化。对陶瓷热障涂层隔热性能的提高并未带来积极效果。

发明内容

本发明的目的在于不改变原有热障涂层涂敷工艺、成分组成、涂层结构设计的情况下，提供一种可降低陶瓷热障涂层热导率、提高隔热性能的后处理方法。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种降低陶瓷热障涂层热导率的后处理方法，包括下述步骤：

(1)对陶瓷热障涂层表面用真空除尘器除去表面尘埃和颗粒；

(2)将陶瓷热障涂层工件放入烘箱中干燥，去除表面水汽和油脂；

(3)对陶瓷热障涂层用加热器实施快速局部表面加热，并通过热源移动搭接扫描方式，使冷却后的陶瓷热障涂层中孔隙和裂纹有限封闭；所述加热器采用激光加热器，火焰加热器或高频感应加热器；

(4)空气中自然冷却。

上述方法中，所述采用激光加热器，其功率设置为150W～750W，光班直径φ5～25mm，多道搭接扫描，搭接量30％，扫描速度10～30mm/s。激光加热器可以是CO₂连续激光发生器，也可以是YAG激光发生器。

所述采用火焰加热器，其燃烧气体是煤气或碳氢可燃气体，助燃气体为氧，氧气体积与燃烧气体的混合比β₀介于1.1和1.2之间，燃烧喷嘴直径φ1～5mm，燃烧喷嘴与工件陶瓷热障涂层表面的距离10～20mm，连续加热，多道搭接扫描，搭接量30％，火焰移动速度1～10mm/s。

所述采用高频感应加热器，感应器频率为100～300kHz，比功率为2.0～3.5kW/cm²，感应器有效加热宽度1cm，感应器线圈移动速度5～20mm/s。

所述的激光加热可在Ar气中进行：即将工件和激光器置于手套箱内，抽真空，当真空度到达5Pa时，充入Ar气，压力为1个大气压。所述的高频感应加热也可在Ar气中进行：即将工件和感应线圈置于手套箱内，抽真空，当真空度到达5Pa时，充入Ar气，压力为1个大气压。

本发明依据高温下材料中物质传质和扩散的加剧，通过采用激光加热器，火焰加热器或高频感应加热器对陶瓷热障涂层进行局部表面加热，并控制加热工艺参数，使热障涂层中开放连通的孔隙和垂直裂纹有限封闭，而非表层重熔或烧结致密(完全烧结)，增加沿热流方向的界面和减小气孔的有效尺寸，从而降低热导率，提高隔热效果。从而实现阻碍沿涂层表面向内部高温合金的传热，有效解决现有技术中热障涂层导热系数大、隔热效果较差的不足。

本发明的优点是基本不改变热障涂层中孔隙和裂纹的所占比率和分布，它们对缓解热障涂层与基体热膨胀不匹配、提高变形容限和热疲劳抗力的原有优点基本不受损害，而显著提高隔热性能。且工艺简单，生产效率高。

附图说明

图1为表面加热时陶瓷面层中孔隙、因物质扩散而发生孔隙/裂纹生长封闭过程示意图。其中：图1a为喷涂后陶瓷表层1中的孔隙/裂纹2；图1b为孔隙/裂纹开度减小；图1c为孔隙/裂纹有限封闭；图1d为完全封闭成为一个个孤立的气孔3。

具体实施方式

本发明热障涂层是采用适宜喷涂技术(如等离子喷涂)制备的热障涂层，由氧化锆陶瓷面层和粘结底层组成，氧化锆面层是氧化钇稳定的氧化锆，其中氧化钇的含量为2～4％和6～8％，即3YSZ和7YSZ，厚度是0.2mm～0.8mm。粘结底层是MCrAlY合金体系，M代表Ni、Co或NiCo，Al的含量为5～12％，Cr为25％，Y为0.5％，余量为M。所述粘结底层厚度为0.1～0.4mm。

下面例举具体实施例对本发明进行详细说明。

所有实施例都包含以下热障涂层表面清洁步骤：

1)对热障涂层表面用3KW真空除尘器除去表面尘埃和颗粒

2)将热障涂层工件放入烘烤箱中，加热温度110℃，加热时间1小时，去除表面水汽和油脂。

实施例1

工件热障涂层系统是6～8％的氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷面层，即7YSZ，厚度0.2mm，和CoCrAlY合金粘结底层，Al含量5％，Cr为25％，Y为0.5％，余量为Co，厚度0.1mm。经适宜喷涂方法制备(不属于本专利发明内容)。经表面清洁处理后，采用CO₂激光器进行表面加热，功率150W，光斑直径5mm，多道搭接扫描，搭接量30％，扫描速度10mm/s，自然冷却。获得孔隙和裂纹发生有限封闭的热障涂层陶瓷面层。

实施例2

工件热障涂层系统是2～3％的氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷面层，即3YSZ，厚度0.5mm，和NiCrAlY合金粘结底层，Al含量8％，Cr为25％，Y为0.5％，余量为Ni，厚度0.25mm。经适宜喷涂方法制备。经表面清洁处理后，采用YAG激光器进行表面加热，功率450W，光斑直径15mm，多道搭接扫描，搭接量30％，扫描速度20mm/s，自然冷却。获得孔隙和裂纹发生有限封闭的热障涂层陶瓷面层。

实施例3

工件热障涂层系统是6～8％的氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷面层，即7YSZ，厚度0.8mm，和NiCoCrAlY合金粘结底层，Al含量12％，Cr为25％，Y为0.5％，余量为Ni和Co各50％，厚度0.4mm。经适宜喷涂方法制备。经表面清洁处理后，采用YAG激光器进行表面加热，功率750W，光斑直径25mm，多道搭接扫描，搭接量30％，扫描速度30mm/s，自然冷却。获得孔隙和裂纹发生有限封闭的热障涂层陶瓷面层。

实施例4

工件热障涂层系统是6～8％的氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷面层，即7YSZ，厚度0.2mm，和CoCrAlY合金粘结底层，Al含量5％，Cr为25％，Y为0.5％，余量为Co，厚度0.1mm。经适宜喷涂方法制备。经表面清洁处理后，采用火焰加热器进行表面加热，可燃气体是煤气，助燃气体为氧气，氧气体积与燃烧气体的混合比β₀为1.1，喷嘴直径1mm，燃烧喷嘴与工件热障涂层表面的距离为10mm，多道搭接扫描，搭接量30％，火焰移动速度1mm/s，自然冷却。获得孔隙和裂纹发生有限封闭的热障涂层陶瓷面层。

实施例5

工件热障涂层系统是2～3％的氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷面层，即3YSZ，厚度0.5mm，和NiCrAlY合金粘结底层，Al含量8％，Cr为25％，Y为0.5％，余量为Ni，厚度0.25mm。经适宜喷涂方法制备。经表面清洁处理后，采用火焰加热器进行表面加热，可燃气体是乙炔，助燃气体为氧气，氧气体积与燃烧气体的混合比β₀为1.2，燃烧喷嘴与工件热障涂层表面的距离为15mm，喷嘴直径3mm，搭接扫描，搭接量30％，火焰移动速度5mm/s，自然冷却。获得孔隙和裂纹发生有限封闭的热障涂层陶瓷面层。

实施例6

工件热障涂层系统是6～8％的氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷面层，即7YSZ，厚度0.8mm，和NiCoCrAlY合金粘结底层，Al含量12％，Cr为25％，Y为0.5％，余量为Ni和Co各50％，厚度0.4mm。经适宜喷涂方法制备。经表面清洁处理后，采用火焰加热器进行表面加热，可燃气体是乙炔，助燃气体为氧气，氧气体积与燃烧气体的混合比β₀为1.2，燃烧喷嘴与工件热障涂层表面的距离为20mm，喷嘴直径5mm，进行多道扫描，搭接量30％，火焰移动速度10mm/s，自然冷却。获得孔隙和裂纹发生有限封闭的热障涂层陶瓷面层。

实施例7

工件热障涂层系统是6～8％的氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷面层，即7YSZ，厚度0.2mm，和CoCrAlY合金粘结底层，Al含量5％，Cr为25％，Y为0.5％，余量为Co，厚度0.1mm。经适宜喷涂方法制备。经表面清洁处理后，采用高频感应加热器进行表面加热，频率100kHz，比功率2.0KW/cm²，感应器有效高度1cm，感应线圈移动速度5mm/s，自然冷却。获得孔隙和裂纹发生有限封闭的热障涂层陶瓷面层。

实施例8

工件热障涂层系统是2～3％的氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷面层，即3YSZ，厚度0.5mm，和NiCrAlY合金粘结底层，Al含量8％，Cr为25％，Y为0.5％，余量为Ni，厚度0.25mm。经适宜喷涂方法制备。经表面清洁处理后，采用高频感应加热器进行表面加热，频率200kHz，比功率2.5KW/cm²，感应器有效高度1cm，感应线圈移动速度13mm/s，自然冷却。获得孔隙和裂纹发生有限封闭的热障涂层陶瓷面层。

实施例9

工件热障涂层系统是6～8％的氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷面层，即7YSZ，厚度0.8mm，和NiCoCrAlY合金粘结底层，Al含量12％，Cr为25％，Y为0.5％，余量为Ni和Co各50％，厚度0.4mm。经适宜喷涂方法制备。经表面清洁处理后，采用高频感应加热器进行表面加热，频率300kHz，比功率3.5KW/cm²，感应器有效高度1cm，感应线圈移动速度20mm/min，自然冷却。获得孔隙和裂纹发生有限封闭的热障涂层陶瓷面层。

实施例10

工件热障涂层系统是6～8％的氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷面层，即7YSZ，厚度0.2mm，和CoCrAlY合金粘结底层，Al含量5％，Cr为25％，Y为0.5％，余量为Co，厚度0.1mm。经适宜喷涂方法制备。经表面清洁处理后，将工件和CO2激光器置于手套箱内，机械泵抽真空，当真空度到达5Pa时，充入Ar气，压力为1个大气压，功率150W，光斑直径5mm，多道搭接扫描，搭接量30％，扫描速度10mm/s，待处理表面冷却至室温后，打开手套箱，将工件取出。获得孔隙和裂纹发生有限封闭的热障涂层陶瓷面层。

实施例11

工件热障涂层系统是6～8％的氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷面层，即7YSZ，厚度0.8mm，和NiCoCrAlY合金粘结底层，Al含量12％，Cr为25％，Y为0.5％，余量为Ni和Co各50％，厚度0.4mm。经适宜喷涂方法制备(不属于本专利发明内容)。经表面清洁处理后，将工件和YAG激光器置手套箱内，机械泵抽真空，当真空度到达5Pa时，充入Ar气，压力为1个大气压，采用YAG激光器进行表面加热，功率750W，光斑直径25mm，多道搭接扫描，搭接量30％，扫描速度30mm/s，待待处理表面冷却至室温后，打开手套箱，将工件取出。获得孔隙和裂纹发生有限封闭的热障涂层陶瓷面层。

实施例12

工件热障涂层系统是2～3％的氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷面层，即3YSZ，厚度0.5mm，和NiCrAlY合金粘结底层，Al含量8％，Cr为25％，Y为0.5％，余量为Ni，厚度0.25mm。经适宜喷涂方法制备。经表面清洁处理后，将工件和感应线圈置于手套箱内，机械泵抽真空，当真空度到达5Pa时，充入Ar气，压力为1个大气压，采用高频感应加热器进行表面加热，频率200kHz，比功率2.5KW/cm²，感应器有效高度1cm，感应线圈移动速度13mm/s，待待处理表面冷却至室温后，打开手套箱，将工件取出。获得孔隙和裂纹发生有限封闭的热障涂层陶瓷面层。

本发明通过采用激光加热器，火焰加热器或高频感应加热器对适宜工艺喷涂制备的氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷热障涂层进行局部表面加热，陶瓷热障涂层不熔化，涂层中孔隙/裂纹形成有限封闭状态(图1c)，这是本发明的重要区别特征之一。而激光重熔是将热障涂层重新加热熔化并烧结致密化，使涂层中孔隙/裂纹形成完全封闭状态(图1d)，同时完全改变了涂层材料组织。

在实施例3中，喷涂态热障涂层的室温热导率为1.53W/mK，经激光加热有限封闭孔隙和裂纹后热导率降为1.09W/mK，下降约30％。

Claims

1.一种降低陶瓷热障涂层热导率的后处理方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)对陶瓷热障涂层表面用真空除尘器除去表面尘埃和颗粒；

(4)空气中自然冷却；

所述采用激光加热器，功率设置为150W～750W，光班直径φ5～25mm，搭接扫描，搭接量30％，扫描速度10～30mm/s。

2.根据权利要求1所述的降低陶瓷热障涂层热导率的后处理方法，其特征在于，所述激光加热器是CO₂连续激光发生器或YAG激光发生器。

3.根据权利要求1所述的降低陶瓷热障涂层热导率的后处理方法，其特征在于，所述的激光加热在Ar气中进行：即将工件和激光器置于手套箱内，抽真空，当真空度到达5Pa时，充入Ar气，压力为1个大气压。