CN101768714B

CN101768714B - 热障涂层激光复合等离子喷涂制备方法

Info

Publication number: CN101768714B
Application number: CN2010101077163A
Authority: CN
Inventors: 崔熙贵; 程晓农; 崔承云; 许晓静; 张朝阳; 鲁金忠; 管海兵; 钱晓明
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2030-02-09
Also published as: CN101768714A

Abstract

本发明公开了一种热障涂层激光复合等离子喷涂制备方法，涉及表面涂层领域。其步骤为：1)将待处理材料采用线切割切成所需尺寸；2)将切好的材料表面用砂纸打磨；3)将打磨的材料表面采用脉冲激光清洗；4)将清洗后的材料表面进行激光毛化处理，粗化材料表面；5)将喷涂材料粉装入送粉器内，并将粗化后的材料固定在转台上，通过等离子喷涂工艺制备热障涂层；或先制备中间粘结层，然后重复步骤3)和4)中的清洗与毛化工艺，再通过等离子喷涂工艺制备热障涂层。本发明制得的热障涂层界面结合牢固，抗热震性能和力学性能得到显著的提高。本发明过程简单，适合于大规模批量化生产，可以制备出高性能的界面结合牢固的热障涂层。

Description

热障涂层激光复合等离子喷涂制备方法

技术领域

本发明涉及表面涂层材料领域，特指一种热障涂层激光复合等离子喷涂制备方法。

背景技术

热障涂层是指具有优异隔热性能的陶瓷涂层材料，通常由金属粘结层和耐热的氧化物陶瓷层组成。热障涂层可以有效降低高温部件的工作温度，避免高温氧化、腐蚀与磨损等，目前广泛应用于喷气发动机、燃气轮机叶片、导向叶片、翼面和涡轮桨等高温部件。

热障涂层的概念是20世纪50年代初提出的，最早使用的热障涂层材料是ZrO₂陶瓷，其熔点高，热导率低，抗热冲击性能好，热膨胀系数较大，与金属基体相差相对较小，但是ZrO₂不稳定，在较高温度下容易发生晶型转变，且伴随较大的体积变化，这大大降低了它的使用寿命。为此，需采用其它氧化物进行稳定化处理，用于稳定的氧化物有MgO、CaO、Y₂O₃等，其中稳定性最好的是Y₂O₃。目前应用最多的热障涂层材料为ZrO2-(6～8)wt％Y₂O₃(YPSZ)。随着航空燃气轮机逐渐向高流量比、高推重比、高进气口温度方向发展，对高温部件工作温度的要求越来越高，现广泛使用的YPSZ涂层材料已不能满足应用的需求，因此，一些新的热障涂层材料不断涌现。

热障涂层的制备方法很多，现在应用较多的有两种，一种是等离子喷涂(PS)，另一种是电子束物理气相沉积(EB-PVD)。与后者相比，前者具有设备投资小、工艺简单、效率高、涂层成分和厚度易于控制、对被喷零件尺寸和形状要求小等优点，得到了广泛的应用。等离子喷涂的热障涂层与基体之间是机械咬合，为了提高涂层与基体之间的结合，除了最佳化等离子喷涂工艺参数外，基体表面的前处理也是十分重要的。因此，喷涂之前通常对基体表面进行净化和粗化处理，这是提高界面结合强度的有效途径之一。净化主要是为了去除基体表面的氧化皮、油渍等，通常采用溶剂清洗、加热脱脂等方法。溶剂清洗等化学净化方法不仅难以控制，而且易对环境造成严重污染；加热脱脂只能去除表面有机物，净化不彻底，而且存在二次污染。粗化是为了增加涂层与基体的接触面，使净化过的表面更加活化，进而提高涂层的结合强度，通常采用喷砂方法。喷砂处理由于受气源压力、喷砂枪、金刚砂的硬度和粒度等的影响，易造成表面粗糙度不稳定，且大小、形状不易调控，从而影响界面结合与界面应力分布，无法充分提高涂层的使用寿命。

针对上面存在的问题，本发明提出采用激光清洗与激光毛化复合工艺处理基体表面，以有效提高涂层与基体间的界面结合强度。激光清洗是一种新的清洗方法，其是利用激光的方向性和高亮度，通过光剥离、光分解等原理清除材料表面的污染物，与目前常用的溶剂清洗、加热脱脂等方法相比，具有简单方便、无污染及二次污染等独特的优点。激光毛化主要是通过激光束与材料的相互作用，在材料表面进行熔凝-造型，采用电信号波形调控技术，不仅可以调整表面粗糙度，而且可以调整微坑的形状，如圆形、矩形、三角形和菱形。同与之相近的喷砂粗化处理相比，其具有表面粗糙度均匀、易调控、无污染、无噪声，处理速度快等优点。通过激光预处理的基体表面，有利于获得更高的界面结合强度，延长涂层的使用寿命；此外，有利于改善涂层中的应力分布，提高涂层的抗热震性能和力学性能。因此，采用激光复合等离子喷涂工艺能够制备出高性能的界面结合牢固的热障涂层。

发明内容

热障涂层广泛应用于高温环境中，提高涂层与基体的界面结合强度，延长使用寿命具有重要的工程实际意义。基体表面的净化与粗化是提高涂层与基体界面结合强度的有效方法，但现有的净化和粗化方法由于自身种种因素的影响，难以充分发挥表面净化与粗化的作用，不能有效提高界面结合强度，延长使用寿命。本发明的目的是为解决上面的问题，提供一种热障涂层激光复合等离子喷涂制备方法，其通过激光清洗与激光毛化有效地处理与控制基体表面的清洁度与形貌，增大涂层与基体的接触面积，改善涂层中的应力分布，从而有效提高涂层与基体的界面结合强度、抗热震性能与力学性能，延长涂层的使用寿命。

本发明解决上述问题的技术方案是：采用激光预处理与等离子喷涂相结合的复合工艺制备热障涂层，提高涂层与基体的界面结合强度，延长涂层的使用寿命。其步骤为：

1)将待处理材料采用线切割切成所需尺寸；

2)将切好的材料表面依次用100#、400#、600#、800#、1000#、1200#砂纸进行打磨；

3)将打磨后的材料表面在真空或气体保护下采用脉冲激光清洗；

4)将清洗后的材料表面在真空或气体保护下进行激光毛化处理，粗化材料表面；

5)将喷涂材料粉装入送粉器，将粗化后的材料固定在转台上，通过真空等离子喷涂工艺制备热障涂层；或先制备中间粘结层，然后重复步骤3)和4)中的清洗与毛化工艺，再通过真空等离子喷涂工艺制备热障涂层。

所述的待处理材料为镍基高温合金或钛基高温合金或钕铁硼永磁合金。

所述的脉冲激光清洗工艺采用调Q Nd:YAG激光器，具体工艺参数为：激光能量密度10mJ/cm²～50mJ/cm²，脉宽5ns～10ns，波长266nm～1064nm，重复频率10Hz，入射角度10°～90°。

所述的激光毛化工艺采用Nd:YAG脉冲激光器，具体工艺参数为：激光能量密度0.5kJ/cm²～5kJ/cm²，脉宽0.2ms～1ms，离焦量-0.5mm～4.5mm，扫描速度2mm/s～10mm/s，辅助气体氮气或氩气，压力0.5MPa～5MPa。

所述的热障涂层为氧化物稳定的ZrO₂，其中，氧化物为Y₂O₃、Al₂O₃、MgO、CaO、Gd₂O₃中的一种或几种，质量百分比为0.1％～10％；RE₂M₂O₇，其中，RE为稀土金属元素La、Ce、Pr、Nd、Gd、Y、Dy、Tb、Ho、Er中的一种或几种，M为金属Zr、Ce中的一种或几种；AZrO₃，其中，A为碱土金属元素Ca、Sr、Ba、Mg中的一种或几种。

所述的中间粘结层为NiCrAlY。

所述的热障涂层与中间粘结层粉的颗粒尺寸为20nm～100μm。

所述的等离子喷涂工艺参数为：电弧电流500A～600A，电弧电压50V～80V，喷涂距离70mm～100mm，喷涂速度25mm/s～35mm/s，主气Ar流量45dm³/min～80dm³/min，次气H₂流量4.5dm³/min～8dm³/min，送粉气Ar流量2.5dm³/min～3.5dm³/min，送粉速度25g/min～40g/min。

本发明的优点在于：将材料表面进行激光预处理，可以有效净化材料表面，控制表面粗糙度值，调整表面微观形貌，最大限度地克服传统工艺表面净化不彻底、环境污染以及表面粗化不均匀与不可控的缺点。将表面处理后的材料固定在转台上，通过真空等离子喷涂工艺制备热障涂层。这不仅显著提高了涂层与基体的界面结合强度，而且有利于提高涂层的抗热震性能与力学性能，推动了其在工程实际中的应用。此工艺过程简单，适合于大规模批量化生产。因此，通过本发明可以制备出高性能高界面结合的热障涂层。

具体实施方式

本发明中热障涂层是通过激光清洗、激光毛化与等离子喷涂相结合的复合工艺制备而成。首先将待处理材料切割成所需尺寸，然后将其表面用砂纸打磨，并将打磨表面进行激光清洗，去除表面的污染物，再将净化表面进行激光毛化，粗化表面，最后将预处理后的材料表面通过等离子喷涂工艺制备热障涂层。激光预处理表面干净清洁，表面微观形貌规则均匀，有效提高了涂层的界面结合强度，而且有利于提高涂层的综合性能，推动了其在工程实际中的应用。

实施例1：

1)将Inconel 738镍合金采用线切割切成Φ25mm×4mm；

2)将切好的Inconel 738镍合金表面依次用100#、400#、600#、800#、1000#、1200#砂纸进行打磨；

3)将打磨后的Inconel 738镍合金表面在真空下采用脉冲激光清洗，具体工艺参数为：激光能量密度10mJ/cm²，脉宽5ns，波长1064nm，重复频率10Hz，入射角度10°；

4)将清洗后的Inconel 738镍合金表面进行激光毛化处理，具体工艺参数为：激光能量密度0.5kJ/cm²，脉宽0.2ms，离焦量-0.5mm，扫描速度2mm/s，辅助气体氮气，压力1MPa，粗化材料表面；

5)将平均粒径100μm的ZrO₂-10wt％Y₂O₃粉装入送粉器内，将粗化后的Inconel 738镍合金固定在转台上，通过真空等离子喷涂工艺制备300μm厚的ZrO₂-10wt％Y₂O₃热障涂层，等离子喷涂工艺参数为：电弧电流600A，电弧电压50V，喷涂距离70mm，喷涂速度25mm/s，主气Ar流量80dm³/min，次气H₂流量8dm³/min，送粉气Ar流量3.5dm³/min，送粉速度40g/min。

为比较，采用丙酮清洗与喷砂粗化预处理的Inconel 738镍合金在相同工艺条件下真空等离子喷涂制备ZrO₂-10wt％Y₂O₃热障涂层。根据我国航空工业标准热喷涂涂层结合强度实验方法(HB5476-91)测得的界面结合强度值如表1。

表1采用不同预处理工艺制备的热障涂层的界面结合强度

从中可以看出，采用激光清洗与激光毛化预处理后，通过真空等离子喷涂制备的热障涂层的结合强度要远高于经传统工艺处理的表面，因此通过激光复合等离子喷涂工艺可以制备出高界面结合强度的热障涂层。

实施例2：

1)将Nd₁₅Fe₇₉B₆合金采用线切割切成Φ25mm×4mm；

2)将切好的Nd₁₅Fe₇₉B₆合金表面依次用100#、400#、600#、800#、1000#、1200#砂纸进行打磨；

3)将打磨后的Nd₁₅Fe₇₉B₆合金表面在氩气保护下采用脉冲激光清洗，具体工艺参数为：激光能量密度50mJ/cm²，脉宽10ns，波长266nm，重复频率10Hz，入射角度30°；

4)将清洗后的Nd₁₅Fe₇₉B₆合金表面进行激光毛化处理，具体工艺参数为：激光能量密度5kJ/cm²，脉宽0.6ms，离焦量2mm，扫描速度6mm/s，辅助气体氩气，压力0.5MPa，粗化材料表面；

5)将平均粒径20nm的La₂(Zr_0.8Ce_0.2)₂O₇粉造粒成30μm后装入送粉器内，将粗化后的Nd₁₅Fe₇₉B₆合金固定在转台上，通过真空等离子喷涂工艺制备100μm厚的La₂(Zr_0.8Ce_0.2)₂O₇热障涂层，等离子喷涂工艺参数为：电弧电流500A，电弧电压80V，喷涂距离90mm，喷涂速度35mm/s，主气Ar流量50dm³/min，次气H₂流量5dm³/min，送粉气Ar流量2.5dm³/min，送粉速度30g/min。

为比较，采用丙酮清洗与喷砂粗化预处理的Nd₁₅Fe₇₉B₆合金在相同工艺条件下真空等离子喷涂制备La₂(Zr_0.8Ce_0.2)₂O₇热障涂层。根据我国航空工业标准热喷涂涂层结合强度实验方法(HB5476-91)测得的界面结合强度值如表2。

表2采用不同预处理工艺制备的热障涂层的界面结合强度

实施例3：

1)将AE435镍合金采用线切割切成Φ25mm×4mm；

2)将切好的AE435镍合金表面依次用100#、400#、600#、800#、1000#、1200#砂纸进行打磨；

3)将打磨后的AE435镍合金表面在氩气保护下采用脉冲激光清洗，具体工艺参数为：激光能量密度20mJ/cm²，脉宽7ns，波长532nm，重复频率10Hz，入射角度90°；

4)将清洗后的AE435镍合金表面进行激光毛化处理，具体工艺参数为：激光能量密度4.5kJ/cm²，脉宽1ms，离焦量3mm，扫描速度3.5mm/s，辅助气体氩气，压力5MPa，粗化材料表面；

5)将平均粒径100nm的Ca_0.9Sr_0.1ZrO₃粉造粒成50μm后装入送粉器内，将粗化后的AE435镍合金固定在转台上，通过真空等离子喷涂工艺制备200μm厚的Ca_0.9Sr_0.1ZrO₃热障涂层，等离子喷涂工艺参数为：电弧电流550A，电弧电压70V，喷涂距离85mm，喷涂速度33mm/s，主气Ar流量55dm³/min，次气H₂流量6dm³/min，送粉气Ar流量2.8dm³/min，送粉速度35g/min。

为比较，采用丙酮清洗与喷砂粗化预处理的AE435镍合金在相同工艺条件下真空等离子喷涂制备Ca_0.9Sr_0.1ZrO₃热障涂层。根据我国航空工业标准热喷涂涂层结合强度实验方法(HB5476-91)测得的界面结合强度值如表3。

表3采用不同预处理工艺制备的热障涂层的界面结合强度

实施例4：

1)将Ti-6Al-4V合金采用线切割切成Φ25mm×4mm；

2)将切好的Ti-6A1-4V合金表面依次用100#、400#、600#、800#、1000#、1200#砂纸进行打磨；

3)将打磨后的Ti-6Al-4V合金表面在氩气保护下采用脉冲激光清洗，具体工艺参数为：激光能量密度30mJ/cm²，脉宽10ns，波长1064nm，重复频率10Hz，入射角度90°；

4)将清洗后的Ti-6Al-4V合金表面进行激光毛化处理，具体工艺参数为：激光能量密度5kJ/cm²，脉宽0.4ms，离焦量4.5mm，扫描速度10mm/s，辅助气体氩气，压力3MPa，粗化材料表面；

5)将平均粒径45μm的NiCrAlY粉装入送粉器内，再将粗化后的Ti-6Al-4V合金固定在转台上，通过真空等离子喷涂工艺制备NiCrAlY中间粘结层，等离子喷涂工艺参数为：电弧电流530A，电弧电压55V，喷涂距离100mm，喷涂速度28mm/s，主气Ar流量45dm³/min，次气H₂流量4.5dm³/min，送粉气Ar流量2.5dm³/min，送粉速度25g/min；然后重复步骤3)和4)中的清洗与毛化工艺，再将平均粒径80μm的ZrO₂-0.1wt％Al₂O₃粉装入送粉器内，通过真空等离子喷涂工艺制备500μm厚的ZrO₂-0.1wt％Al₂O₃热障涂层，等离子喷涂工艺参数为：电弧电流580A，电弧电压60V，喷涂距离80mm，喷涂速度30mm/s，主气Ar流量65dm³/min，次气H₂流量7dm³/min，送粉气Ar流量3.3dm³/min，送粉速度38g/min。

为比较，采用丙酮清洗与喷砂粗化预处理的Ti-6Al-4V合金在相同工艺条件下真空等离子喷涂制备ZrO₂-0.1wt％Al₂O₃热障涂层。根据我国航空工业标准热喷涂涂层结合强度实验方法(HB5476-91)测得的界面结合强度值如表4。

表4采用不同预处理工艺制备的热障涂层的界面结合强度

Claims

1.热障涂层激光复合等离子喷涂制备方法，其特征在于，采用脉冲激光清洗、毛化与等离子喷涂技术相结合的复合工艺制备具有高结合强度的高性能热障涂层，延长其使用寿命；步骤为：

1)将待处理材料采用线切割切成所需尺寸；

3)将打磨后的材料表面在氮气或氩气保护下采用脉冲激光清洗；

4)将清洗后的材料表面在真空或氩气保护下进行激光毛化处理，粗化材料表面；

5)将喷涂材料粉装入送粉器，并将粗化后的材料固定在转台上，通过真空等离子喷涂工艺制备热障涂层；或先制备中间粘结层，然后重复步骤3)和4)中的清洗与毛化工艺，再通过真空等离子喷涂工艺制备热障涂层。

2.根据权利要求1所述的热障涂层激光复合等离子喷涂制备方法，其特征在于，所述的待处理材料为镍基高温合金或钛基高温合金或钕铁硼永磁合金。

3.根据权利要求1所述的热障涂层激光复合等离子喷涂制备方法，其特征在于，所述的脉冲激光清洗工艺采用调Q Nd:YAG激光器，具体工艺参数为：激光能量密度10mJ/cm²～50mJ/cm²，脉宽5ns～10ns，波长266nm～1064nm，重复频率10Hz，入射角度10°～90°。

4.根据权利要求1所述的热障涂层激光复合等离子喷涂制备方法，其特征在于，所述的激光毛化工艺采用Nd:YAG脉冲激光器，具体工艺参数为：激光能量密度0.5kJ/cm²～5kJ/cm²，脉宽0.2ms～1ms，离焦量-0.5mm～4.5mm，扫描速度2mm/s～10mm/s，辅助气体氮气或氩气，压力0.5MPa～5MPa。

5.根据权利要求1所述的热障涂层激光复合等离子喷涂制备方法，其特征在于，所述的热障涂层为氧化物稳定的ZrO₂，其中，氧化物为Y₂O₃、Al₂O₃、MgO、CaO、Gd₂O₃中的一种或几种，质量百分比为0.1％～10％；或RE₂M₂O₇，其中，RE为稀土金属元素La、Ce、Pr、Nd、Gd、Y、Dy、Tb、Ho、Er中的一种或几种，M为金属Zr、Ce中的一种或几种；或AZrO₃，其中，A为碱土金属元素Ca、Sr、Ba、Mg中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的热障涂层激光复合等离子喷涂制备方法，其特征在于，所述的中间粘结层为NiCrAlY。

7.根据权利要求1所述的热障涂层激光复合等离子喷涂制备方法，其特征在于，所述的热障涂层与中间粘结层粉的颗粒尺寸为20nm～100μm。

8.根据权利要求1所述的热障涂层激光复合等离子喷涂制备方法，其特征在于，所述的等离子喷涂工艺参数为：电弧电流500A～600A，电弧电压50V～80V，喷涂距离70mm～100mm，喷涂速度25mm/s～35mm/s，主气Ar流量45dm³/min～80dm³/min，次气H₂流量4.5dm³/min～8dm³/min，送粉气Ar流量2.5dm³/min～3.5dm³/min，送粉速度25g/min～40g/min。