CN102094170A - 用于燃气轮机涡轮动叶的氧化锆热障涂层及制备方法 - Google Patents

用于燃气轮机涡轮动叶的氧化锆热障涂层及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种用于燃气轮机涡轮动叶的氧化锆热障涂层及制备方法，其特点是：该用于燃气轮机涡轮动叶的氧化锆热障涂层是在金属表面镀上一层粘结层材料和陶瓷层材料，其特点是：粘结层材料为Co：15％-30％、Cr：20％-30％、Al：6％-16％、Y：0.2％-1.0％、Ni-余量；陶瓷层材料为氧化钇稳定的氧化锆(ZrO2/(5～8％)Y2O3)。本发明制备的涂层致密，与基体结合力良好，具有良好的抗热循环能力及抗高温腐蚀的能力。

Description

用于燃气轮机涡轮动叶的氧化锆热障涂层及制备方法
技术领域
本发明涉及一种高温防护方法，特别是涉及一种采用电子束物理气相沉积技术在金属表面镀上一层粘结层材料和陶瓷层材料的用于燃气轮机涡轮动叶的氧化锆热障涂层及制备方法，属于国际专利分类表中的C23C4/10(2006.01)I技术领域。
背景技术
燃气涡轮机叶片面临着苛刻的服役环境。作为普通用途的燃气涡轮机叶片的使用温度范围在960℃～1100℃，军用飞机中的燃气轮机的燃气温度高达1600℃。然而，用于生产涡轮叶片的镍基超强耐热合金的最高工作温度只有1100℃。随着燃气轮机燃气温度的提高，相对于开发新型高温耐热合金材料基体来讲，致力于燃气轮机涡轮叶片的保护其成本要低得多。应用于燃气轮机的涡轮叶片表面，以起到隔热作用来提高燃气使用温度，进而提高燃气轮机效率，并延长涡轮叶片的使用寿命是热障涂层的最重要作用之一。
目前采用的热障涂层结构基本上由粘结层与陶瓷层所构成的双层结构，在现有技术中常采用等离子喷涂制备涂层。虽然等离子喷涂成本低、涂层成分易控制，但涂层内不可避免地存在孔隙、空洞和夹杂，涂层结合性能差等缺点。
近年来也有采用电子束物理气相沉积制备涂层，电子束物理气相沉积技术可以得到冶金结合和结构无孔的涂层。在制备梯度热障涂层时，实现了金属粘结层与陶瓷层之间结构和成分的连续过渡。经过高温后续处理，使粘结层与陶瓷层之间形成扩散，从而消除了内界面。其涂层组织为垂直于基体表面的柱状晶组织。柱体与基体间属于冶金结合，稳定性很好。且在高温下，柱状组织结构的涂层具有良好的应变承受能力。从而大大提高了涂层的抗热疲劳的性能。
因此，研究开发出合适的电子束物理气相沉积工艺制备氧化锆热障涂层是近年来涡轮叶片基体上沉积热障涂层研究的热点之一。公开号为CN1740372的发明专利申请曾给出了《一种液相等离子喷涂制备纳米氧化锆热障涂层的方法》，即在含锆盐的水溶液中加入氧化物稳定剂和高分子活性分散剂，再加入碱性沉淀剂，得到氢氧化锆溶胶，经陈化和纯化后，将此溶胶作为等离子喷涂原料进行等离子喷涂制备纳米氧化锆涂层。其特征在于以氢氧化物前驱体溶胶取代纳米团聚型微米粉末作为等离子喷涂原料，将其雾化后在等离子火焰中迅速蒸发、干燥、煅烧和凝结沉积，直接形成纳米氧化锆涂层。该技术方案给出纳米氧化锆热障涂层的制备方法，虽具有操作简单，工艺流程少，制备成本低，有利于工业化生产等优点。但是液相前驱体在焰流中会发生复杂的转变，其中等离子化学反应是最为关键也是最为复杂的变化，因此控制难度大；并且，制备前驱体溶胶时会引入Cl-离子等其他有害离子及杂质，对涂层耐高温腐蚀性能有很大影响。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述技术问题，通过研究改进，提供了一种新型的用于燃气轮机涡轮动叶的氧化锆热障涂层及制备方法。这种用于燃气轮机涡轮动叶的氧化锆热障涂层及制备方法是采用电子束物理气相沉积技术，在金属表面镀上一层粘结层材料和陶瓷层材料。粘结层采用MCrAlY合金系列，实现陶瓷层与基体热胀系数的过渡，保护基材在高温下免受氧化和腐蚀；陶瓷层采用氧化钇稳定的氧化锆(ZrO2/(5～8％)Y2O3)。该方法制备的涂层致密，与基体结合力良好，具有良好的抗热循环能力及抗高温腐蚀的能力。
本发明给出的技术方案是：这种用于燃气轮机涡轮动叶的氧化锆热障涂层，在金属表面镀上一层粘结层材料和陶瓷层材料，其特点是：
粘结层材料为Co：15％-30％、Cr：20％-30％、Al：6％-16％、Y：0.2％-1.0％、Ni-余量；
陶瓷层材料为氧化钇稳定的氧化锆(ZrO2/(5～8％)Y2O3)。
上述技术方案提及的氧化钇稳定的氧化锆(ZrO2/(5～8％)Y2O3)是指：涂层材料中，氧化钇是起到稳定剂的作用，并且，由于添加稳定剂种类不同，因此，一般在写涂层名称的同时也将稳定剂名称写出。由于本发明添加的是氧化钇，因此称为氧化钇稳定的氧化锆涂层，括号中(ZrO2/(5～8％)Y2O3)是指涂层的化学成分及含量，意思为添加氧化钇含量为5-8％的氧化锆。
本发明给出的用于燃气轮机涡轮动叶的氧化锆热障涂层的制备方法，其特点是有下列步骤：
(1)蒸发用料棒的制备：金属靶材为NiCoCrAlY和(ZrO2/(5～8％)Y2O3)合金料棒，料棒直径70mm，长度200mm，采用真空感应炉在1600℃下反复熔炼合金料棒3次，熔炼功率40KW，工作频率4KHz，背底真空度为0.3Pa；
(2)基片的预处理：将基片经800#砂纸打磨后，分别在丙酮及无水乙醇中超声波清洗10min，吹干后安装在基片支撑架上，将基片支撑送入真空室；
(3)将粘结层料棒、陶瓷层料棒分别放置在坩埚中；
(4)将真空室抽真空至所需真空度10-3Pa；
(5)基片的加热，设定旋转基板架所需旋转的速度10～20rpm，用电子束将基板加热至600～900℃，电子束电压17～19kV，对基板进行预热；
(6)预蒸发粘结层料棒，并调节电子束流1.4～1.8A，料棒上升速率0.8～1.0mm/min，控制蒸发量；
(7)拉开挡板，进行蒸发沉积粘结层
蒸发粘结层，电子束电流1.4～1.8A，料棒上升速率1.2～1.6mm/min；
根据涂层厚度对粘结层厚度的要求，当蒸发到粘结层总厚度的2/3时，调节电子束电流，由原来的1.8A逐渐变化至0.8A，变化速率：0.2～0.3A/min；
(8)粘结层沉积结束，对粘结层进行真空热处理：温度1000～1100℃，时间2～6h；
(9)蒸发沉积陶瓷层，电子束电流为1.4～1.8A，料棒上升速率1.2～1.6mm/min；陶瓷层沉积结束后，进行真空热处理：温度1000～1100℃，时间2～6h；
(10)继续保持真空状态，待基板自然冷却至50℃以下后，开启真空室，取出热障涂层材料，制备结束。
为更好的实现本发明的目的，所述步骤(5)中对基板进行预热，预热时间至少为60min，其目的在于排放基板上所吸附的气体。同时利用基板的热量烘烤真空室壁，以使吸附的气体在正式蒸发之前排放出来，保证蒸发过程中具有较高的真空度，提高涂层与基体的结合强度。
为更好的实现本发明的目的，所述步骤(7)中过渡层的铝含量呈梯度上升，铝含量可控。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、涂层表面光滑无需再加工，工艺参数易于控制，涂层可修复；
2、粘结层中的镍、钴、铬、铝、钇成分可控；
3、粘结层与陶瓷层之间形成扩散，实现了金属粘结层与陶瓷层之间结构和成分的连续过渡；
4、粘结层具有良好的塑性与抗长时间高温氧化腐蚀的能力；
5、热障涂层服役寿命大幅度提高。
具体实施方式
实施例1
燃气轮机涡轮叶片的基体为K452合金，粘结层材料为Co-20.5、Cr-22.4、Al-8.56、Y-0.78、Ni-余量；陶瓷层材料为氧化钇稳定的氧化锆(ZrO2/(5～8％)Y2O3)。
制备用于燃气轮机涡轮叶片的热障涂层的方法有下列步骤：
(1)蒸发用料棒的制备：金属靶材为NiCoCrAlY和(ZrO2/(5～8％)Y2O3)合金料棒，采用真空感应炉在1600℃下反复熔炼合金料棒3次，熔炼功率40KW，工作频率4KHz，背底真空度为0.3Pa，料棒直径70mm，长度200mm；
(2)基片的预处理：将基片经800#砂纸打磨后，分别在丙酮及无水乙醇中超声波清洗10min，吹干后安装在基片支撑架上，将基片支撑送入真空室；
(3)将粘结层料棒、陶瓷层料棒分别放置在坩埚中；
(4)将真空室抽真空至所需真空度10-3Pa；
(5)基片的加热。设定旋转基板架所需旋转的速度12rpm，用电子束将基板加热至700℃，电子束电压18kV，对基板进行预热，预热时间为60min。
(6)预蒸发粘结层料棒，并调节电子束流1.6A，料棒上升速率0.8mm/min，控制蒸发量；
(7)拉开挡板，进行蒸发沉积粘结层，
蒸发粘结层，电子束电流1.6A，料棒上升速率1.2mm/min，时间20min；调节电子束电流，由原来的1.6A逐渐变化至0.8A，变化速率：0.2A/min，继续增发粘结层5min；
(8)粘结层沉积结束，对粘结层进行真空热处理：温度1100℃，时间4h；
(9)蒸发沉积陶瓷层，电子束电流为1.8A，料棒上升速率1.2mm/min；陶瓷层沉积结束后，进行真空热处理：温度1100℃，时间2h；
(10)继续保持真空状态，待基板自然冷却至50℃以下后，开启真空室，取出热障涂层材料，制备结束。

Claims (4)

1.一种用于燃气轮机涡轮动叶的氧化锆热障涂层，在金属表面镀上一层粘结层材料和陶瓷层材料，其特征在于：
粘结层材料为Co：15％-30％、Cr：20％-30％、Al：6％-16％、Y：0.2％-1.0％、Ni-余量；
陶瓷层材料为氧化钇稳定的氧化锆(ZrO2/(5～8％)Y2O3)。
2.权利要求1所述用于燃气轮机涡轮动叶的氧化锆热障涂层的制备方法，其特征在于有下列步骤：
(1)蒸发用料棒的制备：金属靶材为NiCoCrAlY和(ZrO2/(5～8％)Y2O3)合金料棒，料棒直径70mm，长度200mm，采用真空感应炉在1600℃下反复熔炼合金料棒3次，熔炼功率40KW，工作频率4KHz，背底真空度为0.3Pa；
(2)基片的预处理：将基片经800#砂纸打磨后，分别在丙酮及无水乙醇中超声波清洗10min，吹干后安装在基片支撑架上，将基片支撑送入真空室；
(3)将粘结层料棒、陶瓷层料棒分别放置在坩埚中；
(4)将真空室抽真空至所需真空度10-3Pa；
(5)基片的加热，设定旋转基板架所需旋转的速度10～20rpm，用电子束将基板加热至600～900℃，电子束电压17～19kV，对基板进行预热；
(6)预蒸发粘结层料棒，并调节电子束流1.4～1.8A，料棒上升速率0.8～1.0mm/min，控制蒸发量；
(7)拉开挡板，进行蒸发沉积粘结层
蒸发粘结层，电子束电流1.4～1.8A，料棒上升速率1.2～1.6mm/min；
根据涂层厚度对粘结层厚度的要求，当蒸发到粘结层总厚度的2/3时，调节电子束电流，由原来的1.8A逐渐变化至0.8A，变化速率：0.2～0.3A/min；
(8)粘结层沉积结束，对粘结层进行真空热处理：温度1000～1100℃，时间2～6h；
(9)蒸发沉积陶瓷层，电子束电流为1.4～1.8A，料棒上升速率1.2～1.6mm/min；陶瓷层沉积结束后，进行真空热处理：温度1000～1100℃，时间2～6h；
(10)继续保持真空状态，待基板自然冷却至50℃以下后，开启真空室，取出热障涂层材料，制备结束。
3.根据权利要求2所述的用于燃气轮机涡轮动叶的氧化锆热障涂层的制备方法，其特征在于步骤(5)中对基板进行预热，预热时间至少为60min。
4.根据权利要求2所述的用于燃气轮机涡轮动叶的氧化锆热障涂层的制备方法，其特征在于步骤(7)中过渡层的铝含量呈梯度上升，铝含量可控。
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CN102094170B (zh) 2012-09-19

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