CN103014704A - 一种新型高效长寿命热障涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型高效长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于，制备涂层的主要工艺线路为超音速喷涂法喷涂CoCrAlY抗氧化底层→真空扩散处理、喷丸处理及消除应力热处理→电子束物理气相沉积YSZ陶瓷面层。本发明具有较高的可靠性、经济性及保障使用寿命、提高生产率、降低生产成本等优点，可推广应用于各类型燃气涡轮发动机热端部件的防护，有望产生巨大的社会效益和显著的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及热障涂层制备技术，具体是涉及一种用于燃气轮机透平动叶片表面的新型高效长寿命热障涂层的制备方法。
背景技术
热障涂层由于具有使高温合金在更高的高涡轮前进口温度下长期服役的功能，能够显著提高发动机推力，提高发动机寿命和可靠性，降低冷却气体量，降低耗油量，节省燃料等诸多优点，被广泛用于透平机械热端部件的表面防护。
目前，用于制备热障涂层的众多工艺中，只有热喷涂和电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术最具有实用价值。热喷涂技术与电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术相比，设备投入费用低，生产效率高，非常适宜批量生产，但由于热喷涂涂层具有典型的板条状结构，容易导致热机疲劳，使涂层易剥离失效，因此这种工艺一般只用于静止的工件上，如火焰筒、过渡段、涡轮导向叶片等。航空发动机涡轮工作叶片和燃气轮机透平动叶片服役过程中承受高速旋转的离心力和高速气流冲刷的热应力，要求热障涂层具有较高的抗热机疲劳特性。EB-PVD技术制备的TBCs涂层的结构具有纵向裂纹或柱状晶，因此抗热机疲劳能力极强，可满足航空发动机涡轮工作叶片和燃气轮机透平动叶片的使用要求。
目前，国内外燃气轮机透平动叶片热障涂层的制备（包括底层和面层）都是采用物理气相沉积工艺，但该工艺路线成本高，周期长，国内受设备能力的限制，很难实现批量生产。因此，研发出一种新型高效长寿命热障涂层的制备方法是势在必行的。
发明内容
本发明目的是提供一种用于燃气轮机透平动叶片表面的新型高效长寿命热障涂层的制备方法。具体是采用超音速喷涂技术制备底层，经真空扩散处理、喷丸处理及消除应力热处理等特殊预处理工序后，保证底层和面层的良好匹配，然后通过控制电子束物理气相沉积的方法制备面层，提高涂层质量，满足燃气轮机2万小时首翻寿命的需求。
本发明将抗氧化底层的制备工艺由物理气相沉积法改为超音速喷涂法，解决了电子束物理气相沉积制备CoCrAlY底层时，生产效率低且生产成本高的问题。针对超音速喷涂CoCrAlY涂层表面微观结构粗糙、影响EB-PVD制备YSZ陶瓷面层沉积生长方向及涂层结构的问题，本发明对CoCrAlY涂层采用特殊表面强化平整技术，使之具备用EB-PVD制备具有柱状晶结构YSZ陶瓷面层的基本条件。
本发明提供一种新型高效长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于：制备涂层的主要工艺线路为超音速喷涂法喷涂CoCrAlY抗氧化底层→真空扩散处理、喷丸处理及消除应力热处理→电子束物理气相沉积YSZ陶瓷面层。本发明采用超音速喷涂法喷涂底层，且通过真空扩散处理、喷丸处理及消除应力热处理等特殊预处理工序后，保证底层和面层的良好匹配，最后通过控制电子束物理气相沉积陶瓷面层的工艺参数以及特殊的涂层后处理工艺，提高了涂层质量。
本发明提供的新型高效长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于：所述涂层底层厚度为0.05mm~0.15mm，面层厚度为0.06mm~0.18mm。
本发明提供的新型高效长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于：所述超音速喷涂粉末成分按质量百分比为：Cr 18.0%~22.0%，Al 10.0%~14.0%，Y 0.4%~0.8%，Co余量；粉末粒度为-270目~+325目。
本发明提供的新型高效长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于：所述真空扩散的温度为950℃~1100℃，时间为2~6h，真空度小于6.65×10-2Pa。
本发明提供的新型高效长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于：所述喷丸处理采用玻璃喷丸，喷丸强度弧度高值小于1mmA，覆盖率≥100%。
本发明提供的新型高效长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于：所述消除应力热处理的热处理炉真空度小于6.65×10-2Pa，温度为 900℃~1100℃，时间≤4h。
本发明提供的新型高效长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于：所述电子束物理气相沉积涂镀前零件表明粗糙度Ra<1.0μm，涂镀温度为800℃~950℃，工件转动速度为10r/min~20r/min。
本发明提供的新型高效长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于：所述超音速喷涂以氧气、煤油为燃料，送粉速率为25g/min~60g/min。
目前，本发明提供的新型高效长寿命热障涂层的制备已成功应用于R0110重型燃机Ⅰ级透平动叶片的防护。与EB-PVD技术制备CoCrAlY底层和YSZ面层的热障涂层相比，该技术制备的热障涂层性能优异，使用寿命长，生产效率至少提高两倍以上，大大降低了生产成本。按每台份R0110重型燃机Ⅰ级透平动叶片82片，每片节约成本2000元计算，每台份R0110重型燃机Ⅰ级透平动叶片热障涂层的生产制造成本降低16.4万元。
本发明具有较高的可靠性、经济性及保障使用寿命、提高生产率、降低生产成本等优点，可推广应用于其他类型燃气涡轮发动机热端部件的防护，有望产生巨大的社会效益和显著的经济效益。
附图说明
图1 为涂层组织结构1。
图2 为涂层组织结构2。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明给予进一步的说明，当然，本发明不仅限于下述的实施例。
实施例 1 R0110重型燃机Ⅰ级透平动叶片热障涂层的制备方法。
10片R0110重型燃机Ⅰ级透平动叶片，经吹砂后，采用JP-5000超音速火焰喷涂设备喷涂CoCrAlY底层，CoCrAlY喷涂粉末成分为：Cr 18.0%，Al 12.0%，Y 0.5%，Co余量；粉末粒度为-270目~+325目，喷涂送粉速率为45g/min，涂层底层厚度为0.06mm。将喷涂后的叶片进行真空扩散处理，扩散温度为1050℃，扩散时间为2h，真空度9.5×10-3Pa。扩散后的玻璃喷丸处理，喷丸强度弧高值0.2mmA，覆盖率105%。喷丸后的叶片进行消除应力热处理，热处理炉真空度小于5.2×10-2Pa，温度为1050℃，时间为2h。处理后的叶片表面粗糙度Ra为0.9μm。任取1片叶片放入电子束物理气相沉积设备预真空室中进行离子清理10min后，进入真空室，涂镀YSZ陶瓷面层，控制叶片表面温度为850℃，工件转动速度为15r/min，涂层面层厚度0.085mm；反复此工序，直至10片叶片全部涂镀完毕后，检验合格入库，涂层组织结构见图1。
实施例 2 R0110重型燃机Ⅰ级透平动叶片热障涂层的制备方法。
10片R0110重型燃机Ⅰ级透平动叶片，经吹砂后，采用JP-5000超音速火焰喷涂设备喷涂CoCrAlY底层， CoCrAlY喷涂粉末成分为：Cr 18.0%，Al 12.0%，Y 0.5%，Co余量；粉末粒度为-270目~+325目，喷涂送粉速率为40g/min，涂层底层厚度为0.072mm。喷涂后的叶片进行真空扩散处理，扩散温度为1050℃，扩散时间为2h，真空度4.0×10-2Pa。扩散后的玻璃喷丸处理，喷丸强度弧高值0.5mmA，覆盖率110%。喷丸后的叶片进行消除应力热处理，热处理炉真空度小于3.6×10-2Pa，温度为1050℃，时间为2h。处理后的叶片表面粗糙度Ra为0.8μm。任取1片叶片放入电子束物理气相沉积设备预真空室中进行离子清理8min后，进入真空室，涂镀YSZ陶瓷面层，控制叶片表面温度为900℃，工件转动速度为15r/min，涂层面层厚度0.104mm；反复此工序，直至10片叶片全部涂镀完毕后，检验合格入库，涂层组织结构见图2。
实施例 3 R0110重型燃机Ⅰ级透平动叶片热障涂层的制备方法。
10片R0110重型燃机Ⅰ级透平动叶片，经吹砂后，采用JP-5000超音速火焰喷涂设备喷涂CoCrAlY底层，CoCrAlY喷涂粉末成分为：Cr 18.0%，Al 10.0%，Y 0.4%，Co余量；粉末粒度为-270目~+325目，喷涂送粉速率为25g/min，涂层底层厚度为0.05mm。将喷涂后的叶片进行真空扩散处理，扩散温度为950℃，扩散时间为2h，真空度1.0×10-2Pa。扩散后的玻璃喷丸处理，喷丸强度弧高值0.5mmA，覆盖率100%。喷丸后的叶片进行消除应力热处理，热处理炉真空度小于3.6×10-2Pa，温度为900℃，时间为2h。处理后的叶片表面粗糙度Ra为0.8μm。任取1片叶片放入电子束物理气相沉积设备预真空室中进行离子清理10min后，进入真空室，涂镀YSZ陶瓷面层，控制叶片表面温度为800℃，工件转动速度为10r/min，涂层面层厚度0.06mm；反复此工序，直至10片叶片全部涂镀完毕后，检验合格入库。
实施例 4 R0110重型燃机Ⅰ级透平动叶片热障涂层的制备方法。
10片R0110重型燃机Ⅰ级透平动叶片，经吹砂后，采用JP-5000超音速火焰喷涂设备喷涂CoCrAlY底层， CoCrAlY喷涂粉末成分为：Cr 22.0%，Al 14.0%，Y 0.8%，Co余量；粉末粒度为-270目~+325目，喷涂送粉速率为60g/min，涂层底层厚度为0.15mm。喷涂后的叶片进行真空扩散处理，扩散温度为1100℃，扩散时间为4h，真空度9.5×10-3Pa。扩散后的玻璃喷丸处理，喷丸强度弧高值0.2mmA，覆盖率105%。喷丸后的叶片进行消除应力热处理，热处理炉真空度小于5.2×10-2Pa，温度为1100℃，时间为2h。处理后的叶片表面粗糙度Ra为0.9μm。任取1片叶片放入电子束物理气相沉积设备预真空室中进行离子清理10min后，进入真空室，涂镀YSZ陶瓷面层，控制叶片表面温度为950℃，工件转动速度为20r/min，涂层面层厚度0.18mm；反复此工序，直至10片叶片全部涂镀完毕后，检验合格入库。
对比例 1 R0110重型燃机Ⅰ级透平动叶片热障涂层的制备方法。
10片R0110重型燃机Ⅰ级透平动叶片，经吹砂后，采用JP-5000超音速火焰喷涂设备喷涂CoCrAlY底层，CoCrAlY喷涂粉末成分为：Cr 16.0%，Al 8.0%，Y 1.0%，Co余量；粉末粒度为-270目~+325目，喷涂送粉速率为20g/min，涂层底层厚度为0.03mm。将喷涂后的叶片进行真空扩散处理，扩散温度为900℃，扩散时间为1.5h，真空度1.0×10-2Pa。扩散后的玻璃喷丸处理，喷丸强度弧高值0.5mmA，覆盖率90%。喷丸后的叶片进行消除应力热处理，热处理炉真空度小于3.6×10-2Pa，温度为800℃，时间为2h。处理后的叶片表面粗糙度Ra为2μm。任取1片叶片放入电子束物理气相沉积设备预真空室中进行离子清理8min后，进入真空室，涂镀YSZ陶瓷面层，控制叶片表面温度为800℃，工件转动速度为10r/min，涂层面层厚度0.05mm；反复此工序，直至10片叶片全部涂镀完毕后，检验时发现涂镀的YSZ陶瓷面层呈树枝状生长，组织结构不合格，需要重新涂镀。
Claims (8)
1.一种新型高效长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于：制备涂层的主要工艺线路为超音速喷涂法喷涂CoCrAlY抗氧化底层→真空扩散处理、喷丸处理及消除应力热处理→电子束物理气相沉积YSZ陶瓷面层。
2.按照权利要求1所述的新型高效长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于：所述涂层底层厚度为0.05mm~0.15mm，面层厚度为0.06mm~0.18mm。
3.按照权利要求1所述的新型高效长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于：所述超音速喷涂粉末成分按质量百分比为：Cr 18.0%~22.0%，Al 10.0%~14.0%，Y 0.4%~0.8%，Co余量；粉末粒度为-270目~+325目。
4.按照权利要求1所述的新型高效长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于：所述真空扩散的温度为950℃~1100℃，时间为2~6h，真空度小于6.65×10-2Pa。
5.按照权利要求1所述的新型高效长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于：所述喷丸处理采用玻璃喷丸，喷丸强度弧度高值小于1mmA，覆盖率≥100%。
6.按照权利要求1所述的新型高效长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于：所述消除应力热处理的热处理炉真空度小于6.65×10-2Pa，温度为 900℃~1100℃，时间≤4h。
7.按照权利要求1所述的新型高效长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于：所述电子束物理气相沉积涂镀前零件表明粗糙度Ra<1.0μm，涂镀温度为800℃~950℃，工作转动速度为10r/min~20r/min。
8.按照权利要求3所述的新型高效长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于：所述超音速喷涂以氧气、煤油为燃料，送粉速率为25g/min~60g/min。
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