CN103993313A - 一种基于激光重熔技术的密排柱状晶陶瓷涂层的制备工艺 - Google Patents

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王恪典
凡正杰
梅雪松
王文君
段文强
袁新
高伟芳
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Abstract

一种基于激光重熔技术的密排柱状晶陶瓷涂层的制备工艺，用激光在带热障涂层的镍基高温合金工件上进行激光重熔时，利用高频感应加热和超声波振动辅助工艺改善重熔质量，在重熔过程中，高频感应加热可以减小重熔过程中的热应力，避免激光深度重熔陶瓷层时的大量裂纹产生；超声波振动能使陶瓷层晶粒细化，得到密排的柱状晶。在激光重熔过程中，通过高频感应加热和超声波振动两种辅助工艺的引入，能获得具有密排柱状晶结构的陶瓷涂层，经激光重熔后的陶瓷涂层裂纹较少，柱状晶组织均匀、细密，密排柱状晶宽1μm～5μm。

Description

一种基于激光重熔技术的密排柱状晶陶瓷涂层的制备工艺
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种基于激光重熔技术的密排柱状晶陶瓷涂层的制备工艺。
背景技术
目前我国热障涂层制备面临的最大问题是涂层过早剥落，大量研究表明，涂层剥落的三个主要原因：陶瓷层与粘结层界面热生长氧化物(TGO，主要成分是Al2O3)的形成与生长；界面结合强度不足；陶瓷层与基体的热膨胀系数不匹配。这一方面与涂层材料的属性相关，另一方面与涂层结构及其制备方法也有密切的关系。
陶瓷层是热障涂层系统的核心，但由于材料的固有属性，其热膨胀系数相对基体和粘结层都较小，且质脆，在有热应变情况下极易因热膨胀系数不匹配而导致陶瓷层剥落，另外，一般顶部陶瓷层中都存在微间隙，在高温下氧原子和燃气中的腐蚀杂质(SO2,V2O5)容易扩散到粘结层，使粘结层发生氧化膨胀或腐蚀变质，最终导致涂层剥落失效，最后，陶瓷层与粘结层的结合力对热障涂层寿命也有非常大的影响，等离子喷涂形成的界面主要为机械结构，这种结合方式结合力较低，在高温高压恶劣的环境下工作可靠性降低。
激光重熔技术是利用高能热源快速移动，使材料熔化后迅速凝固产生均匀、致密的显微结构，且表面光洁度高。经过激光重熔的YSZ涂层，出现紧密堆积的柱状晶结构，柱状晶定向处延生长，垂直于基体表面，这对于减小由基体与陶瓷层热膨胀系数不匹配引起的热应力相当有效，且陶瓷与金属界面可形成冶金结合，提高了结合强度。众多研究表明：激光重熔技术可以明显改善等离子喷涂涂层的性能，涂层寿命可提高2-6倍。激光重熔目前主要是指对APS预制的热障涂层进行表面改性。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于激光重熔技术的密排柱状晶陶瓷涂层的制备工艺，能制备出一种具有密排柱状晶结构并且在连接界面形成冶金结合的陶瓷涂层，这种陶瓷涂层具有能够提高热障涂层热震性能、高温氧化性能、高温腐蚀性能优点。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于激光重熔技术的密排柱状晶陶瓷涂层的制备工艺，包括下述步骤：
1)将带热障涂层的镍基高温合金工件1固定在激光重熔设备的夹具11上，夹具11下部与超声波振动振子8相连，超声波振动振子8固定在五轴运动工作台12上，超声波振动振子8和超声波发生器9连接，五轴运动工作台12和运动控制系统14连接，在工件1的上方设有高频感应线圈4，高频感应线圈4和调节高频感应器10连接，在工件1上方设有激光头5，激光头5和激光器15连接，激光器15和激光控制系统13连接，激光器15中发射出的激光经透镜6聚焦后照射在陶瓷层3上，在工件1底部施加超声波振动，超声波振动的工作频率为15KHz～20KHz；
2)在确保激光能全部重熔陶瓷涂层3的前提下，尽可能提高激光重熔效率，调节激光重熔参数：调节激光单脉冲能量为7J～9J，激光脉冲宽度为1ms～1.5ms，重复频率为60HZ～70HZ，激光光斑直径为3mm～4mm；
3)根据工件1的尺寸在运动控制系统14中编程激光重熔路线，设定激光扫描速度为30～50mm/s、扫描方式为多道搭接法；
4)调节高频感应器10的工作功率为20KW～25KW，在运动控制系统14中设定高频感应线圈4的移动速度，使其运动与激光头5的运动保持同步；
5)先打开超声波发生器9，给工件1施加超声波振动，其次打开调节高频感应器10，高频感应加热工件1，最后打开激光器15，打开运动控制系统14使五轴运动工作台12按设定的编程路线运动，使其激光重熔与高频感应加热同步进行。
所制备的密排柱状晶结构组织均匀、细密，密排柱状晶宽1μm～5μm。
本发明的优点：采用了高频感应加热方式，其特点是升温速度快，且可对规定区域进行局部预热，减小重熔过程中的热应力，避免激光深度重熔陶瓷层时的大量裂纹产生；激光重熔过程中在工件上加入超声波振动能使液态材料在凝固中运动加速，造成枝晶破碎，这一方面使已成长的晶粒因破碎而细化，另一方面破碎的枝晶可以作为晶核，增加形核率，因此，超声波振动能使陶瓷层晶粒细化，得到密排的柱状晶。在激光重熔过程中，高频感应加热和超声波振动两种辅助加工工艺的引入，能获得具有密排柱状晶结构的陶瓷涂层，重熔后的陶瓷涂层裂纹较少，柱状晶组织均匀、细密，密排柱状晶宽1μm～5μm。
附图说明
图1是本发明的激光重熔所用设备的连接示意图。
图2是图1中工件1激光重熔示意图。
图3是利用本发明方法制备的密排柱状晶陶瓷涂层表面图。
图4是利用本发明方法制备的密排柱状晶陶瓷涂层截面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
在带热障涂层镍基高温合金的工件1上利用激光重熔方法制备具有密排柱状晶结构7的陶瓷涂层，工件1材料为镍基高温合金，型号为Inconel718，尺寸为50mm×100mm×2mm，工件1表面涂有热障涂层，热障涂层包括粘结层2和陶瓷层3，粘结层2厚度约为0.1mm，陶瓷层3的厚度约为0.3mm，粘结层2材料为NiCoCrAlY，陶瓷层3材料为6％-8％Y2O3的ZrO2。
参照图1和图2，一种基于激光重熔技术的密排柱状晶陶瓷涂层的制备工艺，包括下述步骤：
1)将带热障涂层的镍基高温合金工件1固定在激光重熔设备的夹具11上，夹具11下部与超声波振动振子8相连，超声波振动振子8固定在五轴运动工作台12上，超声波振动振子8和超声波发生器9连接，五轴运动工作台12和运动控制系统14连接，在工件1的上方设有高频感应线圈4，高频感应线圈4和调节高频感应器10连接，在工件1上方设有激光头5，激光头5和激光器15连接，激光器15和激光控制系统13连接，激光器15中发射出的激光经透镜6聚焦后照射在陶瓷层3上，在工件1底部施加超声波振动，超声波振动的工作频率为20KHz，
2)在确保激光能全部重熔陶瓷涂层3的前提下，尽可能提高激光重熔效率，调节激光重熔参数：调节激光单脉冲能量为7J，激光脉冲宽度为1ms，重复频率为50HZ，激光光斑直径为4mm；
3)根据工件1的尺寸在运动控制系统14中编程激光重熔路线，本实例中，激光头5固定不动，五轴运动工作台12带动夹具11运动，通过运动控制系统14实现扫描速度的精确控制，设定激光扫描速度为50mm/s、扫描方式为多道搭接法；
4)调节高频感应器10的工作功率为25KW，本实例中高频感应线圈4固定不动，高频感应线圈4的移动速度靠五轴运动工作台12的运动来实现，其运动与激光头5的运动保持同步；
5)先打开超声波发生器9，给工件1施加超声波振动，其次打开调节高频感应器10，高频感应加热工件1，最后打开激光器15，打开运动控制系统14使五轴运动工作台12按设定的编程路线运动，使其激光重熔与高频感应加热同步进行。
经过上述激光重熔后，获得具有密排柱状晶结构的陶瓷涂层，如图3、图4，经过激光重熔后的陶瓷涂层裂纹较少，柱状晶组织均匀、细密，密排柱状晶宽5μm左右。

Claims (2)

1.一种基于激光重熔技术的密排柱状晶陶瓷涂层的制备工艺，其特征在于，包括下述步骤：
1)将带热障涂层的镍基高温合金工件(1)固定在激光重熔设备的夹具(11)上，夹具(11)下部与超声波振动振子(8)相连，超声波振动振子(8)固定在五轴运动工作台(12)上，超声波振动振子(8)和超声波发生器(9)连接，五轴运动工作台(12)和运动控制系统(14)连接，在工件(1)的上方设有高频感应线圈(4)，高频感应线圈(4)和调节高频感应器(10)连接，在工件(1)上方设有激光头(5)，激光头(5)和激光器(15)连接，激光器(15)和激光控制系统(13)连接，激光器(15)中发射出的激光经透镜(6)聚焦后照射在陶瓷层(3)上，在工件(1)底部施加超声波振动，超声波振动的工作频率为15KHz～20KHz；
2)在确保激光能全部重熔陶瓷涂层(3)的前提下，尽可能提高激光重熔效率，调节激光重熔参数：调节激光单脉冲能量为7J～9J，激光脉冲宽度为1ms～1.5ms，重复频率为60HZ～70HZ，激光光斑直径为3mm～4mm；
3)根据工件(1)的尺寸在运动控制系统(14)中编程激光重熔路线，设定激光扫描速度为30～50mm/s、扫描方式为多道搭接法；
4)调节高频感应器(10)的工作功率为20KW～25KW，在运动控制系统(14)中设定高频感应线圈(4)的移动速度，使其运动与激光头(5)的运动保持同步；
5)先打开超声波发生器(9)，给工件(1)施加超声波振动，其次打开调节高频感应器(10)，高频感应加热工件(1)，最后打开激光器(15)，打开运动控制系统(14)使五轴运动工作台(12)按设定的编程路线运动，使其激光重熔与高频感应加热同步进行。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光重熔技术的密排柱状晶陶瓷涂层的制备工艺，其特征在于：所制备的密排柱状晶结构组织均匀、细密，密排柱状晶宽1μm～5μm。
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