CN104099610A - 涂覆装置以及基于该涂覆装置的热故障涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涂覆装置以及基于该涂覆装置的热故障涂层的制备方法，包括涂覆块、积液通道、输气通道、送粉通道及抽气通道；其中，涂覆块为立方结构耐高温陶瓷材料，涂覆块上设置有直径为50～200μm的积液通道，积液通道内部放置有与基材材料一致的液态金属；涂覆块上设置有直径为0.1～1mm的送气通道，输气通道中通有惰性气体，惰性气体在涂覆块和涂层之间形成保护气膜；涂覆块上倾斜布置有直径为50～200μm的送粉通道，送粉通道底端设置有抽气通道。本发明采用激光重融，将熔融金属与涂层颗粒材料直接混合，在惰性保护气膜的作用下，用涂覆块直接制备热障涂层。

Description

涂覆装置以及基于该涂覆装置的热故障涂层的制备方法
技术领域
本发明属于涂层制备领域，涉及一种涂覆装置以及基于该涂覆装置的热故障涂层的制备方法。
背景技术
热障涂层颗粒系统(Thermal barrier coatings，简称TBCs)通常是指沉积在金属表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂层。其主要作用是用来降低在高温环境下工作的零部件基体温度，使其免受高温氧化、腐蚀或者磨损。上世纪50年代，美国NASA-Lewis研究中心为了提高燃气轮机叶片、火箭发动机的抗高温氧化和耐腐蚀性能，提出在高温工况条件下工作的零部件表面沉积具有隔热能力的陶瓷涂层，首次提出了TBCs的概念。其基本原理是基于陶瓷涂层具有高的熔点和低的热导率，因而使陶瓷热障涂层成为很好的高温绝热材料，它能把喷气发动机和燃气轮机的高温部件与高温燃气隔绝开来，并保护涡轮发动机叶片或其它热端部件免受高温燃气腐蚀与冲蚀。由于TBCs的应用使得航空发动机的功率和热效率得到了大幅度的提高。目前，热障涂层陶瓷材料多为金属氧化物，这是因为金属氧化物陶瓷的导热以声子传导和光子传导机理为主，热导率低且其涂层在富氧环境中具有良好的高温稳定性。
常见的热障涂层的制备工艺主要有电子束物理气相沉积、等离子喷涂、等离子体增强化学气相沉积、激光重熔等方法。电子束物理气相沉积沉积效率高，操作简单，但是在高温下氧原子容易扩散到达粘结层，粘结层氧化所引起的体积膨胀易使陶瓷层剥落，层状组织结构对冷热循环的抗力也较低。等离子喷涂具有高功率、高能量，最高可达200Kw以上、机械结构较为简单、起弧较容易、燃烧稳定，但缺点是机械构造和起弧较复杂、电极易腐蚀、稳定性较差；等离子体增强化学气相沉积(简称PE-CVD)方法，沉积率相对较高(＞250μm/h)，缺点是设备投资大、成本高，对气体的纯度要求高、涂层过程中产生的剧烈噪音、强光辐射、有害气体、金属蒸汽粉尘等对人体有害、对小孔孔径内表面难以涂层等。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种涂覆装置以及基于该涂覆装置的热故障涂层的制备方法，该装置及制备方法可以快速的制备热故障涂层，制备的热故障涂层质量高，使用寿命长，并且成本较低。
为达到上述目的，本发明所述的涂覆装置包括涂覆块，涂覆块上开设有积液通道、输气通道、送粉通道及抽气通道，积液通道、输气通道及送粉通道均自上到下分布，抽气通道设于涂覆块的一侧，抽气通道与送粉通道相连通，涂覆块下端的另一侧为楔形面，涂覆块的底部为台阶型结构，输气通道的出口及送粉通道的出口均位于所述台阶型结构的低层台阶面上，积液通道、输气通道及送粉通道位于同一平面内，积液通道、输气通道及送粉通道沿涂覆方向依次分布。
所述涂覆块下表面的粗糙度为Ra0.1～0.3；
所述积液通道的直径为50～200μm；
所述输气通道的直径为0.1～1mm。
本发明所述的热故障涂层的制备方法包括以下步骤：
1)将涂覆块放置于基材上，使涂覆块底端与基材的表面相贴合，再将熔融状态的金属放置到积液通道内，并将惰性气体通入到输气通道内，然后再将涂层颗粒放置到送粉通道中；
2)激光器产生激光束，激光束的方向为沿着涂覆块上的楔形面向下，沿涂覆方向移动激光束及涂覆块，激光束照射到基材表面上，使基材表面发烧重融，形成熔池，给积液通道内的熔融状态的金属施加压力，使熔融状态的金属进入熔池，并给输气通道内的惰性气体施加压力，使惰性气体在输气通道底端回流，并在熔池与涂覆块的底面之间形成保护气膜，给送粉通道中通入气体，涂层颗粒在气体的带动及重力的作用下沿送粉通道下落，同时通过抽气通道进行抽气，使涂层颗粒中混合的气体被吸走，涂层颗粒受到重力的作用穿过保护气膜进入到熔池中，熔池经冷却后形成涂层；
3)步骤2)得到的涂层经打磨及抛光后，得热故障涂层。
所述惰性气体为氩气或氮气。
所述激光器发射的激光束的功率为200-1200W；
所述沿涂覆方向移动激光束及涂覆块的速度为4-20m/s。
所述熔融状态的金属进入熔池的速度为2-20g/min。
所述惰性气体的流量为10-30L/min。
所述保护气膜的厚度为300～500μm。
所述涂层颗粒在气体的带动及重力作用下沿送粉通道下落的速度为10-60g/min。
步骤2)得到的涂层比步骤3)得到的热故障涂层厚0.05-1.5mm。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的涂覆装置以及基于该涂覆装置的热故障涂层的制备方法在制备热故障涂层时，通过激光器产生激光束，并通过激光束照射到基材的表面，使基材表面形成熔池，然后直接将熔融状态的金属及涂层颗粒融入到熔池中，同时在融入过程中，惰性气体通过输气通道在熔池与涂覆块的底面之间形成保护气膜，激光熔覆冷却速度快，可消除涂层中的气孔、夹杂和微裂纹等缺陷，保护气膜将熔融状态的金属与空气隔绝，从而有效地防止热故障涂层被氧化，通过保证涂层颗粒能够顺利的进入到熔池中，而送粉通道中的气体无法穿透，从而有效地提高涂层的质量和使用寿命，并且结构简单，操作方便，成本较低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中，1为保护气膜、2为熔池、3为涂覆块、4为积液通道、5为输气通道、6为送粉通道、7为抽气通道、8为涂层、9为基材、10为激光束。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的涂覆装置包括涂覆块3，涂覆块3上开设有积液通道4、输气通道5、送粉通道6及抽气通道7，积液通道4、输气通道5及送粉通道6均自上到下分布，抽气通道7设于涂覆块3的一侧，抽气通道7与送粉通道6相连通，涂覆块3下端的另一侧为楔形面，涂覆块3的底部为台阶型结构，输气通道5的出口及送粉通道6的出口均位于所述台阶型结构的低层台阶面上，积液通道4、输气通道5及送粉通道6位于同一平面内。需要说明的是，涂覆块3下表面的粗糙度为Ra0.1～0.3；积液通道4的直径为50～200μm输气通道5的直径为0.1～1mm。涂覆块为立方结构耐高温陶瓷材料，积液通道4、输气通道5及送粉通道6沿涂覆方向依次分布。
本发明所述的热故障涂层的制备方法包括以下步骤：
1)将涂覆块3放置于基材9上，使涂覆块3底端与基材9的表面相贴合，再将熔融状态的金属放置到积液通道4内，并将惰性气体通入到输气通道5内，然后再将涂层颗粒放置到送粉通道6中，并给送粉通道6通入气体；
2)激光器产生激光束10，激光束10的方向为沿着涂覆块3上的楔形面向下，沿涂覆方向移动激光束10及涂覆块3，激光束10照射到基材9表面上，使基材9表面发烧重融，形成熔池2，给积液通道4内的熔融状态的金属施加压力，使熔融状态的金属进入熔池2，并给输气通道5内的惰性气体施加压力，使惰性气体在输气通道5底端回流，并在熔池2与涂覆块3的底面之间形成保护气膜1，给送粉通道6中通入气体，涂层颗粒在气体的带动及重力的作用下沿送粉通道6下落，同时通过抽气通道7进行抽气，使涂层颗粒中混合的气体被吸走，涂层颗粒受到重力的作用穿过保护气膜1进入到熔池2中，熔池2经冷却后形成涂层8，另外，送粉通道6中没有被抽气通道7抽走的气体由于无法穿透保护气膜1，从而沿保护气膜1与涂覆块3底部排出，同时给送粉通道6内通入到气体为；
3)步骤2)得到的涂层8经打磨及抛光后，得热故障涂层。
所述惰性气体为氩气或氮气。
所述激光器发射的激光束10的功率为200-1200W；
所述沿涂覆方向移动激光束10及涂覆块3的速度为4-20m/s。
所述熔融状态的金属进入熔池2的速度为2-20g/min。
所述惰性气体的流量为10-30L/min。
所述保护气膜1的厚度为300～500μm。
所述涂层颗粒在气体的带动及重力作用下沿送粉通道6下落的速度为10-60g/min。
步骤2)得到的涂层8比步骤3)得到的热故障涂层厚0.05-1.5mm。
本发明制备的热故障涂层的材料为纳米结构YSZ陶瓷粉体，粉体颗粒直径为15～80μm，粉体化学成分为6～9Wt.％}Y2O3部分稳定的ZrO2，粉体晶粒尺寸为纳米级的涂层颗粒。

Claims (10)

1.一种涂覆装置，其特征在于，包括涂覆块(3)，涂覆块(3)上开设有积液通道(4)、输气通道(5)、送粉通道(6)及抽气通道(7)，积液通道(4)、输气通道(5)及送粉通道(6)均自上到下分布，抽气通道(7)设于涂覆块(3)的一侧，抽气通道(7)与送粉通道(6)相连通，涂覆块(3)下端的另一侧为楔形面，涂覆块(3)的底部为台阶型结构，输气通道(5)的出口及送粉通道(6)的出口均位于所述台阶型结构的低层台阶面上，积液通道(4)、输气通道(5)及送粉通道(6)位于同一平面内，积液通道(4)、输气通道(5)及送粉通道(6)沿涂覆方向依次分布。
2.根据权利要求1所述的涂覆装置，其特征在于，
所述涂覆块(3)下表面的粗糙度为Ra0.1～0.3；
所述积液通道(4)的直径为50～200μm；
所述输气通道(5)的直径为0.1～1mm。
3.一种热故障涂层的制备方法，其特征在于，基于权利要求1所述的涂覆装置，包括以下步骤：
1)将涂覆块(3)放置于基材(9)上，使涂覆块(3)底端与基材(9)的表面相贴合，再将熔融状态的金属放置到积液通道(4)内，并将惰性气体通入到输气通道(5)内，然后再将涂层颗粒放置到送粉通道(6)中；
2)激光器产生激光束(10)，激光束(10)的方向为沿着涂覆块(3)上的楔形面向下，沿涂覆方向移动激光束(10)及涂覆块(3)，激光束(10)照射到基材(9)表面上，使基材(9)表面发烧重融，形成熔池(2)，给积液通道(4)内的熔融状态的金属施加压力，使熔融状态的金属进入熔池(2)，并给输气通道(5)内的惰性气体施加压力，使惰性气体在输气通道(5)底端回流，并在熔池(2)与涂覆块(3)的底面之间形成保护气膜(1)，给送粉通道(6)中通入气体，涂层颗粒在气体的带动及重力的作用下沿送粉通道(6)下落，同时通过抽气通道(7)进行抽气，使涂层颗粒中混合的气体被吸走，涂层颗粒受到重力的作用穿过保护气膜(1)进入到熔池(2)中，熔池(2)经冷却后形成涂层(8)；
3)步骤2)得到的涂层(8)经打磨及抛光后，得热故障涂层。
4.根据权利要求3所述的热故障涂层的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气或氮气。
5.根据权利要求3所述的热故障涂层的制备方法，其特征在于，所述激光器发射的激光束(10)的功率为200-1200W；
所述沿涂覆方向移动激光束(10)及涂覆块(3)的速度为4-20m/s。
6.根据权利要求3所述的热故障涂层的制备方法，其特征在于，所述熔融状态的金属进入熔池(2)的速度为2-20g/min。
7.根据权利要求3所述的热故障涂层的制备方法，其特征在于，所述惰性气体的流量为10-30L/min。
8.根据权利要求3所述的热故障涂层的制备方法，其特征在于，所述保护气膜(1)的厚度为300～500μm。
9.根据权利要求3所述的热故障涂层的制备方法，其特征在于，所述涂层颗粒在气体的带动及重力作用下沿送粉通道(6)下落的速度为10-60g/min。
10.根据权利要求3所述的热故障涂层的制备方法，其特征在于，步骤2)得到的涂层(8)比步骤3)得到的热故障涂层厚0.05-1.5mm。
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