CN104164643B - 一种具有网状结构粘结层的热障涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有网状结构粘结层的热障涂层及其制备方法。即利用激光直接沉积的3D打印技术在高温合金基体上制备网状结构粘结层，然后再用大气等离子喷涂法制备陶瓷面层。与其他制备方法相比，利用激光直接沉积成型技术的制造过程受控于计算机和精密机床，不受叶片曲面和形状的约束，可提高制造效率。利用计算机控制三维造型，可方便地在基体上沉积出不同形状、尺寸的网状结构粘结层。激光极细的光斑可实现形状和尺寸的精确控制。利用激光直接沉积成型技术可实现粘结层与基体的冶金结合，使得结合强度超过300MPa。有网状结构粘结层的热障涂层结合强度超过50MPa，从而有效抑制服役中的热障涂层内部裂纹的扩展，提高热障涂层的服役寿命。

Description

一种具有网状结构粘结层的热障涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于航空、航天用热障涂层制备技术，特别是一种具有网状结构粘结层的热障涂层及其制备方法。
背景技术
热障涂层由基体、金属粘结层和陶瓷面层这三层组成。其中，基体通常为航空发动机和各类燃气轮机热端部件，镍基高温合金具有优异的高温力学性能，是制造热端部件的主要材料；而金属粘结层具有抗高温氧化的性能，陶瓷材料具有优越的耐高温、抗腐蚀和低导热的性能，将这两层涂层依次制备于基体表面可提高热端部件的工作温度，增强热端部件的抗高温氧化和耐热冲击能力，延长热端部件的使用寿命。
现有的热障涂层通常采用大气等离子喷涂技术(APS)、电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)来制备，但基体与涂层为机械结合，结合强度较低。另外，由于陶瓷面层与镍基合金固有的热物性的巨大差异，在制备和服役过程中容易因热应力作用导致开裂和剥落，失去对基体的保护功能。对此，一些研究提出在基体上制备网状结构粘结层，将陶瓷粉末熔融并喷入粘结层网内，最终形成的陶瓷面层被网状粘结层分隔开，从而陶瓷面层的应变容限得到提高，而热应力的作用降低。与传统结构的热障涂层相比，具有网状结构粘结层的热障涂层的制备方法有多种。
专利1(GaryB.Merrill，JayA.Morrison.High temperature erosion resistant，abradablethermal barrier composite coating.US Patent,6235370,2001)公开了一种将预制的金属蜂窝结构焊接在基体上形成网状结构粘结层，然后再将陶瓷粉末喷涂至粘结层的方法。
专利2(Subramanian,R.Honeycomb structure thermal barrier coating,United StatesPatent,US006846574B2,2005)公开了一种采用光刻和电沉积联合制备方法，即在基体上先旋涂光刻胶，通过光刻方法光刻胶上形成与网状结构相反的三维结构，然后将MCrAlY和陶瓷材料依次用电沉积的方法沉积在结构内，去除光刻胶后得到网状结构粘结层，最后向粘结层内沉积陶瓷材料得到热障涂层。
专利3(马彬，李垚.一种热障涂层及其制备方法.中国，200710144807.2，2008)公开了一种在镍基高温合金层外表面上先制备聚苯乙烯模板，用电沉积的方法在模板内制备镍材料的网状结构，然后去除聚苯乙烯模板，再向结构内喷涂上氧化钇稳定氧化锆溶胶，煅烧后得到网状结构粘结层，最后向粘结层内喷涂陶瓷粉末得到热障涂层的方法。
上述网状结构制备方法存在以下缺陷：
(1)不易在具有曲面的基体材料上进行制备；
(2)一个模板只能用于制备一种结构和尺寸的粘结层；
(3)网状结构粘结层的尺寸和结构难以精确控制；
(4)网状结构粘结层与基体的结合强度低。
上述缺陷造成至今为止，应用现有工艺方法难以进行高效、便捷及精确的制备，同时也无法保证结合强度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热障涂层的制备方法，实现与基体具有高结合强度的网状结构粘结层的快速、精确制造，进而实现高结合强度热障涂层的制备，以抑制服役中的热障涂层产生裂纹，并且提高热障涂层的服役寿命。
实现本发明目的的技术解决方案如下：
一种具有网状结构粘结层的热障涂层，所述涂层包括合金基体、金属粘结层和陶瓷面层；其制备方法如下：
(1)对高温合金基体进行除锈、表面粗化及除油处理，然后置于无氧环境中备用；
(2)对金属粉末进行干燥处理；
(3)将高温合金基体置于激光加工平台，将金属粉末加入送粉器；
(4)将粘结层的网格形状导入激光加工系统，设定激光扫描路径；
(5)根据粉末与基体的类型以及粘结层的网格尺寸调整激光3D打印参数，进行网状结构粘结层的制备；
(6)对陶瓷粉末进行干燥处理；
(7)在网状结构粘结层上进行预热和喷砂处理；
(8)采用大气等离子喷涂法制备热障涂层，调整等离子喷涂工艺参数，进行热障涂层的喷涂。
其中，步骤(5)中激光3D打印参数调整为：激光功率0.1～3kW，激光光斑半径0.1～2mm，激光扫描速度50～500mm/min，送粉率0.5～5g/min，保护气与载气均为Ar气，保护气流量为3～25l/min，载气气流量3～10l/min。
步骤(8)中等离子喷涂工艺参数调整为：电流400～900A，电压为40～70V，主气和载气均为Ar气，主气流量40～60l/min，载气流量3～40l/min，辅助气体为He气，气体流量为40～60l/min，喷涂距离60～100mm，喷枪移动速度30～150mm/s。
本发明采用激光直接沉积的3D打印技术在高温合金基体上制备具有网状结构粘结层的热障涂层。3D打印的激光直接制造技术就是通过计算机控制，用激光将合金粉末熔化，并跟随激光有规则地在金属材料上游走，逐层堆积直接“生长”，直接根据零件CAD模型一步完成高性能金属零部件的“近终成形”制造，同时实现了基体与粉末的冶金结合。这是一种与传统“去材”制造工艺截然不同的“材料制备/零件近终成形一体化”的先进“增材”制造技术，具有低成本、短周期、数字化的显著特点，不受零件形状和材料成分的限制。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)激光直接沉积的3D打印技术制造粘结层的过程受控于计算机和精密机床，不受叶片曲面和形状的约束，可提高制造效率；(2)利用计算机三维造型，可方便地在基体上沉积出不同形状、尺寸的网状结构粘结层，整个过程易于实现自动化；(3)激光聚焦后获得极细的光斑可以实现对网状结构粘结层形状、尺寸的精确控制；(4)可实现粘结层与基体的冶金结合，相对于传统的等离子体喷涂粘结层的方法以及网状结构粘结层的制备方法，二者的结合强度得到提高；(5)相对于无网格结构粘结层的热障涂层，制备的有网状结构粘结层的热障涂层结合强度得到提高，从而可有效抑制服役中的热障涂层裂纹的产生，提高了热障涂层的服役寿命。
附图说明
图1是本发明激光直接沉积的3D打印技术在DZ4125高温合金基体上制备的网状结构粘结层宏观形貌图。
图2是本发明在制备有网状结构粘结层基体上进一步制备的陶瓷面层的宏观形貌图。
图3是本发明激光直接沉积的3D打印技术制备的粘结层的结合强度测量方法示意图。
具体实施方式
实施例1
采用本发明的激光直接沉积的3D打印技术，在高温合金基体上制备具有高结合强度的网状结构粘结层。
将DZ4125镍基单晶合金板切割成30mm×30mm×10mm尺寸，利用金相试样预磨机和600#水砂纸处理基体高温合金基体表面，对基体进行除锈和表面粗化处理。将高温合金基体置于超声波清洗机中，加入适量无水乙醇或丙酮溶液，清洗5-10分钟，对基体做除油处理。将NiCrAlY粉末置于器皿中，再放入真空干燥箱中，在100℃下干燥4小时。将高温合金基体置于CRS-QSF200激光加工平台，将金属粉末加入DPSF-3型单筒送粉器，采用同轴送粉的激光3D打印技术进行网状结构粘结层的制备。设定激光扫描路径为(a)矩形结构，边长为8mm；(b)矩形结构，边长为5mm；(c)三角形结构，边长为10mm；(d)三角形结构，边长为6.5mm；(e)六边形结构，边长为5mm；(f)六边形结构，边长为3.5mm。设定激光功率为200W，激光光斑半径为0.5mm，激光扫描速度为200mm/min，送粉率为1g/min，保护气和载气均为Ar气，保护气流量为10～15l/min，载气流量为3～6l/min。
将制备好的结构利用线切割法切割成直径为25mm的圆柱，如图1所示，网格的厚度为400μm。依据国标GB/T8642-2002方法测量网状结构粘结层与基体的结合强度。即将另一个直径为25mm、材料为DZ4125高温合金的圆柱表面进行喷砂处理，然后用特种胶水E-7将这个圆柱与实施例1所得的试样粘结，置于100℃的加热炉中固化4小时以上，然后再进行单向拉伸实验。拉伸速率为0.2mm/min。当应力为51MPa时，拉伸件在胶处发生断裂，说明本发明激光3D打印技术制备的粘结层与基体的结合强度大于51MPa。
实施例2
为了进一步测量网状结构粘结层与基体的结合强度，采用文献1(Pei Y T,Ocelík V,De Hosson.Interfacial adhesion of laser clad functionally graded materials.Materials Scienceand Engineering,2003,A342:192-200.)的方法进行拉伸件的制备，如图3所示。将DZ4125镍基单晶合金板1切割成30mm×100mm×5mm尺寸。在板上用线切割的方法加工出深1.5mm、宽2mm的沟槽2。然后对试样依次用丙酮和无水乙醇清洗。进而在槽内进行激光3D打印，令NiCrAlY粉末熔覆整个沟槽，形成熔覆层3。设定激光功率为200W，激光光斑半径为0.5mm，激光扫描速度为180mm/min，送粉率为1g/min，保护气和载气均为Ar气，保护气流量为10～15l/min，载气流量为3～6l/min。依据国标GB2651-1989，用线切割的方法切割出拉伸试样4，试样的厚度为1.5mm。进行拉伸试验，拉伸速率为0.5mm/min。当应力约为300MPa时，拉伸件在熔覆层内部发生断裂，说明本发明激光3D打印技术制备的粘结层与基体的结合强度大于300MPa，达到了冶金结合的要求。
对比例1
为了与实施例2中的粘结层与基体的结合强度进行比较，表1列出了不同方法制备的粘结层与基体的结合强度。可见采用本发明的激光3D打印技术来制备网状结构粘结层提高了粘结层与基体的结合强度。
表1 不同方法制备的粘结层与基体的结合强度
文献2 文献3 本发明
基体 45钢 304不锈钢 DZ4125高温镍基合金
粉末 NiCrAl NiCrAlY NiCrAlY
制备方法 等离子喷涂 等离子喷涂 激光立体成型
结合强度 76.6MPa 60MPa >300MPa
文献2(段忠清,张宝霞,王泽华,林萍华.等离子喷涂NiCrAl涂层性能与厚度关系研究,2009,38(8):104-109.)
文献3(王枫，曾威，陈志坤，朱晖朝.拉瓦尔喷嘴与直喷嘴对等离子喷涂NiCrAlY涂层组织及性能的影响，材料研究与应用，2012，6(1):50-53.)
实施例3
采用本发明的激光直接沉积的3D打印技术，在高温合金基体上制备具有高结合强度的网状结构粘结层，然后采用大气等离子喷涂的方法在具有网状结构粘结层的基体上制备热障涂层。
将DZ4125镍基单晶合金板切割成30mm×30mm×10mm尺寸，利用金相试样预磨机和600#水砂纸处理基体高温合金基体表面，对基体进行除锈和表面粗化处理。将高温合金基体置于超声波清洗机中，加入适量无水乙醇或丙酮溶液，清洗5-10分钟，对基体做除油处理。将NiCrAlY粉末置于器皿中，再放入真空干燥箱中，在100℃下干燥4小时。将高温合金基体置于CRS-QSF200激光加工平台，将金属粉末加入DPSF-3型单筒送粉器，采用同轴送粉的激光3D打印技术进行网状结构粘结层的制备。设定激光扫描路径为(a)矩形结构，边长为8mm；(b)矩形结构，边长为5mm；(c)三角形结构，边长为10mm；(d)三角形结构，边长为6.5mm；(e)六边形结构，边长为5mm；(f)六边形结构，边长为3.5mm。设定激光功率为200W，激光光斑半径为0.5mm，激光扫描速度为200mm/min，送粉率为1g/min，保护气和载气均为Ar气，保护气流量为10～15l/min，载气流量为3～6l/min。将制备好的结构利用线切割法切割成直径为25mm的圆柱，如图1所示。
将ZrO2-8％Y2O3粉末置于器皿中，再放入真空干燥箱中，在100℃下干燥10小时。将已制备有网状结构粘结层的基体置于干燥炉中，在100℃下预热15分钟后取出。再利用30目的石英砂对基体表面进行喷砂处理，喷砂压力为0.40～0.54MPa。之后的一小时内，利用大气等离子喷涂法制备热障涂层。设定等离子喷涂参数为：电流750A，电压47V，主气(Ar)流量60l/min，辅助气体(He)流量55l/min，载气(Ar)流量40l/min，喷涂距离60mm，喷枪移动速度120mm/s。图2为制备的热障涂层，厚度约为300μm。
依据国标GB/T8642-2002方法测量热障涂层的结合强度。即将另一个直径为25mm、材料为DZ4125高温合金的圆柱表面进行喷砂处理，然后用特种胶水E-7将这个圆柱与实施例3所得的试样粘结，置于100℃的加热炉中固化4小时以上，然后再进行单向拉伸实验。拉伸速率为0.2mm/min。当应力为50MPa时，拉伸件在胶处发生断裂，说明本发明制备的热障涂层与基体的结合强度大于50MPa。
对比例2
为了与实施例3中的热障涂层结合强度进行比较，将一个直径为25mm、材料为DZ4125高温合金的圆柱基体置于干燥炉中，在100℃下预热15分钟后取出。再用30目石英砂的对基体表面进行喷砂处理，喷砂压力为0.40～0.54MPa。之后的一小时内，利用大气等离子喷涂法对热障涂层进行制备。设定等离子喷涂参数为：电流750A，电压47V，主气(Ar)流量60l/min，辅助气体(He)流量55l/min，载气(Ar)流量40l/min，喷涂距离60mm，喷枪移动速度120mm/s。
依据国标GB/T8642-2002方法测量对比例中热障涂层的结合强度。即将另一个直径为25mm、材料为DZ4125高温合金的圆柱表面进行喷砂处理，然后用特种胶水E-7将这个圆柱与对比例所得的试样粘结，置于100℃的加热炉中固化4小时以上，然后再进行单向拉伸实验。拉伸速率为0.2mm/min。当应力为16MPa时，拉伸件在热障涂层层内发生断裂，说明无网状结构粘结层的热障涂层的结合强度为16MPa。
在以上实施例1-3和对比例1、2中，利用结合强度来反映热障涂层的性能，值越高说明涂层的性能越好。可以发现，本发明的激光3D打印技术制备的网状结构粘结层不仅提高了粘结层与基体的结合强度，同时也提高了热障涂层的结合强度。

Claims (6)

1.一种具有网状结构粘结层的热障涂层，其特征在于所述涂层包括合金基体、金属粘结层和陶瓷面层；其制备方法如下：
(1)对合金基体进行除锈、表面粗化及除油处理，然后置于无氧环境中备用；
(2)对金属粉末进行干燥处理；
(3)将合金基体置于激光加工平台，将金属粉末加入送粉器；
(4)将粘结层的网格形状导入激光加工系统，设定激光扫描路径；
(5)根据粉末与基体的类型以及粘结层的网格尺寸调整激光3D打印参数，进行网状结构粘结层的制备；
(6)对陶瓷粉末进行干燥处理；
(7)对于具有网状结构粘结层的基体进行预热，并对其表面做喷砂处理；
(8)采用大气等离子喷涂法制备热障涂层，调整等离子喷涂工艺参数，进行热障涂层的喷涂。
2.根据权利要求1所述的具有网状结构粘结层的热障涂层，其特征在于步骤(5)中激光3D打印参数调整为：激光功率0.1～3KW，激光光斑半径0.1～2mm，激光扫描速度50～500mm/min，送粉率0.5～5g/min，保护气与载气均为Ar气，保护气流量为3～25L/min，载气气流量3～10L/min。
3.根据权利要求1所述的具有网状结构粘结层的热障涂层，其特征在于步骤(8)中等离子喷涂工艺参数调整为：电流400～900A，电压为40～70V，主气和载气均为Ar气，主气流量40～60L/min，载气流量3～40L/min，辅助气体为He气，气体流量为40～60L/min，喷涂距离60～100mm，喷枪移动速度30～150mm/s。
4.一种具有网状结构粘结层的热障涂层的制备方法，其特征在于所述涂层包括合金基体、金属粘结层和陶瓷面层；其制备方法如下：
(1)对合金基体进行除锈、表面粗化及除油处理，然后置于无氧环境中备用；
(2)对金属粉末进行干燥处理；
(3)将合金基体置于激光加工平台，将金属粉末加入送粉器；
(4)将粘结层的网格形状导入激光加工系统，设定激光扫描路径；
(5)根据粉末与基体的类型以及粘结层的网格尺寸调整激光3D打印参数，进行网状结构粘结层的制备；
(6)对陶瓷粉末进行干燥处理；
(7)对于具有网状结构粘结层的基体进行预热，并对其表面做喷砂处理；
(8)采用大气等离子喷涂法制备热障涂层，调整等离子喷涂工艺参数，进行热障涂层的喷涂。
5.根据权利要求4所述的具有网状结构粘结层的热障涂层的制备方法，其特征在于步骤(5)中激光3D打印参数调整为：激光功率0.1～3KW，激光光斑半径0.1～2mm，激光扫描速度50～500mm/min，送粉率0.5～5g/min，保护气与载气均为Ar气，保护气流量为3～25L/min，载气气流量3～10L/min。
6.根据权利要求4所述的具有网状结构粘结层的热障涂层的制备方法，其特征在于步骤(8)中等离子喷涂工艺参数调整为：电流400～900A，电压为40～70V，主气和载气均为Ar气，主气流量40～60L/min，载气流量3～40L/min，辅助气体为He气，气体流量为40～60L/min，喷涂距离60～100mm，喷枪移动速度30～150mm/s。
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