CN104404436B - 基于液相过滤的低压等离子喷涂制备柱状陶瓷涂层的方法 - Google Patents

基于液相过滤的低压等离子喷涂制备柱状陶瓷涂层的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104404436B
CN104404436B CN201410690647.1A CN201410690647A CN104404436B CN 104404436 B CN104404436 B CN 104404436B CN 201410690647 A CN201410690647 A CN 201410690647A CN 104404436 B CN104404436 B CN 104404436B
Authority
CN
China
Prior art keywords
occlusion device
matrix
radical occlusion
plasma spraying
spraying
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201410690647.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104404436A (zh
Inventor
李长久
李成新
杨冠军
陈清宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN201410690647.1A priority Critical patent/CN104404436B/zh
Publication of CN104404436A publication Critical patent/CN104404436A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104404436B publication Critical patent/CN104404436B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/10—Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于液相过滤的低压等离子喷涂制备柱状陶瓷涂层的方法，在进行低压等离子喷涂时，在喷枪与基体之间设置遮挡装置以阻止液相粒子穿过，该遮挡装置允许气相沉积材料或具有布朗运动特性的粒子绕过并沉积于基体上。本发明方法面向低压等离子喷涂系统条件难以获得全部气相的条件下，通过采用对液相粒子的遮挡装置，使气相或具有布朗运动特性的物质能够绕过遮挡物而沉积在基体上形成具有柱状结构的陶瓷涂层。该方法为获得全部气相沉积涂层的等离子喷涂系统应用提供了切实可行的和较为经济的方法。

Description

基于液相过滤的低压等离子喷涂制备柱状陶瓷涂层的方法
【技术领域】
本发明涉及等离子喷涂技术领域，特别涉及一种低压等离子喷涂制备柱状结构陶瓷涂层的方法。
【背景技术】
传统的柱状结构YSZ涂层主要应用于热障涂层的顶层，具有抗应变韧性好、隔热性好等优点。在航空航天领域，柱状顶层主要为防止航空发动机叶片在急冷急热的服役条件下出现的快速失效，延长发动机的使用寿命。在能源领域，柱状顶层主要为防止陆基燃气轮机叶片在高温服役条件下的失效，延长燃气轮机的使用寿命。
由于YSZ材料具有熔点、沸点高等特性，传统制备柱状YSZ层的方法主要为电子束物理气相沉积或简写为EB-PVD，采用此种方法能够制备得到结构规整，性能优良的柱状YSZ层。但是采用EB-PVD法设备投入成本高，且制备涂层所用的周期较长。
柱状涂层的沉积需要沉积材料达到完全的气相，而且沉积基体的温度较高。如果在沉积过程中粉末没有气化，则以液滴的形式存在，并形成以扁平粒子构成的层状结构，极大降低涂层的抗应变能力。或者沉积过程中粉末部分不气化也会造成不能形成柱状结构涂层，对涂层的抗应变性能造成极大的降低，影响涂层的服役寿命。常规等离子喷涂系统由于粉末的气化不充分，在等离子射流中存在未气化的液滴，在沉积过程中，液滴的沉积速率显著大于气相沉积的速率，使得涂层结构主要以扁平粒子为主，在扁平粒子中间夹杂有少量的气相沉积组分。很难达到制备柱状结构YSZ涂层的要求，从而造成涂层抗应变性能降低，难以在航空发动机叶片上长期服役。
常规等离子喷涂设备在沉积过程中受到液相粒子的干扰很难实现完全气相沉积，如何在常规等离子喷涂设备上制备完全气相沉积的柱状结构YSZ涂层是现在面临的难题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种基于液相过滤的低压等离子喷涂制备柱状陶瓷涂层的方法，以解决常规等离子喷涂系统难以实现PS-PVD制备柱状结构陶瓷涂层的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于液相过滤的低压等离子喷涂制备柱状陶瓷涂层的方法，在进行低压等离子喷涂时，在喷枪与基体之间设置遮挡装置以阻止液相粒子穿过，该遮挡装置允许气相沉积材料或具有布朗运动特性的粒子通过并沉积于基体上。
优选的，低压等离子喷涂时等离子喷涂腔室压力为10-200Pa；等离子喷涂电弧功率为20-100kW；气相沉积前基体的温度为300-1200度。
优选的，所述遮挡装置为柱状遮挡装置，所述柱状遮挡装置的直径大于基体的宽度，小于等离子射流的最大直径。
优选的，所述遮挡装置为百叶窗式遮挡装置；所述百叶窗式遮挡装置包括若干叶片，相邻叶片在喷涂方向上错位设置，相邻叶片在基体上的投影相连，没有缝隙；叶片的宽度为基体宽度的5％～15％。
优选的，遮挡装置与基体之间的距离大于一倍的基体宽度。
优选的，所述遮挡装置由石墨制成。
优选的，所述遮挡装置固定于基体前方或者与喷枪固定并能够随着喷枪的移动而移动。
优选的，喷涂时，Ar的流量为40-70L/min，H2的流量为8-15L/min，喷涂距离为大于100mm，送粉量大于或等于0.2g/min。
优选的，喷涂时，采用的喷涂粉体为喷涂用陶瓷材料。
本发明在等离子喷涂电弧功率为20-100kW的条件下，保证等离子喷涂过程中的腔室为10-200Pa；在等离子喷枪出口和沉积基体之间放置具有阻止液相粒子穿过的阻挡装置；使得达到基体的等离子射流中不存在液相粒子；在调节气相沉积前基体的温度范围为300-1200度的条件下沉积涂层；所得涂层的沉积单元直径小于500纳米。该阻挡装置的设计可以基于单一的阻挡功能的圆柱状物或百叶窗式的装置，也可以是基于可以与喷枪一起移动的，放置于喷枪前的遮挡物。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
在等离子喷涂过程中，在基体前放置阻挡装置，由于液相粒子在等离子射流中特有的直线惯性飞行特征，该阻挡装置具有直接阻止液相粒子穿过的作用，但对于气相以及具有布朗运动特性的粒子在等离子射流中的运动轨迹并不是直线惯性的飞行特征，它们在等离子射流中能够随射流的变化而发生绕流等特性，所以该装置不能阻挡气相或具有布朗运动特性的粒子通过。
在等离子喷涂过程中，等离子射流的温度极高，中心温度可达到7000度，对于大部分的材料很难在此温度下长时间稳定存在，但为了对液相粒子进行遮挡，需要在等离子射流覆盖的区域放置具有阻挡液相粒子穿过的装置，放置时间与沉积时间一致；本发明采用石墨制备的阻挡装置在等离子射流作用下不会挥发或熔化。
本发明中，阻挡装置可以随等离子喷枪一起移动，以对较大的零部件进行气相沉积，并保证沉积过程中为完全的气相沉积。
在进行气相沉积的过程中，为保证得到具有柱状结构的陶瓷涂层，基体温度需要控制在300-1200度的范围，对于基体温度定义为气相沉积前一刻的对应区域的基体表面温度。当发生涂层沉积后，基体温度为气相沉积前一刻对应区域的涂层表面温度。
本发明的方法制备的涂层适用于一般的喷涂陶瓷粉末材料，对材料要求限制少，低成本制备具有柱状结构特征的，与基体结合性能好的陶瓷表面层或中间层。
【附图说明】
图1为柱状遮挡装置与基体放置位置示意图。
图2(a)为百叶窗式遮挡装置放置位置示意图；图2(b)为百叶窗式的遮挡装置的正视图；图2(c)为沿图2(b)中A-A线的剖视图。
图3(a)至图3(c)为功率45kW遮挡条件下柱状结构7-8wt.％YSZ陶瓷涂层在不同沉积距离下的微观结构图。
图4(a)至图4(c)为功率60kW遮挡条件下柱状结构7-8wt.％YSZ陶瓷涂层在不同沉积距离下的微观结构图。
图5(a)至图5(c)为功率78kW遮挡条件下柱状结构7-8wt.％YSZ陶瓷涂层在不同沉积距离下的微观结构图。
【具体实施方式】
请参阅图1和图2所示，本发明一种基于液相过滤的低压等离子喷涂制备柱状陶瓷涂层的方法，在进行低压等离子喷涂时，在喷枪与基体之间设置石墨制备的遮挡装置以阻止液相粒子穿过，但不能阻挡气相或具有布朗运动特性的粒子通过；保证只有单纯的气相沉积材料进行沉积，以形成良好的柱状结构YSZ涂层。遮挡装置与基体之间的距离大于一倍的基体宽度/直径。
请参阅图1所示，采用柱状遮挡装置2遮挡柱状基体1进行喷涂；柱状遮挡装置的直径大于基体的直径，小于等离子射流的最大直径；喷涂时，将柱状基体和柱状遮挡装置平行设置，柱状遮挡装置设置于柱状基体和喷枪之间；喷枪喷涂时，液相离子首先碰撞到遮挡装置上，被遮挡装置所阻挡，而气相陶瓷粉末绕过遮挡装置沉积到基体上，以在基体上实现纯气相沉积，形成良好的柱状结构YSZ涂层。
请参阅图2(a)至图2(c)所示，采用百叶窗式遮挡装置4遮挡平面基体3进行喷涂；百叶窗式遮挡装置可以固定，或者随喷枪同步移动；如果为固定式，那么百叶窗式遮挡装置的宽度大于或等于基体的宽度；如果为移动式，那么宽度大于等离子射流的最大直径即可。百叶窗式遮挡装置包括若干叶片40，相邻叶片在喷涂方向上错位设置，相邻叶片在基体上的投影相连，没有缝隙；叶片40的宽度为基体宽度的5％～15％。喷涂时，将平面基体和百叶窗式遮挡装置平行设置，百叶窗式遮挡装置设置于平面基体和喷枪之间；喷枪喷涂时，液相粒子首先碰撞到百叶窗式遮挡装置的叶片上，被叶片所阻挡，而气相沉积材料绕过叶片沉积到基体上，以在基体上实现纯气相沉积，形成良好的柱状结构YSZ涂层。
针对柱状基体和平面基体，均可以使用柱状遮挡装置和百叶窗式遮挡装置；针对平面基体使用柱状遮挡装置时，柱状遮挡装置的宽度大于基体的宽度。
实施例1：
以氧化锆为基体，通过加工成Φ18×2mm的圆片试样。使用丙酮和酒精依次对试样进行超声波清洗，采用金刚石砂纸对试样表面进行打磨处理，最后采用酒精对试样进行表面清洁；采用增加循环水冷却聚束罩的等离子喷枪，在100Pa环境压力下，使用7-8wt.％YSZ粉末进行PS-PVD工艺，制备YSZ涂层，其中喷涂参数为喷涂额定功率45kW，Ar 40L/min，H28L/min，喷涂距离260-420mm，送粉量3g/min，沉积方式在基体前放置柱状遮挡装置，喷涂过程中喷枪不移动。涂层的断面组织结构(如图3(a)至图3(c)所示)显示为柱状结构。
实施例2：
以氧化锆为基体，通过加工成Φ18×2mm的圆片试样。使用丙酮和酒精依次对试样进行超声波清洗，采用金刚石砂纸对试样表面进行打磨处理，最后采用酒精对试样进行表面清洁；采用增加循环水冷却聚束罩的等离子喷枪，在100Pa环境压力下，使用7-8wt.％YSZ粉末进行PS-PVD工艺，制备YSZ涂层，其中喷涂参数为喷涂额定功率60kW，Ar 50L/min，H210L/min，喷涂距离260-420mm，送粉量3g/min，沉积方式在基体前放置百叶窗式遮挡装置，喷涂过程中喷枪不移动。涂层的断面组织结构(如图4(a)至图4(c)所示)显示为柱状结构。
实施例3：
以氧化锆为基体，通过加工成Φ18×2mm的圆片试样。使用丙酮和酒精依次对试样进行超声波清洗，采用金刚石砂纸对试样表面进行打磨处理，最后采用酒精对试样进行表面清洁；采用增加循环水冷却聚束罩的等离子喷枪，在100Pa环境压力下，使用7-8wt.％YSZ粉末进行PS-PVD工艺，制备YSZ涂层，其中喷涂参数为喷涂额定功率78kW，Ar 70L/min，H215L/min，喷涂距离260-420mm，送粉量3g/min，沉积方式在基体前放置百叶窗式遮挡装置，喷涂过程中喷枪不移动。涂层的断面组织结构(如图5(a)至图5(c)所示)显示为柱状结构。
实施例4：
以氧化铝为基体，通过加工成Φ18×2mm的圆片试样。使用丙酮和酒精依次对试样进行超声波清洗，采用刚玉砂纸对试样表面进行打磨处理，最后采用酒精对试样进行表面清洁；采用增加循环水冷却聚束罩的等离子喷枪，在100Pa环境压力下，使用Al2O3粉末进行PS-PVD工艺，制备Al2O3涂层，其中喷涂参数为喷涂额定功率45-80kW，Ar 40-70L/min，H2 8-15L/min，喷涂距离260-420mm，送粉量5g/min，沉积方式在基体前放置柱状遮挡装置，喷涂过程中喷枪不移动。涂层的断面组织结构显示为柱状结构。
实施例5：
以氧化铝管为基体，通过加工成Φ16×2×250mm(外径×厚度×长度)的试样。使用丙酮和酒精依次对试样进行超声波清洗，采用氧化铝砂纸对试样表面进行打磨处理，最后采用酒精对试样进行表面清洁；采用不加聚束罩的等离子喷枪，在10Pa环境压力下，使用7-8wt.％YSZ粉末进行PS-PVD工艺，制备YSZ涂层，其中喷涂参数为喷涂额定功率45-80kW，Ar40-70L/min，H2 8-15L/min，喷涂距离200-600mm，送粉量3g/min，沉积方式在基体前放置百叶窗式遮装置，喷涂过程中喷枪在基体前来回移动，移动速度200mm/s。涂层的断面组织结构显示在圆柱管的不同区域均为柱状结构。
实施例6：
以氧化铝管为基体，通过加工成Φ16×2×250mm(外径×厚度×长度)的试样。使用丙酮和酒精依次对试样进行超声波清洗，采用氧化铝砂纸对试样表面进行打磨处理，最后采用酒精对试样进行表面清洁；采用不加聚束罩的等离子喷枪，在200Pa环境压力下，使用Al2O3粉末进行PS-PVD工艺，制备Al2O3涂层，其中喷涂参数为喷涂额定功率45-80kW，Ar40-70L/min，H2 8-15L/min，喷涂距离200-600mm，送粉量5g/min，沉积方式在基体前放置百叶窗式遮挡装置，喷涂过程中喷枪在基体前来回移动，移动速度200mm/s。涂层的断面组织结构显示在圆柱管的不同区域均为柱状结构。

Claims (2)

1.基于液相过滤的低压等离子喷涂制备柱状陶瓷涂层的方法，其特征在于，在进行低压等离子喷涂时，在喷枪与基体之间设置遮挡装置以阻止液相粒子穿过，该遮挡装置允许气相沉积材料或具有布朗运动特性的粒子绕过并沉积于基体上形成柱状陶瓷涂层；
低压等离子喷涂时等离子喷涂腔室压力为10-200Pa；等离子喷涂电弧功率为20-100kW；气相沉积前基体的温度为300-1200度；喷涂时，Ar的流量为40-70L/min，H2的流量为8-15L/min，喷涂距离为大于100mm，送粉量大于或等于0.2g/min；
所述遮挡装置为柱状遮挡装置，所述柱状遮挡装置的直径大于基体的宽度，小于等离子射流的最大直径；或者，所述遮挡装置为百叶窗式遮挡装置；所述百叶窗式遮挡装置包括若干叶片，相邻叶片在喷涂方向上错位设置，相邻叶片在基体上的投影相连，没有缝隙；叶片的宽度为基体宽度的5％～15％；
遮挡装置与基体之间的距离大于一倍的基体宽度；
所述遮挡装置由石墨制成；
所述遮挡装置固定于基体前方或者与喷枪固定并能够随着喷枪的移动而移动。
2.根据权利要求1所述的基于液相过滤的低压等离子喷涂制备柱状陶瓷涂层的方法，其特征在于，喷涂时，采用的喷涂粉体为喷涂用陶瓷材料。
CN201410690647.1A 2014-11-25 2014-11-25 基于液相过滤的低压等离子喷涂制备柱状陶瓷涂层的方法 Active CN104404436B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410690647.1A CN104404436B (zh) 2014-11-25 2014-11-25 基于液相过滤的低压等离子喷涂制备柱状陶瓷涂层的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410690647.1A CN104404436B (zh) 2014-11-25 2014-11-25 基于液相过滤的低压等离子喷涂制备柱状陶瓷涂层的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104404436A CN104404436A (zh) 2015-03-11
CN104404436B true CN104404436B (zh) 2017-02-22

Family

ID=52642098

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410690647.1A Active CN104404436B (zh) 2014-11-25 2014-11-25 基于液相过滤的低压等离子喷涂制备柱状陶瓷涂层的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104404436B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114059020B (zh) * 2022-01-07 2022-03-18 北京航空航天大学 一种提高ps-pvd沉积过程中气相比例的装置及方法
CN114015980B (zh) * 2022-01-10 2022-04-01 北京航空航天大学 发动机涡轮叶片表面制备热障涂层的方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103966540A (zh) * 2014-04-11 2014-08-06 北京航空航天大学 一种真空快速多相沉积系统制备ysz涂层的方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011103731A1 (de) * 2011-05-31 2012-12-06 Man Diesel & Turbo Se Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht, mit einer Schutzschicht beschichtetes Bauteil und Gasturbine mit einem solchen Bauteil
US9238738B2 (en) * 2012-08-22 2016-01-19 Thermatin Industries, LLC Germanate-containing thermal barrier coating

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103966540A (zh) * 2014-04-11 2014-08-06 北京航空航天大学 一种真空快速多相沉积系统制备ysz涂层的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN104404436A (zh) 2015-03-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103121103B (zh) 金属-陶瓷多维度功能梯度结构件的激光近净成形方法
CN101768714B (zh) 热障涂层激光复合等离子喷涂制备方法
CN104674217B (zh) 一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法
CN103290361B (zh) 施涂热障涂层的方法
CN102787290B (zh) 一种高温可磨耗封严涂层的制备方法
CN103540890B (zh) 一种碳化硼-碳化硅复合涂层的制备方法
WO2013188516A1 (en) Self-healing environmental barrier coating
CN104404436B (zh) 基于液相过滤的低压等离子喷涂制备柱状陶瓷涂层的方法
CN108411242B (zh) 一种具有抗粒子冲刷表面层的热障涂层及其制备方法
Wang et al. Electrical and mechanical properties of nano-structured TiN coatings deposited by vacuum cold spray
CN105239356A (zh) 一种碳化硅纤维表面复合陶瓷涂层及其制备方法
CN104846322A (zh) SrZrO3纳米陶瓷热障涂层及其制备方法
CN105401116A (zh) 一种钛合金TiAl3-Al复合涂层制备方法
CN103572191A (zh) 一种四相陶瓷基高温可磨耗封严涂层
CN104356696A (zh) 一种稀土硅酸盐涂料及C/SiC复合材料表面制备涂层的方法
CN104152854B (zh) 耐高温、抗氧化的低红外发射率复合涂层及其制备方法
CN104087936A (zh) 一种碳基复合材料抗烧蚀涂层的制备方法
CN104846307A (zh) 用于金属基热喷涂的耐高温陶瓷涂层及其喷涂方法
CN102774089A (zh) 一种新型梯度热障涂层
CN104775086A (zh) 用于金属基热喷涂的陶瓷涂层及其喷涂方法
EP2971240B1 (en) Hybrid thermal barrier coating and process of making the same
US11078794B2 (en) Airfoil structure manufacturing method
CN101831602B (zh) 热膨胀匹配复合热障涂层的制备方法
CN103434209B (zh) 一种新型的低热导率和耐高温热障涂层及其制备方法
CN104862634A (zh) 用于金属基热喷涂的耐冲击陶瓷涂层及其喷涂方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant