CN104674217B - 一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含双层结构粘结层热障涂层的制备方法，将金属基体依次进行去油、喷砂处理；采用低压等离子喷涂、高速氧焰喷涂或高速压缩空气火焰喷涂在金属基体上沉积第一粘结层；经过大气等离子喷涂、高速氧焰喷涂或高速压缩空气火焰喷涂沉积第二粘结层；采用大气等离子喷涂、高速氧焰喷涂、溶液等离子喷涂或电子束物理气相沉积技术在第二粘结层上沉积陶瓷隔热层。本发明制备双层粘结层热障涂层，与传统MCrAlY(M＝Ni,Cr等)单层粘结层的热障涂层相比，使用温度更高，避免粘结层与陶瓷层界面性能Ni2Al2O4相，既有充足的Al供应，而且有保持了界面的粗糙度，具有更加优异的抗氧化性和组织结构稳定性，大幅延长其使用寿命。

Description

一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法
技术领域
本发明属于热障涂层领域，尤其是涉及一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法。
背景技术
热障涂层通常是指沉积在金属表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂层，是由具有抗高温氧化性能的粘结层和具有隔热效果的陶瓷层组合而成的涂层体系。其对于保证燃气轮机、发动机等热端部件的长时间服役意义重大，而粘结层是热障涂层的重要组成部分，它的性能直接影响热障涂层系统的寿命。
目前粘结层的成分主要为MCrAlY(M为Ni、Co或Ni+Co)和(Ni,Pt)Al。在地面燃气轮机中，MCrAlY(M＝Ni,Co)最为常用，其使用温度约为800℃左右。但此类涂层的高温力学性能和抗氧化性能已经不能完全满足需求。与其相比，现代航空发动机热障涂层主流的粘结层材料(Ni,Pt)Al具有更为优异的高温抗氧化能力和高温蠕变强度，但该粘结层制备成本高昂。研究表明FeCrAlY合金具有比传统粘结层更优异的高温抗氧化性，可用来制备热障涂层的粘结层。可以取代目前的粘结层，但是FeCrAlY粘结层成分与基体成分差异大，在高温服役过程中粘结层与基体间发生扩散，降低了高温合金基体的力学性能。
传统的粘结层均为单层结构，采用的材料大多为MCrAlY(M＝Ni，Co等)，例如，中国专利CN101748402A公开了一种激光感应复合熔覆梯度功能热障涂层的方法,步骤为:(1)将基材表面进行除锈、除油、清洗与喷砂处理；(2)同时利用铜管对感应加热区吹入惰性保护气体,防止其高温氧化；(3)将聚焦激光束与双斗自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内,实现激光热源与感应加热源的复合；(4)将数控机床沿激光扫描速度的垂直方向移动激光光斑直径的70～30％；(5)使陶瓷相在复合粉末内的质量百分含量增加0～90wt.％；(6)重复步骤(2)-(5),直到涂层达到所要求的厚度。该专利申请旨在功能梯度热障涂层的制备，通过该方法制备的涂层由于孔隙率低以及同时混入高热导率的金属颗粒，必然导致该涂层的热导率降低。而双层或多层结构粘结层则未见报道。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种优异的高温抗氧化性能的含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，采用以下步骤：
(1)将金属基体依次进行去油和喷砂处理；
(2)通过低压等离子喷涂、高速氧焰喷涂或高速压缩空气火焰喷涂在金属基体上制备第一粘结层；
(3)通过大气等离子喷涂、高速氧焰喷涂或高速压缩空气火焰喷涂在第一粘结层上制备第二粘结层；
(4)通过大气等离子喷涂、高速氧焰喷涂、溶液等离子喷涂或电子束物理气相沉积技术积在双层粘结层上沉积陶瓷层。
所述的第一粘结层的成分为NiCoCrAlY。
所述的第二粘结层的成分为FeCrAlY。
所述的陶瓷层为6～8wt％Y2O3稳定的ZrO2或RE2Zr2O7，其中，RE为稀土元素。
步骤(1)中的喷砂处理采用的喷砂压力为0.1～0.7MPa,喷砂颗粒主要成分为Al2O3，颗粒粒径为16～120目，
步骤(2)中采用低压等离子喷涂时，喷枪与金属基体间距离为100～250mm，喷枪移动速度为300～1000mm/s，送粉速率为10～70g/min，送粉气流为0.5～1.2L/min，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为200～250A，真空度小于20KPa。
步骤(3)、(4)中采用大气等离子喷涂时，第一粘结层、第二粘结层的温度控制在200～500℃，喷枪与第一粘结层、第二粘结层间距离为100～250mm，喷枪移动速度为300～1000mm/s，送粉速率为10～70g/min，送粉气流为0.5～1.2L/min，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为200～250A，Ar气流速范围为40～120L/min，H2气流速范围为15～45L/min。
步骤(2)、(3)采用高速压缩空气火焰喷涂时，喷枪与金属基体、第一粘结层、间距离均为200～450mm，送粉速率为10～70g/min，燃气丙烷10～100L/min，压缩空气/燃气的体积比为2-12，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为20～150A。
步骤(2)、(3)、(4)采用高速氧焰喷涂时，喷枪与金属基体、第一粘结层、第二粘结层间距离均为200～450mm，送粉速率为10～70g/min，燃气丙烷10～100L/min，氧/燃气的体积比例2-12，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为20～150A。
步骤(4)中采用溶液等离子喷涂时，喷枪与第二粘结层间距离为50～350mm，送料速率为0.1～10L/min，电压范围为50～180V，喷涂电流范围为200～550A。
步骤(4)中采用电子束物理气相沉积时，第二粘结层的加热温度为800-1050℃，主电子枪功率15-30kw,靶材和基体的距离100-400mm，真空度1.0-10×10-3Pa，沉积效率0.5-1.5μm/min。
为改善NiCoCrAlY粘结层金属铝含量低，容易形成Ni2Al2O4，且高温抗氧化寿命短的缺点，可设计成具有不同成分的双层或多层结构粘结层。因此，本发明设计的具有不同成分双层结构粘结层，与沉积高温合金基体接触的粘结层采用成分为NiCoCrAlY的材料，而第二粘结层则采用具有更优异抗氧化性能的成分为FeCrAlY的材料，该双层粘结层结构相对于对于单层的FeCrAlY粘结层，能有效阻止基体与粘结层各元素间的扩散，同时保持界面优良的结合力，组织结构稳定，FeCrAlY层能迅速形成一层致密的Al2O3(即TGO)，且TGO生长缓慢，不会形成spinel脆性相破坏氧化层的致密性与连续性；而传统的NiCoCrAlY的材料在高温服役过程中，TGO生长迅速，产生的应力应变大，且形成Ni2Al2O4脆性相破坏了氧化层的致密性与连续性。因此，本发明的双层结构能够使FeCrAlY层优异的高温抗氧化性能得到充分利用，并且不会与基体元素扩散，影响基体性能。
通过低压等离子喷涂、大气等离子喷涂、高速氧焰喷涂(HVOF)或高速压缩空气火焰喷涂(HVAF)在金属基体上沉积具有NiCoCrAlY及FeCrAlY成分的双层结构粘结层，制备出的厚度可控，成分均匀，组织结构稳定的新型热障涂层，将具有比传统热障涂层良好的抗氧化性、更高的工作温度及更长的使用寿命，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用的双层粘结层结构使用温度更高，并且提供充足的Al源，同时有效阻止基体与粘结层各元素间的扩散，具有更优良的抗氧化性；
(2)本发明制备的新型热障涂层既能避免粘结层内部氧化，同时保留界面粗糙度和涂层结合力，能有效抵抗热冲击，具有很长的使用寿命。
(3)双层粘结层结构使得热障涂层使用过程中的稳定性大幅提高，制备的新型热障涂层具有更高的工作温度。
附图说明
图1为双层结构的粘结层及热障涂层的结构示意图；
图2为单一NiCoCrAlY粘结层结构热障涂层的扫描电镜图；
图3为具有双层结构粘结层的热障涂层截面扫描电镜图；
图4为具有双层结构粘结层的热障涂层热循环失效后的扫描电镜图。
图中，1为金属基体、2为第一粘结层、3为第二粘结层、4为陶瓷层。
具体实施方式
一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，采用以下步骤：
(1)将金属基体依次进行去油和喷砂处理；
(2)通过低压等离子喷涂、高速氧焰喷涂或高速压缩空气火焰喷涂在金属基体上制备成分为NiCoCrAlY的第一粘结层；
(3)通过大气等离子喷涂、高速氧焰喷涂或高速压缩空气火焰喷涂在第一粘结层上制备成分为FeCrAlY的第二粘结层；
(4)通过大气等离子喷涂、高速氧焰喷涂、溶液等离子喷涂或电子束物理气相沉积技术积在双层粘结层上沉积陶瓷层，陶瓷层的成分为6～8wt％Y2O3稳定的ZrO2或RE2Zr2O7，其中，RE为稀土元素。
步骤(1)中的喷砂处理采用的喷砂压力为0.1～0.7MPa,喷砂颗粒主要成分为Al2O3，颗粒粒径为16～120目，
步骤(2)中采用低压等离子喷涂时，喷枪与金属基体间距离为100～250mm，喷枪移动速度为300～1000mm/s，送粉速率为10～70g/min，送粉气流为0.5～1.2L/min，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为200～250A，真空度小于20KPa。
步骤(3)、(4)中采用大气等离子喷涂时，第一粘结层、第二粘结层的温度控制在200～500℃，喷枪与第一粘结层、第二粘结层间距离为100～250mm，喷枪移动速度为300～1000mm/s，送粉速率为10～70g/min，送粉气流为0.5～1.2L/min，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为200～250A，Ar气流速范围为40～120L/min，H2气流速范围为15～45L/min。
步骤(2)、(3)采用高速压缩空气火焰喷涂时，喷枪与金属基体、第一粘结层、间距离均为200～450mm，送粉速率为10～70g/min，燃气丙烷10～100L/min，压缩空气/燃气的体积比为2-12，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为20～150A。
步骤(2)、(3)、(4)采用高速氧焰喷涂时，喷枪与金属基体、第一粘结层、第二粘结层间距离均为200～450mm，送粉速率为10～70g/min，燃气丙烷10～100L/min，氧/燃气的体积比例2-12，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为20～150A。
步骤(4)中采用溶液等离子喷涂时，喷枪与第二粘结层间距离为50～350mm，送料速率为0.1～10L/min，电压范围为50～180V，喷涂电流范围为200～550A。采用电子束物理气相沉积时，第二粘结层的加热温度为800-1050℃，主电子枪功率15-30kw,靶材和基体的距离100-400mm，真空度1.0-10×10-3Pa，沉积效率0.5-1.5μm/min。
下面进一步结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，采用以下步骤：
(1)首先对金属基体1用颗粒粒径为16～120目的Al2O3，对基体进行喷砂处理，获得均匀的表面粗糙度；
(2)通过步骤(2)中采用低压等离子喷涂时，喷枪与金属基体间距离为100～250mm，喷枪移动速度为300～1000mm/s，送粉速率为10～70g/min，送粉气流为0.5～1.2L/min，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为200～250A，真空度小于20KPa。在金属基体1上引入第一粘结层2，该粘结层的成分为NiCoCrAlY，该方法通过高温等离子束流对陶瓷颗粒进行加热熔化或者半熔化，然后快速将其喷涂至基体表面形成具有层状结构的涂层。喷涂前对基体进行预热2～4次。具体参数为：涂层的成分为NiCoCrAlY，基体温度范围为200～500℃，喷枪与基体距离范围为100～250mm，喷枪移动速度为300～1000mm/s，送粉速率为10～70g/min，送粉气流为0.5～1.2L/min，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为200～250A，Ar气流速范围为40～120L/min，H2气流速范围为15～45L/min；
(3)通过大气等离子喷涂在第一粘结层2上沉积第二粘结层3，该粘结层的组成成分为FeCrAlY。金属基体1、第一粘结层2、第二粘结层3的温度控制在200～500℃，喷枪与金属基体间距离为100～250mm，喷枪移动速度为300～1000mm/s，送粉速率为10～70g/min，送粉气流为0.5～1.2L/min，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为200～250A，Ar气流速范围为40～120L/min，H2气流速范围为15～45L/min。
(4)通过大气等离子喷涂在粘结层上沉积厚度为0.1～1mm的8YSZ陶瓷层4。具体步骤重复(3)所述。通过上述方法制备的热障涂层的结构如图3所示。
对上述方法制备的热障涂层在1050℃高温进行热循环氧化实验，传统单一NiCoCrAlY粘结层结构的热障涂层热循环氧化400h后涂层便出现严重的脱落，具体可见图2，脱落面积超过50％；大气等离子喷涂制备的具有双层结构粘结层的热障涂层截面扫描电镜图如图3所示，无明显的裂纹，对其进行高温试验，直至2000h后才出现明显脱落，具体见图4。这说明双层结构粘结层能有效缓解单层FeCrAlY结构带来的热不匹配性，热循环氧化过程中产生的应力应变小，同时NiCoCrAlY粘结层能有效阻止FeCrAlY层与基体间元素的互扩散，保证FeCrAlY层高温抗氧化性能，从而有效提高热障涂层的寿命。
实施例2
一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，采用以下步骤：
(1)将金属基体依次进行去油和喷砂处理，喷砂处理采用的喷砂压力为0.1MPa,喷砂颗粒主要成分为Al2O3，颗粒粒径为16目；
(2)通过低压等离子喷涂在金属基体上制备成分为NiCoCrAlY的第一粘结层，低压等离子喷涂时，喷枪与金属基体间距离为100mm，喷枪移动速度为300mm/s，送粉速率为10g/min，送粉气流为0.5L/min，电压范围为100V，喷涂电流范围为200A，真空度小于20KPa；
(3)通过大气等离子喷涂在第一粘结层上沉积第二粘结层，该粘结层的组成成分为FeCrAlY。金属基体、第一粘结层、第二粘结层的温度控制在200℃，喷枪与金属粘结层间距离为100mm，喷枪移动速度为300mm/s，送粉速率为10g/min，送粉气流为0.5L/min，电压范围为100V，喷涂电流范围为200A，Ar气流速范围为40L/min，H2气流速范围为15L/min；
(4)通过大气等离子喷涂在金属粘结层上沉积陶瓷层，其工艺与步骤(3)相同，陶瓷层成分为6wt％Y2O3稳定的ZrO2。
实施例3
(1)将金属基体依次进行去油和喷砂处理，喷砂处理采用的喷砂压力为0.7MPa,喷砂颗粒主要成分为Al2O3，颗粒粒径为120目；
(2)通过低压等离子喷涂在金属基体上制备成分为NiCoCrAlY的第一粘结层，低压等离子喷涂时，喷枪与金属基体间距离为250mm，喷枪移动速度为1000mm/s，送粉速率为70g/min，送粉气流为1.2L/min，电压范围为180V，喷涂电流范围为250A，真空度小于20kPa；
(3)通过大气等离子喷涂在第一粘结层上制备成分为FeCrAlY的第二粘结层，温度控制在500℃，喷枪与金属粘结层间距离为250mm，喷枪移动速度为1000mm/s，送粉速率为70g/min，送粉气流为1.2L/min，电压范围为180V，喷涂电流范围为250A，Ar气流速范围为120L/min，H2气流速范围为45L/min；
(4)通过大气等离子喷涂在金属粘结层上沉积陶瓷层，其工艺与步骤(3)相同，陶瓷层成分为8wt％Y2O3稳定的RE2Zr2O7。
实施例4
一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其步骤与实施例3大致相同，不同之处在于，沉积第一粘结层、第二粘结层、陶瓷层时采用的是高速氧焰喷涂，采用高速氧焰喷涂时，三个步骤中喷枪分别与金属基体、第一粘结层、第二粘结层间距离均为200mm，送粉速率为10g/min，燃气丙烷10L/min，氧/燃气的体积比为2，电压范围为100V，喷涂电流范围为20A。
实施例5
一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其步骤与实施例3大致相同，不同之处在于，沉积第一粘结层、第二粘结层、陶瓷层时采用的是高速氧焰喷涂，采用高速氧焰喷涂时，三个步骤中喷枪分别与金属基体、第一粘结层、第二粘结层间距离均为450mm，送粉速率为70g/min，燃气丙烷100L/min，氧/燃气的体积比例12，电压范围为180V，喷涂电流范围为150A。
实施例6
一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其步骤与实施例3大致相同，不同之处在于，沉积第一粘结层、第二粘结层采用的是高速压缩空气火焰喷涂，三个步骤中喷枪分别与金属基体、第一粘结层、第二粘结层间距离均为200mm，送粉速率为10g/min，燃气丙烷10L/min，压缩空气/燃气的体积比为2，电压范围为100V，喷涂电流范围为20A。
实施例7
一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其步骤与实施例3大致相同，不同之处在于，沉积第一粘结层、第二粘结层时采用的是高速压缩空气火焰喷涂，采用高速压缩空气火焰喷涂时，三个步骤中喷枪分别与金属基体、第一粘结层、第二粘结层间距离均为450mm，送粉速率为70g/min，燃气丙烷100L/min，压缩空气/燃气的体积比例12，电压范围为180V，喷涂电流范围为150A。
实施例8
一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其步骤与实施例3大致相同，不同之处在于，步骤(4)中采用大气等离子喷涂时，金属基体、第一粘结层、第二粘结层的温度控制在200℃，喷枪与金属基体间距离为100mm，喷枪移动速度为300mm/s，送粉速率为10g/min，送粉气流为0.5L/min，电压范围为100V，喷涂电流范围为200A，Ar气流速范围为40L/min，H2气流速范围为15L/min。
实施例9
一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其步骤与实施例3大致相同，不同之处在于，步骤(4)中采用大气等离子喷涂时，金属基体、第一粘结层、第二粘结层的温度控制在500℃，喷枪与金属基体间距离为250mm，喷枪移动速度为1000mm/s，送粉速率为70g/min，送粉气流为1.2L/min，电压范围为180V，喷涂电流范围为250A，Ar气流速范围为120L/min，H2气流速范围为45L/min。
实施例10
一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其步骤与实施例3大致相同，不同之处在于，步骤(4)中采用溶液等离子喷涂，喷枪与第二粘结层间距离为100mm，喷枪移动速度为300mm/s，送粉速率为10g/min，送粉气流为0.5L/min，Ar气流速范围为40L/min，H2气流速范围为15L/min。
实施例11
一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其步骤与实施例3大致相同，不同之处在于，步骤(4)中采用溶液等离子喷涂，喷枪与第二粘结层间距离为250mm，喷枪移动速度为1500mm/s，送粉速率为120g/min，送粉气流为3L/min，Ar气流速范围为200L/min，H2气流速范围为80L/min。
实施例12
一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其步骤与实施例3大致相同，不同之处在于，步骤(4)中采用电子束物理气相沉积，第二粘结层的加热温度为800℃，主电子枪功率15kw,靶材和基体的距离100mm，真空度1.0×10-3Pa，沉积效率0.5μm/min。
实施例13
一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其步骤与实施例3大致相同，不同之处在于，步骤(4)中采用电子束物理气相沉积，第二粘结层的加热温度为1050℃，主电子枪功率30kw,靶材和基体的距离400mm，真空度10×10-3Pa，沉积效率1.5μm/min。
本发明通过实例对技术方案进行完整、清晰的描述，但并不对本发明构成限制。对于本领域的专业人员容易想到的各种参数变化和调整都应该属于本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：
(1)将金属基体依次进行去油和喷砂处理；
(2)通过低压等离子喷涂、高速氧焰喷涂或高速压缩空气火焰喷涂在金属基体上制备第一粘结层；
(3)通过大气等离子喷涂、高速氧焰喷涂或高速压缩空气火焰喷涂在第一粘结层上制备第二粘结层；
(4)通过大气等离子喷涂、高速氧焰喷涂、溶液等离子喷涂或电子束物理气相沉积技术积在双层粘结层上沉积陶瓷层；
所述的第一粘结层的成分为NiCoCrAlY，所述的第二粘结层的成分为FeCrAlY。
2.根据权利要求1所述的一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其特征在于，所述的陶瓷层为6～8wt％Y2O3稳定的ZrO2或RE2Zr2O7，其中，RE为稀土元素。
3.根据权利要求1所述的一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的喷砂处理采用的喷砂压力为0.1～0.7MPa,喷砂颗粒主要成分为Al2O3，颗粒粒径为16～120目。
4.根据权利要求1所述的一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中采用低压等离子喷涂时，喷枪与金属基体间距离为100～250mm，喷枪移动速度为300～1000mm/s，送粉速率为10～70g/min，送粉气流为0.5～1.2L/min，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为200～250A，真空度小于20kPa。
5.根据权利要求1所述的一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤(3)、(4)中采用大气等离子喷涂时，第一粘结层、第二粘结层的温度控制在200～500℃，喷枪与第一粘结层、第二粘结层间距离为100～250mm，喷枪移动速度为300～1000mm/s，送粉速率为10～70g/min，送粉气流为0.5～1.2L/min，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为200～250A，Ar气流速范围为40～120L/min，H2气流速范围为15～45L/min。
6.根据权利要求1所述的一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其特征在于，
步骤(2)、(3)采用高速压缩空气火焰喷涂时，喷枪与金属基体、第一粘结层、间距离均为200～450mm，送粉速率为10～70g/min，燃气丙烷10～100L/min，压缩空气/燃气的体积比为2-12，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为20～150A；
步骤(2)、(3)、(4)采用高速氧焰喷涂时，喷枪与金属基体、第一粘结层、第二粘结层间距离均为200～450mm，送粉速率为10～70g/min，燃气丙烷10～100L/min，氧/燃气的体积比例2-12，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为20～150A。
7.根据权利要求1所述的一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤(4)中采用溶液等离子喷涂时，喷枪与第二粘结层间距离为50～350mm，送料速率为0.1～10L/min，电压范围为50～180V，喷涂电流范围为200～550A。
8.根据权利要求1所述的一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤(4)中采用电子束物理气相沉积时，第二粘结层的加热温度为800-1050℃，主电子枪功率15-30kw,靶材和基体的距离100-400mm，真空度1.0×10-3Pa-10×10-3Pa，沉积效率0.5-1.5μm/min。
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