CN104775087B - 一种金属复合陶瓷热障涂层的制备方法 - Google Patents

一种金属复合陶瓷热障涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明的名称为一种金属复合陶瓷热障涂层的制备方法。属于热喷涂技术领域。它主要是解决氧化钇稳定的氧化锆涂层存在结构强度低、韧性差的问题。它的主要特征是：⑴对高温合金基体表面进行清洁处理；⑵对清洁后的表面进行喷砂粗化处理；⑶对喷砂粗化处理后的表面采用等离子喷涂镍铬铝钴钇粉末作为底层；⑷在镍铬铝钴钇底层上采用等离子喷涂材料喷涂金属复合陶瓷热障涂层，该等离子喷涂材料的成分为Ni25%~27%，Cr5%~7%，Al0.5%~2%，ZrO2·Y2O364%~66%。本发明制备的金属复合陶瓷热障涂层具有结合强度高、韧性好，可在950℃至室温冷热交替环境下工作1500h的特点，主要用于制备韧性好、与基体的结合强度高的金属复合陶瓷热障涂层。

Description

一种金属复合陶瓷热障涂层的制备方法
技术领域
本发明属于热喷涂技术领域，具体涉及一种金属复合陶瓷热障涂层的等离子喷涂工艺。
背景技术
现代航空发动机及民用燃气轮机涡轮及燃烧室部件使用温度越来越高，而现有的高温合金材料使用温度已经达到极限。为了提高发动机及燃气轮机的功率，在热端部件喷涂热障陶瓷涂层成为提高使用温度比较有效的解决途径之一。
常用的热障陶瓷涂层主要是喷涂氧化钇稳定的氧化锆（ZrO2·Y2O3）涂层，氧化钇稳定的氧化锆是一种导热性较差的陶瓷氧化物，具有离子键或共价键结构，键能高，因此燃点高、化学性能稳定，是热障涂层的理想材料，可以起到很好的隔热效果。但是该涂层存在结构强度低、韧性差的不足，涂层在工作过程中容易出现开裂、剥落的现象。
发明内容
本发明针对上述不足之处而提供一种提高热障涂层的韧性及与基体的结合强度的金属复合陶瓷热障涂层的制备方法。
本发明的技术解决方案是：一种金属复合陶瓷热障涂层的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
⑴对高温合金基体表面进行清洁处理；
⑵对清洁后的高温合金基体表面进行喷砂粗化处理；
⑶对喷砂粗化处理后的高温合金基体表面采用等离子喷涂镍铬铝钴钇粉末作为底层；
⑷在镍铬铝钴钇底层上采用等离子喷涂材料喷涂金属复合陶瓷热障涂层，该等离子喷涂材料的成分为Ni25%~27%，Cr5%~7%，Al0.5%~2%，ZrO2·Y2O364%~66%；等离子喷涂材料形成的NiCrAl-ZrO2复合粉末呈近球形，流动性为30s/50g~35s/50g，松装密度2.3±0.2g/cm3。
本发明优选的技术解决方案是：一种金属复合陶瓷热障涂层的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
⑴对高温合金基体表面采用水基洗涤剂进行超声波清洗，除去表面的积碳和油污；
⑵对清洁后的高温合金基体表面进行喷砂粗化处理，采用粒度为20目~40目的白刚玉砂，吹砂角度：60°~120°，吹砂距离：80mm~150mm，空气压力：0.4MPa~0.6 MPa，吹砂后表面粗糙度控制在5.0~8.0um；
⑶对喷砂粗化处理后的高温合金基体表面采用等离子喷涂镍铬铝钴钇粉末作为底层，等离子喷涂时使送粉嘴靠近喷枪根部，送粉角度垂直等离子焰流方向，喷涂距离为80mm~100mm，电注为500A，氩气流量为52NLPM，氢气流量为6.2NLPM，送粉速率为30g/min，喷枪移动速度为50mm/s，底层厚度0.07~0.15mm；
⑷在镍铬铝钴钇底层上采用等离子喷涂材料喷涂金属复合陶瓷热障涂层，该等离子喷涂材料的成分为Ni25%~27%，Cr5%~7%，Al0.5%~2%，ZrO2·Y2O364%~66%；等离子喷涂材料形成的NiCrAl-ZrO2复合粉末呈近球形，流动性为30s/50g~35s/50g，松装密度2.3±0.2g/cm3；等离子喷涂时使送粉嘴靠近喷枪根部，送粉角度与等离子焰流成60°方向，喷涂距离为80mm~100mm，电流为580A，氩气流量为55NLPM，氢气流量为6.8NLPM，送粉速率为28g/min，喷枪移动速度为50mm/s，底层厚度0.03~0.35mm。
本发明的技术解决方案中所述的步骤（3）中，使用镍铬铝钴钇粉末材料作为底层，底层厚度为0.07mm~0.15mm。
本发明的技术解决方案中所述的步骤（4）中，等离子喷涂时使送粉嘴靠近喷枪根部，送粉角度与等离子焰流成60°方向，喷涂距离为80mm~100mm，涂层厚度0.30mm~0.35mm。
本发明从喷涂材料设计及喷涂工艺参数选择两方面入手，喷涂材料成分为Ni25%~27%，Cr5%~7%，Al0.5%~2%，ZrO2·Y2O364%~66%，NiCrAl-ZrO2复合粉末呈近球形，流动性为30s/50g~35s/50g，松装密度2.3±0.2g/cm3，等离子喷涂时使送粉嘴靠近喷枪根部，送粉角度与等离子焰流成60°方向，喷涂距离为80mm~100mm，涂层厚度0.30mm~0.35mm，制备的金属复合陶瓷热障涂层结合强度高、韧性好，可在950℃至室温冷热交替环境下工作1500h。本发明主要用于制备韧性好、与基体的结合强度高的金属复合陶瓷热障涂层。
具体实施方式
以下用实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明利用等离子喷涂技术在高温合金基体上喷涂金属复合陶瓷热障涂层。工艺过程如下：
1、对高温合金零件表面进行超声波清洗，除去表面的积碳和油污。清洗剂采用水基洗涤剂，确保对零件无腐蚀。
2、零件表面进行喷砂粗化处理。采用白刚玉砂，粒度为20目~40目，吹砂角度：60°~120°，吹砂距离：80mm~150mm，空气压力：0.4MPa~0.6 MPa，吹砂后表面粗糙度控制在5.0~8.0um。
3、选用等离子喷涂镍铬铝钴钇粉末作为底层，送粉嘴靠近喷枪根部，送粉角度垂直等离子焰流方向，喷涂距离为80mm~100mm，电注为500A，氩气流量为52NLPM，氢气流量为6.2NLPM，送粉速率为30g/min，喷枪移动速度为50mm/s，底层厚度0.07~0.15mm。
4、在底层上采用等离子喷涂NiCrAl-ZrO2金属复合陶瓷热障涂层，喷涂材料成分为Ni25%~27%，Cr5%~7%，Al0.5%~2%，ZrO2·Y2O364%~66%，NiCrAl-ZrO2复合粉末呈近球形，流动性为30s/50g~35s/50g，松装密度2.3±0.2g/cm3，送粉嘴靠近喷枪根部，送粉角度与等离子焰流成60°方向，喷涂距离为80mm~100mm，电流为580A，氩气流量为55NLPM，氢气流量为6.8NLPM，送粉速率为28g/min，喷枪移动速度为50mm/s，底层厚度0.03~0.35mm。NiCrAl-ZrO2粉末粒子在高热、高速的等离子焰流作用下，半熔融状态下的NiCrAl-ZrO2粉末粒子以一定的速度撞击到预处理后的基体上，产生塑性变形，形成扁平化，机械“锚固”到基体表面，形成涂层。涂层由合金相NiCrAl作为“骨架”， ZrO2作为隔热相组成。
本发明技术效果：
1、对制作的金属复合陶瓷热障涂层进行金相观察，本发明制作的金属复合陶瓷热障涂层的孔隙率与氧化钇稳定的氧化锆（ZrO2·Y2O3）涂层相比有效减少，孔隙率在5%~7%；
2、金属复合陶瓷热障涂层结合强度不小于25MPa，远高于氧化钇稳定的氧化锆（ZrO2·Y2O3）涂层结合强度；
3、抗冷热循环能力为：850℃炉中保温5分钟后取出在室温水中冷却，反复进行，冷热循环至145次，试片涂层无裂纹、剥落现象。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方向所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种金属复合陶瓷热障涂层的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
⑴对高温合金基体表面进行清洁处理；
⑵对清洁后的高温合金基体表面进行喷砂粗化处理；
⑶对喷砂粗化处理后的高温合金基体表面采用等离子喷涂镍铬铝钴钇粉末作为底层；
⑷在镍铬铝钴钇底层上采用等离子喷涂材料喷涂金属复合陶瓷热障涂层，该等离子喷涂材料的成分为Ni25%~27%，Cr5%~7%，Al0.5%~2%，ZrO2·Y2O364%~66%；等离子喷涂材料形成的NiCrAl-ZrO2复合粉末呈近球形，流动性为30s/50g~35s/50g，松装密度2.3±0.2g/cm3。
2.根据权利要求1所述的一种金属复合陶瓷热障涂层的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
⑴对高温合金基体表面采用水基洗涤剂进行超声波清洗，除去表面的积碳和油污；
⑵对清洁后的高温合金基体表面进行喷砂粗化处理，采用粒度为20目~40目的白刚玉砂，吹砂角度：60°~120°，吹砂距离：80mm~150mm，空气压力：0.4MPa~0.6 MPa，吹砂后表面粗糙度控制在5.0~8.0um；
⑶对喷砂粗化处理后的高温合金基体表面采用等离子喷涂镍铬铝钴钇粉末作为底层，等离子喷涂时使送粉嘴靠近喷枪根部，送粉角度垂直等离子焰流方向，喷涂距离为80mm~100mm，电注为500A，氩气流量为52NLPM，氢气流量为6.2NLPM，送粉速率为30g/min，喷枪移动速度为50mm/s，底层厚度0.07~0.15mm；
⑷在镍铬铝钴钇底层上采用等离子喷涂材料喷涂金属复合陶瓷热障涂层，该等离子喷涂材料的成分为Ni25%~27%，Cr5%~7%，Al0.5%~2%，ZrO2·Y2O364%~66%；等离子喷涂材料形成的NiCrAl-ZrO2复合粉末呈近球形，流动性为30s/50g~35s/50g，松装密度2.3±0.2g/cm3；等离子喷涂时使送粉嘴靠近喷枪根部，送粉角度与等离子焰流成60°方向，喷涂距离为80mm~100mm，电流为580A，氩气流量为55NLPM，氢气流量为6.8NLPM，送粉速率为28g/min，喷枪移动速度为50mm/s，底层厚度0.03~0.35mm。
3.根据权利要求1所述的一种金属复合陶瓷热障涂层的制备方法，其特征在于所述的步骤（3）中，使用镍铬铝钴钇粉末材料作为底层，底层厚度为0.07mm~0.15mm。
4.根据权利要求1所述的一种金属复合陶瓷热障涂层的制备方法，其特征在于所述的步骤（4）中，等离子喷涂时使送粉嘴靠近喷枪根部，送粉角度与等离子焰流成60°方向，喷涂距离为80mm~100mm，涂层厚度0.30mm~0.35mm。
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