CN104928607B - 一种提高热障涂层与基体结合力的涂层制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热障涂层制备技术领域，具体地说是一种提高热障涂层与基体结合力的涂层制备方法。包括以工业用NiCrAlY复合粉末作为底层，等离子喷涂热障涂层的步骤和以工业用ZrO2+8Y2O3为喷涂粉末，进行等离子喷涂抗氧化层的步骤，其特征在于：在等离子喷涂热障涂层的步骤之前，采用飞秒激光对基体即高温合金表面进行微造型。通过调整飞秒激光在零件表面进行微造型，使涂层材料与基体材料的结合力得到大幅提高，本发明的涂层在1100℃，抗热震性可达到631~692次，可以更好地服务于航空航天发动机领域。
Description
技术领域
本发明涉及热障涂层制备技术领域，具体地说是一种提高热障涂层与基体结合力的涂层制备方法。
背景技术
在热障涂层技术发展中，国内外学者主要围绕两个大的方向开展了许多试验及理论研究，一是围绕热障涂层成分设计不断进行改进和创新，二是随着技术的发展，不断探索涂层制备技术的新突破。
目前制备热障涂层的技术主要有等离子喷涂（PS）、电子束-物理气相沉积（EB-PVD）、高速火焰喷涂技术和激光熔覆等；其中，等离子喷涂具有工艺成熟、沉积效率高等优点，制备的热障涂层具有“鱼鳞”状的层状结构，但与基材呈结合力较差的机械结合，在使用过程中易脱落。
蔡航伟等人采用等离子喷涂技术对0Cr18Ni9Ti进行了渗锆处理结果表明，该合金经渗锆处理后其硬度达到1530HV0.05，抗腐蚀能力在不同酸性腐蚀液下提高了2~9倍；渗锆层抗氧化的主要原因是在酸性环境中，由于渗层锆含量较高，极易生成稳定致密的氧化锆层，构成钝化膜，阻止腐蚀液向内浸入继续腐蚀。
徐鹏开展了纳米氧化锆热障涂层的等离子喷涂制备及性能研究发现：薄膜基体的结合力可以达到72N，热震次数可以达到40次，纳米级与微米级涂层抗氧化性能相差无几，其组织相为四方相t-ZrO2和t/-ZrO2，单斜相c- ZrO2，立方萤石结构m- ZrO2。
关于EB-PVD 制备热障涂层技术的研究，近几年北京航天航空大学、北京航空制造工程研究所等单位采用引进的EB-PVD 设备对热障涂层的制备与性能进行了广泛的研究，并取得了突破性进展；据报道，采用EB-PVD 技术制备的热障涂层的显微组织由许多彼此分离的柱状晶组成，且每个柱状晶又与底层牢固结合，其抗剥落寿命比离子喷涂层提高了近7倍；显然，EB-PVD 涂层具有更高应变容限的柱状结构，可以有效改善离子喷涂层气孔率偏高的不足，具有热循环寿命高、致密、结合力好等优势，但是，在热循环下这种彼此分离且具有应变容限行为的柱状晶结构，能够相互移动并为氧和腐蚀剂的进入提供通道，导致其高温耐蚀性能降低，而且EB-PVD 技术对设备的要求高，价格昂贵，操作复杂，沉积效率低，技术难度大，工业应用受到了较大的限制。
郭双全等采用高速火焰喷涂技术制备粘结层，用等离子喷涂技术制备氧化锆纳米层，结果发现，涂层拉伸强度在30MPa 在1100℃热震次数可以达到50次，但是高速火焰喷涂中，喷涂涂层质量的均匀性和可靠性较差。
为了克服等离子喷涂层高孔隙率和裂纹引起的抗高温氧化性能和涂层寿命降低的问题，对等离子喷涂涂层进行激光重熔处理，可以获得呈外延生长的柱状晶结构，提高了涂层与基材的结合强度，焊合部分裂纹，但并不能完全消除等离子喷涂层内的气孔与裂纹。
由于等离子喷涂层高孔隙率和裂纹引起的抗高温氧化性能和涂层寿命降低的问题，激光熔覆热障涂层的方法受到国内外学者的广泛关注；与PS、EB-PVD 等加工方法相比，激光熔覆热障涂层具有如下优点：可对热障涂层材料进行成分和结构的设计，得到完全致密、与基材冶金结合的涂层，激光束光斑小、能量密度高，在熔覆的过程中可以将基材的热影响区(HAZ)与热变形减少到最低程度，熔覆层与基材呈冶金结合，结合强度高，不易脱落；激光熔覆具有快速加热与快速冷却的特点，得到的热障涂层的组织为致密柱状晶，可以改善涂层的控高温氧化及控热震性能，提高热障涂层的服役寿命；例如，Pei 等在1045 钢上激光钢上激光熔覆ZrO2-Ni 基热障涂层材料，得到大量的亚稳态的t′-ZrO2和少量的m-ZrO2组成的陶瓷外层以及与基材呈冶金结合的Ni 基粘结层，显微硬度达到了1700 Hv，远高于热喷涂加工方法制备的热障涂层；但是，陶瓷层在快速加热到快速冷却的过程中ZrO2 易发生相变，而且陶瓷层与高温合金的热膨胀系数差异较大，将引发涂层裂纹的产生。
周圣丰等人采用激光-感应复合快速熔覆功能梯度YSZ/NiCrAlY涂层的研究，经检测制备的YSZ/NiCrAlY 梯度涂层无裂纹，表面平整光滑，且显微硬度呈梯度分布，等温氧化后，激光感应复合快速熔覆功能梯度YSZ/NiCrAlY 涂层内亚稳态的四方氧化锆(t′-ZrO2)转变为稳态的四方氧化锆(t-ZrO2)，从而极大地提高了基材高温合金GH4169 的抗高温氧化性能；王蔚等采用激光烧结技术对Al2O3/SiO2 /ZrO2进行烧结，制备了Al2O3/SiO2 /ZrO2复合块体材料，随着ZrO2的含量增加，块体硬度也相应增加，发现当ZrO2含量达到30%时，复合材料的性能最好；王红英等人开展了离子喷涂氧化锆涂层及激光重熔的摩擦磨损性能研究，结果发现：氧化锆涂层经激光重熔后的摩擦磨损性能性能明显高于原喷涂涂层，并且发现纳米氧化锆涂层经重熔后性能最优，激光重熔可以大幅消除涂层的孔隙与裂纹。
采用激光冲击对铝化物涂层进行强化处理不仅能使渗层组织更加致密，增加渗层与基体的结合强度，还能在渗层残留较高的残余压应力，使涂层的疲劳寿命得到提高；这种复合处理方法在国内只有少数的学者对其进行了研究，如：江苏大学光子重点实验室率先开展了激光冲击与渗铝工艺复合强化处理方向的，利用大功率Nd: YAG 激光器对渗铝后的00Cr12 合金钢进行了冲击强化处理，并在不同温度下对其进行了高温拉伸试验，从力学性能及断口形貌等分析了渗铝复合激光冲击对其高温拉伸性能的影响, 激光冲击处理使渗铝层组织更加致密并且与基体结合更加紧密, 部分提高了热稳定性及抗氧化性能；空军工程大学周鑫等人研究获得“激光冲击强化+渗铝”工艺在工程应用中具有可行性和优越性，通过渗铝提高了K417 的抗高温氧化和燃气腐蚀性能, 并研究了激光冲击强对渗铝试样的影响效果，激光冲击强化后材料疲劳强度为285.5MPa, 再渗铝后疲劳强度提高到339.5MPa；以上研究表明：激光冲击对铝化物涂层进行强化，使渗层组织更加致密，增强了涂层与基体之间的结合力，可以有效提高涂层抗高温氧化性能和疲劳强度。
从上述国内外研究结果来看，目前无论是从涂层成分设计，还是从涂层制备工艺来看，各种工艺技术都处在不断发展和完善之中。主要存在的问题还是：热障涂层（或粘结层）与基体结合强度不足、涂层中存在气孔裂纹本身强度不高、抗氧化腐蚀及抗热震性能不强等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高热障涂层与基体结合的预处理方法。。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
1）利用飞秒激光束在高温合金表面进行微造型，试验用材GH586合金，热冲击试样尺寸40×40×5mm，飞秒激光器参数：波长800 nm，脉宽800 fs，重频1 KHz，能量~3.5 mJ，理论光斑聚焦直径22 μm；为了能在零件表面实现微造型，我们选取光斑中心距为微造型的一个重要工艺参数，聚焦光斑中心距为：25~30 μm，孔面积与待加工零件的表面之比控制在50~60%，辐照后孔深控制在30~50 μm，飞秒激光能量700~1240 μJ。
2）在飞秒激光微造型后的试样上进行等离子喷涂热障涂层，以工业用NiCrAlY复合粉末作为底层，等离子喷涂过渡层（NiCrAlY），工艺参数为：功率20~28 KW；离子气，0.6~1.5m3/hAr气；送粉气，0.5 m3/h的 N2。
3）以工业用ZrO2+ 8Y2O3为喷涂粉末，在步骤2）的基础上进行等离子喷涂抗氧化层ZrO2+ 8Y2O3，其喷涂工艺参数为：功率30 KW；离子气，1.9 m3/h的Ar气；送粉气，0.5m3/h的N2。
如此，所制备的材料在1100℃做热震性试验，抗热震疲劳次数可达到631~692次。
本发明通过在高温合金材料表面进行飞秒激光微造型，结合等离子喷涂热障涂层工艺技术制备了高质量的表面热障涂层材料，涂层致密度高达88~90%，孔隙率3~8%，涂层与基体结合力60~65 MPa，热障涂层厚度在150~200 μm，抗氧化性在1100℃，完全抗氧化；涂层在1100℃，抗热震性可达到631~692次。
本发明制备热障涂层的工艺方法可用于航空发动机相关重要零件的抗高温抗氧化及热震性涂层处理。
技术优势
1、制备过程简单，可重复性较高，便于实现大规模生产。
2、通过调整飞秒激光在零件表面进行微造型，使涂层材料与基体材料的结合力得到大幅提高，之前报道的等离子喷涂ZrO2+ 8Y2O3涂层材料，其结合力一般在40 MPa左右，涂层在1100℃下反复加热，其抗热震性大于100次；与此相对比，本发明的涂层在1100℃，抗热震性可达到631~692次，可以更好地服务于航空航天发动机领域。
具体实施方式
现将本发明的实施例叙述于后。
实施例l
1）利用飞秒激光束在高温合金表面进行微造型，试验用材GH586合金，热冲击试样尺寸40×40×5 mm，飞秒激光器参数：波长800 nm，脉宽800 fs，重频1KHz，能量~3.5 mJ，理论光斑聚焦直径22 μm；对试样进行表面造型，聚焦光斑中心距为：25 μm，总的孔面积与待加工零件的表面之比控制在60%，辐照后孔深控制在平均为30 μm，飞秒激光能量平均能量为740 μJ。
2）在飞秒激光微造型后的试样上进行等离子喷涂热障涂层，以工业用NiCrAlY复合粉末作为底层，其喷涂工艺参数为：功率25 KW；离子气，1.5m3/h的Ar气；送粉气，0.5m3/h的N2气。
3）以工业用ZrO2+ 8Y2O3喷涂粉末，在步骤2）基础上进行等离子喷涂抗氧化层ZrO2+ 8Y2O3，其喷涂工艺参数为：功率30 KW；离子气，1.9 m3/h的Ar气；送粉气，0.5m3/h的N2气。
本实例制备了高质量的表面热障涂层，其涂层致密度高达88%，孔隙率4%，涂层与基体结合力62 MPa，热障涂层厚度在180 μm，抗氧化性在1100℃，完全抗氧化，涂层在1100℃，抗热震性平均631次。
实施例2
1）利用飞秒激光束在高温合金表面进行微造型，试验用材GH586合金，热冲击试样尺寸40×40×5 mm，飞秒激光器参数：波长800 nm，脉宽800 fs，重频1 KHz，能量~3.5 mJ，理论光斑聚焦直径22 μm；对试样进行表面造型，聚焦光斑中心距为：28 μm，总的孔面积与待加工零件的表面之比控制在52%，辐照后孔深控制在平均为40 μm，飞秒激光能量平均能量为980 μJ。
2）在飞秒激光微造型后的试样上进行等离子喷涂热障涂层，以工业用NiCrAlY复合粉末作为底层，其喷涂工艺参数为：功率25 KW；离子气，1.5 m3/h的 Ar气；送粉气，0.5m3/h 的N2气。
3）以工业用ZrO2+ 8Y2O3喷涂粉末，在步骤2）基础上进行等离子喷涂抗氧化层ZrO2+ 8Y2O3，其喷涂工艺参数为：功率30 KW；离子气，1.9 m3/h 的Ar气；送粉气，0.5 m3/h的N2气。
本实例制备了高质量的表面热障涂层，其涂层致密度高达88%，孔隙率4%，涂层与基体结合力62MPa，热障涂层厚度在180μm，抗氧化性在1100℃，完全抗氧化，涂层在1100℃，抗热震性平均692次。
实施例3
1）利用飞秒激光束在高温合金表面进行微造型，试验用材GH586合金，热冲击试样尺寸40×40×5 mm，飞秒激光器参数：波长800 nm，脉宽800 fs，重频1 KHz，能量~3.5 mJ，理论光斑聚焦直径22 μm；对试样表面进行激光微造型，聚焦光斑中心距为30 μm，总的孔面积与待加工零件的表面之比控制在50%，辐照后孔深控制在平均为50 μm，飞秒激光能量平均能量为1240 μJ。
2）在飞秒激光微造型后的试样上进行等离子喷涂热障涂层，以工业用NiCrAlY复合粉末作为底层，其喷涂工艺参数为：功率25 KW；离子气，1.5 m3/h 的Ar气；送粉气，0.5m3/h的N2。
3）以工业用ZrO2+ 8Y2O3喷涂粉末，在步骤2）基础上进行等离子喷涂抗氧化层ZrO2+ 8Y2O3，其喷涂工艺参数为：功率30 KW；离子气，1.9 m3/h的Ar气；送粉气，0.5m3/h的N2。
本实例制备了高质量的表面热障涂层，其涂层致密度高达89%，孔隙率4%，涂层与基体结合力65MPa，热障涂层厚度在183μm，抗氧化性在1100℃，完全抗氧化，涂层在1100℃，抗热震性平均673次。
Claims (6)
1.一种提高热障涂层与基体结合力的涂层制备方法，包括以工业用NiCrAlY复合粉末作为底层，等离子喷涂热障涂层的步骤和以工业用ZrO2+8Y2O3为喷涂粉末，进行等离子喷涂抗氧化层的步骤，其特征在于：在等离子喷涂热障涂层的步骤之前，采用飞秒激光对基体即高温合金表面进行微造型；所述的微造型指造微孔，孔面积与待加工的零件表面比控制在50～60％，辐照后孔深控制在30～50μm。
2.如权利要求1所述的一种提高热障涂层与基体结合力的涂层制备方法，其特征在于：所述高温合金指GH586合金，试样尺寸40×40×5mm。
3.如权利要求1所述的一种提高热障涂层与基体结合力的涂层制备方法，其特征在于：所述飞秒激光的工艺参数为：波长800nm，脉宽800fs，重频1KHz，能量为3.5mJ，理论光斑聚焦直径22μm；聚焦光斑中心距为25～30μm，飞秒激光能量为740～1240μJ。
4.如权利要求1所述的一种提高热障涂层与基体结合力的涂层制备方法，其特征在于：所述以工业用NiCrAlY复合粉末作为底层，等离子喷涂热障涂层的工艺参数为：功率20～28KW；离子气，0.6～1.5m3/hAr气；送粉气，0.5m3/h的N2。
5.如权利要求1所述的一种提高热障涂层与基体结合力的涂层制备方法，其特征在于：所述以工业用ZrO2+8Y2O3为喷涂粉末，进行等离子喷涂抗氧化层的工艺参数为：功率30KW；离子气，1.9m3/h的Ar气；送粉气，0.5m3/h的N2。
6.如权利要求1所述的一种提高热障涂层与基体结合力的涂层制备方法，其特征在于：所述涂层致密度高达88～90％，孔隙率3～8％，涂层与基体结合力60～65MPa，热障涂层厚度在150～200μm，抗氧化性在1100℃，完全抗氧化；涂层在1100℃，抗热震性可达到631～692次。
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