CN105018886B - 一种兼备抗热震性和抗冲蚀性热障涂层的制备方法 - Google Patents

一种兼备抗热震性和抗冲蚀性热障涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种兼备抗热震性和抗冲蚀性热障涂层的制备方法，进行涂层前处理，然后按设计要求以标准陶瓷面层加工工艺参数，进行陶瓷面层的沉积，沉积厚度为设计厚度的60％～80％；最后将旋转速度降至原工艺转速的50％～70％，束流大小降至原束流大小电流的60％～80％，沉积温度降至原工艺沉积温度的85～95％，继续沉积涂层，待涂层厚度达到设计要求后，关闭蒸发束流，缓慢降低加热零件的束流大小直至为0，停止涂层沉积；通过控制沉积工艺参数，使陶瓷层柱状晶尺寸变细，使涂层表面柱状晶更佳细腻，降低陶瓷层表面粗糙度，从而使涂层表面抗冲蚀性能得到有效改善，进而制备得到同时具有高温抗热震性能和抗冲蚀性能的热障涂层。

Description

一种兼备抗热震性和抗冲蚀性热障涂层的制备方法
【技术领域】
本发明属于燃气轮机涡轮叶片热障涂层技术领域，具体涉及一种兼备抗热震性和抗冲蚀性热障涂层的制备方法。
【背景技术】
目前，由于电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术具有涂层化学成分易于精确控制、可得到柱状晶组织、涂层与基体结合强度高等优点，已经广泛应用于多种涡轮叶片高温防护涂层的制备加工，显著提高了涡轮叶片的抗高温氧化和抗腐蚀性能、隔热性能，延长了发动机工作寿命。
但是，发动机工作状况恶劣，尤其是涡轮叶片，自身高速旋转，同时承受高温高压气流的冲刷；而且气流中难免存在金属碎屑和沙尘颗粒，对涂覆热障涂层的涡轮叶片造成严重的冲蚀。如果涂层抗冲蚀性能不佳，工作后就会出现涂层被高速气流冲刷减薄，甚至完全剥落，从而造成涂层失效的问题。该种抗冲蚀能力欠佳的热障涂层典型结构形貌如图1中所示，该类型的柱状晶间隙大，结构较疏松，虽然有利于热震性能的提高，但表面粗糙度相对较大，致使叶片的表面摩擦系数增大，涂层抗冲蚀性能达不到使用要求，致使涡轮叶片在高温、高冲蚀环境条件下服役时，涂层被冲蚀减薄，直至脱落。
【发明内容】
为解决上述问题，本发明提供了一种兼备抗热震性和抗冲蚀性热障涂层的制备方法，通过控制陶瓷面层沉积过程中的工艺参数，实现陶瓷层不同尺寸柱状晶的生长，得到一种兼备抗热震性和抗冲蚀性热障涂层。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种兼备抗热震性和抗冲蚀性热障涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)涂层前处理；
制备陶瓷面层前对零件进行前处理，前处理包括：沉积底层、抛光、湿吹砂处理、超声波清洗；
(2)陶瓷涂层前期沉积；
按设计要求以标准陶瓷面层加工工艺参数，进行陶瓷面层的沉积，沉积厚度为设计厚度的60％～80％；
(3)陶瓷涂层最终沉积；
陶瓷涂层沉积厚度达到设计厚度的60％～80％后，将旋转速度降至步骤(2)中工艺转速的50％～70％，束流大小降至步骤(2)中束流大小电流的60％～80％，沉积温度降至步骤(2)中沉积温度的85-95％，继续沉积涂层，待涂层厚度达到设计要求后，关闭蒸发束流，缓慢降低加热零件的束流大小直至为0，停止涂层沉积。
进一步，所述步骤(2)中陶瓷涂层前期沉积的工艺参数为基体温度：900±20℃、转速：15～25rpm、束流大小电流：1.5～2.5A，使用该参数进行陶瓷面层的前期沉积。
进一步，所述步骤(1)中采用0.2MPa的风压进行湿吹砂清理。
进一步，所述步骤(1)中采用1000～2000目的砂纸进行抛光处理。
进一步，所述步骤(3)中缓慢降低加热零件的束流大小，降低速率为0.02～0.1A/min。
本发明采用阶段式电子束物理气相沉积的方法，在陶瓷层前期沉积过程中，形成传统的柱状晶结构，该结构柱状晶尺寸较大，在冷热循环条件下的应变容限不变，涂层的抗热震性能较好；而在涂层沉积的后期，通过控制沉积工艺参数，使陶瓷层柱状晶尺寸变细，使涂层表面柱状晶更佳细腻，降低陶瓷层表面粗糙度，从而使涂层表面抗冲蚀性能得到有效改善，进而制备得到同时具有高温抗热震性能和抗冲蚀性能的热障涂层。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)制备得到的涂层柱状晶间隙适当，表面粗糙度更低，可以有效提高涂层在高速燃气环境下的抗冲蚀性能及耐磨性能。
(2)制备得到的涂层应变容限没有产生变化，在叶片冷热环境下交替服役时，可有效消除陶瓷层热膨胀系数不同而产生的热应力，对涂层的抗热震性能无影响。
(3)沉积该种涂层时的工艺参数控制简便，无需调节工艺加工过程。
【附图说明】
图1热障涂层的传统柱状晶形貌；
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明，但本发明并不限于以下实施例。
通过控制陶瓷面层沉积过程中的工艺参数，以此实现陶瓷层不同尺寸柱状晶的生长，从而得到一种兼备抗热震性和抗冲蚀性热障涂层。
该种热障涂层的具体加工步骤如下：
(1)涂层前处理；
制备陶瓷面层前对零件进行前处理，前处理包括：沉积底层、抛光、湿吹砂、超声波清洗；
(2)陶瓷涂层前期沉积；
按照传统的陶瓷面层加工工艺参数(基体温度：900±20℃、转速：15～25rpm、束流大小电流：1.5～2.5A，)进行陶瓷面层的沉积，沉积厚度为设计厚度的60％～80％；
(3)陶瓷涂层最终沉积；
陶瓷涂层沉积厚度达到设计厚度的60％～80％后，将旋转速度降至原工艺转速的50％～70％，束流大小降至原工艺束流的50％～80％，沉积温度降至原工艺沉积温度的85～95％，继续沉积涂层，待涂层厚度达到设计要求后，关闭蒸发束流，缓慢降低加热零件的束流大小直至为0，停止涂层沉积。
实施方案1：
涂层沉积过程如下：
(1)对沉积了金属底层的试样表面进行前处理：首先，将试样表面抛光至镜面状态，然后利用0.2MPa的风压进行湿吹砂清理，最后进行超声波清洗；
(2)利用原始加工工艺沉积陶瓷涂层，至涂层总厚度达到设计要求的厚度，以该方案作为对比试验。
结果：表1中的传统涂层表面粗糙度Ra＝2.09μm。
实施方案2：
涂层沉积过程如下：
(1)对沉积了金属底层的试样表面进行前处理：首先，利用1500目的砂纸将试样表面抛光至镜面状态，然后利用0.2MPa的风压进行湿吹砂清理，最后进行超声波清洗；
(2)利用原始加工工艺沉积涂层，至涂层总厚度达到设计要求的60％；
(3)迅速降低束流至1.2±0.1A，降低旋转速度至10rpm，降低零件表面温度至850±20℃，然后将剩余40％的涂层厚度进行沉积，直至沉积涂层结束。
结果：表1中的方案1涂层表面粗糙度为Ra＝1.23μm，与传统热障涂层相比，粗糙度显著降低。
实施方案3：
涂层沉积过程如下：
(1)对沉积了金属底层的试样表面进行前处理：首先，利用1500目的砂纸将试样表面抛光至镜面状态，然后利用0.2MPa的风压进行湿吹砂清理，最后进行超声波清洗；
(2)利用原始加工工艺沉积涂层，至涂层总厚度达到设计要求的70％；
(3)迅速降低束流至1.3±0.1A，降低旋转速度至10rpm，降低零件表面温度至830±20℃，然后将剩余30％的涂层厚度进行沉积，直至沉积涂层结束。
结果：表1中的方案2涂层表面粗糙度为Ra＝1.35μm，与传统热障涂层相比，粗糙度显著降低。
实施方案4：
涂层沉积过程如下：
(1)对沉积了金属底层的试样表面进行前处理：首先，利用1500目的砂纸将试样表面抛光至镜面状态，然后利用0.2MPa的风压进行湿吹砂清理，最后进行超声波清洗；
(2)利用原始加工工艺沉积涂层，至涂层总厚度达到设计要求的80％；
(3)迅速降低束流至1.3±0.1A，降低旋转速度至10rpm，降低零件表面温度至850±20℃，然后将剩余20％的涂层厚度进行沉积，直至沉积涂层结束。
结果：表1中的方案3涂层表面粗糙度为Ra＝1.72μm，与传统热障涂层相比，粗糙度显著降低。
表1
本发明的制备方法采用一步法实现涂层柱状晶的梯度变化，使涂层内部柱状晶粗大，涂层外表面柱状晶较细，实现抗热震性和抗冲蚀性的兼备，制备过程控制方式便捷，零件无需出炉，易于涂层质量控制；制备方法除应用于电子束物理气相沉积(EB-PVD)设备进行陶瓷涂层的制备以外，也可以应用于PS-PVD进行梯度变化的陶瓷涂层制备。

Claims (4)

1.一种兼备抗热震性和抗冲蚀性热障涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)涂层前处理；
制备陶瓷面层前对零件进行前处理，前处理包括：沉积底层、抛光、湿吹砂处理、超声波清洗；
(2)陶瓷涂层前期沉积；
按设计要求以标准陶瓷面层加工工艺参数，进行陶瓷面层的沉积，沉积厚度为设计厚度的60％～80％；
陶瓷涂层前期沉积的工艺参数为基体温度：900±20℃、转速：15～25rpm、束流大小电流：1.5～2.5A，使用该参数进行陶瓷面层的前期沉积；
(3)陶瓷涂层最终沉积；
陶瓷涂层沉积厚度达到设计厚度的60％～80％后，将旋转速度降至步骤(2)中工艺转速的50％～70％，束流大小降至步骤(2)中束流大小电流的60％～80％，沉积温度降至步骤(2)中沉积温度的85-95％，继续沉积涂层，待涂层厚度达到设计要求后，关闭蒸发束流，缓慢降低加热零件的束流大小直至为0，停止涂层沉积。
2.根据权利要求1所述的兼备抗热震性和抗冲蚀性热障涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中采用0.2MPa的风压进行湿吹砂清理。
3.根据权利要求1所述的兼备抗热震性和抗冲蚀性热障涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中采用1000～2000目的砂纸进行抛光处理。
4.根据权利要求1所述的兼备抗热震性和抗冲蚀性热障涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中缓慢降低加热零件的束流大小，降低速率为0.02～0.1A/min。
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