CN105951028A - 一种同步送粉制备连续渐变结构陶瓷基热障涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种同步送粉制备连续渐变结构陶瓷基热障涂层的方法，获得的连续渐变结构陶瓷基热障涂层结构稳定，热冲击及隔热性能优良。所述方法包括如下步骤：步骤1，在高温合金基体材料上制备粘结层，粘结层材料厚度为50‑200μm；步骤2，采用自主研发的双送粉喷嘴，在步骤1得到的粘结层上喷涂A与B两种材料的连续渐变结构陶瓷涂层。通过本发明，最终获得质量稳定可靠、抗高温冲击性能优良优异的连续渐变式热障涂层体系，在航空涡轮发动机及重型燃气轮机等国防尖端工业中具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及高性能热障涂层的制备，特别涉及一种连续渐变结构陶瓷基复合热障涂层的制备方法，属于复合材料领域。
背景技术
热障涂层是一种应用在金属基体表面，起到降低基体温度以保证其在高温条件下正常使用的功能化涂层。其设计思想主要是利用陶瓷的高熔点、低热导率及金属材料的高韧性等优点来形成一个涂层体系(多层结构)来满足高温使用的要求。现阶段热障涂层普遍采用多层结构，这种结构的表层由低热导率、耐腐蚀的陶瓷材料构成，在涂层体系中主要起隔热作用；陶瓷层与基体之间为MCrAlY合金粘接层(M为过渡族金属Ni、Co或Ni与Co的混合)，起着改善基体与陶瓷层物理相容性(热膨胀系数相匹配)的作用。由于以陶瓷涂层与金属基体为基础的热障涂层系统本身在物理化学、力学性能方面的不匹配性，以及加工过程中工艺的复杂性和后续使用过程中的高温、腐蚀环境的苛刻性，使得目前应用的热障涂层运行寿命和隔热温度仍然难以达到迅速发展的航空、航天事业的需要。传统的双陶瓷层或单陶瓷层体系中材料成分和性能的突然变化会导致明显的局部应力集中，如果从一种材料逐步过渡到另一种材料，其应力集中就会大大降低，这些考虑形成了功能梯度涂层设计的基本思想。功能梯度涂层是其微观结构或成分逐步过渡的涂层体系，要求材料性能随涂层内部位置逐渐变化，因此极大地改善整体材料体系的热物理性能。但目前梯度涂层基本采用机械混合原料粉体后再逐层沉积的方法制备，由于原料粉体在熔点上差异，常常会出现低熔点材料过熔而高熔点材料熔化不足的情况，因此需要改进其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种同步送粉制备连续渐变结构陶瓷基热障涂层的方法。本发明是一种高效的、连续渐变结构涂层的制备方法，以获得质量稳定可靠、抗热冲击性能优异的热障涂层体系。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
步骤1，多晶高温合金、定向高温合金或单晶合金基体表面清洗后，通过喷砂方法使其表面粗糙化，在喷砂后的基体表面沉积采用超音速等离子喷涂、超音速火焰喷涂、真空等离子喷涂或冷喷涂方法先沉积一层合金粘接层；
步骤2，测试A、B两种陶瓷材料粉末的送粉率，在保证总送粉率范围为25-60g/min的前提下，设置梯度变化的送粉率，采用双送粉超音速等离子喷涂方法制备连续渐变结构陶瓷涂层，其中一种原料粉末的送粉率随着喷涂遍数增大从0增大到25-60g/min，另一种原料粉末的送粉率随着喷涂遍数增大从25-60g/min减小到0，设置涂层喷涂编数在6-80遍之间，A材料的送粉率随着喷涂遍数成逐渐减少，B材料的送粉率随着喷涂遍数逐渐增加，采用双送粉超音速等离子喷涂方法，在步骤1得到的粘结层上喷涂A与B两种材料的连续渐变结构陶瓷热障涂层。
粘接层材料为CoNiCrAlY、NiCoCrAlY、NiCrAlY、NiCoCrAlYTa、Pt-Al或NiCoCrAlYHfSi合金中的一种。
连续渐变结构陶瓷基热障涂层由A及B两种材料构成，其中材料A为氧化钇部分稳定的二氧化锆YSZ、三氧化二铝Al2O3中的一种；材料B是：Re2Zr2O7，其中Re指La,Nd,Sm,Gd,Eu,Dy,Er或Yb的稀土元素、Re2Hf2O7，其中Re指La,Nd,Sm,Gd,Eu,Dy,Er或Yb的稀土元素、铈酸镧LC、镧镁铝氧LaMA中的一种。
所制备的涂层由连续的层级结构构成，从涂层底部到涂层顶部，材料A的质量分数从100％下降到0，而B材料的质量分数从0逐渐提高至100％。
基体材料为多晶高温合金、定向高温合金及单晶合金中的一种。
制备连续渐变结构陶瓷涂层时的功率选择在30-120kW，主气流量控制在50-200slpm范围内，喷涂距离为70-120mm，喷涂过程中粒子飞行速度范围为340-1000m/s。
所述步骤2)中的陶瓷粉体的粒径范围为10-100μm。
所述步骤3)中的陶瓷涂层的总厚度为60-800μm。
本发明同时将高熔点材料及低熔点材料送入超音速等离子喷枪内部(将高熔点材料送入到射流中心高温区，而将低熔材料送入射流边缘的低温区)，从而高效地沉积各种连续渐变式结构涂层。涂层制备过程中，通过将不同熔点的两种粉末分别通过相应的送粉口送入等离子体射流的不同部位，使得两种粉末熔化程度接近，并通过送粉量的调节达到涂层成分及结构的连续变化。该方法与以往机械混合原料、逐步沉积涂层相比，工艺简单可靠，喷涂过程无需换粉，涂层质量明显提高。
采用该房方法制备的连续渐变结构陶瓷基热障涂层具有很低的层间应力，高的热冲击寿命及高的隔热性能。相对于现有技术，本发明可高效连续沉积质量稳定可靠、抗热冲击性能优异的热障涂层体系，在航空涡轮发动机及重型燃气轮机等国防尖端工业中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明喷涂渐变结构陶瓷热障涂层送粉装置控制系统示意图；
图2为本发明喷涂态LC/YSZ渐变热障涂层截面形貌图；
图3为发明用与对比的LC/YSZ双陶瓷层热障涂层截面形貌图；
图4为本发明涂层在1200℃下的热冲击寿命图；
图5为本发明涂层的隔热温度图。
具体实施方式
以下结合表1中的具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种连续渐变陶瓷基复合热障涂层的制备方法，采用CoNiCrAlY合金粉末为原料，采用超音速等离子喷涂技术在喷砂处理的多晶高温合金基体上喷涂合金粘接层。渐变涂层两种材料分别是：A材料是YSZ，B材料是LC。采用图1所示的送粉器自动控制系统调节送粉率，其中a是送粉器控制系统，b与c分别是YSZ与LC材料的送粉器，d是双送粉喷嘴。总共喷涂19遍，通过送粉器控制系统设置YSZ的送粉率随着喷涂遍数从40g/min线性减少到0，LC的送粉率随着喷涂遍数从0线性增大到40g/min，构成完整的热障涂层体系。涂层截面形貌如图2所示，白色区域是LC，灰色区域是YSZ。图3是LC/YSZ双陶瓷层热障涂层截面形貌图。对涂层体系进行1200℃热冲击实验，其过程是将热障涂层采用氧气-丙烷火焰加热表面到1200℃，保温5min后风冷到常温，此为一次热冲击，如此循环直到涂层剥落失效的次数记为涂层的热冲击寿命。涂层热冲击寿命结果如图4所示，a是双陶瓷层热障涂层的热冲击寿命，b是连续渐变结构陶瓷热障涂层的热冲击寿命，连续渐变结构陶瓷热障涂层的热冲击寿命达到1476次，是LC/YSZ双陶瓷层热障涂层寿命的1.8倍。图5是两种热障涂层的隔热温度，a是双陶瓷层热障涂层的隔热温度，b是连续渐变结构陶瓷热障涂层的隔热温度，连续渐变结构陶瓷热障涂层的隔热温度达到188℃，是双层热障涂层隔热温度的1.5倍。
表1连续渐变式结构热障涂层具体实施例
结果表明采用表1连续渐变式结构热障涂层具体实施例制备的连续渐变结构热障涂层具有很低的层间应力，高的热冲击寿命及高的隔热性能，在航空涡轮发动机及重型燃气轮机等国防尖端工业中具有广阔的应用前景。
Claims (8)
1.一种同步送粉制备连续渐变结构陶瓷基热障涂层的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，多晶高温合金、定向高温合金或单晶合金基体表面清洗后，通过喷砂方法使其表面粗糙化，在喷砂后的基体表面沉积采用超音速等离子喷涂、超音速火焰喷涂、真空等离子喷涂或冷喷涂方法先沉积一层合金粘接层；
步骤2，测试A、B两种陶瓷材料粉末的送粉率，在保证总送粉率范围为25-60g/min的前提下，设置梯度变化的送粉率，采用双送粉超音速等离子喷涂方法制备连续渐变结构陶瓷涂层，其中一种原料粉末的送粉率随着喷涂遍数增大从0增大到25-60g/min，另一种原料粉末的送粉率随着喷涂遍数增大从25-60g/min减小到0，设置涂层喷涂编数在6-80遍之间，A材料的送粉率随着喷涂遍数成逐渐减少，B材料的送粉率随着喷涂遍数逐渐增加，采用双送粉超音速等离子喷涂方法，在步骤1得到的粘结层上喷涂A与B两种材料的连续渐变结构陶瓷热障涂层。
2.根据权利要求1所述的一种同步送粉制备连续渐变结构陶瓷基热障涂层的方法，其特征在于，粘接层材料为CoNiCrAlY、NiCoCrAlY、NiCrAlY、NiCoCrAlYTa、Pt-Al或NiCoCrAlYHfSi合金中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种同步送粉制备连续渐变结构陶瓷基热障涂层的方法，其特征在于，连续渐变结构陶瓷基热障涂层由A及B两种材料构成，其中材料A为氧化钇部分稳定的二氧化锆YSZ、三氧化二铝Al2O3中的一种；材料B是：Re2Zr2O7，其中Re指La,Nd,Sm,Gd,Eu,Dy,Er或Yb的稀土元素、Re2Hf2O7，其中Re指La,Nd,Sm,Gd,Eu,Dy,Er或Yb的稀土元素、铈酸镧LC、镧镁铝氧LaMA中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种同步送粉制备连续渐变结构陶瓷基热障涂层的方法，其特征在于，所制备的涂层由连续的层级结构构成，从涂层底部到涂层顶部，材料A的质量分数从100％下降到0，而B材料的质量分数从0逐渐提高至100％。
5.根据权利要求1所述的一种同步送粉制备连续渐变结构陶瓷基热障涂层的方法，其特征在于，基体材料为多晶高温合金、定向高温合金及单晶合金中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种同步送粉制备连续渐变结构陶瓷基热障涂层的方法，其特征在于，制备连续渐变结构陶瓷涂层时的功率选择在30-120kW，主气流量控制在50-200slpm范围内，喷涂距离为70-120mm，喷涂过程中粒子飞行速度范围为340-1000m/s。
7.根据权利要求1所述的一种同步送粉制备连续渐变结构陶瓷基热障涂层的方法，其特征在于，所述步骤2)中的陶瓷粉体的粒径范围为10-100μm。
8.根据权利要求1所述的一种同步送粉制备连续渐变结构陶瓷基热障涂层的方法，其特征在于，所述步骤3)中的陶瓷涂层的总厚度为60-800μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Bai Yu Inventor after: Liu Kun Inventor after: Fan Wei Inventor after: Qiang Yongming Inventor before: Bai Yu Inventor before: Liu Kun Inventor before: Fan Wei Inventor before: Qiang Yongming |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |