CN106119760A - 一种具有双层粘结层的热障涂层及其制备方法 - Google Patents

一种具有双层粘结层的热障涂层及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106119760A
CN106119760A CN201610603693.2A CN201610603693A CN106119760A CN 106119760 A CN106119760 A CN 106119760A CN 201610603693 A CN201610603693 A CN 201610603693A CN 106119760 A CN106119760 A CN 106119760A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
tack coat
barrier coating
thermal barrier
double
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201610603693.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106119760B (zh
Inventor
董会
姚建洮
李光
周勇
李霄
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shaanxi Bangxin Surface Technology Engineering Co ltd
Original Assignee
Xian Shiyou University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Shiyou University filed Critical Xian Shiyou University
Priority to CN201610603693.2A priority Critical patent/CN106119760B/zh
Publication of CN106119760A publication Critical patent/CN106119760A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106119760B publication Critical patent/CN106119760B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Abstract

一种具有双层粘结层的热障涂层,包括高温合金基体、基体上方依次沉积有第一层粘结层、第二层粘结层和面层陶瓷层;所述第一层粘结层为多孔、层状结构,第二层粘结层为致密结构;其制备方法包括以下步骤:1)对高温合金基体表面进行打磨并喷砂处理;2)采用气罩保护等离子喷涂在基体表面沉积孔隙率为10‑30%的孔隙层,即第一层粘结层;3)采用超音速火焰喷涂、低压等离子喷涂或者冷喷涂法在孔隙层表面沉积致密层,即第二层粘结层;4)采用大气等离子喷涂法在第二层粘结层表面沉积面层陶瓷层;本发明中的具有双层粘结层的热障涂层不仅能够保证粘结层表面持续生成α‑Al2O3,还能进一步缓解基体与陶瓷层之间的热膨胀失配,进而提高热障涂层寿命。

Description

一种具有双层粘结层的热障涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于涂层技术领域,具体涉及一种具有双层结构粘结层的热障涂层及其制备方法。
背景技术
热障涂层是将导热系数较低的高熔点材料涂覆于高温构件表面起隔热作用的功能涂层,它可以有效地避免高温工作介质直接接触金属构件,以良好的隔热性能降低金属构件的温度,进而有效地提高燃气轮机的效率。近年来,等离子喷涂热障涂层发展迅速,有效地提高了燃机的效率,但是,陶瓷层脱落导致的热障涂层失效严重阻碍了热障涂层的发展及应用。
热障涂层寿命影响因素众多,其中最重要的两个因素为:TGO生长及陶瓷层与金属基体之间的热膨胀不匹配。近年来,粘结层倾向于致密、无氧化的结构发展。这种结构的粘结层能够优先生成α-Al2O3,对涂层寿命有益。但是,当粘结层发展越来越致密时,其孔隙率等参数接近铸态。而在保护基体不受氧化的同时,粘结层还具有另外一个重要作用:缓解基体与陶瓷层之间的热膨胀不匹配。然而,关于粘结层结构的研究,国内外专家均以抗氧化为目标,设计双层的致密涂层,譬如一种含双层结构粘结层热障涂层的制备方法,该专利中第一粘结层采用的喷涂方法制备的为致密涂层,第二粘结层为致密或多孔层。上述结构的粘结层具有较好的抗氧化性。但是,由于第一粘结层较为致密,与传统的单层粘结层相比,这种结构的粘结层缓解热膨胀失配的能力没有改善,即不能提高粘结层缓解热膨胀失配的能力。另一方面,研究表明,合金涂层的热膨胀系数不仅与其成分有关,还与其结构存在明显的关联性。因此,通过结构设计应该可以有效控制粘结层的热膨胀系数,进而提高粘结层缓解热膨胀适配的能力。
综上所述,若能通过粘结层结构设计,在保证其表面能够持续生成α-Al2O3的前提下,还能在原有基础上进一步缓解热膨胀不匹配,将是提高热障涂层寿命的一种重要方法。同时,通过提升粘结层孔隙率来控制热障涂层系统整体的重量,对提高燃气轮机的推重比有积极的作用。
发明内容
为克服上述现有技术的不足,本发明的目的是提供一种具有双层粘结层的热障涂层及其制备方法,所述的双层粘结层为孔隙层+致密层,孔隙层能够有效提高粘结层缓解基体与陶瓷层热膨胀失配的能力,致密层能够保证连续性的α-Al2O3生成,从而大幅度地提高热障涂层的服役性能。同时,提高粘结层孔隙率对提高燃机的推重比有积极作用。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:一种具有双层粘结层的热障涂层,包括高温合金基体、基体上方设有第一层粘结层、第二层粘结层和面层陶瓷层;所述第一层粘结层为多孔、层状结构,第二层粘结层为致密结构;所述第一层粘结层、第二层粘结层的成分为MCrAlY,其中,M为Ni或Co或者NiCo,面层陶瓷层的成分为7~8wt%Y2O3稳定的ZrO2
所述的第一层粘结层的厚度为50~100μm,所述第二层粘结层的厚度为50~100μm,第一层粘结层与第二层粘结层的总厚度为120~180μm,面层陶瓷层的厚度为250~500μm。
所述的高温合金基体为镍基高温合金IN738。
一种具有双层粘结层的热障涂层的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一,对高温合金基体表面进行打磨并喷砂处理;
步骤二,采用用气罩保护等离子喷涂在高温合金基体表面沉积孔隙率为10-30%的孔隙层,即第一层粘结层;
步骤三,采用超音速火焰喷涂、低压等离子喷涂或者冷喷涂法在孔隙层的表面沉积致密层,即第二层粘结层,为保证氧化性能,致密层的孔隙率控制在5%以下;
步骤四,采用大气等离子喷涂法在第二层粘结层的表面沉积面层陶瓷层。
所述的气罩保护等离子的功率区间为20~40kW,喷涂距离为60~150mm,主气采用Ar,气流量为40~60 L/min,辅气采用氢气,气流量为3~5 L/min。
所述的冷喷涂的送粉及加速气体均为He,其中送粉气体压力为2.2~2.5MPa,加速气体压力为2.0~2.2MPa,喷涂距离为10~20 mm。
所述的采用大气等离子喷涂法的喷涂距离约为70~80 mm,主气采用Ar,气流量为50~60 L/min,辅气采用氢气,气流量为4~6 L/min。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1)本发明的第一层粘结层为典型的层状结构,该层内部的孔隙及未结合区域能够有效地缓解扁平粒子高温热膨胀,降低金属基体与陶瓷层的热膨胀失配产生的应力,粘结层热膨胀系数降低1.0×10-6K-1时,陶瓷层内部垂直应力降低约10%,这便降低了裂纹扩展的驱动力,提高了涂层服役寿命。
2)本发明的第一层粘结层具有一定的孔隙率,能够在一定程度上降低现有在较高温度服役的热障涂层系统整体的重量,进而提高燃机的推重比(这一点国外重视程度较高)。
3)本发明的第二层粘结层具有致密的结构,这种致密的结构能够保证粘结层的高温氧化性能,提高热障涂层服役温度。因此,本发明的双层结构粘结层可以替代全致密粘结层在高温环境下服役。
本发明中的具有双层粘结层结构的热障涂层不仅能够保证粘结层表面持续生成α-Al2O3,与传统粘结层相比,还能进一步缓解热膨胀不匹配,进而提高热障涂层寿命。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
1—高温合金基体;2—第一层粘结层;3—第二层粘结层; 4—陶瓷面层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
实施例1:
如图1所示,本实施例中在高温合金基体1上沉积具有两种不同结构的粘结层:第一层粘结层(孔隙层)和第二层粘结层(致密层),并在致密层的表面沉积一层陶瓷层。
本实施例中两层粘结层的成分均为NiCoCrAlTaY,面层陶瓷层4的成分为8wt%Y2O3稳定的ZrO2(8YSZ)。
本实施例中,所述高温合金基体1的材质为镍基高温合金IN738。
本实施例中第一层粘结层2(孔隙层)的厚度为75μm,第二层粘结层3(致密层)的厚度为75μm,陶瓷层的厚度为250μm。
结合图1,一种具有双层粘结层的热障涂层的制备方法,包括以下步骤:
步骤一,采用粗砂纸(80#)对高温合金试基体样表面进行打磨,然后采用酒精清洗并安装试样,对试样进行喷砂处理;
步骤二,采用气罩保护等离子在高温合金基体表面沉积孔隙率为15~25%的孔隙层,即第一层粘结层;高温合金粉末在加入送粉器之前在100℃的烘箱里面放置1小时以上进行烘干,待所有准备工作完成后,取出加入到送粉器里面。等离子的功率约为25 kW,喷涂距离为120 mm,主气采用Ar,气流量为50L/min,辅气采用氢气,气流量为~ 4 L/min;该喷涂条件下,喷涂2~3遍,厚度即可达到75μm;
步骤三,采用冷喷涂在孔隙层表面沉积致密层(第二层粘结层),致密层的孔隙率为5%以下;冷喷涂的送粉及加速气体均为He,其中送粉气体压力为2.3MPa,加速气体压力为2.0MPa,喷涂距离为15 mm,该喷涂条件下,喷涂2~3遍,厚度即可达到约75μm;经过气罩等离子喷涂及冷喷涂,粘结层的总厚度约为150μm;
步骤四,采用大气等离子在步骤三沉积的致密层表面制备面层陶瓷层,喷涂距离约为80mm,主气采用Ar,气流量约为60L/min,辅气采用氢气,气流量约为4L/min;喷枪移动速度为400mm/s;该喷涂条件下,喷涂约20遍,陶瓷层厚度即可达到约250μm;
本发明通过实例对技术方案进行较为清晰、完整的描述,但并不对本发明构成限制。对于本领域的专业人员能够通过设计的参数调整(如通过改变孔隙层的喷涂参数调控孔隙率、改变孔隙层厚度)及改变孔隙层制备方法等都应该属于本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种具有双层粘结层的热障涂层,其特征在于,包括高温合金基体(1)、基体上方设有第一层粘结层(2)、第二层粘结层(3)和面层陶瓷层(4);所述第一层粘结层为多孔、层状结构,第二层粘结层为致密结构;所述第一层粘结层、第二层粘结层的成分均为MCrAlY,其中M为Ni或Co或者NiCo,面层陶瓷层的成分为7~8wt%Y2O3稳定的ZrO2
2.根据权利要求1所述的一种具有双层粘结层的热障涂层,其特征在于,所述第一层粘结层的厚度为50~100μm,所述第二层粘结层的厚度为50~100μm,面层陶瓷层的厚度为250~500μm。
3.根据权利要求1所述的一种具有双层粘结层的热障涂层,其特征在于,所述的高温合金基体为镍基高温合金IN738。
4.一种具有双层粘结层的热障涂层的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一,对高温合金基体表面进行打磨并喷砂处理;
步骤二,采用气罩保护等离子喷涂在高温合金基体表面沉积孔隙率为10-30%的孔隙层,即第一层粘结层;
步骤三,采用超音速火焰喷涂、低压等离子喷涂或者冷喷涂法在孔隙层的表面沉积致密层,即第二层粘结层,为保证氧化性能,致密层的孔隙率控制在5%以下;
步骤四,采用大气等离子喷涂法在第二层粘结层的表面沉积面层陶瓷层。
5.根据权利4所述的一种具有双层粘结层的热障涂层的制备方法,其特征在于,所述的气罩保护等离子的功率区间为20~40kW,喷涂距离为60~150mm,主气采用Ar,气流量为40~60 L/min,辅气采用氢气,气流量为3~5 L/min。
6.根据权利4所述的一种具有双层粘结层的热障涂层的制备方法,其特征在于,所述的第一层粘结层的典型结构为多孔、层状结构,不存在显著氧化的形貌;所述的喷涂法为气罩保护等离子法或其他能够制备多孔、层状结构和少氧化金属涂层法,不能采用超音速火焰、低压等离子等制备致密金属涂层的喷涂方法。
7.根据权利4所述的一种具有双层粘结层的热障涂层的制备方法,其特征在于,所述的冷喷涂的送粉及加速气体均为He,其中送粉气体压力为2.2~2.5MPa,加速气体压力为2.0~2.2MPa,喷涂距离为10~20 mm。
8.根据权利4所述的一种具有双层粘结层的热障涂层的制备方法,其特征在于,所述的采用大气等离子喷涂法的喷涂距离约为70~80 mm,主气采用Ar,气流量为50~60 L/min,辅气采用氢气,气流量为4~6 L/min。
CN201610603693.2A 2016-07-28 2016-07-28 一种具有双层粘结层的热障涂层及其制备方法 Active CN106119760B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610603693.2A CN106119760B (zh) 2016-07-28 2016-07-28 一种具有双层粘结层的热障涂层及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610603693.2A CN106119760B (zh) 2016-07-28 2016-07-28 一种具有双层粘结层的热障涂层及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106119760A true CN106119760A (zh) 2016-11-16
CN106119760B CN106119760B (zh) 2018-08-31

Family

ID=57290451

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610603693.2A Active CN106119760B (zh) 2016-07-28 2016-07-28 一种具有双层粘结层的热障涂层及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106119760B (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108342678A (zh) * 2018-03-15 2018-07-31 北京矿冶科技集团有限公司 具有结构梯度的热障涂层及其制备方法
CN110129713A (zh) * 2018-02-09 2019-08-16 佛山市顺德区美的电热电器制造有限公司 一种加热器具及其制备方法
CN110158032A (zh) * 2019-05-09 2019-08-23 成都超纯应用材料有限责任公司 一种耐腐蚀涂层及其制备方法
CN112962065A (zh) * 2021-01-18 2021-06-15 南京航空航天大学 一种镍基合金表面复合结构涂层及其制备方法
CN114150254A (zh) * 2021-11-10 2022-03-08 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种TiAl合金用热障涂层及其制备方法
CN114182191A (zh) * 2021-12-09 2022-03-15 上海电气燃气轮机有限公司 一种热障涂层及其制备方法
CN114563324A (zh) * 2022-02-28 2022-05-31 浙江大学 不限于钛合金mim中致密层的测量方法和工艺优化方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5579534A (en) * 1994-05-23 1996-11-26 Kabushiki Kaisha Toshiba Heat-resistant member
CN1621557A (zh) * 2004-12-28 2005-06-01 北京航空航天大学 适用于高Mo含量镍基高温合金的热障涂层
CN1657653A (zh) * 2005-04-01 2005-08-24 中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院 高温合金表面热障涂层及其制备方法
US20130108421A1 (en) * 2010-02-09 2013-05-02 Rolls-Royce Corporation Abradable ceramic coatings and coating systems
CN104674217A (zh) * 2015-03-09 2015-06-03 河南普莱姆涂层科技有限公司 一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5579534A (en) * 1994-05-23 1996-11-26 Kabushiki Kaisha Toshiba Heat-resistant member
CN1621557A (zh) * 2004-12-28 2005-06-01 北京航空航天大学 适用于高Mo含量镍基高温合金的热障涂层
CN1657653A (zh) * 2005-04-01 2005-08-24 中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院 高温合金表面热障涂层及其制备方法
US20130108421A1 (en) * 2010-02-09 2013-05-02 Rolls-Royce Corporation Abradable ceramic coatings and coating systems
CN104674217A (zh) * 2015-03-09 2015-06-03 河南普莱姆涂层科技有限公司 一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110129713A (zh) * 2018-02-09 2019-08-16 佛山市顺德区美的电热电器制造有限公司 一种加热器具及其制备方法
CN110129713B (zh) * 2018-02-09 2021-11-19 佛山市顺德区美的电热电器制造有限公司 一种加热器具及其制备方法
CN108342678A (zh) * 2018-03-15 2018-07-31 北京矿冶科技集团有限公司 具有结构梯度的热障涂层及其制备方法
CN108342678B (zh) * 2018-03-15 2020-09-15 北京矿冶科技集团有限公司 具有结构梯度的热障涂层及其制备方法
CN110158032A (zh) * 2019-05-09 2019-08-23 成都超纯应用材料有限责任公司 一种耐腐蚀涂层及其制备方法
CN110158032B (zh) * 2019-05-09 2021-09-28 成都超纯应用材料有限责任公司 一种耐腐蚀涂层及其制备方法
CN112962065A (zh) * 2021-01-18 2021-06-15 南京航空航天大学 一种镍基合金表面复合结构涂层及其制备方法
CN114150254A (zh) * 2021-11-10 2022-03-08 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种TiAl合金用热障涂层及其制备方法
CN114150254B (zh) * 2021-11-10 2022-09-06 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种TiAl合金用热障涂层及其制备方法
CN114182191A (zh) * 2021-12-09 2022-03-15 上海电气燃气轮机有限公司 一种热障涂层及其制备方法
CN114182191B (zh) * 2021-12-09 2023-12-08 上海电气燃气轮机有限公司 一种热障涂层及其制备方法
CN114563324A (zh) * 2022-02-28 2022-05-31 浙江大学 不限于钛合金mim中致密层的测量方法和工艺优化方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN106119760B (zh) 2018-08-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106119760A (zh) 一种具有双层粘结层的热障涂层及其制备方法
CN102127738B (zh) 一种多层热障涂层及其制备方法
CN106086765B (zh) 一种抗cmas腐蚀微纳米复合结构热障涂层及其制备方法
JP4004577B2 (ja) 区画された摩耗しやすいシーリングシステム、区画された摩耗しやすいセラミックコーティング方法、ガスタービンエンジン構成要素流路ダクトセグメントコーティング、および区画された摩耗しやすいセラミックコーティング
CN109628929B (zh) 一种热障涂层及其制备方法与应用、航空发动机涡轮叶片
CN105886994B (zh) 一种制备高性能层级热障涂层体系的方法
CN109706418A (zh) 一种双陶瓷层结构8ysz热障涂层及制备方法
JP2008045211A (ja) タービンエンジンコンポーネント及びタービンエンジンコンポーネントのコーティング方法
CN104674217B (zh) 一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法
CN103160773A (zh) 通过控制热生长氧化层成分延长发动机热障涂层寿命的方法
CN106435443A (zh) 一种环境障涂层的制备方法
CN103465549A (zh) 一种含有抗热腐蚀过渡底层的热障涂层及制备方法
CN104630686A (zh) 一种含有长寿命抗氧化粘结层的热障涂层的制备方法
JP2017515968A (ja) 遮熱被覆および被覆方法
CN106435432B (zh) 一种孔隙率及孔隙形貌可控的热障涂层及其制备方法
CN107254652A (zh) 一种多层热障涂层及其制备方法
CN112176275B (zh) 一种热障涂层及其制备方法和应用
CN101050515A (zh) 一种通过金属结合层表面改性提高热障涂层使用寿命的方法
CN109778102A (zh) 一种多层结构自修复热障涂层及其制备方法
CN102423935A (zh) 一种热障涂层系统
CN106746666B (zh) 玻璃陶瓷复合热障涂层及涂层制备方法
CN104846322A (zh) SrZrO3纳米陶瓷热障涂层及其制备方法
JP5247049B2 (ja) 部分的に合金化されたジルコニア粉末
US20110086177A1 (en) Thermal spray method for producing vertically segmented thermal barrier coatings
US20180282853A1 (en) Hybrid Thermal Barrier Coating and Process of Making Same

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: Dong Hui

Inventor after: Yao Jiandao

Inventor after: Li Kai

Inventor after: Li Guang

Inventor after: Zhou Yong

Inventor after: Li Xiao

Inventor before: Dong Hui

Inventor before: Yao Jiandao

Inventor before: Li Guang

Inventor before: Zhou Yong

Inventor before: Li Xiao

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20240318

Address after: 710000, Building E, No. 333 Yingbin Road, National Aviation High tech Industrial Base, Xi'an City, Shaanxi Province

Patentee after: SHAANXI BANGXIN SURFACE TECHNOLOGY ENGINEERING CO.,LTD.

Country or region after: China

Address before: Xi'an University of petroleum, No.18, east section of dianzi 2nd Road, Xi'an City, Shaanxi Province, 710065

Patentee before: XI'AN SHIYOU University

Country or region before: China