CN106567034A - 超厚耐热等离子金属陶瓷涂层及制备方法 - Google Patents

超厚耐热等离子金属陶瓷涂层及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超厚耐热等离子金属陶瓷涂层及制备方法，包括第一NiCrAlY合金涂层和若干涂层单元，每个涂层单元均由从下往上依次连接的Mo金属涂层、第二NiCrAlY合金涂层、8YAZ陶瓷涂层构成，第一NiCrAlY合金涂层的厚度为80‑100微米，Mo金属涂层的厚度为50‑80微米，第二NiCrAlY合金涂层的厚度为50‑80微米；8YAZ陶瓷涂层的厚度为30‑50微米。本发明在不锈钢310S上制备的等离子超厚金属陶瓷涂层，在氧乙炔火焰烧蚀实验中，涂层表面温度为1500℃，持续烧蚀10分钟后停止实验，超厚金属陶瓷涂层未失效，基体金属完好；涂层为金属基体提供了良好的耐高温和抗高温氧化保护。

Description

超厚耐热等离子金属陶瓷涂层及制备方法
技术领域
本发明涉及涂层制备领域，具体涉及一种超厚耐热等离子金属陶瓷涂层及制备方法。
背景技术
在航空工业、能源动力工业、冶金化工工业中，某些金属零件需要具有优异的高温强度与良好的抗高温氧化腐蚀能力；如航空发动机热端部件，各类燃气轮机热端部件，金属冶炼炉热端部件等。随着工业的发展，对于这些热端部件的性能要求越来越高；国家与社会的可持续发展需要提高这些部件的使用寿命，降低这些零件的制备或修复成本。目前最可行的办法是在金属零件表面涂覆防护涂层，使合金材料既能在高温下保持强度，其表面又具有良好的抗高温氧化腐蚀性能，从而达到工业生产对合金高温性能的要求，也能提高合金零件的使用寿命，降低工业生产成本与零件的修复成本。
耐高温、抗高温氧化腐蚀涂层早期使用铝化物热扩散涂层，高温氧化环境时，涂层表面会生成连续致密且抗氧化性能优良的Al2O3氧化膜，保护金属基体免受高温氧化腐蚀作用。随着等离子技术电子束蒸发沉积和溅射技术的发展，人们开始使用MCrAIY(M代表Ni，Co，Fe中的一种或者多种成分)包覆涂层；MCrAIY涂层不仅具有很好的抗高温氧化和抗热腐蚀性能，而且具有很好的塑性，涂层对基体机械性能的影响也较小。MCrAIY涂层中的AI元素在高温时可形成致密的Al2O3保护膜，Cr元素不仅可改善涂层的抗热腐蚀性能，且可促进Al2O3膜形成，活性元Y素能有效提高合金或涂层表面氧化膜的粘附性，且适量的Y元素可显著改善合金的抗氧化性能。为了防止金属零件高温氧化，并降低金属表面温度，热障涂层被发明并广泛应用于航空发动机与燃气轮机热端部件。热障涂层的典型结构是双层结构，表面是隔热陶瓷层，中间是抗氧化粘结层，下面是金属零件，面层材料多选用热阻大、耐高温、热稳定性好的氧化物陶瓷，以降低金属或合金表面使用温度；粘结层用以生成抗氧化保护膜，并减缓隔热面层与基体间的热不匹配。目前使用性能最稳定，使用广泛的热障涂层是8YSZ涂层，粘结层是有MCrAIY涂层构成。热障涂层是具有降低金属零件表面温度功能的耐热涂层。
耐热涂层常用的制备工艺有电子束物理气相沉积(EB-PVD)，等离子喷涂(PS)，爆炸喷涂(DS)和高速氧火焰喷涂(HVOF)等。采用EB-PVD制备出的涂层具有较好的抗氧化腐蚀和耐磨性能，但由于其设备昂贵和成本高等缺点，国内很少用EB-PVD制备大面积的耐热涂层；爆炸喷涂制备的耐热涂层虽具有良好的粘结性能和高致密性，但其喷涂效率低且无法喷涂形状较复杂的工件；而等离子喷涂因成本低，生产效率高，喷涂厚度可调范围大，成分易控制等优点，已成为耐热涂层的主要制备方法。
目前广泛应用于工业生产的等离子热障涂层的厚度不超过400微米，其原因是：(1)等离子喷涂工艺的影响，等离子焰流温度较高，对涂层与基体的热影响大，制备的涂层厚度较厚时，涂层内部应力大，容易造成涂层在制备时大块的剥落。(2)涂层材料与结构的影响，简单双层结构的热障涂层，在陶瓷层厚度大时，陶瓷层与金属热膨胀系数不一致，受到制备涂层的热影响造成陶瓷层内部裂纹扩展，导致涂层在制备时大面积剥落。以冶炼企业中的顶吹炉氧枪枪头为例，使用等离子喷涂技术在喷枪枪头上制备热障涂层，现场生产实验，结果并不能明显增加氧枪枪头的使用寿命。根据现场实验结果分析，热障涂层未能延长氧枪枪头使用寿命的原因是：相对于顶吹炉内的复杂环境，等离子热障涂层厚度太薄，不能给金属氧枪枪头提供足够的保护。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种超厚耐热等离子金属陶瓷涂层及制备方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
超厚耐热等离子金属陶瓷涂层，包括第一NiCrAIY合金涂层和若干涂层单元，每个涂层单元均由从下往上依次连接的Mo金属涂层、第二NiCrAIY合金涂层、8YAZ陶瓷涂层构成，第一NiCrAIY合金涂层的厚度为80-100微米，Mo金属涂层的厚度为50-80微米，第二NiCrAIY合金涂层的厚度为50-80微米；8YAZ陶瓷涂层的厚度为30-50微米。
上述超厚耐热等离子金属陶瓷涂层的制备方法，包括如下步骤：
S1、对基体表面进行喷砂处理后，预热至50-80℃；
S2、在预热完成后的基体表面上制备80-100微米厚的NiCrAIY合金涂层，然后对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80℃；
S3、在NiCrAIY合金涂层上制备50-80微米厚的金属Mo涂层，然后对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80℃；
S4、在Mo涂层表面上制备50-80微米厚的NiCrAIY合金涂层，然后对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80℃；
S5、在NiCrAIY合金涂层上制备30-50微米厚的8YSZ陶瓷涂层，然后对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80℃；
S6、在8YSZ陶瓷涂层上制备金属50-80微米厚的Mo涂层，然后对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80℃；
S7、在Mo涂层表面上制备50-80微米厚的NiCrAIY合金涂层，然后对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80℃；
S8、在NiCrAIY合金涂层上制备30-50微米厚的8YSZ陶瓷涂层，然后对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80℃；
S9、重复步骤S6至步骤S8直到涂层整体厚度达到需要的厚度。
本发明具有以下有益效果：
在不锈钢310S上制备的等离子超厚金属陶瓷涂层，在氧乙炔火焰烧蚀实验中，涂层表面温度为1500℃，持续烧蚀10分钟后停止实验(喷焰枪需要休息)。超厚金属陶瓷涂层未失效，基体金属完好；涂层为金属基体提供了良好的耐高温和抗高温氧化保护。如果在工作温度为1300℃的顶吹炉氧枪枪头上制备超厚金属陶瓷涂层，涂层能为金属氧枪枪头抵抗高温与高温氧化对枪头的损耗，能提高顶吹炉生产效率，降低生产维护成本。
附图说明
图1为本发明实施例中超厚金属陶瓷涂层横截面形貌图。
图2为本发明实施例中线扫描结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种超厚耐热等离子金属陶瓷涂层，包括第一NiCrAIY合金涂层和若干涂层单元，每个涂层单元均由从下往上依次连接的Mo金属涂层、第二NiCrAIY合金涂层、8YAZ陶瓷涂层构成，第一NiCrAIY合金涂层的厚度为80-100微米，Mo金属涂层的厚度为50-80微米，第二NiCrAIY合金涂层的厚度为50-80微米；8YAZ陶瓷涂层的厚度为30-50微米。
本发明实施例还提供了上述超厚耐热等离子金属陶瓷涂层的制备方法，包括如下步骤：
S1、对基体表面进行喷砂处理后，预热至50-80℃；
S2、在预热完成后的基体表面上制备80-100微米厚的NiCrAIY合金涂层，然后对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80℃；
S3、在NiCrAIY合金涂层上制备50-80微米厚的金属Mo涂层，然后对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80℃；
S4、在Mo涂层表面上制备50-80微米厚的NiCrAIY合金涂层，然后对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80℃；
S5、在NiCrAIY合金涂层上制备30-50微米厚的8YSZ陶瓷涂层，然后对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80℃；
S6、在8YSZ陶瓷涂层上制备金属50-80微米厚的Mo涂层，然后对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80℃；
S7、在Mo涂层表面上制备50-80微米厚的NiCrAIY合金涂层，然后对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80℃；
S8、在NiCrAIY合金涂层上制备30-50微米厚的8YSZ陶瓷涂层，然后对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80℃；
S9、重复步骤S6至步骤S8直到涂层整体厚度达到需要的厚度。
本具体实施中的超厚金属陶瓷涂层，在高温氧化环境下，8YSZ陶瓷涂层抵抗氧化气氛，保护金属基体不被高温氧化，并且起到减少热量传递速度，降低金属零件表面温度的作用。NiCrAIY合金涂层不仅具有很好的抗高温氧化和抗热腐蚀性能，而且具有很好的塑性；NiCrAIY合金涂层的存在，减缓了陶瓷涂层与金属基体之间的热膨胀性能的不匹配性。Mo金属涂层，其膨胀系数与陶瓷8YSZ的接近，不仅具有良好的耐高温性能，还能在高温时促进Cr元素的固溶，减少Cr原子向陶瓷涂层界面扩散，减少Cr的氧化物生成，从而提高涂层的使用寿命。
本具体实施中的超厚金属陶瓷涂层，与基体相邻的NiCrAIY合金涂层厚度要达到80微米，涂层的厚度足够大，能较好的释缓陶瓷涂层与Mo涂层与金属基体的热膨胀不匹配；其余的NiCrAIY合金涂层厚度可以小于80微米；8YSZ陶瓷涂层厚度要小于50微米，减缓8YSZ陶瓷涂层中的裂纹扩展速率，降低8YSZ陶瓷涂层中的热应力。涂层结构的排列顺序不能有错误，必须按照本发明提出的结构，超厚金属陶瓷涂层才能具备优良的耐高温抗高温氧化性能。
本具体实施中的超厚金属陶瓷涂层在制备的时候，一定要按照工艺要求控制好开始制备涂层时的涂层表面温度。温度过高会造成基体和预制涂层热影响过大，内应力过大，在制备冷却过程中造成涂层剥落；温度过低，会造成制备的涂层与基体或预制涂层之间的界面处裂纹过多(强冷造成的裂纹)，降低涂层的结合强度。
图1中是使用等离子喷涂工艺制备超厚金属陶瓷涂层试样的截面形貌，图2是左图中白线区域的成分线扫描。将制备好的超厚金属陶瓷涂层进行烧蚀实验，实验中涂层表面的温度达到1500℃。
涂层的烧蚀时间为10分钟(10分钟是火焰喷枪枪头的极限时间)，烧蚀实验之后，金属试样表面依然覆盖着超厚金属陶瓷涂层，金属基体完好。说明本发明提出的超厚金属陶瓷涂层具备优秀的耐高温性能与良好的抗高温氧化性能，能为金属基体提供良好的耐高温、抗高温氧化保护。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.超厚耐热等离子金属陶瓷涂层，其特征在于，包括第一NiCrAlY合金涂层和若干涂层单元，每个涂层单元均由从下往上依次连接的Mo金属涂层、第二NiCrAlY合金涂层、8YAZ陶瓷涂层构成，第一NiCrAlY合金涂层的厚度为80-100微米，Mo金属涂层的厚度为50-80微米，第二NiCrAlY合金涂层的厚度为50-80微米；8YAZ陶瓷涂层的厚度为30-50微米。
2.超厚耐热等离子金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、对基体表面进行喷砂处理后，预热至50-80℃；
S2、在预热完成后的基体表面上制备80-100微米厚的NiCrAlY合金涂层，然后对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80℃；
S3、在NiCrAlY合金涂层上制备50-80微米厚的金属Mo涂层，然后对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80℃；
S4、在Mo涂层表面上制备50-80微米厚的NiCrAlY合金涂层，然后对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80℃；
S5、在NiCrAlY合金涂层上制备30-50微米厚的8YSZ陶瓷涂层，然后对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80℃；
S6、在8YSZ陶瓷涂层上制备金属50-80微米厚的Mo涂层，然后对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80℃；
S7、在Mo涂层表面上制备50-80微米厚的NiCrAlY合金涂层，然后对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80℃；
S8、在NiCrAlY合金涂层上制备30-50微米厚的8YSZ陶瓷涂层，然后对涂层表面风冷，表面温度冷却至50-80℃；
S9、重复步骤S6至步骤S8直到涂层整体厚度达到需要的厚度。
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