CN106637186A - 一种NiCrAlY包覆YSZ粉末材料及涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对热障涂层制备工艺，是一种NiCrAlY包覆YSZ热障涂层粉末材料的制备方法，特点是利用高压水雾化法制备NiCrAlY合金包覆YSZ热障涂层粉末材料，将包覆粉末预置在高温合金试样表面，将试样置于有氩气做保护气体的保护盒内，激光宽带熔覆制备梯度粘结层。本发明激光熔覆NiCrAlY包覆YSZ，制备出可以减小陶瓷层与金属基体直接熔覆因线膨胀系数不同产生的裂纹，提高涂层的结合强度和抗热震性能的梯度粘结层。

Description

一种NiCrAlY包覆YSZ粉末材料及涂层的制备方法

技术领域

本发明属于激光熔覆制备热障涂层粉末材料技术领域，涉及一种金属陶瓷粉末制备以及激光熔覆材料制备工艺。

背景技术

随着航空燃气涡轮机向高流量比、高推重比、高涡轮进口温度方向发展，燃烧室的燃气温度和燃气压力不断提高，如军用发动机涡轮前温度已达1800℃，预计燃烧室温度将达到2000～2200℃.这样高的温度已超过现有高温合金的熔点，因此必须采用相应措施.除了改进冷却技术外，在高温合金热端部件表面制备热障涂层(TBCs)也是有效手段，它可达到170℃或更高的隔热效果，以满足高性能发动机降低温度梯度、热诱导应力和基体材料服役稳定的要求。

热障涂层系统要求涂层不但有良好的隔热效果，而且抗高温氧化及热冲击.针对在腐蚀介质的特殊要求，还要满足高温耐蚀性能。热障涂层一般是由粘结层和耐热性好隔热性好的陶瓷保护功能涂层组成的复合型金属陶瓷复合涂层系统，主要用于降低零部件表面的工作温度，避免高温氧化、腐蚀、磨损。粘结层材料普遍采用McrAlY合金(M＝Ni，Co或Ni+Co，Cr是铬，Al是铝，Y是钇)，起到抗氧化腐蚀、热膨胀系数匹配的作用。表面层陶瓷材料普遍采用氧化钇部分稳定的氧化锆(Yttria Stabilized Zirco-nia，YSZ)，因为YSZ具有较低的热导率和较高的热膨胀系数。本实验中McrAlY合金涂层中添加一定量的Ni，可以改善抗热腐蚀能力，采用NiCrAlY涂层，具有耐热耐磨抗腐蚀、抗蠕变、抗高温氧化以及高的硬性和好的韧性等多方面的优越性能。由NiCrAlY与YSZ颗粒的显微图，发现球形NiCrAlY与类球形YSZ颗粒，采用传统的等离子喷涂则会在颗粒与颗粒之间产生大量的孔隙和空洞。热障涂层一般在陶瓷层和基体金属之间采用成分、结构连续变化的梯度系统。它可以减小陶瓷层与粘结底层因线膨胀系数不同而引起的内应力，提高涂层的结合强度和抗热震性能。这种涂层消除了层状结构的明显层间界面，使力学性能和线膨胀系数连续过渡，因此得到研究人员的广泛重视。

本实验采用的熔覆材料是NiCrAlY包覆YSZ粉末，需要在YSZ表面均匀的包覆一层NiCrAlY粉末(按不同重量比例设计包覆材料)。本实验利用高压水雾法制作合金粉末，区别于传统的水雾化法，高压水雾法制作合金包覆粉末的工艺制得的产物经沉淀、过滤能够获得细的包覆粉末，而且不存在粉末流失的情况。

激光熔覆技术是利用高能量密度激光束在金属表面辐照，通过迅速熔化、扩展和迅速凝固，在基材表面形成与其冶金结合的，具有特殊的物理、化学或力学性能的材料，从而显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能。与其他表面强化技术相比，激光熔覆技术具有冷却速度快，组织为典型的快速凝固特征，热输入和畸变较小，涂层稀释率低，且与基体呈冶金结合，粉末选择没有太多限制，特别是可以在低熔点金属表面熔覆高熔点合金，熔覆表面区域的可精确选择，材料消耗少等优点。因此，激光熔覆技术已引起了广泛的关注和重视，并已得到广泛的应用。

现有的热障涂层的制备工艺存在一些不足，如专利200910186673.X公开了一种热障涂层梯度粘结层的制备方法，采用激光感应复合熔覆完一层涂层之后，将激光头、感应加热线圈和粉末喷嘴返回到上一涂层激光感应复合熔覆时的起始位置，并沿Z轴上升到上一涂层的厚度距离，这样的制备工艺与多层结构的粘结层存在相同的弊端，对抗热震性能改善不大，而且工艺复杂。

因此，找到一种良好的热障涂层粘结层制备工艺是十分重要的。本发明介绍一种NiCrAlY合金包覆YSZ粉末材料及涂层制备方法。

发明内容

本发明针对上述不足，通过激光熔覆NiCrAlY合金包覆YSZ粉末材料制备热障涂层的粘接层，优化工艺，进一步提高陶瓷层与金属基体的结合度，激光熔覆涂层具有良好的硬度、耐磨性、耐腐蚀性，且大量减少了熔覆层的裂纹、气孔等缺陷。

本发明所采用的技术方案是一种NiCrAlY包覆YSZ热障涂层粉末材料的制备方法。NiCrAlY合金包覆YSZ粉末材料制备特征在于：先将NiCrAlY合金粉末、YSZ粉末分别进行球磨、清洗、去掉氧化皮、油污等杂质；再将NiCrAlY合金粉末在熔炉中融化，开启高压水泵，将熔化后过热50℃左右的金液注入中间包；金液经过束流，通过漏嘴进入雾化器，由高压水作用成细小的液滴，落入盛放YSZ粉末(质量分数比30％)的装置中充分搅拌，冷却凝固，干燥24h。整个过程置于密封环境。

涂层制备特征在于，包括以下步骤：

步骤一：选取316^#钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基体表面油污和锈迹；

步骤二：分别将质量百分比20％、30％的NiCrAlY合金包覆YSZ粉末，将包覆粉末预置在316^#钢基体表面，粉末厚度1.5mm；

步骤三：使用高功率半导体激光器熔覆，其中激光输出功率为3000W。所选用的光斑宽为12～24mm的宽光斑或光斑宽为3～8mm进而搭接，焦距370。扫描速度为8mm/s，保护气体为氩气。

本发明的有益效果是：

1、激光熔覆用合金粉末既有较高的硬度、又有优异的耐磨性和耐腐蚀性；

2、使用的NiCrAlY包覆YSZ粉末能获得较低的热导率和较高的热膨胀系数，耐热耐磨抗腐蚀、抗蠕变、抗高温氧化以及高的硬性和好的韧性等多方面的优越性能；

3、激光熔覆涂层与基体结合紧密，熔覆层组织均匀，硬度极高。

附图说明

图1是本发明YSZ粉末SEM图；

图2是本发明激光熔覆装置图；

图3是本发明实例一的SEM金相图；

图4是本发明实例二的SEM金相图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实例一：

(1)选取316^#钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基体表面油污和锈迹；

(2)将质量百分比20％的NiCrAlY包覆YSZ粉末预置在316^#钢基体表面，粉末厚度1.5mm；

(3)使用高功率半导体激光器熔覆，其中激光输出功率为3000W。所选用的光斑宽为3～8mm，搭接率为20％，焦距370。扫描速度为8mm/s，保护气体为氩气；

实例二：

(1)选取316^#钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基体表面油污和锈迹；

(2)将质量百分比30％的NiCrAlY包覆YSZ粉末预置在316^#钢基体表面，粉末厚度1.5mm；

(3)使用高功率半导体激光器熔覆，其中激光输出功率为3000W。所选用的光斑宽为4～8mm，搭接率为20％，焦距370。扫描速度为8mm/s，保护气体为氩气；

实例三：

(1)选取316^#钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基体表面油污和锈迹；

(2)将质量百分比30％的NiCrAlY包覆YSZ粉末预置在316^#钢基体表面，粉末厚度1.5mm；

(3)使用高功率半导体激光器熔覆，其中激光输出功率为3000W。所选用的光斑宽为12～24mm，焦距370。扫描速度为8mm/s，保护气体为氩气；

实例一中所得的熔覆层硬度最低，熔覆层组织结构较差，实例二中所得的熔覆层组织结构较好，但其平均硬度略显偏低。实例三中所得的熔覆层无论是组织结构还是硬度都较为出色。

Claims (3)

1.一种NiCrAlY包覆YSZ粉末材料及涂层的制备方法，其特征在于：利用高压水雾化法制备NiCrAlY合金包覆YSZ(质量分数比30％)热障涂层粉末材料，将包覆粉末预置在高温合金试样表面，将试样置于有氩气做保护气体的保护盒内，激光宽带熔覆制备梯度粘结层。

2.按权利要求1所述将NiCrAlY合金粉末在熔炉中融化，开启高压水泵，将熔化后过热50℃左右的金液注入中间包，通过漏嘴进入雾化器，由高压水作用成细小的液滴，落入盛放YSZ粉末(质量分数比30％)的装置中充分搅拌，冷却凝固，干燥24h。

3.按权利要求1所述选用的光斑宽为12～24mm的宽光斑，焦距370，扫描速度为8mm/s，保护气体为氩气。