CN107620061B - 一种高温抗氧化钴基涂层材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热障涂层及激光增材制造技术领域，具体的说是高温抗氧化钴基涂层材料及其制备方法。本发明通过调整钴基涂层粉末中的HfH2含量的合理比例，结合激光熔敷的方法在GH586基体上制备钴基涂层。所得试样在1100℃高温氧化100h后表面可形成一层连续致密的Cr2O3氧化膜，且氧化膜的厚度大约为6～7um，将GH586的工作温度提高到了1100℃；故而本发明所制得的钴基涂层可作为热障涂层的粘结层使用。
Description
技术领域
本发明涉及热障涂层及激光增材制造技术领域，具体地说是高温抗氧化钴基涂层材料及其制备方法。
背景技术
为了应对先进燃气涡轮发动机大推力、高效率、低油耗和长寿命的发展趋势，兼具能有效降低金属表面温度和良好的高温防护性能双重功效的热障涂层，已成为现代工业制造技术领域中的研究热点。
典型的热战涂层是由陶瓷面层和金属粘结层(Bond Coating BC)组成的双层结构涂层系统。陶瓷面层通常采用6％～8％氧化钇部分稳定的氧化锆(YPSZ)来降低金属或合金表面的使用温度，其通常借助中间起高温防护作用的金属粘结层实现与基体的连接。金属粘结层的主要作用包括两个方面：(1)缓解陶瓷面层和基体的热膨胀不匹配。(2)提高基体的高温防护性能(包括抗高温氧化、抗热盐腐蚀和抗热震性能等)。常用金属粘结层的合金体系有FeCrAlY，NiCrAlY，CoCrAlY，NiCoCrAlY等几种。这些涂层若要在高温下具有高温防护性能，必须能够形成致密的Al2O3膜或Cr2O3膜。一般认为，Al2O3膜比Cr2O3膜具有更优异的抗氧化能力。但是，Al2O3膜对于熔融态硫酸盐的防护性能极差，特别是当有铝的硫化物形成时涂层的氧化速度反而会更快，而Cr2O3膜对于熔融态硫酸盐具有很好的防护效果。工业燃气涡轮发动机服役过程中，硫酸盐不仅是不可避免的而且是主要的热腐蚀源之一，所以作为热障涂层金属粘结层的涂层应以Cr2O3膜作为保护性氧化膜。
目前，被业界公认的热障涂层剥落的根本原因是在金属粘结层与陶瓷面层之间的热生长氧化物(Thermally Grown Oxide，TGO)。在热循环条件下，TGO内部以及TGO/BC或TGO/YPSZ的界面均是应力集中并可能发生剥落的部位。同时，在熔盐作用下的BC层热氧化更趋严重。因此可以说，BC层的氧化行为是决定热障涂层失效的内因，包括TGO的生长速度、成分、形貌、完整性、与基体的结合力和剥落行为等；而热循环过程中产生的应力是决定热障涂层失效的外因，包括TGO的热生长应力和相变应力、温度梯度分布引起的热应力、热膨胀不匹配引起的热应力等。换句话说，BC层的氧化行为是影响热障涂层服役性能和使用寿命的主要原因。
目前，先进燃气涡轮发动机的涡轮进口温度已超过1650℃，通过气动冷却系统的设计可获得350℃左右的冷却效果，热障涂层系统中陶瓷面层能够隔热150～300℃，也就是粘结层的服役温度已超过1000℃。重所周知，Cr2O3膜在1000℃以下具有较好的高温防护性能。而在1000℃以上高氧分压下还会变得不稳定，极易进一步被氧化生成易挥发的CrO3，也会影响到其高温防护性能。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种产品综合性能良好、生产成本低、方法简单，可适合于工业化生产的粘结层涂层材料。
本发明的目的之二是提供一种综合性能良好的粘结层的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种钴基涂层粉末材料，其特征在于：所述粉末材料的组分按摩尔质量百分比计算为：Cr-25％，Al-9％，Y-2％，Si-2％，HfH2-4％，Co-bal.。
所述钴基涂层粉末材料的制备方法，其特征在于：利用传统固相合成法制备钴基涂层粉末材料：按照如下摩尔质量百分比组分进行配料，Cr-25％，Al-9％，Y-2％，Si-2％，HfH2-4％，Co-bal.(文中所述的原始Cr、Al、Y、Si、Co粉均由国药集团提供的含量为99.99wt％的粉末。)；采用玛瑙球和不锈钢罐，玛瑙球：配料粉的质量比为8:1，在行星式高能球磨机中干磨1h，转速为150rpm；球磨好的混合粉末过300目标准分样筛，得到我们所需要的激光熔敷原始粉末。
所述钴基涂层的制备方法，其特征在于：利用特种加工技术激光熔敷的方法在GH586高温合金表面制备钴基涂层，所选光纤激光器型号为IPGYLR-2000。所选基体材料GH586通过线切割切成40mm*40mm*5mm的标准试样，并经过砂纸将表面打磨到1000目。然后将所制得的原始粉末置于玛瑙研钵中，加入含丙酮和醋酸正戊酯的混合物，充分搅拌、混合1h，待均匀后，预置到基体的表面，形成厚度为1mm～1.2mm的预置涂层，再放入120℃的真空干燥箱中干燥2h。随后进行激光熔覆，其工艺参数如表1-1所示。
所述丙酮和醋酸正戊酯的混合物与激光熔敷原始粉末的体积质量比为10ml：0.3g，丙酮为丙酮和丙酮醋酸正戊酯混合物的体积的2％。
表1-1激光功率参数
本发明通过调整钴基涂层粉末中的HfH2含量的合理比例，结合激光熔敷的方法在GH586基体上制备钴基涂层。所得试样在1100℃高温氧化100h后表面可形成一层连续致密的Cr2O3氧化膜，且氧化膜的厚度大约为6～7um，将GH586的工作温度提高到了1100℃；故而本发明所制得的钴基涂层可作为热障涂层的粘结层使用。
技术优势
1、制备过程简单，可重复性较高，且成本较低，便于实现大规模生产；
2、通过调整HfH2的含量，通过激光熔敷的方法所制备的钴基涂层的高温氧化性能得到较大的改善；之前报道的含有Cr2O3氧化膜的涂层的使用温度均低于1000℃，在1000℃时，由于高氧分压的作用使得Cr2O3转换为CrO3从而导致TGO层快速增长，致使涂层发生大面积剥落。因而这种涂层可更好的作为粘结层服务于热障涂层体系中。
附图说明
图1是实施例1所制得的钴基涂层在1100℃下高温氧化60h后的涂层变化图。
图2是实施例2所制得的钴基涂层在1100℃下高温氧化100h后的涂层变化图。
图3是实施例3所制得的钴基涂层在1100℃下高温氧化100h后的涂层变化图。
图4是实施例4所制得的钴基涂层在1100℃下高温氧化100h后的涂层变化图。
具体实施方式
现将本发明的实施例叙述于后。
实施例1
1)利用传统固相合成法制备钴基涂层粉末材料：按照如下摩尔质量百分比组分进行配料，Cr-25％，Al-9％，Y-2％，Si-2％，Co-bal.；采用玛瑙球和不锈钢罐，玛瑙球：配料粉的质量比为8:1，在行星式高能球磨机中干磨1h，转速为150rpm；球磨好的混合粉末过300目标准分样筛，得到我们所需要的激光熔敷原始粉末。
2)利用特种加工技术激光熔敷的方法在GH586高温合金表面制备钴基涂层，所选光纤激光器型号为IPGYLR-2000。所选基体材料GH586通过线切割切成40mm*40mm*5mm的标准试样，并经过砂纸将表面打磨到1000目。然后将所制得的0.3g的原始粉末置于玛瑙研钵中，加入10ml所述丙酮和醋酸正戊酯的混合物，充分搅拌、混合1h，待均匀后，预置到基体的表面，形成厚度为1mm～1.2mm的预置涂层，再放入120℃的真空干燥箱中干燥2h。随后进行激光熔覆，其工艺参数如表1-1所示。
如图1所示，本实施例所制得的钴基涂层在1100℃下高温氧化60h后即发生明显剥落，氧化层厚度为17um，这可能是因为其氧化膜并不全是Cr2O3，没有形成一层致密的氧化膜，对基体没有起到相应的保护作用。
实施例2
本实例中，按照如下摩尔质量百分比组分进行配料，Cr-25％，Al-9％，Y-2％，Si-2％，HfH2-2％，Co-bal，采用与实例1相同的工艺在GH586上制备钴基涂层。
如图2所示，本实例所制得的钴基涂层在1100℃下高温氧化100h后并未发现明显的剥落，形成了一层连续的TGO层，厚度约为7.5um，但其内氧化非常严重，且TGO层中缺陷较多，可知其在1100℃下不能形成致密的氧化膜。
实施例3
本实例中，按照如下摩尔质量百分比组分进行配料，Cr-25％，Al-9％，Y-2％，Si-2％，HfH2-4％，Co-bal，采用与实例1相同的工艺在GH586上制备钴基涂层。
如图3所示，本实例所制得的钴基涂层在1100℃下高温氧化100h后并未发现明显的剥落，涂层厚度约为8.5um，且无明显缺陷，形成了一层连续致密的TGO层。
实施例4
本实例中，按照如下摩尔质量百分比组分进行配料，Cr-25％，Al-9％，Y-2％，Si-2％，HfH2-6％，Co-bal，采用与实例1相同的工艺在GH586上制备钴基涂层。
如图4所示，本实例所制得的钴基涂层在1100℃下高温氧化100h后并未发现明显的剥落，形成了一层连续致密的TGO层，但是所得TGO的厚度达到17.5um，说明其氧化速度过快。
Claims (8)
1.一种高温抗氧化钴基涂层材料，其特征在于，采用如下方法制备：按照如下摩尔质量百分比组分进行配料，Cr-25％，Al-9％，Y-2％，Si-2％，HfH2-4％，Co-bal.；球磨混合后得到激光熔敷原始粉末，向所制得的激光熔敷原始粉末中加入丙酮和醋酸正戊酯的混合物，充分搅拌、混合均匀后，预置到打磨过表面的基体的表面，形成厚度为1mm～1.2mm的预置涂层，干燥后进行激光熔覆，得到高温抗氧化钴基涂层材料。
2.如权利要求1所述的一种高温抗氧化钴基涂层材料，其特征在于，所述球磨混合指：采用玛瑙球和不锈钢罐，玛瑙球：配料粉的质量比为8:1，在行星式高能球磨机中干磨1h，转速为150rpm；球磨好的混合粉末过300目标准分样筛。
3.如权利要求1所述的一种高温抗氧化钴基涂层材料，其特征在于，所述打磨过表面指：用砂纸将基体表面打磨到1000目。
4.如权利要求1所述的一种高温抗氧化钴基涂层材料，其特征在于，所述基体指GH586高温合金。
5.如权利要求1所述的一种高温抗氧化钴基涂层材料，其特征在于，所述充分搅拌、混合的时间为1h。
6.如权利要求1所述的一种高温抗氧化钴基涂层材料，其特征在于，所述干燥指放入120℃的真空干燥箱中干燥2h。
7.如权利要求1所述的一种高温抗氧化钴基涂层材料，其特征在于，所述激光熔覆的工艺参数为：功率1200W，光斑直径3mm，扫描速度500mm/min，搭接率30％，保护气体Ar气。
8.如权利要求1所述的一种高温抗氧化钴基涂层材料，其特征在于，所述丙酮和醋酸正戊酯的混合物与激光熔敷原始粉末的体积质量比为10ml：0.3g，丙酮为丙酮和丙酮醋酸正戊酯混合物的体积的2％。
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