CN108130515A - 一种长寿命热障涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种长寿命热障涂层的制备方法，属于航空发动机涡轮叶片热障涂层技术领域，通过成本较低的气相渗Al方法制备热障涂层的粘结层，制备粘结层时处于惰性气氛中，保温并真空热处理，通过电子束气相沉积方法制备热障涂层的陶瓷层，利用气相渗Al方法代替电弧离子镀方法制备热障涂层的粘结层，使得涂层加工成本大幅度降低，制备得到的气相渗Al粘结层具有更高的Al含量，沉积陶瓷涂层后，涂层抗热震性能更高，寿命大幅度提升。

Description

一种长寿命热障涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及航空发动机涡轮叶片热障涂层技术领域，具体为一种长寿命热障涂层的制备方法。
背景技术
由于电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术具有涂层化学成分易于精确控制、可得到柱状晶组织、涂层与基体结合强度高等优点，已经广泛应用于多种涡轮叶片高温防护涂层的制备加工，显著提高了涡轮叶片的抗高温氧化和抗腐蚀性能、隔热性能，延长了发动机工作寿命。
但是，涡轮叶片热障涂层制备工艺包括电弧离子镀涂层金属底层，电子束气相沉积陶瓷面层，该类型涡轮叶片热障涂层体系制备费用较高，特别是电弧离子镀金属靶材费用较高。因此，亟需开发成本较低的热障涂层制备方法。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种长寿命热障涂层的制备方法，制备成本低，使用寿命长。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种长寿命热障涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1，称取FeAl粉渗剂和NH4Cl催化剂，在100℃～200℃烘烤，得到气相渗Al渗剂，其中，FeAl粉渗剂和NH4Cl催化剂的质量比为(10:1)～(500:1)；
步骤S2，将待处理工件和步骤S1中制备的气相Al渗剂装入粘结层工装，将待处理工件和步骤S1中制备的气相Al渗剂装入粘结层工装，在惰性气体气氛中，加热至1000～1050℃，保温1-10小时；
步骤S3，将经步骤S2处理的工件在1000～1100℃下进行真空热处理，得到具有气相渗Al粘结层的工件；
步骤S4，将步骤S3中得到的工件进行电子束气相沉积，使其表面形成陶瓷面层；
步骤S5，在真空度小于5×10-2Pa，温度1000～1050℃的条件下进行扩散处理，得到一种低成本长寿命热障涂层。
可选的，步骤S1之前还包括，对工件待处理工件进行湿吹砂和超声波清洗。
可选的，步骤S1中，通过马弗罐进行气相渗Al，渗铝时间为1～10小时。
可选的，步骤S2中，惰性气体气氛通过惰性气体置换空气得到，包括：
抽真空至1～100Pa，然后通入惰性气体至0.1～1MPa，重复至少5次，最后通入惰性气体至0.05～1MPa。
可选的，步骤S3中真空热处理的时间为1～10小时。
可选的，步骤S4之前还包括，对经步骤S3处理后的工件进行湿吹砂和超声波清洗处理。
可选的，步骤S4中，对工件进行电子束气相沉积时，电子束加热温度为800～900℃，蒸发束流为1.0～2.0A，旋转速度为5～25rpm，沉积时间为10～30min。
可选的，步骤S5中，扩散处理时时间为1～5小时。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开一种长寿命热障涂层的制备方法，通过成本较低的气相渗Al方法制备热障涂层的粘结层，制备粘结层时处于惰性气氛中，保温并真空热处理，通过电子束气相沉积方法制备热障涂层的陶瓷层，气相渗Al方法代替电弧离子镀方法制备热障涂层的粘结层，涂层加工成本大幅度降低，解决了现有技术采用电弧离子镀方法制备热障涂层的粘结层，靶材的费用较高的问题，并且制备得到的气相渗Al粘结层具有更高的Al含量，沉积陶瓷涂层后，涂层抗热震性能更高，使用寿命大幅度提升。
进一步的，采用马弗罐进行气相渗Al，工艺简单，操作简便，设备要求低，装炉量大。
附图说明
图1为气相渗Al后叶片表面外观；
图2为气相渗Al层成分变化曲线；
图3为一种长寿命热障涂层微观形貌；
图4为一种长寿命热障涂层外观；
图5为一种长寿命热障涂层零件热震性能考核后形貌；
图6为一种长寿命热障涂层零件热震性能考核后形貌；
图7为一种长寿命热障涂层微观形貌。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例一
实施例一提供一种长寿命热障涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)前处理：制备渗Al粘结层前，对零件进行前处理，前处理包括：湿吹砂、超声波清洗。
(2)气相渗Al渗剂制备：每10件零件使用FeAl粉渗剂3Kg，NH4Cl催化剂100g，并在100℃条件下烘烤1小时。
(3)将前处理后的叶片和经过烘烤的渗剂装入粘结层工装，关闭马弗罐炉门，利用机械泵抽真空至1Pa，然后通入氩气至0.1MPa，利用氩气将炉内的空气进行5次置换处理，最后通入氩气至0.05MPa。加热升温至1000℃，并保温5H；保温过程中，压力大于2MPa时，放气至0.05MPa。
(4)待炉内保温时间结束后，在1000℃条件下进行真空热处理3H。气相渗Al后叶片表面外观如图1所示。
(5)电子束气相沉积陶瓷涂层制备：将气相渗Al后的零件经过湿吹砂和超声波清洗后，装入电子束气相沉积设备内，通过控制电子束加热温度800℃，蒸发束流1.0A，旋转速度10rpm，沉积时间20min，制备热障涂层的陶瓷面层。
(6)扩散处理：在真空度＜5×10-2Pa，温度1000℃，保温1H条件下进行扩散处理。
通过以上步骤，制备得到一种低成本长寿命热障涂层，热障涂层外观如图4所示，微观形貌如图3所示。
对气相渗Al后的渗层Al含量进行成分分析，Al含量变化曲线如图2所示，从图中可以看出，随着深度的变化，Al含量由32％降至10％左右，能够起到TGO层形成所需的Al含量，从而大幅度提升涂层寿命。
对低成本长寿命热障涂层进行热震性能考核，考核条件是：1100℃保温5min，水冷1min，循环次数为100次。从图5低成本长寿命热障涂层零件热震性能考核后形貌可以看出，除了在缘板和叶身转接处出现基体开裂引起的局部涂层剥落以外，其余部位涂层完整，涂层结合力和寿命较好。
实施例二
实施例二提供一种长寿命热障涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)前处理：制备渗Al粘结层前，对零件进行前处理，前处理包括：湿吹砂、超声波清洗；
(2)气相渗Al渗剂制备：每20件零件使用FeAl粉渗剂5Kg，NH4Cl催化剂200g；并在150℃条件下烘烤1小时，
(3)将前处理后的叶片和经过烘烤的渗剂装入粘结层工装，关闭马弗罐炉门；利用机械泵抽真空至1Pa，然后通入氖气至0.2MPa，利用氖气将炉内的空气进行6次置换处理，最后通入氖气至0.05MPa。加热升温至1020℃，并保温3H；保温过程中，压力大于2MPa时，放气至0.05MPa。
(4)待炉内保温时间结束后，在1030℃条件下进行真空热处理2H。
(5)电子束气相沉积陶瓷涂层制备。将气相渗Al后的零件经过湿吹砂和超声波清洗后，装入电子束气相沉积设备内。通过控制电子束加热温度810℃，蒸发束流1.1A，旋转速度12rpm，沉积时间25min，制备热障涂层的陶瓷面层。
(6)扩散处理。在真空度＜5×10-2Pa，温度1020℃，保温2H条件下进行扩散处理。
通过以上步骤，制备得到一种低成本长寿命热障涂层。
对由实施例二提供的一种长寿命热障涂层的制备方法制备的低成本长寿命热障涂层进行热震性能考核，考核条件是：1100℃保温5min，水冷1min，循环次数为100次。从图6低成本长寿命热障涂层零件热震性能考核后形貌可以看出，除了在缘板和叶身转接处出现基体开裂引起的局部涂层剥落以外，其余部位涂层完整，涂层结合力和寿命较好。
实施例三
实施例三提供一种长寿命热障涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)前处理：制备渗Al粘结层前，对零件进行前处理，前处理包括：湿吹砂、超声波清洗；
(2)气相渗Al渗剂制备：每20件零件使用FeAl粉渗剂8Kg，NH4Cl催化剂200g；并在100℃条件下烘烤2小时，
(3)将前处理后的叶片和经过烘烤的渗剂装入粘结层工装，关闭马弗罐炉门；利用机械泵抽真空至1Pa，然后通入氩气至0.2MPa，利用氩气将炉内的空气进行7次置换处理，最后通入氩气至0.05MPa。加热升温至1040℃，并保温2H；保温过程中，压力大于2MPa时，放气至0.05MPa。
(4)待炉内保温时间结束后，在1050℃条件下进行真空热处理3H。
(5)电子束气相沉积陶瓷涂层制备。将气相渗Al后的零件经过湿吹砂和超声波清洗后，装入电子束气相沉积设备内。通过控制电子束加热温度835℃，蒸发束流1.3A，旋转速度16rpm，沉积时间17min，制备热障涂层的陶瓷面层。
(6)扩散处理。在真空度＜5×10-2Pa，温度1030℃，保温3H条件下进行扩散处理。
通过以上步骤，制备得到一种低成本长寿命热障涂层，金相组织如图7所示。从图7低成本长寿命热障涂层微观形貌可以看出，渗Al层与陶瓷层结合紧密，无空洞、裂纹等缺陷存在，热障涂层质量较好。
需要说明的是在本发明实施例中所说的粘结层工装为根据待处理工件形状和所需涂层厚度所选取的工装。
本发明提供的低成本长寿命热障涂层的制备方法，渗Al生产成本较电弧离子镀生产成本降低98.2％。
具体如下，设备折旧和燃油动力费与渗Al时相当，每个电弧离子镀靶材为2980元，每炉14个靶材，共加工36件零件，平均每件费用：1158元。每公斤FeAl粉103元，每100g的NH4Cl粉50元，每炉可加工36件零件，需要FeAl粉6Kg，NH4Cl粉300g，平均每件费用：21元。故而，平均每件节省费用1137元，节省费用约98.2％。
本发明所举的具体实施例仅是对此发明精神的诠释，本发明技术领域的技术人员可以对描述的具体实施例进行修改或类似的方法替代，并不偏离本发明的精神。

Claims (8)

1.一种长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，称取FeAl粉渗剂和NH4Cl催化剂，在100℃～200℃烘烤，得到气相渗Al渗剂，其中，FeAl粉渗剂和NH4Cl催化剂的质量比为(10:1)～(500:1)；
步骤S2，将待处理工件和步骤S1中制备的气相Al渗剂装入粘结层工装，在惰性气体气氛中，加热至1000～1050℃，保温1-10小时；
步骤S3，将经步骤S2处理的工件在1000～1100℃下进行真空热处理，得到具有气相渗Al粘结层的工件；
步骤S4，将步骤S3中得到的工件进行电子束气相沉积，使其表面形成陶瓷面层；
步骤S5，在真空度小于5×10-2Pa，温度1000～1050℃的条件下进行扩散处理，得到一种低成本长寿命热障涂层。
2.如权利要求1所述的一种长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤S1之前还包括，对工件待处理工件进行湿吹砂和超声波清洗。
3.如权利要求1所述的一种长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤S1中，通过马弗罐进行气相渗Al，渗铝时间为1～10小时。
4.如权利要求1所述的一种长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤S2中，惰性气体气氛通过惰性气体置换空气得到，包括：
抽真空至1～100Pa，然后通入惰性气体至0.1～1MPa，重复至少5次，最后通入惰性气体至0.05～1MPa。
5.如权利要求1所述的一种长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤S3中真空热处理的时间为1～10小时。
6.如权利要求1所述的一种长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤S4之前还包括，对经步骤S3处理后的工件进行湿吹砂和超声波清洗处理。
7.如权利要求1所述的一种长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤S4中，对工件进行电子束气相沉积时，电子束加热温度为800～900℃，蒸发束流为1.0～2.0A，旋转速度为5～25rpm，沉积时间为10～30min。
8.如权利要求1所述的一种长寿命热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤S5中，扩散处理时时间为1～5小时。
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