CN108330483B - 单晶高温合金基体上单晶MCrAlY涂层的激光熔覆成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高温防护涂层制备领域，具体为一种单晶高温合金基体上单晶MCrAlY涂层的激光熔覆成形方法。首先，将待熔覆涂层的单晶高温合金试样表面进行砂纸打磨及喷砂处理，保证试样表面无氧化膜等杂质；其次，根据单晶高温合金试样表面的形状，利用计算机软件规划出激光扫描路径；而后，利用激光束依照规划好的路径，采用同轴送粉的粉末输送方式进行熔覆成形；最后，在特定温度进行退火处理以获得无应力、元素成分和显微组织良好的涂层组织。采用本发明方法制备的单晶MCrAlY涂层，晶体取向与合金基体一致，且涂层与基体的接触面可形成致密的冶金结合，服役过程中不易剥落。

Description

单晶高温合金基体上单晶MCrAlY涂层的激光熔覆成形方法

技术领域：

本发明涉及高温防护涂层制备领域，具体为一种单晶高温合金基体上单晶MCrAlY涂层的激光熔覆成形方法。

背景技术：

为了发展大推力、高效率和低油耗航空发动机，必需提高涡轮叶片的承温能力。涡轮叶片承温能力的提高会加剧叶片的腐蚀和氧化，导致其过早失效，为此必须在叶片表面施加高温防护涂层。MCrAlY涂层具有优良的抗高温氧化腐蚀性和成分选择的灵活性，已经作为表面包覆涂层和热障涂层的金属粘结层在航空发动机中获得了广泛应用。传统的MCrAlY涂层的显微组织是多晶，与目前先进航空发动机叶片的首先材料单晶高温合金在相结构上差异较大，容易造成涂层/基体界面物理性能(如：热膨胀性)和力学性能(如：弹性模量、蠕变强度)的不连续。在叶片服役过程中，这种性能不连续能降低叶片的服役寿命。为此，发展单晶MCrAlY涂层，并使其与单晶叶片基体具有相同晶体取向是一种非常有潜力的方法。

激光熔覆技术是近年来新兴的先进制造技术，其熔覆过程中所涉及的凝固行为与其他涂层制备技术不同，它是非常小的液相熔池在相对非常大的固态基体上以外延生长为主的凝固过程，凝固速率较快，属于非平衡快速凝固。在这种凝固条件下，凝固过程中的热传输、溶质传输等发生了较大变化，使熔覆层易于遗传基体的晶体取向，形成具有一定晶体取向的柱状晶，且显微组织明显细化。从而，激光熔覆技术的发展使制备具有单晶组织结构的MCrAlY涂层成为可能。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种在单晶高温合金基体上制备单晶MCrAlY涂层的激光熔覆成形方法，该方法可行性强，适用于所有单晶高温合金基体。

本发明的技术方案是：

一种单晶高温合金基体上单晶MCrAlY涂层的激光熔覆成形方法，采用激光熔覆制备单晶MCrAlY涂层，在激光成形前将待涂覆试样表面砂纸磨平并喷砂处理，而后利用激光熔覆成形技术将MCrAlY涂层粉末熔覆在试样表面，最后进行退火热处理。

所述的单晶高温合金基体上单晶MCrAlY涂层的激光熔覆成形方法，采用砂纸将待熔覆涂层试样表面磨平，以去除表面污染物，使待熔覆表面呈现金属光泽，而后采用喷砂处理，使试样表面呈现出的粗糙度为0.5～4.5Ra。

所述的单晶高温合金基体上单晶MCrAlY涂层的激光熔覆成形方法，根据待熔覆涂层单晶高温合金试样表面的形状及曲率，利用计算机画图软件，规划出激光扫描路径，而后通过3D打印切片软件生成可控制激光扫描路径的程序。

所述的单晶高温合金基体上单晶MCrAlY涂层的激光熔覆成形方法，计算机画图软件为UG或CAD。

所述的单晶高温合金基体上单晶MCrAlY涂层的激光熔覆成形方法，采用激光3D打印系统，按照所规划的扫描路径，采用同轴送粉的粉末输送方式，进行激光熔覆。

所述的单晶高温合金基体上单晶MCrAlY涂层的激光熔覆成形方法，熔覆过程中，所采用的激光功率200～1500w，激光光斑直径0.8～1.2mm，保护气体氩气压强为0.08～0.15MPa，光束扫描速度为300～1200mm/min，送粉量0.3～8g/min，粉末粒度-80～+450目，道次搭接率30～50％。

所述的单晶高温合金基体上单晶MCrAlY涂层的激光熔覆成形方法，粉末使用之前进行100～200℃的烘干处理。

所述的单晶高温合金基体上单晶MCrAlY涂层的激光熔覆成形方法，在单晶高温合金基体上熔覆单晶MCrAlY涂层后，在真空热处理炉中进行温度700～1050℃的退火处理，真空度5×10^-1～5×10^-2Pa。

本发明的设计思想是：

首先，将待熔覆涂层的单晶高温合金试样表面进行砂纸打磨及喷砂处理，保证试样表面无氧化膜等杂质；其次，根据单晶高温合金试样表面的形状，利用计算机软件规划出激光扫描路径；而后，利用激光束依照规划好的路径，采用同轴送粉的粉末输送方式进行熔覆成形；最后，在特定温度进行退火处理以获得无应力、元素成分和显微组织良好的涂层组织。

本发明的优点及有益效果是：

1.本发明为单晶高温合金基体上制备单晶MCrAlY涂层提供了一种新工艺，可用于制备与基体结合优良、枝晶组织细小且与基体具有相同晶体取向的单晶涂层。

2.本发明可用于所有单晶高温合金基体上单晶涂层的制备。

附图说明：

图1为SRR99合金基体上激光熔覆制备单晶MCrAlY涂层表面照片。

图2为SRR99合金基体上激光熔覆制备单晶MCrAlY涂层(a)及涂层上部(b)和涂层下部(c)显微组织。

图3为SRR99合金与单晶MCrAlY涂层界面区域的SEM形貌。

图4为RenéN5合金基体上激光熔覆制备单晶MCrAlY涂层表面照片。

图5为RenéN5合金基体上激光熔覆制备单晶MCrAlY涂层显微组织(a)及涂层/基体界面处显微组织(b)。

图6为CMSX-4合金基体上激光熔覆制备单晶MCrAlY涂层表面照片。

图7为CMSX-4合金基体上激光熔覆制备单晶MCrAlY涂层(a)及涂层上部(b)和涂层下部(c)显微组织。

具体实施方式：

在具体实施过程中，本发明单晶高温合金基体上单晶MCrAlY涂层激光熔覆成形方法，具体步骤如下：

(1)基体表面处理

采用砂纸将单晶高温合金基体表面磨平，以去除表面污染物，使待熔覆涂层表面呈现金属光泽，而后采用喷砂处理，使基体表面洁净并呈现出一定的粗糙度(0.5～4.5Ra)。

(2)激光扫描路径规划

利用计算机画图软件(如：UG或CAD等)，根据待熔覆涂层单晶高温合金基体表面的形貌及曲率，规划出激光扫描路径，而后通过3D打印切片软件生成可控制激光扫描路径的程序。

(3)激光熔覆成形

利用激光同轴送粉系统，将MCrAlY涂层粉末输送到单晶高温合金基体表面。

(4)退火处理

将已熔覆好涂层的试样在真空热处理炉中进行退火热处理，以获得无应力、元素成分和显微组织良好的涂层组织。

其中，激光熔覆过程非常重要。激光熔覆的关键之一，采用氩气对试样进行保护以防止制备过程中O、N等杂质进入涂层；激光熔覆的关键之二，激光束能量密度及送粉量适中，能够使熔化的MCrAlY粉末在单晶合金基体上外延生长，无杂晶出现。

下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。

实施例1

本实施例中，按照本发明技术方案中所描述的方法在第一代单晶高温合金SRR99基体上制备单晶MCrAlY涂层。利用传统的螺旋选晶法制备SRR99单晶高温合金棒材，棒材直径为Φ16mm。对该合金棒材进行1295℃/4h的固溶热处理。而后，在该单晶合金棒材上切取基材。本实施例所需MCrAlY涂层粉末为氩气雾化制备的TMBC-1粉末，粉末粒度为-100～+300目。激光熔覆前，将单晶合金基体待熔覆涂层表面进行240#砂纸打磨，而后进行刚玉砂喷砂处理，喷砂时气流压强为2.2MPa，喷砂后表面粗糙度为0.9Ra。将MCrAlY粉末进行150℃/1h的烘干处理。熔覆时，所采用得激光功率为600w，激光光斑直径0.9mm，保护气体氩气压强为0.15MPa，光束扫描速度为600mm/min，道次之间搭接率为45％，熔覆层数为1层，送粉量为2.5g/min，送粉气体为Ar气。涂层熔覆后，将试样放入真空热处理炉中，真空度5×10^-1～5×10^-2Pa，热处理制度为850℃/6h(空冷至室温)。由此方法制备的单晶MCrAlY涂层表面照片如图1所示。图2显示了单晶MCrAlY涂层的显微组织。可见，与传统涂层制备工艺相比，激光熔覆制备的单晶MCrAlY涂层显微组织均匀细小，孔隙率低，且形成了具有一定晶体取向的柱状晶组织。该柱状晶取向与基体一致，为单晶组织。图3显示了该涂层SEM形貌照片，可以看出，涂层与SRR99合金基体形成了致密的冶金结合。

实施例2

本实施例中，按照本发明技术方案中所描述的方法在第二代单晶高温合金RenéN5基体上制备单晶MCrAlY涂层。利用传统的籽晶法制备<001>取向的RenéN5单晶高温合金棒材，棒材直径为Φ16mm。对该合金棒材进行1300℃/4h的固溶处理，并在棒材上切取基材。基材表面法线方向与基材<001>方向之间的夹角不大于10°。本实施例采用的MCrAlY涂层粉末为氩气雾化制备的TMBC-1粉末，粉末粒度为-100～+450目。激光熔覆前，将合金基体表面进行150#砂纸打磨，而后进行刚玉砂喷砂处理，喷砂时气流压强为2.0MPa，喷砂后表面粗糙度为0.8Ra。将MCrAlY粉末进行150℃/1h的烘干处理。熔覆时，所采用得激光功率为500w，激光光斑直径1.0mm，保护气体氩气压强为0.15MPa，光束扫描速度为800mm/min，道次之间搭接率为45％，熔覆层数为2层，送粉量为2.5g/min，送粉气体为Ar气。涂层熔覆后，将试样放入真空热处理炉中，真空度5×10^-1～5×10^-2Pa，热处理制度为900℃/6h(空冷至室温)。由此方法制备的单晶MCrAlY涂层表面形貌照片如图4所示，涂层显微组织如图5所示。可见，涂层为具有一定晶体取向的单晶组织，且与RenéN5合金形成了致密的冶金结合。

实施例3

本实施例中，按照本发明技术方案中所描述的方法在第二代单晶高温合金CMSX-4基体上制备单晶MCrAlY涂层。利用传统的螺旋选晶法制备CMSX-4单晶高温合金棒材。对该棒材进行1300℃/4h的固溶热处理后，用线切割切取基材，基材表面法线方向与基材<001>方向之间的夹角不大于10°。本实施例采用氩气雾化制备的TMBC-1粉末作为涂层粉末，粉末粒度为-100～+450目。熔覆前，将合金基体表面进行240#砂纸打磨及2.2MPa刚玉砂喷砂处理，喷砂后表面粗糙度为0.9Ra。熔覆时，所采用得激光功率为1000w，激光光斑直径0.9mm，保护气体氩气压强为0.2MPa，光束扫描速度为800mm/min，道次之间搭接率为45％，熔覆层数为2层，送粉量为1.5g/min，送粉气体为Ar气。涂层熔覆后，将试样放入真空热处理炉中，真空度5×10^-1～5×10^-2Pa，热处理制度为870℃/6h(空冷至室温)。由此方法制备的单晶MCrAlY涂层表面形貌如图6所示，显微组织如图7所示。可见，涂层与CMSX-4合金形成了致密的冶金结合。

实施例结果表明，采用本发明方法制备的单晶MCrAlY涂层，晶体取向与合金基体一致，且涂层与基体的接触面可形成致密的冶金结合，服役过程中不易剥落。

Claims (3)

1.一种单晶高温合金基体上单晶MCrAlY涂层的激光熔覆成形方法，其特征在于，在第一代单晶高温合金SRR99基体上制备单晶MCrAlY涂层，利用传统的螺旋选晶法制备SRR99单晶高温合金棒材，棒材直径为Φ16mm；对该合金棒材进行1295℃/4h的固溶热处理；而后，在该单晶合金棒材上切取基材，MCrAlY涂层粉末为氩气雾化制备的TMBC-1粉末，粉末粒度为-100～+300目；激光熔覆前，将单晶合金基体待熔覆涂层表面进行240#砂纸打磨，而后进行刚玉砂喷砂处理，喷砂时气流压强为2.2MPa，喷砂后表面粗糙度为0.9Ra；将MCrAlY粉末进行150℃/1h的烘干处理；熔覆时，所采用得激光功率为600w，激光光斑直径0.9mm，保护气体氩气压强为0.15MPa，光束扫描速度为600mm/min，道次之间搭接率为45％，熔覆层数为1层，送粉量为2.5g/min，送粉气体为Ar气；涂层熔覆后，将试样放入真空热处理炉中，真空度5×10^-1～5×10^-2Pa，热处理制度为850℃/6h，空冷至室温。

2.一种单晶高温合金基体上单晶MCrAlY涂层的激光熔覆成形方法，其特征在于，在第二代单晶高温合金RenéN5基体上制备单晶MCrAlY涂层，利用传统的籽晶法制备<001>取向的RenéN5单晶高温合金棒材，棒材直径为Φ16mm，对该合金棒材进行1300℃/4h的固溶处理，并在棒材上切取基材，基材表面法线方向与基材<001>方向之间的夹角不大于10°；采用的MCrAlY涂层粉末为氩气雾化制备的TMBC-1粉末，粉末粒度为-100～+450目；激光熔覆前，将合金基体表面进行150#砂纸打磨，而后进行刚玉砂喷砂处理，喷砂时气流压强为2.0MPa，喷砂后表面粗糙度为0.8Ra；将MCrAlY粉末进行150℃/1h的烘干处理；熔覆时，所采用得激光功率为500w，激光光斑直径1.0mm，保护气体氩气压强为0.15MPa，光束扫描速度为800mm/min，道次之间搭接率为45％，熔覆层数为2层，送粉量为2.5g/min，送粉气体为Ar气；涂层熔覆后，将试样放入真空热处理炉中，真空度5×10^-1～5×10^-2Pa，热处理制度为900℃/6h，空冷至室温。

3.一种单晶高温合金基体上单晶MCrAlY涂层的激光熔覆成形方法，其特征在于，在第二代单晶高温合金CMSX-4基体上制备单晶MCrAlY涂层，利用传统的螺旋选晶法制备CMSX-4单晶高温合金棒材；对该棒材进行1300℃/4h的固溶热处理后，用线切割切取基材，基材表面法线方向与基材<001>方向之间的夹角不大于10°；采用氩气雾化制备的TMBC-1粉末作为涂层粉末，粉末粒度为-100～+450目；熔覆前，将合金基体表面进行240#砂纸打磨及2.2MPa刚玉砂喷砂处理，喷砂后表面粗糙度为0.9Ra；熔覆时，所采用得激光功率为1000w，激光光斑直径0.9mm，保护气体氩气压强为0.2MPa，光束扫描速度为800mm/min，道次之间搭接率为45％，熔覆层数为2层，送粉量为1.5g/min，送粉气体为Ar气；涂层熔覆后，将试样放入真空热处理炉中，真空度5×10^-1～5×10^-2Pa，热处理制度为870℃/6h，空冷至室温。

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