CN108374171B - 一种成分为(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3抗循环氧化的热障涂层 - Google Patents

一种成分为(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3抗循环氧化的热障涂层 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种成分为(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3抗循环氧化的热障涂层，其特征在于方法步骤如下：将基体线切割成试样，用砂纸打磨基体表面使其出现金属光泽；对基体进行超声清洗除去表面存在的油污及杂质；放烘箱里干燥后，记录下试样的长宽高和重量；选用(YSZ@Ni):(NiCoCrAlY)＝7:3的混合粉末均匀涂抹在试样基体上；选用若干工艺参数；制备纳米(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3涂层。本发明的创新点是：提高了其抗循环氧化的能力，减少了涂层在服役过程中易出现开裂、剥落等现象，从而提高了涂层服役寿命。

Description

一种成分为(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3抗循环氧化的热障涂层
技术领域
本发明涉及一种航空领域，具体为一种成分为(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3抗循环氧化的热障涂层。
背景技术
涡轮叶片是航空发动机核心部件，长期处于高温、高压、高速的燃气腐蚀的工作环境中，承受着离心力、气动力、温度应力等循环交变载荷与动载荷作用，其服役环境非常恶劣。为了满足涡轮叶片长寿命和高可靠性的需求，航空发动机涡轮叶片表面无一例外地施加了热障涂层(TBC)。传统的TBC一般是由陶瓷层和金属过渡层组成的复合涂层，其中纳米Y2O3部分稳定的ZrO2(以下简称为YSZ)具有高熔点、低导热性和高热膨胀系数等热性能，但是由于YSZ纳米核壳粒子涂层在高温循环载荷作用下容易被氧化，导致涂层在服役过程中易出现开裂、剥落等现象，使涂层服役寿命短。因此，提高YSZ@Ni纳米核壳粒子涂层高温抗循环氧化性具有十分重要的意义。
为了提高YSZ纳米核壳粒子涂层高温抗氧化性，通常在核壳粒子中添加粘结金属。而传统的粘结金属通过掺杂合金元素提高粘结层材料性能，其中在NiCoCrAlY粘结金属中加入Pt元素，不仅提高其硬度，同时还抑制β-相的消耗以及氧化的产生，延缓合金的氧化，最终使其抗循环氧化性能得到提升。由于YSZ粉末在涂层制备过程中容易出现团聚、烧损以及基体结合性能差等问题，而通过激光熔覆方法制备的纳米YSZ/NiCoCrAlY梯度涂层，其整体涂层厚度更加致密，并且无裂纹，不仅硬度有所提高，也在循环氧化中表现出良好的抗氧化性能。因此，激光熔覆制备纳米YSZ/NiCoCrAlY涂层具有广泛的应用潜力。
目前，有关激光熔覆制备纳米YSZ/NiCoCrAlY涂层的报道较少，为了使其具有良好抗循环氧化性能，选择合适的YSZ/NiCoCrAlY混合物配比是使热障涂层满足服役条件的关键技术，是促进航空航天涡轮发动机效率和动力的关键所在。
发明内容
本发明研制出(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3热障涂层，其质量配比为(YSZ@Ni):(NiCoCrAlY)＝7:3，利用激光熔覆制备纳米YSZ/NiCoCrAlY涂层使它具有良好的抗高温循环氧化性能。
本发明通过如下技术方案予以实现研究结果：一种成分为(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3抗循环氧化的热障涂层，其特征在于方法步骤如下：
步骤1：将GH4169高温合金基体线切割成尺寸为50×50×10mm的试样，用280#、600#砂纸依次打磨基体表面使其表面出现金属光泽为止；
步骤2：分别用丙酮、酒精、水对基体进行超声清洗，用于除去表面存在的油污及其它杂质；放烘箱里干燥后用游标卡尺量取试样的长宽高并称重，做好相应记录；
步骤3：选用(YSZ@Ni):(NiCoCrAlY)质量比为7:3的混合粉末，称为(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3，与2％wtPVA-124粘结剂混合均匀，待用；
步骤4：选用激光功率1000W、扫描速率360mm/min、光斑直径3mm、铺粉厚度0.5mm、搭接率50％作为激光熔覆纳米(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3涂层的工艺参数；
步骤5：把混合均匀的(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3涂抹在试样基体上，用选定好激光熔覆工艺参数对其进行加工，制备纳米(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3涂层。
本发明的优点是：本发明在YSZ@Ni纳米核壳粒子涂层中加入NiCoCrAlY粉末，其质量配比为(YSZ@Ni):(NiCoCrAlY)＝7:3通过激光熔覆制备纳米(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3涂层，此涂层与YSZ@Ni纳米核壳粒子涂层相比，提高了其抗循环氧化的能力，减少了涂层在服役过程中易出现开裂、剥落等现象，从而提高了涂层服役寿命。
附图说明
图1为本发明的纳米(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3涂层的循环氧化动力学曲线图。
图2纳米(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3涂层在1000℃氧化10h后的截面组织图。
图3纳米(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3涂层在1000℃氧化40h后的截面组织图。
图4纳米(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3涂层在1000℃氧化100h后的截面组织图。
图5涂层在1000℃氧化后的截面组织示意图。
具体实施方式
本发明的抗循环氧化验证，其步骤为：
步骤1：在涂层试样上使用线切割沿垂直于激光扫描方向截取所需要试样的形状和尺寸以及实验所需试样个数。
步骤2：在试样氧化前分别用丙酮、酒精、水对基体超声清洗，用于除去表面存在的油污及其它杂质，干燥后用游标卡尺量取各试样的长宽高并称重，做好相应记录。
步骤3：把装试样的刚玉坩埚按照Step 2同样的方法清洗干净，烘干后再放入1050℃的高温电阻炉内多次焙烧，直至前后重量相差小于0.1mg。
步骤4：将干净试样按顺序放入坩埚(试样平整放在坩埚底部中心部位，涂层面朝上)并编号，做好记录。
步骤5：将装有试样的坩埚放入1000℃的高温电阻炉内，每隔2h取出一次，重复5次。之后每隔3h取出一次，重复5次，每隔5h取出一次，重复5次，每隔10h取出一次，重复5次。
步骤6：在每次取出试样的时候，观察试样涂层的剥落情况及其宏观形貌，然后称取每个坩埚内试样的重量，做好相应记录并计算涂层单位面积氧化增重，如果有涂层增重较大或剥落明显则留下一个对其组织结构进行检测分析，其余试样继续放入炉内继续下一阶段实验。
备注：1、步骤1中线切割熔覆层试样的尺寸为5×5×5mm，个数为12块，另外线切割2块GH4169基体作为去除基体氧化增重的对比。
2、步骤2中量取各试样长宽高后计算出试样的表面积，其中涂层面和非涂层面分别记为S0和S0’，称重质量记为m0。GH4169基体表面积记为S00，质量记为m00。
3、步骤6中涂层单位面积氧化增重按照以下公式计算：
Figure GDA0002268867790000041
ΔM涂层＝M1-M0-ΔM基体
Figure GDA0002268867790000042
其中G+为涂层单位面积氧化增重，ΔM涂层为涂层氧化增重，M1为涂层试样氧化后的质量，ΔM基体为涂层试样基体部分的增重，M01为GH4169基体试样氧化后的质量。
经上述步骤获得纳米(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3涂层的循环氧化动力学曲线如图1所示，可以发现相比于GH4169基体，纳米(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3涂层的抗循环氧化性要好很多，同时可以看出在氧化初期增重明显，而且纳米(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3涂层的增重趋势与基体相比更缓慢。
纳米(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3涂层在1000℃氧化10h、40h和100h后的截面组织分别见图2、图3和图4，可以发现氧化10h、40h和100h后涂层的陶瓷层组织形貌没有发生太大变化。但是，随着循环氧化的不断进行，TGO层的厚度明显有所增加，在氧化10h、40h和100h后涂层中TGO厚度分别为1.5μm、4μm和8μm。涂层氧化后截面组织的示意图如图5所示，随着氧化的进行TGO层出现分层现象，由原来的Al2O3变为上层Al2O3和下层Cr2O3，氧化过程中TGO层增厚主要是Cr2O3层不断增厚。

Claims (1)

1.一种成分为(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3抗循环氧化的热障涂层，其特征在于方法步骤如下：
步骤1：将GH4169高温合金基体线切割成尺寸为50×50×10mm的试样，用280#、600#砂纸依次打磨基体表面使其表面出现金属光泽为止；
步骤2：分别用丙酮、酒精、水对基体进行超声清洗，用于除去表面存在的油污及其它杂质；放烘箱里干燥后用游标卡尺量取试样的长宽高并称重，做好相应记录；
步骤3：选用(YSZ@Ni):(NiCoCrAlY)质量比为7:3的混合粉末，称为(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3，与2％wtPVA-124粘结剂混合均匀，待用；
步骤4：选用激光功率1000W、扫描速率360mm/min、光斑直径3mm、铺粉厚度0.5mm、搭接率50％作为激光熔覆纳米(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3涂层的工艺参数；
步骤5：把混合均匀的(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3涂抹在试样基体上，用选定好激光熔覆工艺参数对其进行加工，制备纳米(YSZ@Ni)7/(NiCoCrAlY)3涂层。
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