CN108728846A - 热端部件的热防护涂层制备装置及热防护涂层制备方法 - Google Patents

热端部件的热防护涂层制备装置及热防护涂层制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种热端部件的热防护涂层制备装置及方法，其通过在基体表面沉积前躯体纤维的形式来形成热防护涂层。使用该装置、方法所制备的热防护涂层具有热防护性能好、寿命长等特点，且实现成本低。

Description

热端部件的热防护涂层制备装置及热防护涂层制备方法
技术领域
本发明主要涉及涂层制备领域，尤其涉及一种热端部件的热防护涂层的制备。
背景技术
随着涡轮前温度的升高，燃气轮机、航空发动机中热端部件(如涡轮叶片、燃烧室内外衬板等)的服役温度已超过了零件基体合金的服役温度，因而必须使用具有热防护能力的陶瓷涂层，以降低零件基体的表面温度，提高发动机寿命和可靠性，并降低冷却气体用量，从而降低耗油率。
目前，在制备热端部件的热防护涂层的诸多方法中，以大气等离子喷涂(AirPlasma Spray，APS)和电子束物理气相沉积(Electron Beam Physical VaporDeposition，EB-PVD)最为常见。
大气等离子喷涂方法的基本过程是将原料通过等离子枪直接喷射到金属表面，涂层的典型结构如图1所示。大气等离子喷涂方法的优点是喷涂速度快、效率高，对零件尺寸没有限制，且涂层呈层状结构，层间孔隙率大，导热系数低，隔热性能好。但大气等离子喷涂方法存在如下缺点：对于形状复杂的零件，工艺实现比较困难；涂层为层状结构，涂层与基体合金之间以机械结合为主，涂层中含有大量的熔渣、夹杂物和微裂纹等缺陷，上述缺陷在高温时易导致涂层氧化、硫化、坑蚀和盐腐蚀，从而进一步降低涂层与基体合金的结合强度，进而引起涂层剥落甚至失效。因此大气等离子喷涂方法一般用于静止热端部件，如燃烧室内外衬板等。
电子束物理气相沉积方法是通过电子枪产生高能电子束将涂料熔化蒸发，而后涂料以原子、分子的形态覆盖到零件表面，涂层呈柱状结构，涂层的典型结构如图2所示。电子束物理气相沉积方法的优点是涂层与基体结合性能好，涂层寿命长(在相同工况下相对于等离子涂层其寿命要长5倍以上)，涂层表面光洁度高、耐磨性好，且可以处理形状复杂的零件。电子束物理气相沉积方法的主要缺点为：对于复杂结构的零件，存在阴影效应，难以保证涂层质量的均一性；涂层为柱状结构，热导率相对较高，隔热效果差；受限于预热处理的限制，难以处理尺寸较大的零件。此外，由于电子束物理气相沉积设备昂贵，涂层沉积效率较低，不适于制备较厚的热防护涂层，因此主要应用于对涂层热机械疲劳性能要求较高的热端部件，例如燃气涡轮机的涡轮转动叶片等。
为满足燃气轮机、航空发动机更高的设计需求，以及民用燃气涡轮机械长寿命、低成本的需要，需在上述两种成熟工艺之外寻求新的热防护涂层制备工艺，一方面在保证获得层状结构的基础上提高涂层与基体的结合强度以提高涂层的服役寿命，另一方面简化涂层的制造工艺、降低制造成本，实现高性能热防护涂层的低成本制造。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种热端部件的热防护涂层制备装置及热防护涂层制备方法，其所制备的热防护涂层具有热防护性能好、寿命长等特点，且实现成本低。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种热端部件的热防护涂层制备装置，包括多轴旋转平台、高压电源、前躯体溶液供应部件和注射器；所述多轴旋转平台，用于夹持所述热端部件的基体，并使所述基体转动和/或平动；所述高压电源的正极和负极分别连接所述多轴旋转平台和所述注射器，使所述多轴旋转平台夹持的所述基体与所述注射器之间形成千伏以上的高压；所述前躯体溶液供应部件，用于向所述注射器注入所述热防护涂层的前躯体溶液；以及所述注射器，设置于所述多轴旋转平台夹持的所述基体的上方，用于在所述高压的作用下向所述基体喷射所述前躯体溶液，以在所述基体表面沉积前躯体纤维。
在本发明的一实施例中，所述前躯体溶液供应部件包括溶液槽、连接管和泵；所述溶液槽用于容纳所述前躯体溶液；所述连接管的两端分别连接所述溶液槽和所述注射器；所述泵用于将所述连接管内的所述前躯体溶液注入到所述注射器。
在本发明的一实施例中，在对所述基体表面沉积所述前躯体纤维时，能够对下述参数中的一个或多个进行调整：所述前躯体溶液供应部件注入到所述注射器的前躯体溶液的流量；所述基体与所述注射器之间的电压；所述基体的转动速度；所述基体的转动方向；所述基体的平动速度；以及所述基体的平动方向。
在本发明的一实施例中，所述前躯体纤维的直径为纳米级。
在本发明的一实施例中，热端部件的热防护涂层制备装置还包括用于测量所述基体与地之间电压的第一电压表；以及用于测量所述注射器与地之间电压的第二电压表。
在本发明的一实施例中，所述注射器位于所述基体上方15～20cm处。
在本发明的一实施例中，所述基体与所述注射器之间的电压在10～30kV之间。
在本发明的一实施例中，所述热防护涂层为陶瓷涂层。
在本发明的一实施例中，所述陶瓷涂层为含氧化钇稳定氧化锆的陶瓷涂层。
在本发明的一实施例中，所述前躯体溶液为按比例混合的Y(OiPr)3和Zr(OiPr)4的混合溶液。
在本发明的一实施例中，所述前躯体溶液为将纳米级氧化钇稳定氧化锆粉末与表面活性剂混合后获得的浆料。
本发明的另一方面提供了一种热端部件的热防护涂层制备方法，包括：a.对所述热端部件的基体进行预处理；b.在所述基体表面上沉积前躯体纤维；以及c.对沉积在所述基体上的所述前躯体纤维进行裂解热处理。
在本发明的一实施例中，步骤a包括对所述基体进行清洗、干燥处理。
在本发明的一实施例中，步骤a还包括对清洗、干燥过的所述基体进行喷砂处理。
在本发明的一实施例中，步骤a还包括在经喷砂处理后的所述基体表面涂覆金属粘接层。
在本发明的一实施例中，对所述基体表面涂覆金属粘接层采用热喷涂、电弧镀、包埋渗、气相渗和镀铂渗铝中的一种或多种工艺进行。
在本发明的一实施例中，所述金属粘接层的成分为MCrAlY和/或NiPtAl，其中的M为Ni、Co或Fe元素。
在本发明的一实施例中，步骤a还包括对涂覆于所述基体上的金属粘接层进行预氧化处理。
在本发明的一实施例中，使用如上所述的热防护涂层制备装置来执行步骤b。
在本发明的一实施例中，在步骤b中通过调整所述基体的平动速度和/或转动速度来调整所述前躯体纤维在所述基体上的疏密程度。
在本发明的一实施例中，在步骤b中通过多层沉积来调整热防护涂层的厚度。
在本发明的一实施例中，在步骤b中通过控制所述基体的平动方向和/或转动方向来在所述基体表面上形成具有二维多向结构的前躯体纤维网。
在本发明的一实施例中，所述步骤a至c用于形成热防护涂层的骨架结构；并且所述热防护涂层制备方法还包括：d.采用热喷涂工艺对所述骨架结构中的空间进行填充。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：1)由于前躯体纤维直径为纳米级，前躯体纤维表面的活化能大，与基体反应活性高，所形成的热防护涂层与基体结合强度高；2)由于热防护涂层为连续前躯体纤维整体沉积成型，且二维多向编织提高了前躯体纤维层间的结合强度，所形成的热防护涂层不易出现局部的剥落、裂纹等缺陷，涂层损伤容限高；3)热防护涂层的隔热效果可通过调节沉积前躯体纤维的疏密程度进行控制；4)热防护涂层制备时不受基体结构因素的限制；5)热防护涂层制备不需复杂、昂贵的设备，成本相对等离子喷涂和电子束物理气相沉积大幅降低。
附图说明
图1是大气等离子喷涂方法制备的涂层的典型结构。
图2是电子束物理气相沉积方法制备的涂层的典型结构。
图3是本发明一实施例的热端部件的热防护涂层制备装置。
图4是本发明一实施例的热端部件的热防护涂层制备方法的基本流程图。
图5是本发明一实施例的对热端部件的基体进行预处理的流程图。
图6是本发明另一实施例的热端部件的热防护涂层制备方法的基本流程图。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
本发明基于具有较高正电压的位于注射器尖端悬挂的前躯体液滴在高压电场的作用下可被拉扯呈锥形，而从锥尖快速喷射出超细射流，且喷射出的超细射流在运动过程中快速挥发并固化，最终可在负极部件表面沉积前躯体纤维的思想，提出了一种热端部件的热防护涂层制备装置及热防护涂层制备方法。在此，前躯体(Precursor)是指用来合成、制备其他物质的经过特殊处理的配合料，例如聚合物溶液、熔体。在此，热端部件可以是燃气轮机、航空发动机中热端部件，例如涡轮叶片、燃烧室内外衬板等，本发明对此并不加以限制。
图3是本发明一实施例的热端部件的热防护涂层制备装置。请参考图3，热端部件的热防护涂层制备装置100包括多轴旋转平台110、高压电源120、前躯体溶液供应部130和注射器140。
多轴旋转平台110用于夹持热端部件的基体10，并使基体10转动和/或平动。应可以理解，转动的方向可以根据对基体10沉积前躯体纤维20的需要进行调整，而不仅限于图3中箭头A所示出的一个转动方向；平动的方向同样可以根据对基体10沉积前躯体纤维20的需要进行调整，而不仅限于图3中箭头B和C所示出的二个平动方向。优选的，基体10的转动速度、转动方向、平动速度和平动方向中的一者或多者在对基体10沉积前躯体纤维20的过程中可以进行调整，以保证前躯体纤维20的连续性。优选的，在对基体10沉积前躯体纤维20的过程中还可以调整基体10的转动方向和/或平动方向，以在基体10表面上沉积出具有二维多向结构的前躯体纤维网，从而增强热防护涂层间的结合力。优选的，可以调整基体10的平动速度和/或转动速度来调整前躯体纤维20在基体10上的疏密程度，以获得不同孔隙率的热防护涂层，以调节热防护涂层的热导率。优选的，基体10为金属基体。
高压电源120的正极和负极分别连接多轴旋转平台110和注射器140，使多轴旋转平台110夹持的基体10与注射器140之间形成千伏以上的高压。优选的，基体10与注射器140之间的电压为在10～30kV之间。此外，在对基体10沉积前躯体纤维20的过程中可以对基体10与注射器140之间的电压进行调整，以保证前躯体纤维20的连续性。
前躯体溶液供应部件130用于向注射器140注入热防护涂层的前躯体溶液。优选的，前躯体溶液供应部件130包括溶液槽131、连接管132和泵133。溶液槽131用于容纳前躯体溶液。连接管132的两端分别连接溶液槽131和注射器140。泵133用于将连接管132内的前躯体溶液注入到注射器140中。优选的，泵133可以是蠕动泵，相应的连接管132为软管。优选的，在对基体10沉积前躯体纤维20的过程中，可以通过例如对泵133流量的控制等，对前躯体溶液供应部件130注入到注射器140中的前躯体溶液的流量进行调整，以保证前躯体纤维20的连续性。
注射器140设置于多轴旋转平台110所夹持的基体10的上方，用于在高压的作用下向基体10喷射前躯体溶液，以在基体10表面沉积前躯体纤维20。优选的，注射器140设置于基体10上方的15～20cm处。优选的，注射器140喷射出的前躯体溶液所形成的前躯体纤维20的直径为纳米级。
在一实施例中，热端部件的热防护涂层制备装置100还包括第一电压表151和第二电压表152。第一电压表151用于测量基体10与地之间的电压，第二电压表152用于测量注射器140与地之间的电压。如此，可以实时监控注射器140与基体10之间的电压，并且能够给出基体10和注射器140分别与地之间的电压，有利于提醒操作员注意基体10和注射器140的带电情况，防止触电。
在一非限制性的实施例中，热端部件的热防护涂层为陶瓷涂层。优选的，热端部件的热防护涂层为含氧化钇稳定氧化锆的陶瓷涂层。对于热防护涂层为含氧化钇稳定氧化锆的方案，前躯体溶液可以是按比例混合的Y(OiPr)3和Zr(OiPr)4的混合溶液，也可以是将纳米级氧化钇稳定氧化锆粉末与表面活性剂混合后获得的浆料。对于其它类型的热防护涂层而言，本领域技术人员应可以根据最终热防护涂层的成分选择适用的聚合物前躯体溶液，本发明对此并不加以限制。
图4是本发明一实施例的热端部件的热防护涂层制备方法的基本流程图。请参考图4，热端部件的热防护涂层制备方法200包括：
步骤210：对热端部件的基体进行预处理。
请参考图5，在更具体的实施例中，步骤210包括对基体进行清洗、干燥的步骤211。具体而言，可以采用水基清洗溶液对基体进行清洗，直至基体表面形成连续水膜，然后采用干燥、清洁压缩空气吹干基体，必要时可采用烘箱烘干。
进一步而言，步骤210还可以包括对清洗、干燥过的基体进行喷砂处理的步骤212。具体而言，先对基体进行喷砂处理，以获得适当的表面粗糙度，然后用清洁干燥的空气除去残留在基体表面的沙砾。
进一步而言，步骤210还可以包括在经喷砂处理后的基体表面涂覆金属粘接层的步骤213。具体而言，可以采用热喷涂(如真空等离子喷涂、高速火焰喷涂)、电弧镀、包埋渗、气相渗和镀铂渗铝等中的一种或多种工艺在喷砂处理后的基体表面涂覆金属粘结层。优选的，金属粘结层的成分可为MCrAlY、NiPtAl(铂改性铝化物)等，其中的M为Ni、Co、Fe等。优选的，在喷砂处理完成后的2个小时内进行涂覆金属粘接层，以保证基体的清洁度，进而保证金属粘接层能与基体具有良好的粘接度。如果喷砂处理完成到涂覆金属粘接层之间的时间间隔超过2个小时，则可以在涂覆金属粘接层前重新对基体进行喷砂处理。
更进一步而言，步骤210还可以包括对涂覆于所述基体上的金属粘接层进行预氧化处理的步骤214，以在金属粘接层上形成厚度在10μm左右的氧化物热生长层。
步骤220：在基体表面上沉积前躯体纤维。
优选的，可以使用上述的热防护涂层制备装置来在基体表面上沉积前躯体纤维，即使用热防护涂层制备装置100执行步骤220。优选的，在热防护涂层制备装置100执行步骤220的过程中，先调节先驱体溶液的进给速度，待稳定后，再在注射器140和基体10之间施加高压。优选的，通过缠绕的方式来在基体表面上沉积前躯体纤维。
优选的，在步骤220中还可以通过调整基体的平动速度和/或转动速度来调整前躯体纤维在基体上的疏密程度，以获得不同孔隙率的热防护涂层，进而调节热防护涂层的导热率。优选的，在步骤220中还可以通过多层沉积来调整热防护涂层的厚度。优选的，在步骤220中还可以通过控制基体的平动方向和/或转动方向来在基体表面上形成具有二维多向结构的前躯体纤维网，从而增强层间结合力。
优选的，前躯体纤维为陶瓷前躯体溶液被喷射后，所形成的射流在下降过程中挥发并固化所形成的纤维。
步骤230：对沉积在基体上的前躯体纤维进行裂解热处理。
具体而言，将沉积有前躯体纤维的基体置于热处理炉中进行裂解热处理，由于前躯体纤维直径一般在纳米级，纤维表面具有较大的表面活化能，当温度升高后，能够与氧化物热生长层迅速反应，发生裂解烧结，从而形成热防护涂层。此外，由于前躯体纤维直径为纳米级，具有较大的表面活化能，在保证热防护涂层结合强度满足要求的情况下，应降低裂解热处理温度，以避免前躯体纤维完全烧结。
由上述的介绍可知，通过热端部件的热防护涂层制备方法200制备的热防护涂层既可保留层状涂层热导率低、隔热性能好的优点，又可提高热防护涂层与基体的结合强度，提高热防护涂层的服役寿命。此外，热防护涂层制备方法200工艺简便、易于控制，有利于实现批量化生产。
此外，还可以在裂解热处理完成，待热端部件冷却后，检查热防护涂层的质量。若质量不满足要求，可以将热防护涂层去除，并重新制备热防护涂层。
图6是本发明另一实施例的热端部件的热防护涂层制备方法的基本流程图。请参考图6，热端部件的热防护涂层制备方法300包含图4示出的热端部件的热防护涂层制备方法200，但在本实施例中热防护涂层制备方法200是用于制备热防护涂层的骨架，并且热防护涂层制备方法300还包括对骨架结构中的空间进行填充的步骤。具体而言，热防护涂层制备方法300包括：
步骤310：通过端部件的热防护涂层制备方法200形成热防护涂层的骨架结构。
步骤320：采用热喷涂等工艺对骨架结构中的空间进行填充。
由于热防护涂层制备方法300是使用生产率较低的热防护涂层制备方法200来形成热防护涂层的骨架，而使用生产率较高的热喷涂等工艺来填充骨架结构中的空间，因此能够提高生产效率。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (23)

1.一种热端部件的热防护涂层制备装置，包括多轴旋转平台、高压电源、前躯体溶液供应部件和注射器；
所述多轴旋转平台，用于夹持所述热端部件的基体，并使所述基体转动和/或平动；
所述高压电源的正极和负极分别连接所述多轴旋转平台和所述注射器，使所述多轴旋转平台夹持的所述基体与所述注射器之间形成千伏以上的高压；
所述前躯体溶液供应部件，用于向所述注射器注入所述热防护涂层的前躯体溶液；以及
所述注射器，设置于所述多轴旋转平台夹持的所述基体的上方，用于在所述高压的作用下向所述基体喷射所述前躯体溶液，以在所述基体表面沉积前躯体纤维。
2.根据权利要求1所述的热防护涂层制备装置，其特征在于，所述前躯体溶液供应部件包括溶液槽、连接管和泵；所述溶液槽用于容纳所述前躯体溶液；所述连接管的两端分别连接所述溶液槽和所述注射器；所述泵用于将所述连接管内的所述前躯体溶液注入到所述注射器。
3.根据权利要求1所述的热防护涂层制备装置，其特征在于，在对所述基体表面沉积所述前躯体纤维时，能够对下述参数中的一个或多个进行调整：
所述前躯体溶液供应部件注入到所述注射器的前躯体溶液的流量；
所述基体与所述注射器之间的电压；
所述基体的转动速度；
所述基体的转动方向；
所述基体的平动速度；以及
所述基体的平动方向。
4.根据权利要求1所述的热防护涂层制备装置，其特征在于，所述前躯体纤维的直径为纳米级。
5.根据权利要求1所述的热防护涂层制备装置，其特征在于，还包括用于测量所述基体与地之间电压的第一电压表；以及用于测量所述注射器与地之间电压的第二电压表。
6.根据权利要求1所述的热防护涂层制备装置，其特征在于，所述注射器位于所述基体上方15～20cm处。
7.根据权利要求1所述的热防护涂层制备装置，其特征在于，所述基体与所述注射器之间的电压在10～30kV之间。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的热防护涂层制备装置，其特征在于，所述热防护涂层为陶瓷涂层。
9.根据权利要求8所述的热防护涂层制备装置，其特征在于，所述陶瓷涂层为含氧化钇稳定氧化锆的陶瓷涂层。
10.根据权利要求9所述的热防护涂层制备装置，其特征在于，所述前躯体溶液为按比例混合的Y(OiPr)3和Zr(OiPr)4的混合溶液。
11.根据权利要求9所述的热防护涂层制备装置，其特征在于，所述前躯体溶液为将纳米级氧化钇稳定氧化锆粉末与表面活性剂混合后获得的浆料。
12.一种热端部件的热防护涂层制备方法，包括：
a.对所述热端部件的基体进行预处理；
b.在所述基体表面上沉积前躯体纤维；以及
c.对沉积在所述基体上的所述前躯体纤维进行裂解热处理。
13.根据权利要求12所述的热防护涂层制备方法，其特征在于，步骤a包括对所述基体进行清洗、干燥处理。
14.根据权利要求13所述的热防护涂层制备方法，其特征在于，步骤a还包括对清洗、干燥过的所述基体进行喷砂处理。
15.根据权利要求14所述的热防护涂层制备方法，其特征在于，步骤a还包括在经喷砂处理后的所述基体表面涂覆金属粘接层。
16.根据权利要求15所述的热防护涂层制备方法，其特征在于，对所述基体表面涂覆金属粘接层采用热喷涂、电弧镀、包埋渗、气相渗和镀铂渗铝中的一种或多种工艺进行。
17.根据权利要求15所述的热防护涂层制备方法，其特征在于，所述金属粘接层的成分为MCrAlY和/或NiPtAl，其中的M为Ni、Co或Fe元素。
18.根据权利要求15所述的热防护涂层制备方法，其特征在于，步骤a还包括对涂覆于所述基体上的金属粘接层进行预氧化处理。
19.根据权利要求12所述的热防护涂层制备方法，其特征在于，使用上述权利要求1至11中的任一项所述的热防护涂层制备装置来执行步骤b。
20.根据权利要求19所述的热防护涂层制备方法，其特征在于，在步骤b中通过调整所述基体的平动速度和/或转动速度来调整所述前躯体纤维在所述基体上的疏密程度。
21.根据权利要求19所述的热防护涂层制备方法，其特征在于，在步骤b中通过多层沉积来调整热防护涂层的厚度。
22.根据权利要求19所述的热防护涂层制备方法，其特征在于，在步骤b中通过控制所述基体的平动方向和/或转动方向来在所述基体表面上形成具有二维多向结构的前躯体纤维网。
23.根据权利要求12至22中任一项所述的热防护涂层制备方法，其特征在于，所述步骤a至c用于形成热防护涂层的骨架结构；并且所述热防护涂层制备方法还包括：
d.采用热喷涂工艺对所述骨架结构中的空间进行填充。
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