CN109457210A - 一种耐高温低发射率涂层及其制备方法 - Google Patents

一种耐高温低发射率涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本技术属于航空发动机热端部件的防护涂层技术，特别是涉及一种耐高温低发射率涂层及其制备方法，采用贵金属Pt作为低发射率面层，YSZ陶瓷扩散阻挡层作为中间层，MCrAlY作为金属粘结层等三层组成的耐高温低发射率涂层涂层体系。其中Pt层采用多弧离子镀方法制备，YSZ陶瓷扩散阻挡层采用等离子喷涂方法制备，并进行光整处理，MCrAlY层采用等离子喷涂方法制备。本发明制备的涂层具有良好的耐高温性能和低发射率性能，从而满足航空发动机热端部件对耐高温低发射率涂层的需求。

Description

一种耐高温低发射率涂层及其制备方法
技术领域
本技术属于航空发动机热端部件的防护涂层技术，特别是涉及一种耐高温低发射率涂层及其制备方法。
背景技术
低发射率特征是四代机的标志性指标，航空发动机是飞机的动力来源，同时也是飞机上最大的红外辐射源，在飞机红外辐射中占到了90％以上，其红外辐射能量来自于发动机后段高温固体(如喷管、低压涡轮等)壁面和高温尾喷流的辐射以及二者形成的腔体辐射，主要集中在3～5μm波长范围内(也称为中波波段)，是红外制导导弹的主要跟踪目标波段。由于高空背景干净、环境温度较发动机温度低很多，发动机红外辐射特征在天空背景中显得异常明显。因此，能量大、特征明显是发动机红外辐射的一个非常重要的特点。
红外低发射率涂层是将低发射率材料涂敷在零部件表面，降低目标辐射强度，从而实现低目标特征功能，具有使用方便，对武器装备的外形不需作任何改动,对目标的外形适应性强和对装备的机动性能影响小，适宜在现有装备上推广使用等特点，得到了广泛应用。与飞机、航天、船舶和兵器等行业低发射率特征不同，飞机低发射率涂层温度一般低于200℃，航天低发射率涂层不考虑循环使用问题，船舶、兵器主要是常温、可见光低发射率特征，所采用的涂层体系主要为低发射率涂料，无法满足航空发动机零部件高温(＞900℃)使用需求。工作温度、负荷、转速极端多变的工作状态及复杂恶劣的工作环境，推力损失、空间尺寸、质量等限制以及长寿命、高可靠性要求等，均给发动机低发射率涂层技术研究及工程化应用带来巨大难度和挑战。
航空发动机喷管、低涡叶片等热端部件，服役环境恶劣，长期经受高温燃气的冲击和侵蚀，其表面采用由抗氧化腐蚀性能良好的MCrAlY(M＝Ni，Co或Ni+Co)金属粘结底层和导热系数低的Y2O3部分稳定的ZrO2(YSZ)陶瓷面层组成的热障涂层(TBCs)可以显著提高其抗烧蚀能力，延长其服役寿命和可靠性。数据表明，YSZ的发射率一般为0.5～0.6左右，无法满足航空发动机红外低发射率特征需求。
因此如何在降低热端部件红外辐射强度同时提高其可靠性和服役寿命成为发展其红外低发射率特征涂层的关键问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种耐高温低发射率涂层及其制备方法。提供了一种兼具耐高温和低发射率红外涂层结构及其制备方法，采用贵金属Pt作为低发射率面层，YSZ作为扩散阻挡中间层，MCrAlY作为金属粘结层等三层组成的耐高温低发射率涂层涂层体系。其中Pt层采用多弧离子镀方法制备，YSZ层采用等离子喷涂方法制备，并进行光整处理，MCrAlY层采用等离子喷涂方法制备。该涂层具有良好的耐高温性能和低发射率性能，从而满足航空发动机热端部件对耐高温低发射率红外涂层的需求。
具体技术方案如下：
一种耐高温低发射率涂层，所述涂层由低发射率贵金属Pt面层、YSZ陶瓷扩散阻挡层和MCrAlY金属粘结层三层组成。
一种耐高温低发射率涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：采用大气等离子喷涂方法在零件表面制备0.05-0.15mm的MCrAlY金属粘结底层；
步骤2：采用大气等离子喷涂方法在调节片表面制备0.10-0.20mm的YSZ扩散阻挡中间层；
步骤3：对YSZ陶瓷扩散阻挡层表面进行光整处理，其粗糙度Ra小于1.0μm；
步骤4：对光整处理后的零件进行清洗，烘干等工序以去除表面污染物；
步骤5：对装炉后的零件进行离子轰击溅射清洗，进一步活化零件表面；
步骤6：离子清理完毕后进行3～10μm Pt面层的沉积。
步骤1中所述的大气等离子喷涂方法技术参数如：喷嘴/电极Φ6mm，粉末喷口Φ1.5mm，粉末喷口距离5.5mm，送粉气为氩气，送粉计数1.5RPM，载气流量8.0SCFH，送粉速率24g/min，喷枪速度5mm/s；主气类型为氩气，主气流量110SCFH；次气类型为氢气，次气流量25SCFH；电流600A，喷枪电压55V，喷枪功率33KW，喷涂距离120mm，喷涂角度90°，喷涂6遍，涂层厚度0.07-0.15mm。
步骤2中所述的大气等离子喷涂方法技术参数如：喷嘴/电极Φ6mm，粉末喷口Φ1.8mm，粉末入射角75°，粉末喷口距离5.5mm，送粉计数4.0RPM，送粉气为氩气，载气流量8.0SCFH，送粉速率34g/min，喷枪速度2mm/s，主气类型为氩气，主气流量80SCFH，次气类型为氢气，次气流量4SCFH，电流800A，喷枪电压41.2V，喷枪功率32.88KW，喷涂距离110mm，喷涂角度90°，喷涂5遍，涂层厚度0.10～0.20mm。
步骤4中所述的光整处理技术参数如下：首先用320#聚乙烯醇抛光轮，转速3750转/分，粗抛光大平面，光洁度达到Ra3.2左右；然后再调整转速至5000转/分，抛光大平面，光洁度达到Ra0.6-Ra1.0。
步骤5中所述的离子轰击溅射技术参数如下：设定温度：250℃±50℃；设定真空度：0.05-0.4Pa；充入气体：Ar；时间：3～7min；偏压设定：占空比：50％～85％，偏压：600～1300V；靶电流：电弧Pt靶20～80A。
步骤6中所述沉积的技术参数如下：设定温度：250℃±50℃；设定真空度：0.1-1Pa；充入气体：Ar；时间：50～80min；偏压设定：占空比：50％～85％，偏压：100～300V，靶电流：电弧Pt靶20～80A。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：
(1)采用贵金属Pt作为低发射率面层，Pt具有良好的高温稳定性和低发射率特征。
(2)采用YSZ陶瓷扩散阻挡层减缓高温合金基体和贵金属面层之间的互扩散，防止高温服役过程中高温合金基体合金中Fe、Co、Ni等元素向低发射率面层的扩散会加速积炭在零部件表面的富集，引起涂层发射率升高。
(3)考虑到YSZ层和高温合金基体热膨胀系数不匹配，冷热循环过程中产生较大热应力导致YSZ层剥落失效，采用MCrAlY金属粘结层缓解YSZ层和基体合金热膨胀系数不匹配引起的热应力问题。
(4)对YSZ层进行光整处理，可以进一步降低其表面粗糙度，改善耐高温低发射率涂层体系的发射率。
(5)与金属相比，YSZ陶瓷涂层具有较低的导热系数，可以显著降低零件表面温度，提高其服役寿命和可靠性。
附图说明
图1-5为涂敷完一种耐高温低发射率涂层零件模拟件5个典型位置的金相照片，从图可以看出涂层厚度连续、均匀、完整。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不受实施例所限。
实施例中所述的大气等离子喷涂使用的喷枪型号为F4MB90-XL，机械手型号IRB2600，送粉器型号1264WL。
实施例1：
一种耐高温低发射率涂层，所述涂层由低发射率贵金属Pt面层、YSZ陶瓷扩散阻挡层和MCrAlY金属粘结层三层组成。
一种耐高温低发射率涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：采用大气等离子喷涂方法在零件表面制备0.05mm的MCrAlY金属粘结底层；
步骤2：采用大气等离子喷涂方法在调节片表面制备0.10mm的YSZ扩散阻挡中间层；
步骤3：对YSZ陶瓷扩散阻挡层表面进行光整处理，其粗糙度Ra为0.8μm；
步骤4：对光整处理后的零件进行清洗，烘干等工序以去除表面污染物；
步骤5：对装炉后的零件进行离子轰击溅射清洗，进一步活化零件表面；
步骤6：离子清理完毕后进行3μm Pt面层的沉积。
步骤1中所述的大气等离子喷涂方法技术参数如：喷嘴/电极Φ6mm，粉末喷口Φ1.5mm，粉末喷口距离5.5mm，送粉气为氩气，送粉计数1.5RPM，载气流量8.0SCFH，送粉速率24g/min，喷枪速度5mm/s；主气类型为氩气，主气流量110SCFH；次气类型为氢气，次气流量25SCFH；电流600A，喷枪电压55V，喷枪功率33KW，喷涂距离120mm，喷涂角度90°，喷涂6遍，涂层厚度0.07mm。
步骤2中所述的大气等离子喷涂方法技术参数如：喷嘴/电极Φ6mm，粉末喷口Φ1.8mm，粉末入射角75°，粉末喷口距离5.5mm，送粉计数4.0RPM，送粉气为氩气，载气流量8.0SCFH，送粉速率34g/min，喷枪速度2mm/s，主气类型为氩气，主气流量80SCFH，次气类型为氢气，次气流量4SCFH，电流800A，喷枪电压41.2V，喷枪功率32.88KW，喷涂距离110mm，喷涂角度90°，喷涂5遍，涂层厚度0.10mm。
步骤4中所述的光整处理技术参数如下：首先用320#聚乙烯醇抛光轮，转速3750转/分，粗抛光大平面，光洁度达到Ra3.2左右；然后再调整转速至5000转/分，抛光大平面，光洁度达到Ra0.6。
步骤5中所述的离子轰击溅射技术参数如下：设定温度：250℃±50℃；设定真空度：0.05Pa；充入气体：Ar；时间：3min；偏压设定：占空比：50％，偏压：600V；靶电流：电弧Pt靶20A。
步骤6中所述沉积的技术参数如下：设定温度：250℃±50℃；设定真空度：0.1Pa；充入气体：Ar；时间：50min；偏压设定：占空比：50％，偏压：100V，靶电流：电弧Pt靶20A。
实施例2：
一种耐高温低发射率涂层，所述涂层由低发射率贵金属Pt面层、YSZ陶瓷扩散阻挡层和MCrAlY金属粘结层三层组成。
一种耐高温低发射率涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：采用大气等离子喷涂方法在零件表面制备0.10mm的MCrAlY金属粘结底层；
步骤2：采用大气等离子喷涂方法在调节片表面制备0.15mm的YSZ扩散阻挡中间层；
步骤3：对YSZ陶瓷扩散阻挡层表面进行光整处理，其粗糙度Ra为0.6μm；
步骤4：对光整处理后的零件进行清洗，烘干等工序以去除表面污染物；
步骤5：对装炉后的零件进行离子轰击溅射清洗，进一步活化零件表面；
步骤6：离子清理完毕后进行8μm Pt面层的沉积。
步骤1中所述的大气等离子喷涂方法技术参数如：喷嘴/电极Φ6mm，粉末喷口Φ1.5mm，粉末喷口距离5.5mm，送粉气为氩气，送粉计数1.5RPM，载气流量8.0SCFH，送粉速率24g/min，喷枪速度5mm/s；主气类型为氩气，主气流量110SCFH；次气类型为氢气，次气流量25SCFH；电流600A，喷枪电压55V，喷枪功率33KW，喷涂距离120mm，喷涂角度90°，喷涂6遍，涂层厚度0.1mm。
步骤2中所述的大气等离子喷涂方法技术参数如：喷嘴/电极Φ6mm，粉末喷口Φ1.8mm，粉末入射角75°，粉末喷口距离5.5mm，送粉计数4.0RPM，送粉气为氩气，载气流量8.0SCFH，送粉速率34g/min，喷枪速度2mm/s，主气类型为氩气，主气流量80SCFH，次气类型为氢气，次气流量4SCFH，电流800A，喷枪电压41.2V，喷枪功率32.88KW，喷涂距离110mm，喷涂角度90°，喷涂5遍，涂层厚度0.15mm。
步骤4中所述的光整处理技术参数如下：首先用320#聚乙烯醇抛光轮，转速3750转/分，粗抛光大平面，光洁度达到Ra3.2左右；然后再调整转速至5000转/分，抛光大平面，光洁度达到Ra0.8。
步骤5中所述的离子轰击溅射技术参数如下：设定温度：250℃±50℃；设定真空度：0.2Pa；充入气体：Ar；时间：5min；偏压设定：占空比：75％，偏压：1000V；靶电流：电弧Pt靶50A。
步骤6中所述沉积的技术参数如下：设定温度：250℃±50℃；设定真空度：0.5Pa；充入气体：Ar；时间：65min；偏压设定：占空比：75％，偏压：200V，靶电流：电弧Pt靶50A。
实施例3：
一种耐高温低发射率涂层，所述涂层由低发射率贵金属Pt面层、YSZ陶瓷扩散阻挡层和MCrAlY金属粘结层三层组成。
一种耐高温低发射率涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：采用大气等离子喷涂方法在零件表面制备-0.15mm的MCrAlY金属粘结底层；
步骤2：采用大气等离子喷涂方法在调节片表面制备0.20mm的YSZ扩散阻挡中间层；
步骤3：对YSZ陶瓷扩散阻挡层表面进行光整处理，其粗糙度Ra为0.4μm；
步骤4：对光整处理后的零件进行清洗，烘干等工序以去除表面污染物；
步骤5：对装炉后的零件进行离子轰击溅射清洗，进一步活化零件表面；
步骤6：离子清理完毕后进行10μm Pt面层的沉积。
步骤1中所述的大气等离子喷涂方法技术参数如：喷嘴/电极Φ6mm，粉末喷口Φ1.5mm，粉末喷口距离5.5mm，送粉气为氩气，送粉计数1.5RPM，载气流量8.0SCFH，送粉速率24g/min，喷枪速度5mm/s；主气类型为氩气，主气流量110SCFH；次气类型为氢气，次气流量25SCFH；电流600A，喷枪电压55V，喷枪功率33KW，喷涂距离120mm，喷涂角度90°，喷涂6遍，涂层厚度0.15mm。
步骤2中所述的大气等离子喷涂方法技术参数如：喷嘴/电极Φ6mm，粉末喷口Φ1.8mm，粉末入射角75°，粉末喷口距离5.5mm，送粉计数4.0RPM，送粉气为氩气，载气流量8.0SCFH，送粉速率34g/min，喷枪速度2mm/s，主气类型为氩气，主气流量80SCFH，次气类型为氢气，次气流量4SCFH，电流800A，喷枪电压41.2V，喷枪功率32.88KW，喷涂距离110mm，喷涂角度90°，喷涂5遍，涂层厚度0.20mm。
步骤4中所述的光整处理技术参数如下：首先用320#聚乙烯醇抛光轮，转速3750转/分，粗抛光大平面，光洁度达到Ra3.2左右；然后再调整转速至5000转/分，抛光大平面，光洁度达到Ra1.0。
步骤5中所述的离子轰击溅射技术参数如下：设定温度：250℃±50℃；设定真空度：0.4Pa；充入气体：Ar；时间：7min；偏压设定：占空比：85％，偏压：600～1300V；靶电流：电弧Pt靶80A。
步骤6中所述沉积的技术参数如下：设定温度：250℃±50℃；设定真空度：1Pa；充入气体：Ar；时间：80min；偏压设定：占空比：85％，偏压：300V，靶电流：电弧Pt靶80A。
图1-5为实施例1涂敷完一种耐高温低发射率涂层零件模拟件5个典型位置的金相照片，由图可见，涂层厚度连续、均匀、完整。

Claims (7)

1.一种耐高温低发射率涂层，其特征在于：所述涂层由低发射率贵金属Pt面层、YSZ陶瓷扩散阻挡层和MCrAlY金属粘结层三层组成。
2.一种耐高温低发射率涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：采用大气等离子喷涂方法在零件表面制备0.05-0.15mm的MCrAlY金属粘结底层；
步骤2：采用大气等离子喷涂方法在调节片表面制备0.10-0.20mm的YSZ扩散阻挡中间层；
步骤3：对YSZ陶瓷扩散阻挡层表面进行光整处理，其粗糙度Ra小于1.0μm；
步骤4：对光整处理后的零件进行清洗，烘干等工序以去除表面污染物；
步骤5：对装炉后的零件进行离子轰击溅射清洗，进一步活化零件表面；
步骤6：离子清理完毕后进行3～10μm Pt面层的沉积。
3.根据权利要求2所述的耐高温低发射率涂层的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的大气等离子喷涂方法技术参数如：喷嘴/电极Φ6mm，粉末喷口Φ1.5mm，粉末喷口距离5.5mm，送粉气为氩气，送粉计数1.5RPM，载气流量8.0SCFH，送粉速率24g/min，喷枪速度5mm/s；主气类型为氩气，主气流量110SCFH；次气类型为氢气，次气流量25SCFH；电流600A，喷枪电压55V，喷枪功率33KW，喷涂距离120mm，喷涂角度90°，喷涂6遍，涂层厚度0.07-0.15mm。
4.根据权利要求2所述的耐高温低发射率涂层的制备方法，其特征在于，步骤2中所述的大气等离子喷涂方法技术参数如：喷嘴/电极Φ6mm，粉末喷口Φ1.8mm，粉末入射角75°，粉末喷口距离5.5mm，送粉计数4.0RPM，送粉气为氩气，载气流量8.0SCFH，送粉速率34g/min，喷枪速度2mm/s，主气类型为氩气，主气流量80SCFH，次气类型为氢气，次气流量4SCFH，电流800A，喷枪电压41.2V，喷枪功率32.88KW，喷涂距离110mm，喷涂角度90°，喷涂5遍，涂层厚度0.10～0.20mm。
5.根据权利要求2所述的耐高温低发射率涂层的制备方法，其特征在于，步骤4中所述的光整处理技术参数如下：首先用320#聚乙烯醇抛光轮，转速3750转/分，粗抛光大平面，光洁度达到Ra3.2左右；然后再调整转速至5000转/分，抛光大平面，光洁度达到Ra0.6-Ra1.0。
6.根据权利要求2所述的耐高温低发射率涂层的制备方法，其特征在于，步骤5中所述的离子轰击溅射技术参数如下：设定温度：250℃±50℃；设定真空度：0.05-0.4Pa；充入气体：Ar；时间：3～7min；偏压设定：占空比：50％～85％，偏压：600～1300V；靶电流：电弧Pt靶20～80A。
7.根据权利要求2所述的耐高温低发射率涂层的制备方法，其特征在于，步骤6中所述沉积的技术参数如下：设定温度：250℃±50℃；设定真空度：0.1-1Pa；充入气体：Ar；时间：50～80min；偏压设定：占空比：50％～85％，偏压：100～300V，靶电流：电弧Pt靶20～80A。
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