CN109811338A - 一种激光增材制造热障涂层材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光增材制造热障涂层材料的方法，属于增材制造领域。该方法主要是采用激光直接沉积技术在NiCrAlY基体中混入不同含量的Al₂O₃增强基体性能。主要步骤包括：步骤A，调整送粉器送粉速率使Al₂O₃占二者混合粉末质量分数范围为5％～25％；步骤B，调整工艺条件，确定NiCrAlY送粉速率为1.5～2g/min，调整激光扫描速度100～400mm/min。步骤C，实际成形，成形不同结构件时工艺参数需要进行相应调整。本发明采用Al₂O₃增强NiCrAlY基体，提高金属基体的耐磨性并且一定程度上提高金属基体的综合力学性能，降低NiCrAlY的摩擦系数。另外，本发明采用激光增材制造技术相比于等离子喷涂等方法可以灵活的控制粉末的比例，实现两种粉末不同比例混合成形，而且成形组织致密，层间结合力良好。

Description

一种激光增材制造热障涂层材料的方法

技术领域

本发明属于增材制造领域，涉及热障涂层材料的制备方法，尤其涉及一种激光增材制造热障涂层材料的方法。

背景技术

随着科技水平的提高，零件的使用环境越来越多元化，单一均质材料无法满足多元的使用条件。热障涂层材料作为零件表面的保护层可以有效的起到隔热和耐腐蚀的作用，很大程度上延长部件的使用寿命。

航空飞机发动机叶片常处在高温、高压、振动等恶劣环境下工作，此外还伴随着腐蚀和磨损的问题。磨损失效是发动机叶片失效的主要形式之一。为了提高部件的使用寿命需要在提高材料高温性能的同时提高材料的耐磨性。NiCrAlY作为一种常用的热障涂层材料具有很好的耐高温性能，但耐磨性能不佳，因此亟需提高NiCrAlY材料的耐磨性。

采用陶瓷增强金属可以同时保留金属和陶瓷的某些优点，如前者的韧性和抗弯性，后者的高强度、耐磨性和耐高温性能等。采用陶瓷增强NiCrAlY可以有效的提高NiCrAlY的耐磨性。目前制备NiCrAlY材料的方法主要采用等离子喷涂技术。该方法成形组织呈现层片状，且层片结构之间存在缺陷(孔隙，微观裂纹)，组织比较疏松，结合力较弱。等离子喷涂制备涂层孔隙率高，且孔隙大小分布不均匀，层片之间的缺陷在热应力的作用下极易导致涂层失效。激光增材制造相较于等离子喷涂技术冷却速率低一个数量级，采用激光直接熔化金属形成的组织致密孔隙率低，并且激光增材制造方法可以灵活调节各组分比例。

中国科学院金属研究所武颖娜等：“等离子-激光复合制备NiCrAlY-Al₂O₃层的抗氧化性能研究”，金属热处理，2002年。利用等离子-激光复合制备NiCrAlY-Al₂O₃涂层，结果表明等离子-激光复合制备涂层抗氧化性优于仅利用等离子喷涂涂层，且NiCrAlY-Al₂O₃复合涂层氧化速率低于NiCrAlY。但其方法仅利用激光重熔表面，内部组织仍保留等离子喷涂组织比较疏松的特征。

大连理工大学张国会等：“激光近净成形Inconel 718/NiCrAlY/ZrO₂功能梯度材料实验研究”，大连理工大学研究生硕士学位论文，2018年。利用激光近净成形技术成形Inconel 718/NiCrAlY/ZrO₂梯度材料实现了Inconel 718到30％ZrO₂的过渡，结构致密。但NiCrAlY和ZrO₂的润湿性较差。

韦子运等：“纳米SiC颗粒增强Ni基激光熔覆涂层高温抗氧化性能的研究”，湖南农机，2014年。采用激光熔覆技术制备纳米SiC颗粒增强Ni基合金，其高温氧化性能优异，但是，SiC的导热系数约是Al₂O₃的三倍，没有Al₂O₃隔热好；SiC的热膨胀系数比Al₂O₃小。

G.Bolelli等：“Tribology of NiCrAlY+Al₂O₃composite coatings by plasmaspraying with hybrid feeding of dry powder suspension”，Wear，2015年。采用等离子喷涂技术制备的NiCrAlY+Al₂O₃复合材料耐磨性提高，但是这种方法成形组织气孔比较大，组织不致密。

深圳大学李均钦等：“反应热压法制备Al₂O₃/NiCrAl复合材料及功能梯度材料”，中国有色金属学报，2005年。利用反应热压烧结制备了Al₂O₃/NiCrAl梯度材料，但是制备的梯度材料每个成分之间边界清晰，没有达到冶金结合，结合不紧密。

发明内容

为了提高热障涂层综合性能，本发明提供一种激光增材制造热障涂层材料的方法，该方法采用激光直接沉积技术在NiCrAlY基体中混入不同含量的Al₂O₃增强基体性能，利用Al₂O₃增强NiCrAlY基体。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种激光增材制造热障涂层材料的方法，该方法采用Al₂O₃增强NiCrAlY基体，基于下述结构实现：基板5固定在数控机床工作台6上方，喷头4置于基板5正上方6-10mm处，喷头4与激光器2、冷水机3、送粉器7和高纯氩气8相连。工业计算机1控制激光器2输出激光；冷水机3向喷头4输送恒温水确保成形过程中喷头4处温度低于40℃；送粉器7内设有Al₂O₃粉末、NiCrAlY粉末，用于向喷头4送粉。整个装置中，采用纯度为99.99％的高纯氩气8作为成形保护气以及送粉气体，气压为0.2-0.5MPa。该方法具体步骤如下：

步骤A，采用Al₂O₃粉末和NiCrAlY粉末同步送粉，调整送粉器7中Al₂O₃粉末的送粉速率，使单位时间输送的Al₂O₃粉末所占质量分数为5％～25％。

步骤A中所述的Al₂O₃粉末的粒径范围是20-200μm，NiCrAlY粉末的粒径范围是20-200μm。

步骤B，调整恒定工艺参数：

调整送粉器7的送粉速率：NiCrAlY送粉速率为Q₁，Q₁范围为1.5～2g/min，Al₂O₃送粉速率为Q₂＝Q₁×a/(1-a)，则总送粉速率为Q＝Q₁+Q₂。调整激光扫描速度100-400mm/min。

步骤C，实际成形过程：

根据步骤B中确定的恒定工艺参数，基板5与数控机床工作台6同步运动，送粉器7中两桶同步送粉，工业计算机1控制激光器2改变激光强度即成形过程中的单位质量能量E_g，激光照射基板5并且熔化粉末进行成形。其中，成形不同结构的工艺参数为：

当成形单道多层9时，单位质量能量E_g范围为200～310J/g，激光功率P＝E_g×Q。

当成形多道多层10时，单位质量能量E_g范围为250～350J/g，激光功率P＝E_g×Q；单道截面面积为S，两道重合部分截面面积为S₁，则搭接率为

本发明的有益效果如下：

(1)本发明采用Al₂O₃增强NiCrAlY基体，Al₂O₃陶瓷既具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高硬度等特点，又具备优良的抗氧化性、化学稳定性等特性，可以提高金属基体的耐磨性并且一定程度上提高金属基体的综合力学性能。

(2)本发明采用激光增材制造技术相比于等离子喷涂等方法可以灵活的控制粉末的比例，实现两种粉末不同比例混合成形，而且成形组织致密，层间结合力良好。

附图说明

图1为本发明激光增材制造制备热障涂层成形系统图：

图2为成形结构示意图：(a)为成形单道多层结构，(b)为成形多道多层结构。

图中：1工业计算机；2激光器；3冷水机；4喷头；5基板；6数控机床工作台；7送粉器；8高纯氩气；9单道多层结构；10多道多层结构。

具体实施方案

一种激光增材制造热障涂层材料的方法，该方法采用Al₂O₃增强NiCrAlY基体，基于下述结构实现：基板5固定在数控机床工作台6上方，喷头4置于基板5正上方9mm处，喷头4与激光器2、冷水机3、送粉器7和高纯氩气8相连。工业计算机1控制激光器2输出激光。冷水机3向喷头4输送恒温水确保成形过程中喷头4处温度低于40℃。送粉器7内设有Al₂O₃粉末、NiCrAlY粉末，用于向喷头4送粉。整个装置中，采用纯度为99.99％的高纯氩气8作为成形保护气以及送粉气体，气压为0.3MPa。

实施例1

步骤A，筛出粒径为45-90μm的Al₂O₃粉末和NiCrAlY粉末，并将其分别置于送粉器7的两个送粉桶中；采用Al₂O₃粉末和NiCrAlY粉末同步送粉，调整送粉器7中Al₂O₃粉末的送粉速率，使得单位时间输送的Al₂O₃粉末所占质量分数为a＝10％；

步骤B，调整恒定工艺参数：NiCrAlY送粉速率为Q₁＝2g/min，Al₂O₃送粉速率为Q₂＝Q₁×a/(1-a)＝2×10％(1-10％)＝0.22g/min，则总送粉速率为Q＝Q₁+Q₂＝2+0.22＝2.22g/min；激光扫描速度为300mm/min。

步骤C，成形多道多层结构：根据步骤B中确定的恒定工艺参数进行多道多层结构数控编程，采用层与层之间垂直交叉的扫描方式在基板上进行多道多层成形，单位质量能量E_g＝290J/g，激光功率P＝E_g×Q＝290J/g×2.22g/min＝644W，搭接率

实施例2

步骤A，筛出粒径为45-90μm的Al₂O₃粉末和NiCrAlY粉末，并将其分别置于送粉器7的两个送粉桶中；采用Al₂O₃粉末和NiCrAlY粉末同步送粉，调整送粉器7中Al₂O₃粉末的送粉速率，使得单位时间输送的Al₂O₃粉末所占质量分数为a＝20％；

步骤B，调整恒定工艺参数：NiCrAlY送粉速率为Q₁＝2g/min，Al₂O₃送粉速率为Q₂＝Q₁×a/(1-a)＝2×20％(1-20％)＝0.5g/min，则总的送粉速率为Q＝Q₁+Q₂＝2+0.5＝2.5g/min；激光扫描速度为300mm/min。

步骤C，成形多道多层结构：根据步骤B中确定的恒定工艺参数进行单道多层结构数控编程，采用Z字型扫描轨迹在基板上进行单道多层成形，单位质量能量E_g＝240J/g，激光功率P＝E_g×Q＝240J/g×2.5g/min＝600W。

以上所述实例仅为本发明的一次具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种激光增材制造热障涂层材料的方法，其特征在于，该方法步骤如下：

步骤A，采用Al₂O₃粉末和NiCrAlY粉末同步送粉，调整送粉器中Al₂O₃粉末的送粉速率，使单位时间输送的Al₂O₃粉末所占质量分数为5％～25％；

步骤B，调整恒定工艺参数：

调整送粉器的送粉速率：NiCrAlY送粉速率为Q₁，Q₁范围为1.5～2g/min，Al₂O₃送粉速率为Q₂＝Q₁×a/(1-a)，则总送粉速率为Q＝Q₁+Q₂；调整激光扫描速度100-400mm/min；

步骤C，实际成形过程：

根据步骤B中确定的恒定工艺参数，控制激光器改变激成形过程中的单位质量能量E_g，激光照射基板并且熔化粉末进行成形；其中，成形不同结构的工艺参数为：

当成形单道多层时，单位质量能量E_g范围为200～310J/g，激光功率P＝E_g×Q；

当成形多道多层时，采用层与层之间垂直交叉的扫描方式在基板上进行多道多层成形，单位质量能量E_g范围为250～350J/g，激光功率P＝E_g×Q；单道截面面积为S，两道重合部分截面面积为S₁，则搭接率为