CN110144554A - 高温合金表面NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的制备方法 - Google Patents

高温合金表面NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温合金表面NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的制备方法，该方法包括：一、对高温合金基体打磨清洗；二、采用电子束物理气相沉积法在经清洗后的高温合金基体上制备NiCrAlY粘结层；三、采用电子束物理气相沉积法在NiCrAlY粘结层上制备YSZ陶瓷层；四、对YSZ陶瓷层表面激光重熔改性，得到NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层。本发明采用激光重熔法对YSZ陶瓷层表面改性，形成以热导率较低的四方相ZrO2为主的激光改性YSZ层，得到微观组织结构致密的YSZ/激光改性YSZ复合结构，降低了有害气体的扩散，提高了热障涂层的抗高温氧化性能，延长了热障涂层的使用寿命。

Description

高温合金表面NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的制备 方法
技术领域
本发明属于高温涂层防护技术领域，具体涉及一种高温合金表面NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的制备方法。
背景技术
热障涂层技术被认为是发展高性能航空发动机涡轮叶片的三大关键技术之一，是高温防护涂层领域研究的重点问题。目前，航空发动机涡轮叶片表面的热障涂层多采用电子束物理气相沉积和等离子喷涂制备，涂层结构一般由NiCrAlY粘结层和YSZ陶瓷层组成。随着发动机推重比的不断提高，燃烧室温度达到1700℃以上，传统的热障涂层已经无法满足应用环境的需求。
目前，研究者们对于YSZ陶瓷层的表面改性主要分为两个方面，一方面是在YSZ陶瓷层表面增加一层致密层作为阻挡层，减少有害元素的扩散通道，提高涂层的抗氧化性能。授权公告号为CN 103668191B的中国专利中公开了一种采用磁控溅射在YSZ陶瓷层表面上制备5～30μm铝膜层，再经真空热处理使该热障涂层表面形成致密的α-Al2O3阻挡层以提高热障涂层的抗氧化性能的方法，但该方法会在真空热处理过程中形成一定量Zr-Al相，从而影响到热障涂层的热疲劳性能。另一方面，是采用激光处理等手段对YSZ表面结构进行改性处理，使其表面形成结构致密的YSZ层，提高涂层的抗氧化性能，如授权公告号为CN203697601U的专利中公开了一种含有桩顶结构增强体的热障涂层，采用激光改性在热障涂层中设置不连续的、分散的桩钉强化单元体，使热障涂层产生软硬交替变化的特征，改善了涂层的组织结构，提高了涂层的抗氧化性能，但该方法中强度单元体的设计较为复杂，可重复性较差。与增加阻挡层相比，激光改性处理方法简单，工艺可控，更有益于新一代热障涂层的制备及应用。
通过激光改性处理，可以在YSZ表面形成致密平整的重熔层组织，从而提高热障涂层的抗氧化性能。但现有技术主要是对等离子喷涂制备的热障涂层进行激光改性处理，利用激光的高束能量及其快速冷却的特性在等离子喷涂制备的层状YSZ进行改性处理，得到柱状晶结构的激光改性YSZ，提高原热障涂层的抗氧化性能，针对EB-PVD(电子束物理气相沉积法)制备热障涂层的激光处理技术研究较少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高温合金表面NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的制备方法。该方法采用激光重熔法针对EB-PVD法制备的NiCrAlY/YSZ双层热障涂层进行激光改性，在具有柱状晶结构的YSZ陶瓷层表面形成以热导率较低四方相ZrO2为主的激光改性YSZ层，从而得到微观组织结构致密的YSZ/激光改性YSZ复合结构，降低了有害气体的扩散行为，延缓热生长氧化层的生长速率，提高了热障涂层的抗高温氧化性能，延长了热障涂层的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：高温合金表面NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、对高温合金基体进行逐级打磨，然后进行超声波清洗；
步骤二、采用电子束物理气相沉积法在步骤一中经超声波清洗后的高温合金基体的表面上制备NiCrAlY粘结层；
步骤三、采用电子束物理气相沉积法在步骤二中制备的NiCrAlY粘结层的表面上制备YSZ陶瓷层；
步骤四、采用脉冲激光器对步骤三中制备的YSZ陶瓷层的表面进行重熔处理，制备激光改性YSZ层，得到NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层。
本发明采用电子束物理气相沉积法在高温合金表面依次制备NiCrAlY粘结层、YSZ陶瓷层，然后采用激光重熔法对YSZ陶瓷层表面进行改性制备激光改性YSZ层，得到NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层，由于采用电子束物理气相沉积法制备的YSZ层具有柱状晶结构，而经激光改性后重熔形成的激光改性YSZ层主要由热导率较低的四方相的ZrO2组成，该组成结构的激光改性YSZ层与柱状晶结构的YSZ层结合良好，两者结合形成的YSZ/激光改性YSZ复合结构微观组织结构致密，能够降低氧等有害气体向高温合金基体内的扩散行为，延缓热生长氧化层(即TGO层)的生长速率，提高了热障涂层的抗高温氧化性能，延长了热障涂层的使用寿命。
上述的高温合金表面NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中依次采用80#、200#、400#、600#、800#、1000#的水磨砂纸对高温合金基体进行逐级打磨，所述超声波清洗采用丙酮为清洗剂，所述超声波清洗的时间为20min。采用上述砂纸打磨并在上述条件下超声清洗，使得高温合金基体的表面纯净无杂质，容易达到EB-PVD制备涂层的要求。
上述的高温合金表面NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤二中所述NiCrAlY粘结层的厚度为10μm～50μm，所述电子束物理气相沉积法采用的靶材为NiCrAlY靶材，NiCrAlY靶材的成分为60.5Ni-28Cr-11Al-0.5Y，所述NiCrAlY靶材的质量纯度不小于99.9％；所述电子束物理气相沉积法的工艺参数为：沉积室真空度小于3×10-3Pa，经超声波清洗后的高温合金基体温度600℃～900℃，NiCrAlY靶材的蒸发电流0.8A～1.5A，旋转速度5r/min～20r/min，靶基距200mm～500mm。厚度为10μm～50μm的NiCrAlY粘结层能在高温合金基体与YSZ陶瓷层之间起到显著的过渡作用，有效缓解了高温合金基体与YSZ陶瓷层的热不匹配性，有利于提高热障涂层的整体性能；上述NiCrAlY靶材的成分和质量纯度保证了NiCrAlY粘结层的成分满足需要，且杂质含量在合理的范围内；采用上述工艺参数的电子束物理气相沉积法制备的NiCrAlY粘结层厚度均匀且与高温合金基体结合力良好，从而发挥较好的粘结作用。
上述的高温合金表面NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤三中所述YSZ陶瓷层的厚度为50μm～300μm；所述电子束物理气相沉积法采用的靶材为含有6wt％～8wt％Y2O3部分稳定的ZrO2，所述靶材的质量纯度不小于99.9％；所述电子束物理气相沉积法的工艺参数为：沉积室真空度小于3×10-3Pa，高温合金基体温度600℃～1000℃，靶材的蒸发电流0.8A～1.5A，旋转速度5r/min～15r/min，靶基距200mm～500mm。厚度为50μm～300μm的YSZ陶瓷层能起到显著的隔热效果，且与NiCrAlY粘结层匹配较好；上述靶材的成分和质量纯度保证了YSZ陶瓷层的成分满足需要，且杂质含量在合理的范围内；上述工艺参数的电子束物理气相沉积法制备的YSZ陶瓷层厚度均匀且与NiCrAlY粘结层结合力良好。
上述的高温合金表面NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤四中所述激光改性YSZ层的厚度为30μm～100μm，所述重熔处理的工艺参数为：电流40A～80A，脉冲宽度1.0ms～5.0ms，脉冲频率10Hz～60Hz，扫描速度100mm/s～500mm/s。厚度为30μm～100μm的激光改性YSZ层有效提高了热障涂层的抗高温氧化性能，同时避免了厚度过高引起的开裂严重现象，综合性能最佳；上述工艺参数的重熔处理得到的激光改性YSZ层中四方相的ZrO2更高，抗高温氧化性能更为优异，且与YSZ陶瓷层结合良好。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用激光重熔法针对EB-PVD法制备的NiCrAlY/YSZ双层热障涂层进行激光改性，在具有柱状晶结构的YSZ陶瓷层表面形成以热导率较低四方相ZrO2为主的激光改性YSZ层，该组成结构的激光改性YSZ层与柱状晶结构的YSZ层结合良好，两者结合形成的YSZ/激光改性YSZ复合结构微观组织结构致密，能够降低氧等有害气体向高温合金基体内的扩散行为，延缓热生长氧化层(即TGO层)的生长速率，提高了热障涂层的抗高温氧化性能，延长了热障涂层的使用寿命。
2、本发明制备的NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层与高温合金基体，以及热障涂层内部各层之间界面均结合良好，层次分明且界面连续，且激光重熔处理在激光改性YSZ层中引入一定量的纵向裂纹，有益于热循环过程中应力的释放和能力的吸收，提高了该热障涂层与高温合金基体之间的热匹配性，从而NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层表现出优异的抗热震性能。
3、本发明的电子束物理气相沉积法与激光重熔法均为成熟的、应用广泛的制备方法，工艺过程简单，性能稳定，可重复性良好。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的截面电镜图。
图2是本发明实施例1制备的NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层循环氧化500h后的截面电镜图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一、依次采用80#、200#、400#、600#、800#、1000#水磨砂纸对DZ125高温合金基体进行逐级打磨，然后放入丙酮中进行超声波清洗20min；
步骤二、采用电子束物理气相沉积法在步骤一中经超声波清洗后的DZ125高温合金基体的表面上制备NiCrAlY粘结层；所述NiCrAlY粘结层的厚度为34μm，所述电子束物理气相沉积法采用的靶材为NiCrAlY靶材，NiCrAlY靶材的成分为60.5Ni-28Cr-11Al-0.5Y，所述NiCrAlY靶材的质量纯度为99.9％；所述电子束物理气相沉积法的工艺参数为：沉积室真空度小于3×10-3Pa，经超声波清洗后的DZ125高温合金基体温度800℃，NiCrAlY靶材的蒸发电流1.2A，旋转速度10r/min，靶基距300mm；
步骤三、采用电子束物理气相沉积法在步骤二中制备的NiCrAlY粘结层的表面上制备YSZ陶瓷层；所述YSZ陶瓷层的厚度为100μm；所述电子束物理气相沉积法采用的靶材为含有7wt％Y2O3部分稳定的ZrO2，所述靶材的质量纯度为99.9％；所述电子束物理气相沉积法的工艺参数为：沉积室真空度小于3×10-3Pa，DZ125高温合金基体温度900℃，靶材的蒸发电流1.2A，旋转速度10r/min，靶基距300mm；
步骤四、采用脉冲激光器对步骤三中制备的YSZ陶瓷层的表面进行重熔处理，制备激光改性YSZ层，得到NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层；所述激光改性YSZ层的厚度为60μm，所述重熔处理的工艺参数为：电流60A，脉冲宽度3.0ms，脉冲频率30Hz，扫描速度200mm/s。
图1是本实施例制备的NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的截面电镜图，其中激光改性YSZ的上层为镶样粉层，从图1可以看出，本实施例制备的NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层层次分明、界面连续，并且其中的激光改性YSZ层中存在一定的纵向裂纹。
图2是本实施例制备的NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层循环氧化500h后的截面电镜图，其中激光改性YSZ的上层为镶样粉层，从图2可以看出，本实施例制备的NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层经1100℃循环氧化500h后，出现了少量生长氧化物层(即TGO层)，但NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层界面结合良好，未出现剥落、开裂等缺陷，说明该NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的抗氧化性能优异。
实施例2
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一、依次采用80#、200#、400#、600#、800#、1000#水磨砂纸对DZ125高温合金基体进行逐级打磨，然后放入丙酮中进行超声波清洗10min；
步骤二、采用电子束物理气相沉积法在步骤一中经超声波清洗后的DZ125高温合金基体的表面上制备NiCrAlY粘结层；所述NiCrAlY粘结层的厚度为10μm，所述电子束物理气相沉积法采用的靶材为NiCrAlY靶材，NiCrAlY靶材的成分为60.5Ni-28Cr-11Al-0.5Y，所述NiCrAlY靶材的质量纯度为99.99％；所述电子束物理气相沉积法的工艺参数为：沉积室真空度小于3×10-3Pa，经超声波清洗后的DZ125高温合金基体温度900℃，NiCrAlY靶材的蒸发电流0.8A，旋转速度5r/min，靶基距200mm；
步骤三、采用电子束物理气相沉积法在步骤二中制备的NiCrAlY粘结层的表面上制备YSZ陶瓷层；所述YSZ陶瓷层的厚度为50μm；所述电子束物理气相沉积法采用的靶材为含有6wt％Y2O3部分稳定的ZrO2，所述靶材的质量纯度为99.99％；所述电子束物理气相沉积法的工艺参数为：沉积室真空度小于3×10-3Pa，DZ125高温合金基体温度1000℃，靶材的蒸发电流0.8A，旋转速度5r/min，靶基距200mm；
步骤四、采用脉冲激光器对步骤三中制备的YSZ陶瓷层的表面进行重熔处理，制备激光改性YSZ层，得到NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层；所述激光改性YSZ层的厚度为30μm，所述重熔处理的工艺参数为：电流40A，脉冲宽度1.0ms，脉冲频率60Hz，扫描速度500mm/s。
本实施例制备的NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层层次分明、界面连续，并且其中的激光改性YSZ层中存在一定的纵向裂纹。经1100℃循环氧化500h后，NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的各个界面结合良好，未出现剥落、开裂等缺陷，说明该NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的抗氧化性能优异。
实施例3
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一、依次采用80#、200#、400#、600#、800#、1000#水磨砂纸对Rene N5高温合金基体进行逐级打磨，然后放入丙酮中进行超声波清洗40min；
步骤二、采用电子束物理气相沉积法在步骤一中经超声波清洗后的Rene N5高温合金基体的表面上制备NiCrAlY粘结层；所述NiCrAlY粘结层的厚度为50μm，所述电子束物理气相沉积法采用的靶材为NiCrAlY靶材，NiCrAlY靶材的成分为60.5Ni-28Cr-11Al-0.5Y，所述NiCrAlY靶材的质量纯度为99.9％；所述电子束物理气相沉积法的工艺参数为：沉积室真空度小于3×10-3Pa，经超声波清洗后的Rene N5高温合金基体温度600℃，NiCrAlY靶材的蒸发电流1.5A，旋转速度20r/min，靶基距500mm；
步骤三、采用电子束物理气相沉积法在步骤二中制备的NiCrAlY粘结层的表面上制备YSZ陶瓷层；所述YSZ陶瓷层的厚度为300μm；所述电子束物理气相沉积法采用的靶材为含有8wt％Y2O3部分稳定的ZrO2，所述靶材的质量纯度为99.9％；所述电子束物理气相沉积法的工艺参数为：沉积室真空度小于3×10-3Pa，Rene N5高温合金基体温度600℃，靶材的蒸发电流1.5A，旋转速度15r/min，靶基距500mm；
步骤四、采用脉冲激光器对步骤三中制备的YSZ陶瓷层的表面进行重熔处理，制备激光改性YSZ层，得到NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层；所述激光改性YSZ层的厚度为100μm，所述重熔处理的工艺参数为：电流80A，脉冲宽度5.0ms，脉冲频率10Hz，扫描速度100mm/s。
本实施例制备的NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层层次分明、界面连续，并且其中的激光改性YSZ层中存在一定的纵向裂纹。
本实施例制备的NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层层次分明、界面连续，并且其中的激光改性YSZ层中存在一定的纵向裂纹。经1100℃循环氧化500h后，NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的各个界面结合良好，未出现剥落、开裂等缺陷，说明该NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的抗氧化性能优异。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.高温合金表面NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、对高温合金基体进行逐级打磨，然后进行超声波清洗；
步骤二、采用电子束物理气相沉积法在步骤一中经超声波清洗后的高温合金基体的表面上制备NiCrAlY粘结层；
步骤三、采用电子束物理气相沉积法在步骤二中制备的NiCrAlY粘结层的表面上制备YSZ陶瓷层；
步骤四、采用脉冲激光器对步骤三中制备的YSZ陶瓷层的表面进行重熔处理，制备激光改性YSZ层，得到NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层。
2.根据权利要求1所述的高温合金表面NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中依次采用80#、200#、400#、600#、800#、1000#的水磨砂纸对高温合金基体进行逐级打磨，所述超声波清洗采用丙酮为清洗剂，所述超声波清洗的时间为20min。
3.根据权利要求1所述的高温合金表面NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤二中所述NiCrAlY粘结层的厚度为10μm～50μm，所述电子束物理气相沉积法采用的靶材为NiCrAlY靶材，NiCrAlY靶材的成分为60.5Ni-28Cr-11Al-0.5Y，所述NiCrAlY靶材的质量纯度不小于99.9％；所述电子束物理气相沉积法的工艺参数为：沉积室真空度小于3×10-3Pa，经超声波清洗后的高温合金基体温度600℃～900℃，NiCrAlY靶材的蒸发电流0.8A～1.5A，旋转速度5r/min～20r/min，靶基距200mm～500mm。
4.根据权利要求1所述的高温合金表面NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤三中所述YSZ陶瓷层的厚度为50μm～300μm；所述电子束物理气相沉积法采用的靶材为含有6wt％～8wt％Y2O3部分稳定的ZrO2，所述靶材的质量纯度不小于99.9％；所述电子束物理气相沉积法的工艺参数为：沉积室真空度小于3×10-3Pa，高温合金基体温度600℃～1000℃，靶材的蒸发电流0.8A～1.5A，旋转速度5r/min～15r/min，靶基距200mm～500mm。
5.根据权利要求1所述的高温合金表面NiCrAlY/YSZ/激光改性YSZ热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤四中所述激光改性YSZ层的厚度为30μm～100μm，所述重熔处理的工艺参数为：电流40A～80A，脉冲宽度1.0ms～5.0ms，脉冲频率10Hz～60Hz，扫描速度100mm/s～500mm/s。
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