CN110791734A - 一种涡轮工作叶片热障涂层制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空发动机涡轮叶片防护涂层技术，特别是涉及一种涡轮工作叶片热障涂层制备方法。采用具有单个弧源、弧源在真空电弧镀设备的炉体中心的真空电弧镀工艺制备MCrAlY底层。YSZ陶瓷面层采用EB‑PVD工艺制备，通过高温合金丝穿过叶片端部两个冷却通道将叶冠保护夹具盒固定。通过夹具利用叶片的自重实现叶片的自转从而保证叶片涂层厚度的均匀性。将一个叶片固定作为工艺件，其内腔内插入三个热电偶实时测量叶片3个不同位置的温度，为了检测叶片涂层厚度和涂层结合强度，在叶片工艺件表面固定三个随炉弯曲试样。该方法应用于低压涡轮工作叶片热障涂层的制备，提升涂层质量的一致性和稳定性，有效提高叶片的服役寿命和可靠性。

Description

一种涡轮工作叶片热障涂层制备方法
技术领域
本发明属于航空发动机涡轮叶片防护涂层技术，特别是涉及一种涡轮工作叶片热障涂层制备方法。
背景技术
航空发动机涡轮叶片长期经受高温燃气的冲击和侵蚀，服役环境恶劣，其表面无一例外的涂覆热障涂层以满足高可靠性和长服役寿命需求。热障涂层(TBCs)一般由抗氧化腐蚀性能良好的金属粘结底层(PtAl或MCrAlY，M＝Ni，Co或Ni+Co)和导热系数低的陶瓷面层(Y2O3部分稳定的ZrO2，YSZ)组成。它广泛应用于航空发动机热端部件，使得高温合金能够承受更高的服役温度，提高涡轮前燃气进口温度，同时也可使发动机寿命和可靠性大幅度提高，耗油量降低，动力性能显著改善。
与高压涡轮工作叶片相比，低压涡轮工作叶片叶身长达12.5cm左右，叶尖为锯齿冠节后，其表面焊有CoCrW涂层，此外一台份叶片数量多达81片。如何保证涂覆过程中一炉多件涂覆并有效保护叶尖非涂覆区域成为热障涂层制备过程中要解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种涡轮工作叶片热障涂层制备方法，该方法应用于低压涡轮工作叶片热障涂层的制备，可以显著提升涂层质量的一致性和稳定性，有效提高叶片的服役寿命和可靠性。
本发明的技术方案是：
一种涡轮工作叶片热障涂层制备方法，包括如下步骤：
(1)将湿吹砂后的涡轮工作叶片装入真空电弧镀夹具，叶片非涂覆区域通过夹具盒进行保护；同时，夹具上携带随炉弯曲试样用于评价涂层结合强度和厚度；涂覆前对叶片表面进行离子清洗，清洗后进行MCrAlY底层的真空电弧镀，真空电弧镀的工艺参数为：电弧电流700～750A，负偏压为-20～-40V，涂覆时间为80～120min；
采用具有单个弧源、弧源在真空电弧镀设备的炉体中心的真空电弧镀工艺制备MCrAlY底层，竖向设置的叶片在弧源靶材的正前方公转和自转；
(2)将涂覆完MCrAlY底层的涡轮工作叶片进行真空热处理后，进行湿吹砂处理，并进行超声波清洗、丙酮溶液浸洗、烘干；湿吹砂工艺参数为：白刚玉砂粒度为150～200目，白刚玉砂含量15～25wt％，风压0.1～0.2MPa，吹砂距离为150～200mm；
(3)将上述叶片装入电子束物理气相沉积设备，并携带随炉弯曲试样；打开机械泵和罗茨泵，进行抽真空，待主真空室、装载室真空度分别为(4～6)×10-2Pa、0.5～2Pa时开启主真空室、装载室之间的闸板阀，通入Ar气，对叶片表面进行离子轰击清洗5～15min；
(4)将离子轰击清洗后叶片及夹具移到主真空室，进行YSZ陶瓷面层沉积；沉积YSZ面层工艺参数为：主真空室压强为(3～5)×10-2Pa，电子枪电压为15～20KV，YSZ靶材加热电流为1～2A，叶片转速为10～20r/min，叶片加热温度为850℃～950℃；
叶片水平设置，并沿转盘均匀排布，采用夹具利用叶片的自重实现叶片的自转，同时每组叶片通过转盘带动下公转，保证叶片涂层厚度的均匀性；
(5)将沉积完YSZ陶瓷面层叶片进行称重处理。
所述的涡轮工作叶片热障涂层制备方法，步骤(1)中，获得厚度为20～40μm的MCrAlY底层。
所述的涡轮工作叶片热障涂层制备方法，步骤(2)中，真空热处理工艺参数为：装炉温度为150℃以下，在2.5～3小时内升温至1050±10℃，在该温度下保持2～4小时后充氩气0.2～0.4MPa冷至80℃以下出炉。
所述的涡轮工作叶片热障涂层制备方法，步骤(4)中，获得厚度为80～120μm的YSZ面层。
所述的涡轮工作叶片热障涂层制备方法，步骤(4)中，一个叶片固定作为工艺件，其内腔内插入三个热电偶实时测量叶片3个不同位置的温度；为了检测叶片涂层厚度和涂层结合强度，在叶片工艺件表面固定三个随炉弯曲试样。
所述的涡轮工作叶片热障涂层制备方法，通过高温合金丝穿过叶片端部两个冷却通道将叶冠保护夹具盒固定。
本发明的设计思想是：
本发明的要点在于低压涡轮工作叶片MCrAlY底层和YSZ陶瓷面层制备方法，其中：
MCrAlY底层采用真空电弧镀工艺制备，该真空电弧镀设备具有单个弧源、弧源在真空电弧镀设备的炉体中心等特点，低压涡轮工作叶片可以在靶材周围同时实现公转和自转，同时在夹具上随炉携带弯曲试样以评价MCrAlY底层和结合强度。MCrAlY底层采用具有单个弧源、弧源在炉体中心的真空电弧镀设备制备，可以实现一炉涂覆20件叶片，同时叶片在靶材正前方实现公转、自转，保证叶片厚度的均匀性。
YSZ陶瓷面层采用EB-PVD工艺制备，通过高温合金丝穿过叶片端部两个冷却通道将叶冠保护夹具盒固定。通过夹具利用叶片的自重实现叶片的自转，从而保证叶片涂层厚度的均匀性。同时有一个叶片固定作为工艺件，其内腔内插入三个热电偶实时测量叶片3个不同位置的温度以保证叶片表面温度的均匀性。同时为了检测叶片涂层厚度和涂层结合强度，在叶片工艺件表面固定三个随炉弯曲试样。
与现有技术相比，本发明具有以下主要优点和有益效果：
(1)本发明采取具有单个弧源、弧源在炉体中心的真空电弧镀设备制备MCrAlY底层，使叶片在靶材正前方同时实现公转、自转功能。
(2)本发明对叶片涂覆过程中的关键参数-沉积温度进行实时测量，同时携带随炉弯曲试样检测叶片涂层厚度和涂层结合强度，有利于保证EB-PVD工艺制备YSZ陶瓷面层质量的一致性和稳定性。
(3)本发明同时实现EB-PVD过程中叶片公转、自转，可以实现叶片叶身表面涂层厚度的均匀性。
(4)本发明热障涂层制备方法涂层质量一致性和稳定性好。
附图说明
图1为真空电弧镀MCrAlY底层夹具示意图。其中，(a)单个夹具，(b)夹具盒。
图2为EB-PVD YSZ陶瓷面层夹具示意图。
图3为叶片叶冠保护夹具示意图。其中，(a)俯视图，(b)单个放大图。
图4为叶片的叶身表面随炉携带弯曲试样固定位示意图。其中，(a)主视图，(b)后视图。
图中，1夹具盒，2叶片，3主轴一，4工艺件，5主轴二，6叶冠，7冷却通道，8弯曲试样，9转盘。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明针对航空发动机低压涡轮工作叶片表面对高性能热障涂层制备的需求，采用具有单个弧源、弧源在真空电弧镀设备的炉体中心的真空电弧镀工艺制备MCrAlY底层实现了一炉多件涂覆。YSZ陶瓷面层采用EB-PVD工艺制备，通过高温合金丝穿过叶片端部两个冷却通道将叶冠保护夹具盒固定。通过夹具利用叶片的自重实现叶片的自转从而保证叶片涂层厚度的均匀性。同时有一个叶片固定作为工艺件，其内腔内插入三个热电偶实时测量叶片3个不同位置的温度以保证叶片表面温度的均匀性。同时为了检测叶片涂层厚度和涂层结合强度，在叶片工艺件表面固定三个随炉弯曲试样。
下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。
实施例1.
本实施例中，涡轮工作叶片热障涂层制备方法如下：
(1)将湿吹砂后的涡轮工作叶片装入真空电弧镀夹具，叶片非涂覆区域通过夹具盒进行保护。同时，夹具上可以携带随炉弯曲试样用于评价涂层结合强度和厚度。涂覆前对叶片表面进行离子清洗，清洗后进行MCrAlY底层的真空电弧镀，真空电弧镀的工艺参数为：电弧电流750A，负偏压为-34V，涂覆时间为90min。从而，获得厚度为20～40μm的MCrAlY底层。
(2)将涂覆完MCrAlY底层的涡轮工作叶片进行真空热处理，真空热处理工艺参数为：装炉温度为80℃，在3小时内升温至1050℃，在该温度下保持2小时后充氩气0.2MPa冷至80℃以下出炉。然后进行湿吹砂处理，并进行超声波清洗、丙酮溶液浸洗、烘干。湿吹砂工艺参数为：白刚玉砂粒度为180目，白刚玉砂含量20wt％，风压0.15MPa，吹砂距离为180mm。
(3)将上述叶片装入电子束物理气相沉积(EB-PVD)设备，并携带随炉弯曲试样。打开机械泵和罗茨泵，进行抽真空，待主真空室、装载室真空度分别为5×10-2Pa、1Pa时开启主真空室、装载室之间的闸板阀，通入Ar气，对叶片表面进行离子轰击清洗10min，目的是清除叶片表面污物，提高涂层与基体间的结合强度。
(4)将离子轰击清洗后叶片及夹具移到主真空室，进行YSZ陶瓷面层沉积。沉积YSZ面层工艺参数为：主真空室压强为4×10-2Pa，电子枪电压为18KV，YSZ靶材加热电流为1.5A，叶片转速为15r/min，叶片加热温度为850℃～950℃，涂敷涂层时间为40min，从而，获得厚度为100μm的YSZ面层。
(5)将沉积完YSZ陶瓷面层叶片进行称重处理。
如图1所示，本发明真空电弧镀MCrAlY底层夹具示意图。为了解决叶片叶身长，无法实现一炉多件涂覆功能，采取具有单个弧源、弧源在炉体中心的真空电弧镀设备制备MCrAlY底层，使每个竖向设置的叶片在靶材正前方同时实现公转、自转功能。
低压涡轮工作叶片叶冠上焊有耐磨层，避免其表面过喷涂层是实现叶片MCrAlY底层高质量涂覆的关键。叶片2顶部的叶冠处设置夹具盒1，叶片非涂覆区域通过夹具盒1进行保护，涂覆过程中，叶片在真空电弧镀设备底盘的带动下公转，同时在主轴一3的带动下自转，有效保证涂层厚度的均匀性。
如图2所示，本发明EB-PVD YSZ陶瓷面层夹具示意图。叶片2水平设置，并沿竖直的转盘9均匀排布，一个叶片的一端固定于转盘9作为工艺件4，其他叶片2的一端与转盘9通过轴连接。为了实现叶片叶身表面涂层厚度的均匀性，利用叶片的自重实现叶片自转，同时每组叶片通过转盘9在主轴二5带动下公转。为了保证EB-PVD工艺制备YSZ陶瓷面层质量的一致性和稳定性，在叶片工艺件4内腔内插入热电偶对叶片涂覆过程中的关键参数-沉积温度进行实时测量，同时携带随炉弯曲试样检测叶片涂层厚度和涂层结合强度。
如图3所示，本发明叶片叶冠保护夹具示意图。通过将高温合金丝沿着叶片中空的冷却通道7穿出，将叶冠保护夹具盒1固定住，可以有效保护叶冠6非涂覆区域。
如图4所示，本发明叶片的叶身表面随炉携带弯曲试样固定位示意图。为了检测叶片涂层厚度和涂层结合强度，在叶片工艺件4表面固定三个随炉弯曲试样8。通过携带随炉弯曲试样检测叶片涂层厚度和涂层结合强度，保证叶片涂层涂覆过程中质量的一致性和稳定性。
实施例结果表明，采用具有单个弧源、弧源在真空电弧镀设备的炉体中心的真空电弧镀工艺制备MCrAlY底层，EB-PVD夹具同时实现叶片公转、自转，实时测量叶片3不同位置的温度，随炉携带弯曲试样。本发明制备方法涂覆的低压涡轮工作叶片热障涂层已完成鉴定性性能评价，性能指标满足设计需求，有效提高了叶片的服役寿命和可靠性。该技术可以推广应用于叶片热障涂层的制备，有效保障其寿命、可靠性及经济性，具有广阔的市场前景。该技术也可推广到其他相关领域，具有较高的经济效益。

Claims (6)

1.一种涡轮工作叶片热障涂层制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将湿吹砂后的涡轮工作叶片装入真空电弧镀夹具，叶片非涂覆区域通过夹具盒进行保护；同时，夹具上携带随炉弯曲试样用于评价涂层结合强度和厚度；涂覆前对叶片表面进行离子清洗，清洗后进行MCrAlY底层的真空电弧镀，真空电弧镀的工艺参数为：电弧电流700～750A，负偏压为-20～-40V，涂覆时间为80～120min；
采用具有单个弧源、弧源在真空电弧镀设备的炉体中心的真空电弧镀工艺制备MCrAlY底层，竖向设置的叶片在弧源靶材的正前方公转和自转；
(2)将涂覆完MCrAlY底层的涡轮工作叶片进行真空热处理后，进行湿吹砂处理，并进行超声波清洗、丙酮溶液浸洗、烘干；湿吹砂工艺参数为：白刚玉砂粒度为150～200目，白刚玉砂含量15～25wt％，风压0.1～0.2MPa，吹砂距离为150～200mm；
(3)将上述叶片装入电子束物理气相沉积设备，并携带随炉弯曲试样；打开机械泵和罗茨泵，进行抽真空，待主真空室、装载室真空度分别为(4～6)×10-2Pa、0.5～2Pa时开启主真空室、装载室之间的闸板阀，通入Ar气，对叶片表面进行离子轰击清洗5～15min；
(4)将离子轰击清洗后叶片及夹具移到主真空室，进行YSZ陶瓷面层沉积；沉积YSZ面层工艺参数为：主真空室压强为(3～5)×10-2Pa，电子枪电压为15～20KV，YSZ靶材加热电流为1～2A，叶片转速为10～20r/min，叶片加热温度为850℃～950℃；
叶片水平设置，并沿转盘均匀排布，采用夹具利用叶片的自重实现叶片的自转，同时每组叶片通过转盘带动下公转，保证叶片涂层厚度的均匀性；
(5)将沉积完YSZ陶瓷面层叶片进行称重处理。
2.按照权利要求1所述的涡轮工作叶片热障涂层制备方法，其特征在于，步骤(1)中，获得厚度为20～40μm的MCrAlY底层。
3.按照权利要求1所述的涡轮工作叶片热障涂层制备方法，其特征在于，步骤(2)中，真空热处理工艺参数为：装炉温度为150℃以下，在2.5～3小时内升温至1050±10℃，在该温度下保持2～4小时后充氩气0.2～0.4MPa冷至80℃以下出炉。
4.按照权利要求1所述的涡轮工作叶片热障涂层制备方法，其特征在于，步骤(4)中，获得厚度为80～120μm的YSZ面层。
5.按照权利要求1所述的涡轮工作叶片热障涂层制备方法，其特征在于，步骤(4)中，一个叶片固定作为工艺件，其内腔内插入三个热电偶实时测量叶片3个不同位置的温度；为了检测叶片涂层厚度和涂层结合强度，在叶片工艺件表面固定三个随炉弯曲试样。
6.按照权利要求1所述的涡轮工作叶片热障涂层制备方法，其特征在于，通过高温合金丝穿过叶片端部两个冷却通道将叶冠保护夹具盒固定。
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