CN111099893B - 一种激光表面处理提高热障涂层抗熔融cmas腐蚀的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光表面处理提高热障涂层抗熔融CMAS腐蚀的方法；采用额定功率为200W的Nd：YAG固体脉冲激光器对陶瓷层进行激光改性表面处理；激光处理时，共在陶瓷顶层表面打出多道激光路径，每道的激光参数中功率为60‑160W，频率为20‑40Hz，扫描速率为6‑20mm/s，斑点尺寸直径为1‑2mm。得到的激光改性层的厚度为5‑25μm，内部含不贯穿的纵向裂纹。纵向裂纹密度优选为0.05‑0.065mm‑1。本发明在CMAS环境下，热障涂层保持相稳定和结构稳定，应用于航空发动机热端部件表面防护。

Description

一种激光表面处理提高热障涂层抗熔融CMAS腐蚀的方法
技术领域
本发明公开了一种提高热障涂层抗熔融CMAS腐蚀性能的激光表面处理方法，所述的热障涂层包括激光改性层、未改性陶瓷层、粘结层和高温合金基体，属于表面加工处理技术领域。
背景技术
现代燃气涡轮发动机需要更高的工作温度以追求更高的热效率。应用在发动机的热部件上的热障涂层(TBC)可以用于隔热以此降低发动机表面温度来提高性能
实际用于发动的TBC具有多层结构，通常由提供隔热的陶瓷面涂层，抗氧化的金属粘结层和由于氧化作用在粘结层上形成的热生长氧化物(TGO)层组成。其中陶瓷层材料一般为7％wt的YSZ，通常由大气等离子喷涂(APS)，电子束物理气相沉积和等离子喷涂物理气相沉积(PS-PVD)制成的方法制备。粘结层位于陶瓷层和基体之间，目前常用的材料为MCrAlY(其中M为Ni、Co或Ni与Co的混合物)，采用超音速火焰喷涂或电子束-物理气相沉积或等离子喷涂-物理气相沉积方法制备，厚度为30～100μm。
随着对发动机温度的要求的不断提高，YSZ面临着一些问题，其中最主要的就是CMAS的腐蚀问题。CMAS成分复杂，主要包括CaO、MgO、A12O3和SiO2，CMAS诱导的TBC降解是基于热化学和热机械损伤的机制。高温下，根据溶解/再沉淀机制，熔融的CMAS渗透到涂层中，与YSZ发生相互作用，使YSZ涂层从开始的韧性高，低热导的t’相转变为单斜(m)相并伴随3％-5％体积膨胀从而导致裂纹。同时，CMAS填入显微裂纹后会降低涂层应变容限。
针对CMAS对TBC的腐蚀问题，已经提出了两种解决方法：一是开发替代的TBC改变涂层的组成，使新的TBC能与熔融CMAS快速反应，在表面上形成致密的结晶密封层，例如在加入TiO2和Al2O3或稀土元素的陶瓷材料具有优异的抗CMAS腐蚀性能，但材料的机械性能不好，具有很大的局限性。二是改变涂层的微观结构，熔融CMAS在涂层表面的润湿和扩散特性与涂层的表面微观结构有密切关系，而激光是改变涂层微观结构的有效方法。
在使用激光时，由于设定的峰值功率不高，不会引起表面的材料气化，但是却能使表面光滑，降低表面粗糙度，而降低表面粗糙度能够提高耐腐蚀性，并且使涂层的显微硬度和热冲击性能得到提高。有研究表明，激光改性对用APS制造的涂层有显著影响，使涂层显示出较强的耐熔盐腐蚀性能力，具体表现在：YSZ涂层中，m相的比例从62％下降到46％并且抗热腐蚀性提高，但是腐蚀试验后，激光改性层表面基本没有熔盐存在，而其中的裂纹中存在熔盐成分，说明其并不能完全抗熔盐腐蚀，并且m相比例仍然偏高，需进一步提高相稳定性。因此，激光改性层能够抗熔盐腐蚀的情况下，并不能说明其对熔融CMAS的抗腐蚀能力，并且目前暂时没有激光改性层抗熔融CMAS的相关报道。
发明内容
为解决上述问题，本发明旨在提供一种提高抗熔融CMAS腐蚀性能的激光表面处理方法，属于表面加工处理技术领域。所述热障涂层包括激光改性层、未改性的陶瓷层、粘结层和高温基体。本发明通过激光改性使陶瓷涂层致密化，微观结构呈柱状，使其在CMAS环境下的相稳定性、结构稳定性得到强化，同时具有纵向裂纹，裂纹不贯穿，因为激光熔化表面后，表面重新凝固后会有应力，而具有纵向裂纹能够释放应力，同时不贯穿的裂纹也会阻止熔融的CMAS渗透下去。在表面的裂纹呈形成网状，提高了抗热冲击性能，热循环寿命也随之增加，提高改性层的应变容限，也避免了熔融CMAS渗入未改性陶瓷层。在航空发动机服役环境下抗CMAS腐蚀能力优异。
为达到上述目的，本发明采用一下技术方案予以实现。
一种激光表面处理提高热障涂层抗熔融CMAS腐蚀的方法；包括如下步骤：
1)、采用额定功率为200W的Nd：YAG固体脉冲激光器对陶瓷层进行激光改性表面处理；
2)、激光处理时，共在陶瓷层表面打出多道激光路径，每道的激光参数中功率为60-160W，频率为20-40Hz，扫描速率为6-20mm/s，斑点尺寸直径为1-2mm。
激光处理时，共在陶瓷层表面打出6-16道激光路径，每条路径重叠率为0-50％。
得到的激光改性层的厚度为5-25μm，内部含不贯穿的纵向裂纹。
纵向裂纹密度优选为0.05-0.065mm-1。
重叠率为0时，每道相邻但不重叠而形成激光改性层；当重叠率大于0时，每道路径部分重叠，形成激光改性层。
本发明的激光表面处理提高热障涂层抗熔融CMAS腐蚀方法用于航空发动机热端部件表面防护。
本发明的有益效果：
本发明通过激光改性使陶瓷涂层致密化，提高其在CMAS环境下的相稳定性、结构稳定性；同时由于引入纵向裂纹，且裂纹不贯穿，这样既提高改性层的应变容限，又避免熔融CMAS渗入未改性陶瓷涂层，极大地提高了热障涂层的抗CMAS腐蚀性能。涂层中的未改性部分无熔融CMAS渗入，抗CMAS腐蚀能力大幅提高，改性层仍然保持柱状微观结构。采用本发明得到的激光改性热障涂层，在航空发动机服役环境下具有良好的适应性，特别是抗CMAS腐蚀性能优异。
附图说明
图1为原始的YSZ喷涂涂层表面微观形貌。
图2为原始的YSZ喷涂涂层横截面的微观形貌。
图3为本发明实施例1中处理后的YSZ涂层的表面微观形貌。
图4为本发明实施例1中处理后的YSZ涂层的横截面微观形貌。
图5为原始的YSZ喷涂涂层经CMAS腐蚀后的表面微观形貌。
图6为本发明实施例1中处理后的YSZ涂层经CMAS腐蚀后的表面微观形貌。
图7为本发明实施例1中处理后的YSZ涂层经CMAS腐蚀后横截面微观形貌。
具体实施方式
为使本发明目的，技术方案和优点更加清晰具体，下面通过具体实施例对本发明做进一步描述
实施例1
1、在高温合金基体上制备热障涂层，包括粘结层和陶瓷涂层，其中在基体上首先制备的粘结层为MCrAlY(M为Ni和/或Co)，采用超音速火焰喷涂制备，厚度为50μm。
2、在粘结层上制备的陶瓷层为氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)，采用大气等离子喷涂方法制备，厚度为95μm。
3、对制备好的热障涂层进行超声清洗，去除表面污渍和杂质。
4、对陶瓷层进行表面激光改性，采用的是额定功率为200W的Nd：YAG固体脉冲激光器；共在陶瓷层表面打出16道激光路径，每条路径重叠率为33％，激光参数中功率为80W，频率为20Hz，扫描速率为20mm/s，斑点尺寸直径为2mm，裂纹密度为0.062mm-1；得到改性层厚度为25μm。
处理后的YSZ涂层表面显微形貌如图3所示，观察横截面形貌如图4所示。
将熔融的CMAS均匀涂覆于原始涂层表面和经激光处理后的涂层表面。所得表面微观形貌如图5和图6所示，观察处理后的涂层横截面微观形貌如图7所示。
对比图1和图3，原始YSZ喷涂涂层表面分光滑和粗糙区域，经过激光表面处理后的YSZ热障涂层表面光滑且分布着网状裂纹。
对比图2和图4可以看出原始YSZ喷涂涂层为层片状结构且有较多孔隙，经过激光表面处理后的热障涂层为柱状微观结构且分布着不贯穿的纵向裂纹。
对比图5、6、7，可以得出原始YSZ喷涂涂层经CMAS腐蚀后，表面出现氧化锆颗粒为m-ZrO2，为亚稳相；经激光表面处理后的热障涂层经CMAS腐蚀后表面没有氧化锆颗粒出现，没有任何m相出现的迹象，激光改性层保持完整，CMAS在具有网状裂纹的表面形成一层CMAS玻璃，在垂直裂纹中只检测到很少的CMAS，说明抗CMAS腐蚀能力很好。
实施例2
1、高温基体上制备热障涂层，包括粘结层和陶瓷涂层，其中，在基体上首先制备的粘结层为MCrAlY(M为Ni和/或Co)，采用电子束-物理气相沉积方法制备，厚度为45μm。
2、其次在粘结层上制备的陶瓷层为氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)，采用电子束-物理气相沉积方法制备，厚度为108μm。
3、对制备好的热障涂层进行超声清洗，去除表面污渍和杂质。
4、对陶瓷层进行表面激光改性，采用的是额定功率为200W的Nd：YAG固体脉冲激光器；共在陶瓷层表面打出6道激光路径，每条路径重叠率为0，激光参数中功率为160W，频率为40Hz，扫描速率为6mm/s，斑点尺寸直径为1mm，裂纹密度为0.060mm-1，得到改性层厚度为50μm
激光功率增大，热输入增大，厚度也增大。经过激光处理的改性层不仅缺陷明显减少而且表面粗糙度降低，减少了与CMAS反应的面积，因此耐腐蚀性提高。裂纹垂直于表面，但不贯穿，因为激光熔化表面，表面重新凝固后会有应力，具有纵向裂纹能够释放应力，同时不贯穿的裂纹也会阻止熔融的CMAS渗透下去。同时在表面形成网状，提高了抗热冲击性能，热循环寿命也随之增加。
实施例3
1、高温基体上制备热障涂层，包括粘结层和陶瓷涂层，其中，在基体上首先制备的粘结层为MCrAlY(M为Ni和/或Co)，采用等离子喷涂-物理气相沉积方法制备，厚度为63μm。
2、其次在粘结层上制备的陶瓷层为氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)，采用大气等离子喷涂方法制备，厚度为114μm。
3、对制备好的热障涂层进行超声清洗，去除表面污渍和杂质。
4、对陶瓷层进行表面激光改性，采用额定功率为200W的Nd：YAG固体脉冲激光器；共在陶瓷层表面打出10道激光路径，每条路径重叠率为20％，激光参数中功率为80W，频率为20Hz，扫描速率为20mm/s，斑点尺寸直径为2mm。得到改性层厚度为10μm，裂纹密度为0.059mm-1。
扫描速度增大后，热输入减小，改性层厚度也随之减小。1250℃下CMAS腐蚀0.5h与4h后，涂层的晶界仍相对均匀。腐蚀10h后保持相稳定，没有形成m相ZrO2，改性层仍然保持柱状微观结构。
实施例4
1、高温基体上制备热障涂层，包括粘结层和陶瓷涂层，其中，在基体上首先制备的粘结层为MCrAlY(M为Ni和/或Co)，采用电子束-物理气相沉积方法制备，厚度为66μm。
2、其次在粘结层上制备的陶瓷层为氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)，采用大气等离子喷涂方法制备，厚度为123μm。
3、对制备好的热障涂层进行超声清洗，去除表面污渍和杂质。
4、对陶瓷层进行表面激光改性，采用额定功率为200W的Nd：YAG固体脉冲激光器；共在陶瓷层表面打出14道激光路径，每条路径重叠率为50％，激光参数中功率为160W，频率为20Hz，扫描速率为6mm/s，斑点尺寸直径为1mm，裂纹密度为0.05mm-1，得到改性层厚度为60μm。
激光功率较大，扫描速度较小，热输入增大，改性层厚度大幅增大。1250℃下CMAS腐蚀1h与5h后，涂层的晶界变得不均匀。腐蚀12h后保持相稳定，没有形成m相ZrO2。改性层仍然保持柱状微观结构。经过激光处理的改性层不仅缺陷明显减少而且表面粗糙度降低，减少了与CMAS反应的面积，因此耐腐蚀性提高。1250℃下CMAS腐蚀0.5h与4h后，涂层的晶界相对均匀。腐蚀10h后保持相稳定，没有形成m相ZrO2，裂纹垂直于表面，但不贯穿，因为激光熔化表面，表面重新凝固后会有应力，具有纵向裂纹能够释放应力，同时不贯穿的裂纹也会阻止熔融的CMAS渗透下去。同时在表面形成网状，提高了抗热冲击性能，热循环寿命也随之增加。
实施例5
1、高温基体上制备热障涂层，包括粘结层和陶瓷涂层，其中，在基体上首先制备的粘结层为MCrAlY(M为Ni和/或Co)，采用等离子喷涂-物理气相沉积方法制备，厚度为78μm。
2、其次在粘结层上制备的陶瓷层为氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)，采用大气等离子喷涂方法制备，厚度为135μm。
3、对制备好的热障涂层进行超声清洗，去除表面污渍和杂质。
4、对陶瓷层进行表面激光改性，采用额定功率为200W的Nd：YAG固体脉冲激光器；共在陶瓷层表面打出7道激光路径，每条路径重叠率为30％，激光参数中功率为100W，频率为40Hz，扫描速率为6mm/s，斑点尺寸直径为2mm，裂纹密度为0.053mm-1，得到改性层厚度为30μm。
1250℃下CMAS腐蚀2h与6h后，涂层的晶界变得不均匀。腐蚀15h后保持相稳定，没有形成m相ZrO2。改性层仍然保持柱状微观结构。经过激光处理的改性层不仅缺陷明显减少而且表面粗糙度降低，减少了与CMAS反应的面积，因此耐腐蚀性提高。裂纹垂直于表面，但不贯穿，因为激光熔化表面，表面重新凝固后会有应力，具有纵向裂纹能够释放应力，同时不贯穿的裂纹也会阻止熔融的CMAS渗透下去。同时在表面形成网状，提高了抗热冲击性能，热循环寿命也随之增加。
实施例6
1、高温基体上制备热障涂层，包括粘结层和陶瓷涂层，其中，在基体上首先制备的粘结层为MCrAlY(M为Ni和/或Co)，采用超音速火焰喷涂方法制备，厚度为85μm。
2、其次在粘结层上制备的陶瓷层为氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)，采用电子束-物理气相沉积方法制备，厚度为140μm。
3、对制备好的热障涂层进行超声清洗，去除表面污渍和杂质。
4、对陶瓷层进行表面激光改性，采用额定功率为200W的Nd：YAG固体脉冲激光器；共在陶瓷层表面打出8道激光路径，每条路径重叠率为35％，激光参数中功率为60W，频率为20Hz，扫描速率为20mm/s，斑点尺寸直径为2mm，裂纹密度为0.065mm-1，得到改性层厚度为8μm。
1250℃下CMAS腐蚀2.5h与4.5h后，涂层的晶界变得不均匀。腐蚀13.5h后保持相稳定，没有形成m相ZrO2。改性层仍然保持柱状微观结构。经过激光处理的改性层不仅缺陷明显减少而且表面粗糙度降低，减少了与CMAS反应的面积，因此耐腐蚀性提高。裂纹垂直于表面，但不贯穿，因为激光熔化表面，表面重新凝固后会有应力，具有纵向裂纹能够释放应力，同时不贯穿的裂纹也会阻止熔融的CMAS渗透下去。同时在表面形成网状，提高了抗热冲击性能，热循环寿命也随之增加。
本发明公开和提出的技术方案，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (4)

1.一种提高热障涂层抗熔融CMAS腐蚀性能的激光表面处理方法，包括如下步骤：
1）、采用额定功率为200W的Nd：YAG固体脉冲激光器对陶瓷层进行激光改性表面处理；
2）、激光处理时，共在陶瓷层表面打出多道激光路径，每道的激光参数中功率为60-160W，频率为20-40Hz，扫描速率为6-20mm/s，斑点尺寸直径为1-2mm；
在陶瓷层表面得到的激光改性层的厚度为5-25μm，内部含不贯穿的纵向裂纹。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是激光处理时，共在陶瓷层表面打出6-16道激光路径，每条路径重叠率为0-50%。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是纵向裂纹密度为0.05-0.065mm-1。
4.权利要求1激光表面处理提高热障涂层抗熔融CMAS腐蚀方法用于航空发动机热端部件表面防护。
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