CN111378967A - 一种在镍基高温合金表面制备热障涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在镍基高温合金表面制备热障涂层的方法，将GH4169镍基高温合金表面处理后，采用激光熔覆法制备过渡粘结层，控制粘结层合金粉末配比制备出粘结层，粘结层分为上、中、下三层，分别与镍基高温合金基体、热障涂层材料的组分、配比相同或相近，然后将热障涂层的反应原料粉末均匀混合，预置于熔覆了粘结层的高温合金基体上，控制激光光斑大小、功率、时间等参数进行激光熔覆热障涂层。本方法连续采用激光熔覆多层材料，可实现高温合金基体与粘结层之间、粘结层与热障涂层之间的冶金结合，通过粘结层的成分梯度结构设计可缓解基体与热障涂层的热膨胀失配，且热障涂层与基底结合强度高，涂层致密性高，裂纹少，同时提高热障涂层的寿命。

Description

一种在镍基高温合金表面制备热障涂层的方法
技术领域
本发明属于热障涂层技术领域，具体涉及一种在镍基高温合金表面制备热障涂层的方法。
背景技术
热障涂层(Thermal Barrier Coatings,TBCs)，是将耐高温、低导热、抗腐蚀的陶瓷材料以涂层的方式涂覆在工件表面、以降低高温服役环境下工件表面温度的一种热防护技术，目前主要应用于燃气发动机涡轮叶片，可以显著提高发动机的工作效率和推力，同时可降低叶片合金的工作温度，从而大幅度提高发动机的寿命和可靠性，是先进航空发动机不可缺少的一项关键技术。随着航空航天工业的迅速发展，发动机涡轮叶片前燃气进口温度已达到1700℃，对耐热层以及涂覆技术要求越来越高。目前，发动机涡轮叶片的基材主要采用高温合金，然后在高温合金表面采用电子束物理气相沉积或等离子喷涂制备，通常的方法是先制备NiCrAlY粘结层再制备YSZ陶瓷涂层，这些工艺制得的耐高温耐氧化涂层存在着功能层涂层薄、涂层易产生气孔等缺陷、与母材结合力差、服役期间易剥落等问题，同时由于粘结层直接与热障涂层结合，热氧化层易生长导致功能层失效，降低涂层寿命。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种在镍基高温合金表面制备热障涂层的方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种在镍基高温合金表面制备热障涂层的方法，具体为，对GH4169镍基高温合金表面进行去油污、喷砂粗化、去除杂质等处理后，采用激光熔覆法在其表面制备过渡粘结层，控制粘结层合金粉末配比制备出一定厚度的粘结层，粘结层分为上、中、下三层，分别与镍基高温合金基体、热障涂层材料的组分、配比相同或相近，如下层为NiCoCrAlY粘结层，上层为氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，中层则为掺杂了高温合金粉末NiCoCrAlY的YSZ，然后将热障涂层的反应原料粉末均匀混合，预置于熔覆了粘结层的高温合金基体上，控制激光光斑大小、功率、时间等参数进行激光熔覆热障涂层。
进一步，所述对GH4169表面进行处理过程前后，可根据要求对其进行线切割成一定尺寸大小的块状，但在制备粘结层前需进行粗化清洁步骤，喷砂粗化速度范围在50-300m/s之间，喷砂所用目数为40-160目。
进一步，所述在镍基高温合金基体上制备的粘结层，分为上、中、下三层，下层与GH4169基体材料组分含量一致或相近，上层与热障涂层组分一致或相近，所述相近包括元素含量偏差不超过10％，允许有掺杂，但杂质元素含量不超过3％。中层则为掺杂有高温合金粉末的热障涂层，所述掺杂高温合金粉末的种类与下层一致，比例不超过30％。
进一步，GH4169镍基基体材料组分范围涵盖标准、优质、高纯三个档次，元素含量为，Ni：50-56％，Cr：17-22％，Co：≤1.2％，Mo：2.5-3.5％，Al:0.3-0.7％，Ti:0.7-1.2％，C:≤0.08，余量为Fe.下层粘结层元素为Ni,Cr,Co,Mo,Al,Ti,Fe,C,Y,Ta,Yb,Zr，其中Y,Ta,Yb,Zr为掺杂元素，含量不超过3％。
进一步，在GH4169镍基高温合金基体上熔覆粘结层后的热障涂层材料为氧化钇稳定的氧化锆和基质材料为A2B2O7型的热障涂层材料，即YSZ热障涂层和A2B2O7型及其掺杂的热障涂层材料，其中A为Sc、Y、La、Nd、Eu、Gd、Dy、Er、Yb、Lu等稀土元素，B为Ti、Zr、Ce和Hf。所述上层粘结层是与热障涂层材料组分一致或相近的材料。
进一步，所述在镍基高温合金基体上制备的粘结层，分为三层，下层粘结层的厚度大于中上两层的厚度和，可根据实际需要调节厚度。
进一步，热障涂层的反应原料粉末均匀混合后，可通过铺粉法或送粉法预置于熔覆了粘结层的高温合金基体上，激光熔覆的激光光斑大小、焦距、扫描速度可以根据所需进行调节，激光功率在500-3000W之间。
进一步，激光熔覆过程中，下层粘结层与基体之间、中间层与上下两层之间、下层粘结层与上层粘结层以及热障涂层与上层粘结层之间的搭接率为45-65％。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
1、本发明方法连续采用激光熔覆多层材料，可实现高温合金基体与粘结层之间、粘结层与热障涂层之间的冶金结合，通过粘结层的成分梯度结构设计可缓解基体与热障涂层的热膨胀失配，且热障涂层与基底结合强度高，涂层致密性高，裂纹少，同时降低基体在服役过程中合金元素发生氧化的概率，进而提高热障涂层的寿命。
2、本发明采用激光熔覆技术对粘结层、热障涂层进行了重新设计和改善，可实现高温合金母材与粘结层之间、粘结层与热障涂层之间的冶金结合，通过粘结层的成分梯度结构设计可缓解基体与热障涂层的热膨胀失配，且热障涂层与基底结合强度高，涂层致密性高，裂纹少，同时降低基体在服役过程中合金元素发生氧化的概率，进而提高热障涂层的寿命。
3.一种在镍基高温合金表面制备热障涂层的方法，首先对GH4169镍基高温合金表面进行去油污、喷砂粗化、去除杂质工艺处理，母材组分为：Ni：56％，Cr：22％，Co：≤1.2％，Mo：3.0％，Al:0.5％，Ti:0.7％，C:≤0.08，余量为Fe，喷砂粗化所用刚玉目数为80目，速度为100m/s，采用激光熔覆法在镍基高温合金表面先制备下层NiCoCrAlY粘结层，组分配比为：Cr:17％,Al:12％,Y:0.5％,Co:23％,余量为Ni，采用铺粉法进行激光熔覆，熔覆搭接率为60％，控制激光功率为2000W，光斑大小为3mm×3mm，扫描速度60mm/min。将NiCoCrAlY以10％的配比加入Ta掺杂的Yb2Zr2O7的原料配比中，进行激光熔覆，激光功率为1800W，光斑大小为3mm×3mm，扫描速度60mm/min，生成中层过渡粘结层，然后保持激光功率不变再采用铺粉法熔覆薄层Ta掺杂的Yb2Zr2O7，最后将Ta掺杂的Yb2Zr2O7的反应原料粉末均匀混合，预置于熔覆了粘结层的高温合金基体上，控制激光功率大小为1700W，光斑大小为3mm×3mm，扫描速度60mm/min，即得激光熔覆的热障涂层。本发明工艺过程环保无污染，成本低，通过粘结层的结构优化可缓解涂层服役过程中的热膨胀匹配，改善热障涂层的结合强度，从而提高耐高温抗氧化能力，此热障涂层与基体结合强度高，结合力达到80MPa以上，各粘结层孔隙率可控制在3％以下，粘结层和热障涂层的结构致密，致密度根据不同材料组分有所差别，但可控制在85％以上。
附图说明
图1为在镍基高温合金基体上制备粘结层和热障涂层结构示意图；
图2为镍基高温合金基体经过去油污、喷砂粗化、去除杂质处理后的表面图；
图3为在镍基高温合金基体上制备粘结层以及热影响区显微图；
图4为粘结层组分的能谱分析图；
图5为粘结层线扫描图；
图6为线扫描放大区域图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
实施例1，一种在镍基高温合金表面制备热障涂层的方法，首先对GH4169镍基高温合金表面进行去油污、喷砂粗化、去除杂质工艺处理，母材组分为：Ni：56％，Cr：22％，Co：≤1.2％，Mo：3.0％，Al:0.5％，Ti:0.7％，C:≤0.08，余量为Fe，喷砂粗化所用刚玉目数为80目，速度为90m/s，采用激光熔覆法在镍基高温合金表面先制备下层NiCoCrAlYTa粘结层，组分配比为：Cr:17％,Al:12％,Y:0.5％,Co:23％,Ta：0.1％，余量为Ni，采用重力送粉法进行激光熔覆，熔覆搭接率为45％，控制激光功率为2700W，光斑大小为5mm×5mm，扫描速度120mm/min，将NiCoCrAlYTa以5％的配比加入Ta掺杂的Yb2Zr2O7的原料配比中，进行激光熔覆，激光功率为2500W，光斑大小为5mm×5mm，扫描速度120mm/min，生成中层过渡粘结层，然后保持激光功率不变再采用铺粉法熔覆薄层Ta掺杂的Yb2Zr2O7，最后将Ta掺杂的Yb2Zr2O7的反应原料粉末均匀混合，预置于熔覆了粘结层的高温合金基体上，控制激光功率大小为2000W、光斑大小为5mm×5mm、扫描速度为120mm/min，即得激光熔覆的热障涂层。图1为在镍基高温合金基体上制备粘结层和热障涂层结构示意图，图2为镍基高温合金基体经过去油污、喷砂粗化、去除杂质处理后的表面图。
实施例2，一种在镍基高温合金表面制备热障涂层的方法，首先对GH4169镍基高温合金表面进行去油污、喷砂粗化、去除杂质工艺处理，母材组分为：Ni：50％，Cr：20％，Co：≤1.2％，Mo：3.0％，Al:0.5％，Ti:0.7％，C:≤0.08，余量为Fe，喷砂粗化所用刚玉目数为40目，速度为120m/s，采用激光熔覆法在镍基高温合金表面先制备下层NiCoCrAlYZrNb粘结层，组分配比为：Cr:17％,Al:12％,Y:0.5％,Co:23％,Zr：0.2％，Nb：0.1％，余量为Ni，采用铺送粉法进行激光熔覆，熔覆搭接率为60％，控制激光功率为3000W，光斑大小为10mm×5mm，扫描速度240mm/min将NiCoCrAlYZrNb以5％的配比加入Yb2Zr2O7的原料配比中，进行激光熔覆，激光功率为2600W，控制激光功率为3000W，光斑大小为10mm×5mm，扫描速度240mm/min，生成中层过渡粘结层，然后保持激光功率不变再采用铺粉法熔覆薄层Yb2Zr2O7，最后将Yb2Zr2O7的反应原料粉末均匀混合，预置于熔覆了粘结层的高温合金基体上，控制激光功率大小为2600W、控制激光功率为3000W，光斑大小为10mm×5mm，扫描速度240mm/min，即得激光熔覆的热障涂层。图3为在镍基高温合金基体上制备粘结层以及热影响区显微图，图4为粘结层组分的能谱分析图。
实施例3，一种在镍基高温合金表面制备热障涂层的方法，首先对GH4169镍基高温合金表面进行去油污、喷砂粗化、去除杂质工艺处理，母材组分为：Ni：56％，Cr：22％，Co：≤1.2％，Mo：3.0％，Al:0.5％，Ti:0.7％，C:≤0.08，余量为Fe，喷砂粗化所用刚玉目数为40目，速度为100m/s，采用激光熔覆法在镍基高温合金表面先制备下层NiCoCrAlY粘结层，组分配比为：Cr:17％,Al:12％,Y:0.5％,Co:23％，余量为Ni，采用重力送粉法进行激光熔覆，熔覆搭接率为60％，控制激光功率为2000W，光斑大小为5mm×5mm，扫描速度80mm/min，将NiCoCrAlY以10％的配比加入Gd掺杂的Yb2Zr2O7的原料配比中，进行激光熔覆，激光功率为2000W，光斑大小为5mm×5mm，扫描速度80mm/min，生成中层过渡粘结层，然后保持激光功率不变再采用铺粉法熔覆薄层Gd掺杂的Yb2Zr2O7，最后将Gd掺杂的Yb2Zr2O7的反应原料粉末均匀混合，预置于熔覆了粘结层的高温合金基体上，控制激光功率大小为2000W、光斑大小为5mm×5mm、扫描速度为80mm/min，即得激光熔覆的热障涂层。
实施例4，一种在镍基高温合金表面制备热障涂层的方法，首先对GH4169镍基高温合金表面进行去油污、喷砂粗化、去除杂质工艺处理，母材组分为：Ni：56％，Cr：22％，Co：≤1.2％，Mo：3.0％，Al:0.5％，Ti:0.7％，C:≤0.08，余量为Fe，喷砂粗化所用刚玉目数为60目，速度为120m/s，采用激光熔覆法在镍基高温合金表面先制备下层NiCoCrAlTiNb粘结层，组分配比为：Cr:17％,Al:12％,Co:23％，Ti:0.5％,Nb:0.2％，余量为Ni，采用铺粉法进行激光熔覆，熔覆搭接率为60％，控制激光功率为2600W，光斑大小为10mm×5mm，扫描速度240mm/min，将NiCoCrAlTiNb以8％的配比加入Yb2Zr2O7的原料配比中，进行激光熔覆，激光功率为2400W，光斑大小为10mm×5mm，扫描速度240mm/min，生成中层过渡粘结层，然后保持激光功率不变再采用铺粉法熔覆薄层Yb2Zr2O7，最后将Yb2Zr2O7的反应原料粉末均匀混合，预置于熔覆了粘结层的高温合金基体上，控制激光功率大小为2400W、光斑大小为10mm×5mm，扫描速度240mm/min，即得激光熔覆的热障涂层。图5为粘结层线扫描图，图6为线扫描放大区域图。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种在镍基高温合金表面制备热障涂层的方法，其特征在于，对GH4169镍基高温合金表面进行去油污、喷砂粗化、去除杂质处理后，采用激光熔覆法在其表面制备过渡粘结层，控制粘结层合金粉末配比制备出粘结层，粘结层分为上、中、下三层，分别与镍基高温合金基体、热障涂层材料的组分、配比相同或相近，然后将热障涂层的反应原料粉末均匀混合，预置于熔覆了粘结层的高温合金基体上，控制激光光斑大小、功率、时间参数进行激光熔覆热障涂层。
2.根据权利要求1所述的一种在镍基高温合金表面制备热障涂层的方法，其特征在于，所述对GH4169表面进行处理过程前后，可根据要求对其进行线切割成块状，但在制备粘结层前需进行粗化清洁步骤，喷砂粗化速度范围在50-300m/s之间，喷砂所用目数为40-160目。
3.根据权利要求1所述的一种在镍基高温合金表面制备热障涂层的方法，其特征在于，所述在镍基高温合金基体上制备的粘结层，分为上、中、下三层，下层与GH4169基体材料组分含量一致或相近，上层与热障涂层组分一致或相近，所述相近包括元素含量偏差不超过10％，允许有掺杂，但杂质元素含量不超过3％。中层则为掺杂有高温合金粉末的热障涂层，所述掺杂高温合金粉末的种类与下层一致，比例不超过30％。
4.根据权利要求1所述的一种在镍基高温合金表面制备热障涂层的方法，其特征在于，GH4169镍基基体材料元素含量为，Ni：50-56％，Cr：17-22％，Co：≤1.2％，Mo：2.5-3.5％，Al:0.3-0.7％，Ti:0.7-1.2％，C:≤0.08，余量为Fe.下层粘结层元素为Ni,Cr,Co,Mo,Al,Ti,Fe,C,Y,Ta,Yb,Zr，其中Y,Ta,Yb,Zr为掺杂元素，含量不超过3％。
5.根据权利要求1所述的一种在镍基高温合金表面制备热障涂层的方法，其特征在于，在GH4169镍基高温合金基体上熔覆粘结层后的热障涂层材料为氧化钇稳定的氧化锆和基质材料为A2B2O7型的热障涂层材料，其中A为Sc、Y、La、Nd、Eu、Gd、Dy、Er、Yb、Lu等稀土元素，B为Ti、Zr、Ce和Hf。所述上层粘结层是与热障涂层材料组分一致或相近的材料。
6.根据权利要求1所述的一种在镍基高温合金表面制备热障涂层的方法，其特征在于，所述在镍基高温合金基体上制备的粘结层，分为三层，下层粘结层的厚度大于中上两层的厚度和，可根据实际需要调节厚度。
7.根据权利要求1所述的一种在镍基高温合金表面制备热障涂层的方法，其特征在于，热障涂层的反应原料粉末均匀混合后，可通过铺粉法或送粉法预置于熔覆了粘结层的高温合金基体上，激光功率在500-3000W之间。
8.根据权利要求1所述的一种在镍基高温合金表面制备热障涂层的方法，其特征在于，激光熔覆过程中，下层粘结层与基体之间、中间层与上下两层之间、下层粘结层与上层粘结层以及热障涂层与上层粘结层之间的搭接率为45-65％。
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