CN111394702A - 一种热障涂层及其制备方法和应用 - Google Patents

一种热障涂层及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN111394702A
CN111394702A CN202010258330.6A CN202010258330A CN111394702A CN 111394702 A CN111394702 A CN 111394702A CN 202010258330 A CN202010258330 A CN 202010258330A CN 111394702 A CN111394702 A CN 111394702A
Authority
CN
China
Prior art keywords
thermal barrier
barrier coating
substrate
metal bonding
electron beam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010258330.6A
Other languages
English (en)
Inventor
李树索
周汝豪
张恒
郭付达
尚勇
裴延玲
宫声凯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beihang University Sichuan International Center For Innovation In Western China Co ltd
Original Assignee
Beihang University Sichuan International Center For Innovation In Western China Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University Sichuan International Center For Innovation In Western China Co ltd filed Critical Beihang University Sichuan International Center For Innovation In Western China Co ltd
Priority to CN202010258330.6A priority Critical patent/CN111394702A/zh
Publication of CN111394702A publication Critical patent/CN111394702A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
    • C23C14/325—Electric arc evaporation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/058—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium without Mo and W
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/021—Cleaning or etching treatments
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/024—Deposition of sublayers, e.g. to promote adhesion of the coating
    • C23C14/025—Metallic sublayers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/08—Oxides
    • C23C14/083—Oxides of refractory metals or yttrium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/28—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation
    • C23C14/30—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation by electron bombardment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58—After-treatment
    • C23C14/5806—Thermal treatment

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本发明属于功能涂层技术领域，特别涉及一种热障涂层及其制备方法和应用。本发明提供了一种热障涂层的制备方法，包括以下步骤：提供预处理基体；在所述预处理基体的表面利用NiCrAlY合金进行多弧离子镀，得到金属粘结层；在所述金属粘结层表面依次进行喷丸处理、热处理、喷砂处理和清洗后，采用电子束物理气相沉积法制备陶瓷层，得到热障涂层。通过以NiCrAlY合金进行多弧离子镀，在较快的沉积速度基础上，得到与基体结合力高的金属粘结层，有利于提高涂层对交变载荷的承受能力并提高热障涂层的抗热震性；通过电子束物理气相沉积有利于得到均匀、与金属粘结层结合良好的陶瓷层，进一步提高热障涂层的抗热震性。

Description

一种热障涂层及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于功能涂层技术领域，特别涉及一种热障涂层及其制备方法和应用。
背景技术
热障涂层(Thermal Barrier Coatings)是一层陶瓷涂层，其沉积在耐高温金属或超合金的表面，对于基底材料起到隔热作用，降低基底温度，使得用其制成的器件(如发动机涡轮叶片)能在高温下运行，并且可以提高器件(如发动机等)的热效率达到60％以上。热障涂层主要由四层组成，最外层是陶瓷层，用来降低合金基体的温度；陶瓷层下层是金属粘结层，主要用于改善陶瓷层与基体的结合强度和保护基体合金免受高温燃气冲蚀；金属粘结层下面是热生长氧化物(TGO)层，是在高温服役时粘结层中的Al向外扩散氧化形成的，主要成分为α-Al2O3；最下面为高温合金基体。
热障涂层做为提高航空发动机涡轮叶片承温能力的三大技术之一，对保护涡轮叶片和提高发动机涡轮前进口温度具有重要意义。目前，热障涂层的制备方法主要有大气等离子喷涂、电子束物理气相沉积以及高速火焰喷涂。其中，大气等离子喷涂制备的热障涂层具有大量的微孔和微缺陷，因此具有良好的隔热效果，但抗热震性能较差，寿命较低；电子束物理气相沉积制备的热障涂层具有柱状晶结构，陶瓷层具有良好的应变容限，因此抗热震性能好、寿命较长，但涂层与基体结合力较差；高速火焰喷涂制备的涂层与基体结合力较差，不能承受交变载荷，涂层内应力大。
因此，寻求一种与基体结合良好且抗热震性能优良的热障涂层的制备方法，以满足现代工业的不断发展对热障涂层的要求，具有重要的国防意义和极大的产业价值。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种热障涂层的制备方法，由该方法制备得到的热障涂层具有与基体结合良好且抗热震性能优良的特点；本发明还提供了一种热障涂层及其应用。
为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种热障涂层的制备方法，包括以下步骤：
提供预处理基体；
在所述预处理基体的表面利用NiCrAlY合金进行多弧离子镀，得到金属粘结层；
在所述金属粘结层表面依次进行喷丸处理、热处理、喷砂处理和清洗后，采用电子束物理气相沉积法制备陶瓷层，得到热障涂层。
优选的，所述提供预处理基体包括以下步骤：
将基体的表面依次进行打磨、喷砂处理和清洗，得到预处理基体；
所述打磨用砂纸的目数为800目；所述喷砂处理用细砂的目数为20目，压力为0.2MPa。
优选的，所述基体为镍基合金。
优选的，以质量百分比计，所述NiCrAlY合金包括以下元素：Cr 15％～20％、Al10％～15％、Y 0.2％～1.0％和余量的Ni。
优选的，所述多弧离子镀的弧电流为160～200A，偏压为10～30V，本底真空度为1×10-3～9×10-3Pa；所述多弧离子镀时，所述预处理基体的温度为300～500℃。
优选的，所述电子束物理气相沉积法的真空度为5×10-3Pa，高压电压为20kV；一枪电流上升速率为0.1A/2min，一枪电流最终电流为1.3～1.5A；三枪电流最终电流为0.22～0.25A；靶材的上升速率为5mm/min；所述电子束物理气相沉积在预处理基体的温度达到700～800℃时结束。
优选的，所述电子束物理气相沉积法的靶材为氧化钇稳定氧化锆。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的热障涂层，包括依次层叠的基体层、金属粘结层和陶瓷层。
优选的，所述金属粘结层的厚度为10～100μm，所述陶瓷层的厚度为50～250μm。
本发明还提供了上述技术方案所述热障涂层在航空发动机和燃气轮机领域中的应用。
本发明提供了一种热障涂层的制备方法，包括以下步骤：提供预处理基体；在所述预处理基体的表面利用NiCrAlY合金进行多弧离子镀，得到金属粘结层；在所述金属粘结层表面依次进行喷丸处理、热处理、喷砂处理和清洗后，采用电子束物理气相沉积制备陶瓷层，得到热障涂层。本发明通过对基体表面进行预处理，为后续进行金属粘结层制备提供良好的环境基础；通过以NiCrAlY合金进行多弧离子镀，得到与基体结合力高的金属粘结层，有利于提高涂层对交变载荷的承受能力并提高热障涂层抗热震性；通过对金属粘结层表面的喷丸处理、热处理、喷砂处理和清洗，有利于提高金属粘结层与陶瓷层的界面结合强度；通过电子束物理气相沉积有利于得到均匀、与金属粘结层结合良好的陶瓷层，进一步提高热障涂层的抗热震性。
实施例的测试结果表明，使用本发明提供的制备方法得到的热障涂层，经1100℃冷热循环后，涂层表面有烧结痕迹，表面颜色由制备态的蓝白色逐渐变为暗黄色，表面干净完整，无边缘剥落现象和宏观裂纹产生；1100℃条件下，不同冷热循环次数后热障涂层的残余应力整体水平较低，热障涂层寿命远大于2000次，说明所得热障涂层与基体结合力强、抗热震性能优异。
附图说明
图1为热障涂层的结构示意图，其中1为基体层，2为金属粘结层，3为陶瓷层；
图2为实施例1所得热障涂层的金属粘结层的SEM图；
图3为测试例1中热障涂层在不同循环次数条件下的宏观照片；
图4为测试例2中热障涂层在0次循环次数条件下，陶瓷层厚度梯度方向平均应力水平曲线图；
图5为测试例2中热障涂层在10次循环次数条件下，陶瓷层厚度梯度方向平均应力水平曲线图；
图6为测试例2中热障涂层在20次循环次数条件下，陶瓷层厚度梯度方向平均应力水平曲线图；
图7为测试例2中热障涂层在50次循环次数条件下，陶瓷层厚度梯度方向平均应力水平曲线图；
图8为测试例2中热障涂层在100次循环次数条件下，陶瓷层厚度梯度方向平均应力水平曲线图；
图9为测试例2中热障涂层在300次循环次数条件下，陶瓷层厚度梯度方向平均应力水平曲线图；
图10为测试例2中热障涂层在500次循环次数条件下，陶瓷层厚度梯度方向平均应力水平曲线图；
图11为测试例2中热障涂层在1000次循环次数条件下，陶瓷层厚度梯度方向平均应力水平曲线图；
图12为测试例2中热障涂层在2000次循环次数条件下，陶瓷层厚度梯度方向平均应力水平曲线图；
图13为测试例2中热障涂层的TGO应力随循环次数变化图。
具体实施方式
本发明提供了一种热障涂层的制备方法，包括以下步骤：
提供预处理基体；
在所述预处理基体的表面利用NiCrAlY合金进行多弧离子镀，得到金属粘结层；
在所述金属粘结层表面依次进行喷丸处理、热处理、喷砂处理和清洗后，采用电子束物理气相沉积法制备陶瓷层，得到热障涂层。
本发明提供预处理基体。
在本发明中，所述提供预处理基体优选包括以下步骤：
将基体的表面依次进行打磨、喷砂处理和清洗，得到预处理基体。
在本发明中，所述基体优选为镍基合金。在本发明中，所述打磨用砂纸的目数优选为800目。本发明对所述打磨的时间没有特殊限定，以能够去除基体表面的杂质为准。在本发明中，所述喷砂处理用细砂的目数优选为20目，压力优选为0.2MPa。本发明对所述喷砂的时间没有特殊限定，以基体表面均匀喷砂覆盖完全为准。在本发明中，所述喷砂处理的设备优选为喷砂机。在本发明中，所述清洗用试剂优选为酒精和/或丙酮；所述清洗的时间优选为15～30min。所述清洗后，本发明优选还包括干燥，以将基体表面的清洗用试剂去除；本发明对所述干燥的方法没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的干燥即可，具体的，如吹干。
得到预处理基体后，本发明在所述预处理基体的表面利用NiCrAlY合金进行多弧离子镀，得到金属粘结层。
在本发明中，以质量百分比计，所述NiCrAlY合金优选包括以下元素：Cr 15％～20％、Al 10％～15％、Y 0.2％～1.0％和余量的Ni。本发明对所述NiCrAlY合金的来源没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的合金来源即可，具体的如市售。
在本发明中，所述多弧离子镀的弧电流优选为160～200A，更优选为170～190A，最优选为180A；偏压优选为10～30V，更优选为15～25V，最优选为20V；本底真空度优选为1×10-3～9×10-3Pa，更优选为3×10-3～7×10-3Pa，最优选为5×10-3Pa。在本发明中，所述多弧离子镀时，所述预处理基体的温度优选为300～500℃，更优选为350～450℃，最优选为400℃。在本发明中，所述多弧离子镀中工件的转动方式优选为公转，转速优选为1～3rpm，更优选为1～2rpm，最优选为1rpm。
得到金属粘结层后，本发明在所述金属粘结层表面依次进行喷丸处理、热处理、喷砂处理和清洗后，采用电子束物理气相沉积制备陶瓷层，得到热障涂层。
在本发明中，所述喷丸处理优选使用玻璃珠；所述玻璃珠的目数优选为60目，压力优选为0.2MPa，时间优选为3～5s。在本发明中，所述热处理的温度优选为1150℃，真空度优选为1×10-3Pa，时间优选为2h。所述热处理后，本发明优选还包括冷却处理；在本发明中，所述冷却处理优选为风冷至室温。在本发明中，所述喷砂处理用细砂的目数优选为20目，压力优选为0.2MPa。本发明对所述喷砂的时间没有特殊限定，以金属粘结层表面均匀喷砂覆盖完全为准。在本发明中，所述清洗用试剂优选为酒精和/或丙酮；所述清洗的时间优选为15～30min。所述清洗后，本发明优选还包括干燥，本发明通过干燥将金属粘结层表面的清洗用试剂去除；本发明对所述干燥的方法没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的干燥即可，具体的，如吹干。
在本发明中，所述电子束物理气相沉积法的真空度优选为5×10-3Pa，电压优选为20kV。在本发明中，所述电子束物理气相沉积法的靶材优选为氧化钇稳定氧化锆；所述氧化钇稳定氧化锆中Y2O3的质量百分含量优选为6～8％。在本发明中，所述电子束物理气相沉积法中靶材的上升速率优选为5mm/min。在本发明中，所述电子束物理气相沉积法优选在预处理基体的温度达到800℃时结束。在本发明中，所述电子束物理气相沉积法中陶瓷层的厚度蒸镀速率优选为10μm/h。
在本发明中，所述电子束物理气相沉积法制备陶瓷层的具体工艺优选包括以下步骤：
打开总电闸和压缩空气总闸；打开工业制冷机的急停按钮；打开EB-PVD操作箱里的电闸；开操作屏电源，放气，清洗后关闭放气开关；
打开预抽泵、预抽阀、前级泵、前级阀和真空计；当前级真空达到3.0×102Pa以下时开前级罗茨泵；当主真空达到3.0×102Pa以下时关预抽阀和预抽泵，开真空泵、真空阀和低真空阀；当主真空度达到3.0×102Pa以下后开真空罗茨泵；当前级罗茨泵真空度达到5.0Pa时开扩散泵；抽40～60min，主真空抽到5.0Pa以下后关低真空阀，开切换阀、高真空阀、左室高真空阀和右室高真空阀；在此抽高真空过程中将待进行电子束物理气相沉积的样品放置于样品室，关切换阀、关真空罗茨泵，开预真空阀，抽到3.0×102Pa开真空罗茨泵至样品室抽到5.0Pa以下；关预真空阀、开切换阀和开插板阀；主真空抽至5.0×10-3Pa以下时，打开扫描发生器，开扫描发生器上控制屏电源，打开一枪和三枪；打高压急停，将高压电压设置为20kV，打开灯丝急停，再开同步、开调整/运行；将一枪、三枪运行打开；依次打开束流设定、模拟控制、设定电子束流、旋钮调节开急停、开高压枪右旋转，开始预热靶材，缓慢旋转一枪电流控制旋钮，控制为每隔2min上升0.1A，直至1.3～1.5A，同时缓慢旋转三枪电流控制旋钮，将三枪电流上升至0.22～0.25A，直至基体温度为700～800℃。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的热障涂层，包括依次层叠的基体层、金属粘结层和陶瓷层。本发明所述热障涂层的结构示意图如图1所示，图1中，1为基体层，2为金属粘结层，3为陶瓷层。
在本发明中，所述金属粘结层的厚度优选为10～100μm，更优选为30～70μm；所述陶瓷层的厚度优选为50～250μm，更优选为70～220μm。
本发明还提供了上述技术方案所述热障涂层在航空发动机和燃气轮机领域中的应用，优选为航空发动机和燃气轮机的涡轮叶片中的应用。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种热障涂层及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将镍基高温合金基体用800目砂纸打磨，采用喷砂机在20目细砂、0.2MPa压力喷砂，然后采用酒精和丙酮清洗25min，吹干，得到预处理基体表面；
将所得预处理基体表面进行多弧离子镀，得到金属粘结层，其中，多弧离子镀具体制备工艺参数为：弧电流：180A；偏压：20V；基体温度：400℃；本底真空度：5×10-3Pa；转动方式：公转；工件转速：1rpm；进行进行多弧离子镀用NiCrAlY合金的组成为：Cr 17.5％、Al12.5％、Y 0.6％和余量的Ni；
将所得金属粘结层进行60目玻璃珠、0.2MPa喷丸处理，然后在1150℃、1×10-3Pa真空度下热处理2h，风冷，再然后进行20目细砂、0.2MPa压力条件下喷砂，之后采用酒精和丙酮清洗25min，吹干，进行电子束物理气相沉积进行陶瓷层制备，得到热障涂层，其中，陶瓷层制备所用靶材为氧化钇稳定氧化锆(其中Y2O3的质量百分含量为6％)；电子束物理气相沉积的具体工艺为：
打开总电闸和压缩空气总闸；打开工业制冷机的急停按钮；打开EB-PVD操作箱里的电闸；开操作屏电源，放气，清洗后关闭放气开关；打开预抽泵、预抽阀、前级泵、前级阀和真空计；当前级真空达到3.0×102Pa以下时开前级罗茨泵；当主真空达到3.0×102Pa以下时关预抽阀和预抽泵，开真空泵、真空阀和低真空阀；当主真空度达到3.0×102Pa以下后开真空罗茨泵；当前级罗茨泵真空度达到5.0Pa时开扩散泵；抽40min，主真空抽到5.0Pa以下后关低真空阀，开切换阀、高真空阀、左室高真空阀和右室高真空阀；在此抽高真空过程中将待进行电子束物理气相沉积的样品放置于样品室，关切换阀、关真空罗茨泵，开预真空阀，抽到3.0×102Pa开真空罗茨泵至样品室抽到5.0Pa以下；关预真空阀、开切换阀和开插板阀；主真空抽至5.0×10-3Pa以下时，打开扫描发生器，开扫描发生器上控制屏电源，打开一枪和三枪；打高压急停，将高压电压设置为20kV，打开灯丝急停，再开同步、开调整/运行；将一枪、三枪运行打开；依次打开束流设定、模拟控制、设定电子束流、旋钮调节开急停、开高压枪右旋转，开始预热靶材，缓慢旋转一枪电流控制旋钮，控制为每隔2min上升0.1A，直至1.3A，同时缓慢旋转三枪电流控制旋钮，将三枪电流上升至0.25A，直至基体温度为800℃。
对所得热障涂层的金属粘结层进行SEM测试，所得测试图见图2。由图2可见，本实施例制备得到的热障涂层基体与金属粘结层良好融合，说明热障涂层与基体的结合力强。
测试例1
将若干覆有热障涂层的试片分别在自动冷热循环炉里进行冷热循环实验，对实施例1所得热障涂层进行冷热循环测试，以检验涂层抗冷热循环性能，即抗热震性，测试方法为：
将8个覆有实施例1制备的热障涂层的试片分别置于自动冷热循环炉中，于1100℃条件下，保温5min，风冷5min，以此10分钟为一个循环，分别在循环次数为10、20、50、100、300、500、1000、2000时取出一个测试试片，观察试片表面变化，不同循环后试片宏观照片见图3，图3中，从左到右依次为循环次数为0、10、20、50、100、300、500、1000和2000的试片。由图3可见，经1100℃冷热循环后，不同循环次数后，试片热障涂层表面有烧结痕迹，样品表面颜色由制备态的蓝白色逐渐变为暗黄色，表面干净完整，无边缘剥落现象和宏观裂纹产生，可见涂层性能较好。
测试例2
针对测试例1所得各试片，采用激光拉曼法测量不同循环次数条件下各试片的陶瓷层中厚度梯度方向的应力分布，热障涂层在不同循环次数条件下，陶瓷层厚度梯度方向平均应力水平曲线图见图4～12，其中，图4～12依次为测试例2中热障涂层在0次、10次20次、50次、100次、300次、500次、1000次和2000次循环次数条件下，陶瓷层厚度梯度方向平均应力水平曲线图；绘制TGO应力随循环次数变化图，见图13。
由图4～13可见，陶瓷层残余应力整体水平较低(100～-150MPa)，初始态为拉应力，随循环次数增加，整体经历了由拉应力变为压应力(0～100次)，压应力转为拉应力(100～300次)，拉应力再转为压应力(300～2000次)。就陶瓷层厚度梯度残余应力分布而言，除循环次数为50和300外，其余循环次数残余应力均呈现相同的分布趋势，即残余应力数值为先减小后增大再减小。故可将厚度梯度方向的残余应力分布演变分为三个阶段，0～50、50～300和300～2000，循环前50次，残余应力在厚度梯度方向整体呈现由拉应力转变为压应力，中间阶段50次至300次，残余应力出现反转，由50次的整体压应力逐渐转变为300次的整体拉应力，度过不稳定阶段后，随着循环次数的增加，陶瓷层的烧结更为严重，残余应力逐渐演变为压应力，而且压应力水平随循环次数增加而增加，循环次数为2000的应力水平为整个测试样品的最大值，说明涂层寿命远大于2000次循环，陶瓷层还未经历由整体压应力转变为拉应力的变化，即说明本发明提供的热障涂层内应力小、寿命长。
实施例2
将镍基高温合金基体用800目砂纸打磨，采用喷砂机在20目细砂、0.2MPa压力喷砂，然后采用酒精和丙酮清洗20min，吹干，得到预处理基体表面；
将所得预处理基体表面进行多弧离子镀，得到金属粘结层，其中，多弧离子镀具体制备工艺参数为：弧电流：160A；偏压：15V；基体温度：350℃；本底真空度：5×10-3Pa；转动方式：公转；工件转速：1rpm；进行进行多弧离子镀用NiCrAlY合金的组成为：Cr 19.5％、Al13.5％、Y 0.6％和余量的Ni；
将所得金属粘结层进行60目玻璃珠、0.2MPa喷丸处理，然后在1150℃、1×10-3Pa真空度下热处理2h，风冷，再然后进行20目细砂、0.2MPa压力条件下喷砂，之后采用酒精和丙酮清洗25min，吹干，进行电子束物理气相沉积进行陶瓷层制备，得到热障涂层，其中，陶瓷层制备所用靶材为氧化钇稳定氧化锆(其中Y2O3的质量百分含量为6％)；电子束物理气相沉积的具体工艺为：
打开总电闸和压缩空气总闸；打开工业制冷机的急停按钮；打开EB-PVD操作箱里的电闸；开操作屏电源，放气，清洗后关闭放气开关；打开预抽泵、预抽阀、前级泵、前级阀和真空计；当前级真空达到3.0×102Pa以下时开前级罗茨泵；当主真空达到3.0×102Pa以下时关预抽阀和预抽泵，开真空泵、真空阀和低真空阀；当主真空度达到3.0×102Pa以下后开真空罗茨泵；当前级罗茨泵真空度达到5.0Pa时开扩散泵；抽40min，主真空抽到5.0Pa以下后关低真空阀，开切换阀、高真空阀、左室高真空阀和右室高真空阀；在此抽高真空过程中将待进行电子束物理气相沉积的样品放置于样品室，关切换阀、关真空罗茨泵，开预真空阀，抽到3.0×102Pa开真空罗茨泵至样品室抽到5.0Pa以下；关预真空阀、开切换阀和开插板阀；主真空抽至5.0×10-3Pa以下时，打开扫描发生器，开扫描发生器上控制屏电源，打开一枪和三枪；打高压急停，将高压电压设置为20kV，打开灯丝急停，再开同步、开调整/运行；将一枪、三枪运行打开；依次打开束流设定、模拟控制、设定电子束流、旋钮调节开急停、开高压枪右旋转，开始预热靶材，缓慢旋转一枪电流控制旋钮，控制为每隔2min上升0.1A，直至1.3A，同时缓慢旋转三枪电流控制旋钮，将三枪电流上升至0.25A，直至基体温度为800℃。
实施例3
将镍基高温合金基体用800目砂纸打磨，采用喷砂机在20目细砂、0.2MPa压力喷砂，然后采用酒精和丙酮清洗30min，吹干，得到预处理基体表面；
将所得预处理基体表面进行多弧离子镀，得到金属粘结层，其中，多弧离子镀具体制备工艺参数为：弧电流：180A；偏压：25V；基体温度：450℃；本底真空度：5×10-3Pa；转动方式：公转；工件转速：1rpm；进行进行多弧离子镀用NiCrAlY合金的组成为：Cr 16.5％、Al12.5％、Y 0.7％和余量的Ni；
将所得金属粘结层进行60目玻璃珠、0.2MPa喷丸处理，然后在1150℃、1×10-3Pa真空度下热处理2h，风冷，再然后进行20目细砂、0.2MPa压力条件下喷砂，之后采用酒精和丙酮清洗25min，吹干，进行电子束物理气相沉积进行陶瓷层制备，得到热障涂层，其中，陶瓷层制备所用靶材为氧化钇稳定氧化锆(其中Y2O3的质量百分含量为6％)；电子束物理气相沉积的具体工艺为：
打开总电闸和压缩空气总闸；打开工业制冷机的急停按钮；打开EB-PVD操作箱里的电闸；开操作屏电源，放气，清洗后关闭放气开关；打开预抽泵、预抽阀、前级泵、前级阀和真空计；当前级真空达到3.0×102Pa以下时开前级罗茨泵；当主真空达到3.0×102Pa以下时关预抽阀和预抽泵，开真空泵、真空阀和低真空阀；当主真空度达到3.0×102Pa以下后开真空罗茨泵；当前级罗茨泵真空度达到5.0Pa时开扩散泵；抽40min，主真空抽到5.0Pa以下后关低真空阀，开切换阀、高真空阀、左室高真空阀和右室高真空阀；在此抽高真空过程中将待进行电子束物理气相沉积的样品放置于样品室，关切换阀、关真空罗茨泵，开预真空阀，抽到3.0×102Pa开真空罗茨泵至样品室抽到5.0Pa以下；关预真空阀、开切换阀和开插板阀；主真空抽至5.0×10-3Pa以下时，打开扫描发生器，开扫描发生器上控制屏电源，打开一枪和三枪；打高压急停，将高压电压设置为20kV，打开灯丝急停，再开同步、开调整/运行；将一枪、三枪运行打开；依次打开束流设定、模拟控制、设定电子束流、旋钮调节开急停、开高压枪右旋转，开始预热靶材，缓慢旋转一枪电流控制旋钮，控制为每隔2min上升0.1A，直至1.3A，同时缓慢旋转三枪电流控制旋钮，将三枪电流上升至0.25A，直至基体温度为800℃。
对实施例2～3所得热障涂层进行冷热循环实验，实验结果与实施例1相似。
本发明提供了一种热障涂层的制备方法，由该方法制备得到的热障涂层具有与基体结合良好且抗热震性能优良的特点，还具有热障涂层内应力小、寿命长的优点，用于航空发动机涡轮叶片或燃气轮机涡轮叶片中，可以有效抵抗来自航空发动机或燃气机内部的高温燃气冲蚀，具有重要的国防意义和极大的产业价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种热障涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供预处理基体；
在所述预处理基体的表面利用NiCrAlY合金进行多弧离子镀，得到金属粘结层；
在所述金属粘结层表面依次进行喷丸处理、热处理、喷砂处理和清洗后，采用电子束物理气相沉积法制备陶瓷层，得到热障涂层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述提供预处理基体包括以下步骤：
将基体的表面依次进行打磨、喷砂处理和清洗，得到预处理基体；
所述打磨用砂纸的目数为800目；所述喷砂处理用细砂的目数为20目，压力为0.2MPa。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述基体为镍基合金。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以质量百分比计，所述NiCrAlY合金包括以下元素：Cr 15％～20％、Al 10％～15％、Y 0.2％～1.0％和余量的Ni。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述多弧离子镀的弧电流为160～200A，偏压为10～30V，本底真空度为1×10-3～9×10-3Pa；所述多弧离子镀时，所述预处理基体的温度为300～500℃。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电子束物理气相沉积法的真空度为5×10-3Pa，高压电压为20kV；一枪电流上升速率为0.1A/2min，一枪电流最终电流为1.3～1.5A；三枪电流最终电流为0.22～0.25A；靶材的上升速率为5mm/min；所述电子束物理气相沉积在预处理基体的温度达到700～800℃时结束。
7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，所述电子束物理气相沉积法的靶材为氧化钇稳定氧化锆。
8.权利要求1～7任一项所述制备方法制备得到的热障涂层，其特征在于，包括依次层叠的基体层、金属粘结层和陶瓷层。
9.根据权利要求8所述的热障涂层，其特征在于，所述金属粘结层的厚度为10～100μm，所述陶瓷层的厚度为50～250μm。
10.权利要求8或9所述热障涂层在航空发动机和燃气轮机领域中的应用。
CN202010258330.6A 2020-04-03 2020-04-03 一种热障涂层及其制备方法和应用 Pending CN111394702A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010258330.6A CN111394702A (zh) 2020-04-03 2020-04-03 一种热障涂层及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010258330.6A CN111394702A (zh) 2020-04-03 2020-04-03 一种热障涂层及其制备方法和应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111394702A true CN111394702A (zh) 2020-07-10

Family

ID=71436840

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010258330.6A Pending CN111394702A (zh) 2020-04-03 2020-04-03 一种热障涂层及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111394702A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111804907A (zh) * 2020-07-17 2020-10-23 西安交通大学 一种改性陶瓷颗粒增强铁基复合材料及其制备方法
CN111962028A (zh) * 2020-09-03 2020-11-20 北京金轮坤天特种机械有限公司 一种eb-pvd/aps复合结构双陶瓷层热障涂层及其制备方法
CN112981330A (zh) * 2021-02-04 2021-06-18 北航（四川）西部国际创新港科技有限公司 一种改性NiCrAlYSi粘结层及其制备方法和应用
CN116288207A (zh) * 2023-03-21 2023-06-23 浙江大学 一种热障涂层及其制备方法和在高温合金中的应用

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030039764A1 (en) * 2000-12-22 2003-02-27 Burns Steven M. Enhanced surface preparation process for application of ceramic coatings
CN1548578A (zh) * 2003-05-21 2004-11-24 中国科学院金属研究所 一种抗热冲击热障涂层的制备方法
CN1657653A (zh) * 2005-04-01 2005-08-24 中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院 高温合金表面热障涂层及其制备方法
US20080113218A1 (en) * 2006-01-10 2008-05-15 United Technologies Corporation Thermal barrier coating compositions, processes for applying same and articles coated with same
CN105463453A (zh) * 2015-11-25 2016-04-06 沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司 一种界面稳定的热障涂层及其制备方法
CN110735117A (zh) * 2019-11-29 2020-01-31 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 一种双联体导向叶片热障涂层制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030039764A1 (en) * 2000-12-22 2003-02-27 Burns Steven M. Enhanced surface preparation process for application of ceramic coatings
CN1548578A (zh) * 2003-05-21 2004-11-24 中国科学院金属研究所 一种抗热冲击热障涂层的制备方法
CN1657653A (zh) * 2005-04-01 2005-08-24 中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院 高温合金表面热障涂层及其制备方法
US20080113218A1 (en) * 2006-01-10 2008-05-15 United Technologies Corporation Thermal barrier coating compositions, processes for applying same and articles coated with same
CN105463453A (zh) * 2015-11-25 2016-04-06 沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司 一种界面稳定的热障涂层及其制备方法
CN110735117A (zh) * 2019-11-29 2020-01-31 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 一种双联体导向叶片热障涂层制备方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111804907A (zh) * 2020-07-17 2020-10-23 西安交通大学 一种改性陶瓷颗粒增强铁基复合材料及其制备方法
CN111962028A (zh) * 2020-09-03 2020-11-20 北京金轮坤天特种机械有限公司 一种eb-pvd/aps复合结构双陶瓷层热障涂层及其制备方法
CN112981330A (zh) * 2021-02-04 2021-06-18 北航（四川）西部国际创新港科技有限公司 一种改性NiCrAlYSi粘结层及其制备方法和应用
CN116288207A (zh) * 2023-03-21 2023-06-23 浙江大学 一种热障涂层及其制备方法和在高温合金中的应用
CN116288207B (zh) * 2023-03-21 2024-04-05 浙江大学 一种热障涂层及其制备方法和在高温合金中的应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111394702A (zh) 一种热障涂层及其制备方法和应用
CN108118190B (zh) 一种抗环境沉积物腐蚀热障涂层及其制备方法
CN109666904B (zh) 一种低应力高耐磨抗冲蚀涂层、制备方法及应用
CN102345099B (zh) 一种汽轮机叶片材料表面多层抗点蚀涂层的制备方法
CN109440046B (zh) 一种航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层及其制备方法
CN104630686A (zh) 一种含有长寿命抗氧化粘结层的热障涂层的制备方法
CN103590002A (zh) 一种镍基高温合金Al-Cr涂层的制备方法
CN111560584A (zh) 一种航空发动机叶片高性能热障涂层及多工艺组合制备方法
CN108004543A (zh) 一种抗cmas腐蚀的热障涂层及其制备方法
CN111378935B (zh) Al/NiCrAlY/Al2O3复合涂层、其制备方法及应用
CN111962028A (zh) 一种eb-pvd/aps复合结构双陶瓷层热障涂层及其制备方法
CN109518139B (zh) 一种钛火阻燃涂层及其制备方法
CN101294284A (zh) 一种耐冲蚀抗疲劳等离子表面复合强化方法
CN109487195B (zh) 一种超极限铁合金及其制备方法
CN109609953B (zh) 一种超极限铜合金及其制备方法
CN103552311A (zh) 一种用于单晶高温合金的防护涂层及其制备方法
CN112962065B (zh) 一种镍基合金表面复合结构涂层及其制备方法
RU2308537C1 (ru) Способ обработки поверхности металлического изделия
CN109207917B (zh) 一种NiCrAlSi/CeO2掺杂YSZ热障涂层及其制备方法
CN105463382B (zh) 一种提高TiAl合金氧化抗力的涂层及其制备方法
CN111485204A (zh) 一种等离子体制备抗固体粒子冲蚀陶瓷涂层的方法
CN103014704A (zh) 一种新型高效长寿命热障涂层的制备方法
CN108286036B (zh) 一种原位补氧型扫描式电子束气相沉积(ioc-sevd)装置及其方法
CN114231906A (zh) 一种船用燃气轮机高压涡轮叶片的热障涂层及其制备方法
CN113862618B (zh) 一种航空发动机叶片及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200710