CN111593341A - 一种重型燃气轮机叶片高性能热障涂层及其多工艺组合制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种重型燃气轮机叶片高性能热障涂层及其多工艺组合制备方法，属于燃气轮机叶片热障涂层技术领域。制备方法为：采用激光熔覆技术制备MCrAlY粘结层+激光冲击强化技术大面积调控MCrAlY熔覆层组织结构及应力状态+激光冲击微造型技术在强化层表面选择性加工微凹坑织构+大气等离子喷涂技术制备YSZ陶瓷层，控制相应参数，制得热障涂层。本发明的热障涂层具有优良的界面结合强度、较高的抗高温氧化性能以及热冲击性能，解决了燃气轮机热障涂层对高隔热、抗氧化、长寿命与大面积可控制备的需求，具有非常广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面处理技术，尤其是一种燃气轮机涂层防护技术，具体地说是一种重型燃气轮机透平叶片高隔热、抗氧化、长寿命热障涂层及其多工艺组合制备方法。
背景技术
目前，国际最先进的重型燃气轮机其燃气温度已达1600oC，未来还将向1700oC及以上发展，这种极端高温环境已经超出了透平叶片可承受的极限温度，采用先进的热障涂层（TBCs）技术是目前燃气轮机实现高效率、低排放和长寿命最经济有效的途径。普遍采用的TBCs主要由热导率低且具有隔热功能的YSZ（Y2O3部分稳定的ZrO2）陶瓷面层及抗氧化腐蚀并缓解界面热不配的MCrAlY（M=Ni、Co、Ni+Co）金属粘结层构成。
由于地面重型燃气轮机叶片尺寸较大，TBCs要求高隔热、抗氧化、长寿命与大面积可控制备。目前，商用YSZ陶瓷面层多采用大气等离子喷涂（APS）方法制备，制备的陶瓷涂层热导率低且隔热性能好；MCrAlY粘结层多采用超音速火焰喷涂（HVOF）或低压等离子喷涂（LPPS）方法制备，制备的粘结层具有较高的致密性及较低的孔隙率。因此，“HVOF/LPPS+APS”组合工艺是目前重型燃气轮机TBCs应用领域的主流制备技术。
但是基于该TBCs系统，其在长期的高温服役条件下涂层早期剥落失效时有发生，严重缩短了其使用寿命，而由界面失稳氧化导致的热生长氧化物（TGO）成分及形态剧烈变化是导致其剥落失效的第一大因素，其主要由MCrAlY粘结层表面状态及微观结构控制，这自然取决于涂层制备技术。但以上两种粘结层制备方法均存在以下缺点：HVOF制备的涂层抗冲击性能差且制备过程中涂层易氧化；LPPS制备的涂层高温氧化过程中易产生亚稳态氧化铝而加剧涂层内应力且制备成本较高；此外，两种方法制备的涂层表面均十分粗糙，易导致TGO失稳氧化，且涂层与基体间均呈机械结合，界面结合力不强。
为了进一步提高MCrAlY粘结层界面结合强度及抗高温氧化性能，并降低生产成本，人们提出利用惰性气体保护下的激光熔覆（LC）技术制备MCrAlY粘结层，其在制备稀释率低、组织致密细小且与基体成冶金结合的合金涂层方面具有突出优势，尤其是针对大尺寸和形状复杂部件的涂层制备目前已经走向实用化。鉴于此，提出利用“LC+APS”组合工艺制备燃气轮机TBCs的方案。但是激光熔覆涂层使用前必须要先进行机加工以去除表面氧化皮，这便导致加工表面较低的粗糙度并不利于陶瓷层的沉积，另外，熔覆层易产生成分偏析、制备应力及微孔洞等制备缺陷，对TGO的生长也是极为不利的。
因此，如何保证粘结层与陶瓷层之间呈现良好的结合状态，并有效调控界面TGO稳态生长以延长涂层使用寿命，成为发展重型燃气轮机叶片高隔热、抗氧化及长寿命TBCs大面积可控制备的关键。
发明内容
本发明的目的是针对现有的重型燃气轮机叶片表面MCrAlY涂层与基材结合强度不高，影响叶片的使用寿命的问题，发明一种重型燃气轮机叶片高性能热障涂层，同时提供相应的多工艺组合制备方法，即：采用激光熔覆（LC）技术制备MCrAlY粘结层+激光冲击复合强化技术调控粘结层组织结构+APS技术制备YSZ陶瓷层，该TBCs体系具有优良的界面结合强度、较高的抗高温氧化性能及热冲击性能，解决了燃气轮机热障涂层对高隔热、抗氧化、长寿命与大面积可控制备的需求。
本发明的技术方案之一是：
一种重型燃气轮机高性能热障涂层，其特征在于，包括MCrAlY熔覆层和YSZ陶瓷面层，在MCrAlY熔覆层表面形成大面积冲击强化层和选择性微凹坑织构层，所述的MCrAlY熔覆层厚度约800~1200μm，所述的YSZ陶瓷面层厚度约200~300μm。
所述的大面积冲击强化层表面晶粒明显细化并产生丰富的变形结构，其表面选择性加工的表面微凹坑织构呈平行方式有序排列，陶瓷层/冲击强化层界面处呈现规则的“平面+凹坑”形态的界面特征，有效提高了大气等离子喷涂方法制备的YSZ陶瓷面层的沉积质量和界面结合强度，并使得涂层具有更高的抗热冲击性能。
本发明的技术方案之二是：
一种重型燃气轮机叶片高性能热障涂层多工艺组合制备方法，其特征在于，结合激光熔覆、激光冲击复合调控及大气等离子喷涂技术的工艺特点及技术优势来制备高性能TBCs。首先，采用激光熔覆技术制备优质MCrAlY粘结层；其次，利用激光冲击强化技术大面积处理MCrAlY熔覆层，然后利用激光冲击微造型技术在冲击强化层表面选择性实施冲击以构造规则分布的微凹坑织构；最后，利用大气等离子喷涂技术在复合强化层表面沉积YSZ陶瓷层，完成TBCs的制备。
所述的TBCs的制备包括以下步骤：
步骤S1，对燃气轮机叶片用材料进行打磨、抛光及超声清洗；
步骤S2，采用惰性气体保护下的同轴送粉式激光熔覆技术在步骤S1中预处理后的表面制备MCrAlY熔覆层；
步骤S3，采用纳米激光器对步骤S2中制备的涂层进行大面积激光冲击强化处理；
步骤S4，采用纳米激光器对步骤S3中制备的涂层进行选择性激光冲击微造型处理，在强化层表面加工均匀分布的微凹坑织构；
步骤S5，采用大气等离子喷涂技术在步骤S4中制备的涂层表面沉积YSZ陶瓷层。
可选的，所述步骤S1的MCrAlY粘结层粉末颗粒度为200~400目，熔覆层制备厚度为800~1200μm。
可选的，所述步骤S2中，MCrAlY粉末颗粒度为200~400目，选择激光熔覆工艺参数为激光功率1.6~2.2Kw，扫描速度600~1000mm/min，送粉量1.2~1.6r/min，光斑直径3~5mm，搭接率30~60%。
可选的，所述步骤S3之前，还包括对步骤S2中制备的涂层进行机加工以去除表面氧化皮，并进行打磨、抛光和超声清洗处理。
可选的，所述步骤S3中，对熔覆层进行大面积激光冲击强化处理，吸收层材料为铝箔，约束层材料为流水，选择激光脉冲能量为5~20J，激光脉宽为10~30ns，光斑直径为3~10mm，搭接率为30%~60%。
可选的，所述步骤S4之前，还包括对步骤S3中制备的涂层进行打磨及抛光处理以去除表面粗糙度的影响。
可选的，所述步骤S4中，对强化层进行选择性激光冲击微造型处理，吸收层材料为铝箔，约束层材料为流水，选择激光脉冲能量为1~10J，激光脉宽为5~15ns，光斑直径为0.5~2mm，冲击次数1~20次。
可选的，所述步骤S5之前，还包括对经步骤S4处理的涂层进行吹砂处理。
本发明的有益效果：
（1）本发明针对现有方法存在的问题，结合当前涂层制备工艺优势及激光冲击改性特征，提出利用“激光熔覆+激光冲击复合调控+大气等离子喷涂”多工艺组合制备高性能热障涂层的方法，要点在于，设计一套既能提高粘结层和陶瓷层的界面结合强度，又能改善热障涂层高温服役寿命的涂层体系。
（2）激光冲击技术是集材料表面冲击强化（改性）与变形效应（改形）为一体的新型加工技术，加工过程只与激光冲击波力学效应有关，避免了激光热效应对材料表面产生微汽化和烧蚀的影响。利用激光冲击强化技术大面积处理熔覆层，能够有效改善熔覆层的表面质量，调控熔覆层残余应力、细化熔覆层晶粒并提高其致密性；在此基础上，利用激光冲击微造型技术在冲击强化层表面选择性实施单次(或多次)冲击以构造规则分布的微凹坑织构，能够增加接触面积，提高等离子喷涂陶瓷层的微观机械互锁结合强度。
（3）通过利用激光冲击复合强化技术可以在TBCs界面处构造“平面+凹坑”规则界面，能够有效诱导TGO以稳态生长的Al2O3形式均匀蠕变，并缓解TBCs在服役过程中产生的界面热应力分布并调控界面裂纹拓展路径，进而有效提高TBCs的服役寿命。
附图说明
图1为实施例中大面积激光冲击强化方案表面示意图。
图2为实施例中选择性激光冲击微造型方案表面示意图。
图3为热障涂层结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明不应仅限与实施例。
实施例1。
以燃气轮机透平叶片用高温合金基体材料为载体制备热障涂层，工艺流程为：试样检查→打磨与抛光→超声清洗→激光熔覆技术制备MCrAlY粘结层→机加工→打磨抛光→超声清洗→大面积激光冲击强化处理→打磨抛光→选择性激光冲击微造型处理→喷砂→大气等离子喷涂技术制备YSZ陶瓷层→检验。
涂层制备步骤为：
（1）打磨并抛光处理叶片基体材料，随后进行超声清洗；
（2）采用激光熔覆技术制备MCrAlY（M=Ni）粘结层，涂层粉末约200目，选择激光熔覆工艺参数为激光功率1.8Kw，扫描速度600mm/min，送粉量1.2 r/min，光斑直径3mm，搭接率50%，熔覆层厚度为800μm；
（3）机加工去除熔覆层表面氧化皮，并对熔覆层进行打磨、抛光与超声清洗，获得最佳待冲击表面状态；
（4）采用纳米激光器对MCrAlY熔覆层表面进行大面积激光冲击强化处理，选择铝箔为吸收层，流水为约束层，采用激光工艺参数为：激光脉冲能量5J，激光脉宽为10ns，光斑直径3mm，搭接率50%（如图1）；
（5）对冲击强化层表面进行打磨与抛光处理，以去除表面粗糙度的影响；
（6）采用纳米激光器对MCrAlY强化层进行选择性激光冲击微造型处理，在强化层表面加工均匀分布的微凹坑织构。选择铝箔为吸收层，流水为约束层，采用激光工艺参数为：激光脉冲能量1.2J，激光脉宽为8ns，光斑直径0.6mm，冲击次数5次，微凹坑中心间距为2mm（如图2）；
（7）对复合强化层表面进行吹砂处理，以清洁和活化复合强化层表面，从而进一步增强YSZ界面结合强度；
（8）采用大气等离子喷涂技术制备YSZ陶瓷层，涂层厚度为300μm。
所制备的MCrAlY熔覆层表面存在少量气孔，激光冲击强化处理后表面气孔量明显降低；表面由拉应力状态转变为压应力状态，涂层晶粒变细；微凹坑均匀分布；TBCs界面处呈现“平面+凹坑”状形貌（如图3）。经测试，涂层界面结合强度为36.2 MPa；1100oC涂层冷热循环次数为68次。
实施例2。
根据实施例1所述的步骤进行TBCs制备，其区别在于：
涂层制备步骤为：
（1）打磨并抛光处理基体材料，随后进行超声清洗；
（2）采用激光熔覆技术制备MCrAlY（M=Ni）粘结层，涂层粉末约200目，选择激光熔覆工艺参数为激光功率2.0Kw，扫描速度800 mm/min，送粉量1.5r/min，光斑直径3mm，搭接率50%，熔覆层厚度为1000μm；
（3）机加工去除熔覆层表面氧化皮，并对熔覆层进行打磨、抛光与超声清洗，获得最佳待冲击表面状态；
（4）采用纳米激光器对MCrAlY熔覆层表面进行大面积激光冲击强化处理，选择铝箔为吸收层，流水为约束层，采用激光工艺参数为：激光脉冲能量7J，激光脉宽为10ns，光斑直径3mm，搭接率50%（如图1）；
（5）对冲击强化层表面进行打磨与抛光处理，以去除表面粗糙度的影响；
（6）采用纳米激光器对MCrAlY强化层进行选择性激光冲击微造型处理，在强化层表面加工均匀分布的微凹坑织构。选择铝箔为吸收层，流水为约束层，采用激光工艺参数为：激光脉冲能量1.5J，激光脉宽为8ns，光斑直径0.8mm，冲击次数10次，微凹坑中心间距为2mm（如图2）；
（7）对复合强化层表面进行吹砂处理，以清洁和活化复合强化层表面，从而进一步增强YSZ界面结合强度；
（8）采用大气等离子喷涂技术制备YSZ陶瓷层，涂层厚度为300μm。
所制备的MCrAlY熔覆层表面十分致密，无明显气孔，激光冲击强化处理后涂层表面由拉应力状态转变为压应力状态，涂层晶粒变细；激光冲击微造型处理后表面微凹坑均匀分布；TBCs界面处呈现“平面+凹坑”状形貌。经测试，涂层界面结合强度为37.4MPa；1100oC涂层冷热循环次数为82次。
实施例3。
以燃气轮机透平叶片用高温合金基体材料为载体制备热障涂层，工艺流程为：试样检查→打磨与抛光→超声清洗→激光熔覆技术制备MCrAlY粘结层→机加工→打磨抛光→超声清洗→大面积激光冲击强化处理→打磨抛光→选择性激光冲击微造型处理→喷砂→大气等离子喷涂技术制备YSZ陶瓷层→检验。
涂层制备步骤为：
（1）打磨并抛光处理叶片基体材料，随后进行超声清洗；
（2）采用激光熔覆技术制备MCrAlY（M=Ni）粘结层，涂层粉末约300目，选择激光熔覆工艺参数为激光功率2.2Kw，扫描速度800mm/min，送粉量1.4r/min，光斑直径4mm，搭接率30%，熔覆层厚度为1100μm；
（3）机加工去除熔覆层表面氧化皮，并对熔覆层进行打磨、抛光与超声清洗，获得最佳待冲击表面状态；
（4）采用纳米激光器对MCrAlY熔覆层表面进行大面积激光冲击强化处理，选择铝箔为吸收层，流水为约束层，采用激光工艺参数为：激光脉冲能量8J，激光脉宽为20ns，光斑直径7mm，搭接率30%；
（5）对冲击强化层表面进行打磨与抛光处理，以去除表面粗糙度的影响；
（6）采用纳米激光器对MCrAlY强化层进行选择性激光冲击微造型处理，在强化层表面加工均匀分布的微凹坑织构。选择铝箔为吸收层，流水为约束层，采用激光工艺参数为：激光脉冲能量1J，激光脉宽为5ns，光斑直径0.5mm，冲击次数1次，微凹坑中心间距为2mm（如图2）；
（7）对复合强化层表面进行吹砂处理，以清洁和活化复合强化层表面，从而进一步增强YSZ界面结合强度；
（8）采用大气等离子喷涂技术制备YSZ陶瓷层，涂层厚度为200μm；
所制备的MCrAlY熔覆层表面存在少量气孔，激光冲击强化处理后表面气孔量明显降低；表面由拉应力状态转变为压应力状态，涂层晶粒变细；微凹坑均匀分布；TBCs界面处呈现“平面+凹坑”状形貌（如图3）。经测试，涂层界面结合强度为38.6MPa；1100oC涂层冷热循环次数为75次。
实施例4。
以燃气轮机透平叶片用高温合金基体材料为载体制备热障涂层，工艺流程为：试样检查→打磨与抛光→超声清洗→激光熔覆技术制备MCrAlY粘结层→机加工→打磨抛光→超声清洗→大面积激光冲击强化处理→打磨抛光→选择性激光冲击微造型处理→喷砂→大气等离子喷涂技术制备YSZ陶瓷层→检验。
涂层制备步骤为：
（1）打磨并抛光处理叶片基体材料，随后进行超声清洗；
（2）采用激光熔覆技术制备MCrAlY（M=Ni）粘结层，涂层粉末约400目，选择激光熔覆工艺参数为激光功率1.6Kw，扫描速度1000mm/min，送粉量1.6r/min，光斑直径5mm，搭接率60%，熔覆层厚度为1200μm；
（3）机加工去除熔覆层表面氧化皮，并对熔覆层进行打磨、抛光与超声清洗，获得最佳待冲击表面状态；
（4）采用纳米激光器对MCrAlY熔覆层表面进行大面积激光冲击强化处理，选择铝箔为吸收层，流水为约束层，采用激光工艺参数为：激光脉冲能量20J，激光脉宽为30ns，光斑直径10mm，搭接率60%；
（5）对冲击强化层表面进行打磨与抛光处理，以去除表面粗糙度的影响；
（6）采用纳米激光器对MCrAlY强化层进行选择性激光冲击微造型处理，在强化层表面加工均匀分布的微凹坑织构。选择铝箔为吸收层，流水为约束层，采用激光工艺参数为：激光脉冲能量10J，激光脉宽为15ns，光斑直径2mm，冲击次数20次，微凹坑中心间距为2mm（如图2）；
（7）对复合强化层表面进行吹砂处理，以清洁和活化复合强化层表面，从而进一步增强YSZ界面结合强度；
（8）采用大气等离子喷涂技术制备YSZ陶瓷层，涂层厚度为250μm。
所制备的MCrAlY熔覆层表面存在少量气孔，激光冲击强化处理后表面气孔量明显降低；表面由拉应力状态转变为压应力状态，涂层晶粒变细；微凹坑均匀分布；TBCs界面处呈现“平面+凹坑”状形貌（如图3）。经测试，涂层界面结合强度为41.2MPa；1100oC涂层冷热循环次数为88次。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (9)
1.一种重型燃气轮机叶片高性能热障涂层，其特征在于，包括MCrAlY熔覆层和YSZ陶瓷面层，在MCrAlY熔覆层表面形成大面积冲击强化层和选择性微凹坑织构层，所述的MCrAlY熔覆层厚度约800~1200μm，所述的YSZ陶瓷面层厚度约200~300μm。
2.根据权利要求1所述的高性能热障涂层，其特征在于，所述的大面积冲击强化层的表面晶粒明显细化并产生丰富的变形结构，所述的表面微凹坑织构呈平行方式有序排列，所述的陶瓷层/冲击强化层界面处呈现规则的“平面+凹坑”形态的界面特征，有效提高了大气等离子喷涂方法制备的YSZ陶瓷面层的沉积质量和界面结合强度，并使得涂层具有更高的抗热冲击性能。
3.一种权利要求1所述的重型燃气轮机叶片高性能热障涂层的多工艺组合制备方法，其特征在于，结合激光熔覆技术、激光冲击强化技术、激光冲击微造型技术及大气等离子喷涂技术相结合的方式来制备高性能热障涂层，包括以下步骤：
步骤S1，对重型燃气轮机叶片用材料进行打磨、抛光及超声清洗；
步骤S2，采用惰性气体保护下的同轴送粉式激光熔覆技术在步骤S1中预处理后的基材表面制备MCrAlY熔覆层；
步骤S3，采用纳米激光器对步骤S2中制备的涂层进行大面积激光冲击强化处理；
步骤S4，采用纳米激光器对步骤S3中制备的涂层进行选择性激光冲击微造型处理，在强化层表面加工均匀分布的微凹坑织构；
步骤S5，采用大气等离子喷涂技术在步骤S3中制备的涂层表面沉积YSZ陶瓷层。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤S2的MCrAlY粉末颗粒度为200~400目，选择激光熔覆工艺参数为激光功率1.6~2.2Kw，扫描速度600~1000mm/min，送粉量1.2~1.6r/min，光斑直径3~5mm，搭接率30~60%。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤S3之前还包括对步骤S2中制备的涂层进行机加工以去除表面氧化皮，并进行打磨、抛光和超声清洗处理。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤S3中，对熔覆层进行大面积激光冲击强化处理，吸收层材料为铝箔，约束层材料为流水，选择激光脉冲能量为5~20J，激光脉宽为10~30ns，光斑直径为3~10mm，搭接率为30%~60%。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤S4之前还包括对步骤S3中制备的涂层进行打磨及抛光处理以去除表面粗糙度的影响。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤S4中，对强化层进行选择性激光冲击微造型处理，吸收层材料为铝箔，约束层材料为流水，选择激光脉冲能量为1~10J，激光脉宽为5~15ns，光斑直径为0.5~2mm，冲击次数1~20次。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤S5之前还包括，对经步骤S4处理的涂层进行吹砂处理。
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