CN111926287A - 一种提高MCrAlY涂层与单晶高温合金界面组织稳定性的表面预处理方法 - Google Patents

一种提高MCrAlY涂层与单晶高温合金界面组织稳定性的表面预处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高MCrAlY涂层与单晶高温合金界面组织稳定性的表面预处理方法，属于涂层的处理技术领域。该方法步骤：步骤S1：将经过表面机械磨抛处理的单晶高温合金工件置于磨料悬浮液中；步骤S2：超声振动抛光处理：对磨料悬浮液进行超声处理，悬浮液中的磨料在超声作用下剧烈运动，实现对工件表面进行抛光；步骤S3：单晶高温合金工件经超声振动抛光后，在工件表面进行MCrAlY涂层制备。本发明利用超声振动表面抛光方法，极大程度地去除了表面残余应力，并且涂层/单晶高温合金界面更加光滑平直，再结晶倾向显著降低，从而达到优化长时服役过程中MCrAlY涂层与单晶合金界面组织稳定性的目的。

Description

一种提高MCrAlY涂层与单晶高温合金界面组织稳定性的表面 预处理方法
技术领域
本发明涉及涂层的处理技术领域，具体涉及一种提高MCrAlY涂层与单晶高温合金界面组织稳定性的表面预处理方法。
背景技术
在高温环境中使用的涡轮发动机、工业燃汽轮机的热端部件受到高温燃气的氧化及腐蚀作用，一般的结构材料均难以在这种环境下长期使用。目前这些热端部件的表面均采用了涂层防护，通过施加一层抗氧化性能、抗热腐蚀性能优良的防护层对基体结构材料进行保护。MCrAlY涂层作为包覆层因具有成分灵活可调、机械性能优良等特点得到了广泛的应用，同时对于燃气轮机涡轮叶片防护涂层系统，MCrAlY(M代表Ni或Co)型涂层还常被用作燃气轮机涡轮叶片热障涂层系统中的粘结层，不仅能够起到抗氧化和抗热腐蚀的防护作用，还能够改善合金基体与热障涂层相容性的粘结过渡作用。
由于MCrAlY涂层与高温合金基体之间存在元素浓度差异，在高温服役过程中各种合金元素将发生互扩散，通常在涂层/合金基体界面处形成二次反应区(SecondaryReaction Zone，SRZ)，并在SRZ内析出大量TCP有害相，这对高温合金叶片热障涂层系统的使役性能与服役安全非常不利。目前，优化涂层和高温合金材料成分设计是改善MCrAlY涂层与单晶高温合金界面稳定性的主要方法。然而，目前涂层和高温合金材料成分的优化空间几乎达到了极限，进一步提高MCrAlY涂层与单晶高温合金界面组织稳定性遭遇了瓶颈。因此，进一步开拓思路，探寻一种能够提高MCrAlY涂层与单晶高温合金界面组织稳定性的表面预处理方法是本领域亟需解决的问题。目前，高温合金涡轮部件的抛光方法主要是靠切削、抛磨等传统机械表面处理手段去除金属材料表面粗糙部分而获得平滑表面的抛光方法，不仅存在加工周期长、效率低、加工质量差等问题，而且不能抛光处理孔及异形曲面等复杂表面工件。另外，作为涂层制备过程的重要工序，表面喷砂处理可以显著提高涂层与合金基体的结合能力，但是传统机械磨抛或喷砂处理会给高温合金表面带来大量塑性变形，特别对于单晶高温合金，会产生表面再结晶的不利影响，并降低涂层/单晶高温合金界面组织稳定性。因此，针对单晶高温合金部件表面处理工艺，应用一种能够加工异形曲面，加工方法简便，有效地改善工件表面质量，并能够改善MCrAlY涂层与单晶高温合金界面稳定性的表面预处理方法对于优化单晶高温合金涡轮叶片涂层制备工艺，延长带涂层单晶高温合金叶片使用寿命将具有较大的应用价值和广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高MCrAlY涂层与单晶高温合金界面组织稳定性的表面预处理方法，该方法基于“消除或减少单晶高温合金表面残余应力和再结晶层组织可以降低互扩散区TCP相析出倾向”的关键科学原理，利用超声振动表面抛光方法，极大程度地去除了表面残余应力，并且涂层/单晶高温合金界面更加光滑平直，再结晶倾向显著降低，元素互扩散速率大幅降低，SRZ内的TCP相析出倾向大幅降低，从而达到优化长时服役过程中MCrAlY涂层与单晶合金界面组织稳定性的目的。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种提高MCrAlY涂层与单晶高温合金界面组织稳定性的表面预处理方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1：将经过表面机械磨抛处理的单晶高温合金工件置于磨料悬浮液中；
步骤S2：超声振动抛光的原理是利用超声发生器产生超声振动,通过换能器将振动传递给变幅杆,变幅杆在将振动幅值放大后传给到磨料悬浮液，悬浮液中的磨料在超声作用下剧烈运动，实现对工件表面进行抛光；
步骤S3：单晶高温合金工件经超声振动抛光后，在工件表面进行MCrAlY涂层制备。
步骤S1中，所述磨料悬浮液是将磨料加入基液中制成，磨料为氧化铝、碳化硅或碳化硼等，基液一般为煤油、酒精或水等基液，磨料悬浮液中磨料占基液的重量比例为5％-10％。所述磨料的颗粒度为200-500mesh。
步骤S2中，进行超声处理时，用于振动抛光的超声波振动频率为16000-25000Hz，与普通声波相比具有频率高、波长短、能量大和较强的束射性。在超声作用下，配合悬浮液中磨料的浓度及颗粒度，能使悬浮液中磨料的振动频率达到2-5万次/秒。
本发明提供的提高MCrAlY涂层与单晶高温合金界面组织稳定性的表面预处理方法的原理为：利用超声振动抛光方法，降低工件表面粗糙度，形成高精度抛光表面，消除或减少单晶高温合金表面残余应力和再结晶层组织，减少再结晶晶界和位错等元素扩散通道，从而达到降低互扩散区TCP相析出倾向的目的。
本发明表面处理后的MCrAlY涂层单晶高温合金开展长时热暴露服役模拟实验，即采用超声振动抛光方法对单晶高温合金工件表面进行抛光处理，其中磨料悬浮液选用颗粒度为400mesh的金刚砂和碳化硼为主要磨料，超声波振动频率为16000-25000Hz。经超声振动抛光后，涂覆MCrAlY涂层的单晶高温合金在进行长期热暴露试验后，界面组织稳定性显著高于传统机械抛光表面处理后的界面稳定性。
从上面所述可以看出，本发明的优点和有益效果为：
本发明提供的提高MCrAlY涂层与单晶高温合金界面组织稳定性的表面预处理方法，充分利用超声振动抛光精准、可控、适用于复杂结构工件的工艺优势，采用磨料对单晶高温合金工件表面进行小变形量、微小尺度磨削的加工方式，单晶高温合金工件表面残余应力显著降低，再结晶倾向大幅降低，进一步提高MCrAlY涂层与单晶高温合金界面组织稳定性，改善MCrAlY涂层单晶高温合金热端部件使役性能，延长MCrAlY涂层单晶高温合金热端部件的使用寿命。
附图说明
图1是本发明超声振动抛光处理示意图。
图2为经对比例1传统喷砂表面处理后的MCrAlY涂层与单晶高温合金900℃/100h热暴露后的界面显微形貌图。
图3为经实施例1超声振动抛光表面处理后的MCrAlY涂层与单晶高温合金900℃/100h热暴露后的界面显微形貌图。
图4为经对比例1传统机械磨削表面处理的MCrAlY涂层与单晶高温合金900℃/100h热暴露后的界面的EBSD取向分布图。
图5为经实施例1超声振动抛光表面处理后的MCrAlY涂层与单晶高温合金900℃/100h热暴露后的界面的EBSD取向分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明为提高MCrAlY涂层与单晶高温合金界面组织稳定性的表面预处理方法，如图1所示，将经过表面机械磨抛处理的单晶高温合金工件置于磨料悬浮液中，然后进行超声振动抛光处理。超声发生器产生的超声对磨料悬浮液进行超声处理，大量磨粒在超声作用下剧烈运动，以脉冲冲击、滑擦等方式对被加工表面进行抛光。通过对超声功率和磨粒的颗粒度等的控制，使磨粒保持在一定振动频率范围内，可以达到高精度表面抛光的目的，相比传统机械磨削抛光，高温合金工件表面塑性变形量和残余应力大幅减小。
实施例1：
本实施例提高MCrAlY涂层与单晶高温合金界面组织稳定性的表面预处理方法，过程如下：
步骤S1：抗热腐蚀DD420单晶高温合金矩形试片(20mm×10mm×1.5mm)进行表面机械磨抛处理；后，进一步进行表面喷砂处理；第二种表面处理技术：
步骤S2：采用振动抛光装置(如图1所示)对单晶高温合金工件进行表面预处理：抗热腐蚀DD420单晶高温合金矩形试片经过表面机械磨抛处理后，置于磨料悬浮液中，磨料悬浮液选用金刚砂和碳化硼为磨料，磨料的颗粒度为400mesh。磨料悬浮液磨料占基液的重量比例为5％。
大量磨粒在超声作用下剧烈运动，对被加工表面进行抛光，超声波振动频率为20000Hz。
对比例1：
本对比例对单晶高温合金工件制备涂层前的表面预处理过程如下：
抗热腐蚀DD420单晶高温合金矩形试片(20mm×10mm×1.5mm)首先进行表面机械磨抛处理后，然后进行表面喷砂处理。
对经实施例1与对比例1预处理后的DD420单晶高温合金矩形试片制备涂层并进行相应测试：
1、利用电弧离子镀设备分别在经表面喷砂处理(对比例1)和超声振动抛光处理(实施例1)后的单晶高温合金试片表面沉积制备MCrAlY涂层，将涂层后的试片在真空条件下以5℃/min的速率升至900℃，并保温4小时，进行扩散处理。
2、将涂覆MCrAlY涂层的高温合金试片(喷砂处理和超声振动抛光两种表面处理方法)置于900℃马弗炉中开展高温热暴露服役试验，考核MCrAlY涂层与单晶高温合金长时服役界面组织稳定性。
3、900℃热暴露100小时后，制备MCrAlY涂层与单晶高温合金界面组织金相样品，利用光学显微镜、扫描电子显微镜和EBSD取向分析等技术分析手段，对比分析超声振动抛光表面处理(实施例1)和喷砂表面处理(对比例1)后，MCrAlY涂层与单晶高温合金界面组织稳定性，如图2至图5所示，实验结果表明：相比喷砂表面处理，超声振动抛光表面处理后MCrAlY涂层与单晶高温合金界面形貌更加平直，再结晶倾向显著降低，界面组织更加稳定性。

Claims (6)

1.一种提高MCrAlY涂层与单晶高温合金界面组织稳定性的表面预处理方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤S1：将经过表面机械磨抛处理的单晶高温合金工件置于磨料悬浮液中；
步骤S2：超声振动抛光处理：对磨料悬浮液进行超声处理，悬浮液中的磨料在超声作用下剧烈运动，实现对工件表面进行抛光；
步骤S3：单晶高温合金工件经超声振动抛光后，在工件表面进行MCrAlY涂层制备。
2.根据权利要求1所述的提高MCrAlY涂层与单晶高温合金界面组织稳定性的表面预处理方法，其特征在于：步骤S1中，所述磨料悬浮液是将磨料加入基液中制成，所述磨料的重量为基液重量的5％-10％。
3.根据权利要求2所述的提高MCrAlY涂层与单晶高温合金界面组织稳定性的表面预处理方法，其特征在于：所述磨料为氧化铝、碳化硅或碳化硼，基液为煤油、酒精或水。
4.根据权利要求2所述的提高MCrAlY涂层与单晶高温合金界面组织稳定性的表面预处理方法，其特征在于：所述磨料的颗粒度为200-500mesh。
5.根据权利要求1所述的提高MCrAlY涂层与单晶高温合金界面组织稳定性的表面预处理方法，其特征在于：步骤S2中，进行超声处理时，振动抛光的超声波振动频率为16000-25000Hz。
6.根据权利要求5所述的提高MCrAlY涂层与单晶高温合金界面组织稳定性的表面预处理方法，其特征在于：步骤S2中，在超声作用下，配合磨料的浓度及颗粒度，能使悬浮液中磨料的振动频率达到2-5万次/秒。
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