CN113151768A - 一种喷气式发动机叶片用热障涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料加工与制备技术领域，尤其涉及一种喷气式发动机叶片用热障涂层及其制备方法，其特征在于，该热障涂层为复合结构，在金属基体表面从下至上依次为金属粘结层、缓冲层和陶瓷层，所述金属基体为镍基定向凝固高温合金，所述金属粘接层为镍基合金，所述缓冲层为8YSZ材质，所述陶瓷层为YGYZ材质。与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：1）粘结层结合强度更高，组织更致密，耐磨损性能也更加优越。2）缓冲层的孔隙率控制在7.7%~7.9%范围，实现与陶瓷层和粘结层的匹配，拥有更好的热循环寿命。3）在保留Gd2Zr2O7低热导率的优点的同时，也可以减少在热冲击过程中引发的氧化锆相变，提高了陶瓷层的热稳定性，改善了涂层的热物理性能。

Description

一种喷气式发动机叶片用热障涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料加工与制备技术领域，尤其涉及一种喷气式发动机叶片用热障涂层及其制备方法。
背景技术
热障涂层已经成为全世界新材料的研究热点之一，涂层的材料与结构是制约隔热性能提高的关键。目前，广泛使用的热障涂层的材料为8 %的氧化钇稳定氧化锆（8YSZ），广泛应用的热障涂层结构为金属基体-粘结层-陶瓷层结构，但是单一隔热陶瓷层的性能已经无法满足先进喷气式发动机对隔热部件的需求，并且8YSZ的使用温度较低，热导率也较高，随着喷气式发动机的推重比的不断提高，热端部件的表面温度不断上升，迫切的需要寻找新型热障涂层的材料与结构。
热障涂层的制备方法目前主要有：1）大气等离子喷涂法：采用直流电驱动的等离子电弧作为热源，将原料粉末熔融并以高速喷向经过预处理的工件表面。优点：制得的粘结层致密度高，粉末沉积率高。缺点：喷涂效果与工艺参数相关，粉末在喷涂火焰的中心作用下易发生氧化，同时粉末到达基体时的温度瞬间下降，易造成粉末承受很大的温差进而导致热应力的存在。2）电子束-物理气相沉积法：采用物理方法将粉末材料气化成气态原子，通过低压原子在基体表面沉积涂层。优点：柱状晶结构拥有良好的力学性能，与陶瓷层粘结力高，表面更加光洁。缺点：涂层热导率低，制备复杂，成本高。3）超音速火焰喷涂：通过气体或液体燃料的燃烧提供能量，将喷涂材料加热至熔融或半熔融状态后以高速撞击到基体的表面形成涂层。优点：涂层致密，孔隙率低，未熔融颗粒数量少，力学性能好。
YGYZ是氧化镱与氧化钆稳定的氧化锆，YGYZ热稳定性好，耐腐蚀性能优异，抗热冲击性能好并且原料来源广泛。YGYZ作为一种优异的热障涂层材料，拥有良好的隔热性能。
专利号CN111394702A公开了一种热障涂层及其制备方法，该热障涂层的结构组成为金属基体、金属粘结层、陶瓷层，采用电子束-物理气相沉积方法制备，该热障涂层在1100℃的热循环寿命大于2000次，说明在1100℃所得的热障涂层与基体的结合力强、抗热震性能优异，但是在1300℃以上的涂层使用性能并未说明。
专利号CN110256075A公开了一种掺杂改性的Gd2Zr2O7陶瓷材料及其制备方法，该陶瓷层的结构组成为金属基体、金属粘结层、掺杂改性的Gd2Zr2O7陶瓷层，该热障涂层由于引进了Yb3+增强了材料的声子散射效果，导致材料的热导率大大降低，但是陶瓷层的力学性能，陶瓷层与粘结层之间的粘结性能以及高温热环境中的氧化锆相变也并未提及。
以上发明都有其很好的优点，但并未将制备态的热障涂层应用于喷气式发动机的高温环境方面，而且针对喷气式发动机热障涂层的陶瓷层力学性能以及陶瓷层与粘结层的热冲击行为研究并不多，也并未提及涂层的在高温环境下的抗断裂韧性。喷气式发动机是高温使用环境，与其它发动机相比热端部件的表面温度更高，陶瓷层与粘结层的热膨胀系数差异对热障涂层的使用寿命的影响更为严重。
发明内容
本发明的目的是提供一种喷气式发动机叶片用热障涂层及其制备方法，克服现有技术的不足，以得到热导率更低，使用寿命更长，符合热障涂层高温环境使用需求的复合结构YGYZ热障涂层,通过超音速火焰喷涂制备粘结层，使得粘结层更为致密，孔隙率与为熔融粒子数量更少，力学性能更优良，制备高纯度8YSZ缓冲层，实现陶瓷层和粘结层的热膨胀系数匹配，解决YGYZ陶瓷层热膨胀系数与断裂韧性过低的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
技术方案之一：一种喷气式发动机叶片用热障涂层，其特征在于，该热障涂层为复合结构，在金属基体表面从下至上依次为金属粘结层、缓冲层和陶瓷层，所述金属基体为镍基定向凝固高温合金，所述金属粘接层为镍基合金，所述缓冲层为8YSZ材质，所述陶瓷层为YGYZ材质，喷涂金属粘结层的厚度为260~290μm，喷涂缓冲层的厚度为100~120μm，喷涂陶瓷层的厚度为600~630μm。
所述金属基体材质为65.0Ni-10.0Cr-7.5Ta-7.0W-5.0Al-4.4Co-1.0Ti-0.08C-0.01Zr-0.01B。
所述金属粘接层材质为Ni-22Cr-10Al-1.0Y。
所述缓冲层为掺杂了ZrO的8.0Y2O3-0.05SiO2-0.05TiO2-0.05Al2O3-0.05Fe2O32。
所述陶瓷层为掺杂了ZrO2的9.5Y2O3-5.6Yb2O3-5.2Gd2O3。
技术方案之二：一种喷气式发动机叶片用热障涂层的制备方法，其特征在于，其具体操作步骤如下：
（1）基体准备与预处理，将镍基定向凝固高温合金基体浸泡在丙酮中，1h后取出，自然晾干后使用60目以上的氧化铝粉末进行表面喷砂处理，使得金属基体表面粗糙度Ra=4.5~5μm，喷砂后使用酒精对基体进行超声波清洗，清洗后使用压缩空气吹净基体表面；
（2）在基体上喷涂制备粘结层，粘结层采用超音速火焰进行喷涂，喷涂时喷枪的角度为90°，选择纯度不低于96%的丙烷作为超音速火焰喷涂的燃气，并选择氢气作为点火气体，使用水流流量传感器控制喷涂设备的关闭，喷涂设备工作电压为220V，工作电流为15~16A，选择单相50~60Hz电源，在进行喷涂时，丙烷流量为71~74NLPM，压力为6.6~6.9bar，喷涂距离为250~300mm，送粉速率为28~30g/min，喷枪横向移动速度为600~700mm/s，流量为30~31L/min，喷涂金属粘结层的厚度为260~290μm，粘结层的表面粗糙度为Ra=4.4~4.6μm，Rz=32~35μm，RSm=160~165μm，Rsk=0.15~0.2μm；
（3）在粘结层上喷涂制备缓冲层，选用高纯度高团聚烧结粉末，并以氮气作为等离子主气，喷枪冷却水温度为16~20℃，输入压力为8.7~8.9bar，冷却水流量为15~16L/min，喷涂距离为100~150mm，送粉速率为58~60g/min，喷枪横向移动速度为700~750mm/s，喷涂功率为50~60kW，喷涂缓冲层的厚度为100~120μm，孔隙率为7.5%~7.8%；
（4）在缓冲层上喷涂制备陶瓷层，使用团聚烧结法制备的YGYZ粉末，选择氮气作为等离子主气，喷枪冷却水温度为14~16℃，输入压力为8.8~8.9bar，冷却水流量为15~16L/min，喷涂距离为100~150mm，送粉速率为58~60g/min，喷枪横向移动速度为600~700mm/s，喷涂功率为46~50kW，喷涂陶瓷层的厚度为600~630μm，孔隙率为10~11 %。
步骤3）中所述高纯度高团聚烧结粉末的纯度不低于99.9%。
步骤3）中在进行缓冲层的制备前对制备好的粘结层进行振动光饰与预热，使得缓冲层与金属粘结层的结合更为紧密，振动光饰时间不少于24h，光饰频率为42~50Hz，粘结层预热温度为640~650℃。
步骤4）中在进行陶瓷层喷涂前对制备好的缓冲层进行预热，提高缓冲层与陶瓷层的结合强度，缓冲层预热温度为200~230℃。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
1）粘结层的制备使用超音速火焰喷涂方式，熔融粒子速度可以达到300~500m/s甚至更高的速度，形成的粘结层结合强度更高，组织更致密，耐磨损性能也更加优越，通过采用带有缓冲层的结构设计，以及低成本的大气等离子喷涂方式喷涂缓冲层与陶瓷层，实现了低成本、高性能、高寿命的热障涂层的制备。
2）通过制备缓冲层，选择高纯度8YSZ作为缓冲层材料，将缓冲层的孔隙率控制在7.7 %~7.9%范围，将未熔融粒子的个数控制在≤1个，实现将缓冲层的弹性模量控制在99.2~146.8GPa之间，将硬度控制在4.5~9.9GPa之间，将抗断裂韧性控制在1.85~2.23MPa·m1/2之间，实现与陶瓷层和粘结层的匹配，改进YGYZ陶瓷层热膨胀系数与抗断裂韧性过低的缺点，从而实现能够提高热障涂层寿命的制备方式，相对于YGYZ单陶瓷层热障涂层在喷气式发动机热冲击实验中得到的350~678次热循环寿命而言，带有高纯度8YSZ缓冲层的YGYZ热障涂层拥有更好的热循环寿命，在循环2000次以后仍然具有良好的状态，YGYZ陶瓷层未发生脱落，只有部分位置出现纵向裂纹。
3）陶瓷层原料选择氧化镱、氧化钆、氧化钇共掺杂稳定的氧化锆，在保留Gd2Zr2O7低热导率的优点的同时，也可以减少在热冲击过程中引发的氧化锆相变，提高了陶瓷层的热稳定性，改善了涂层的热物理性能。
附图说明
图1是本发明热障涂层实施例结构示意图；
图2是现有技术中单层陶瓷层YGYZ热障涂层制备态涂层的界面扫描电镜照片；
图3是现有技术中单层陶瓷层YGYZ热障涂层喷气式发动机实验后涂层的界面扫描电镜照片；
图4是本发明实施例制备态涂层的界面扫描电镜照片；
图5是本发明实施例试验后涂层的扫描电镜照片；
图6是本发明实施例应用于喷气式发动机试验的循环寿命对比图。
图中：1－金属基体、2－金属粘结层、3－缓冲层、4－陶瓷层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明的实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。
本发明一种喷气式发动机叶片用热障涂层的制备方法实施例，其具体操作步骤如下：
步骤（1）：基体准备与前处理，将发动机叶片浸泡在丙酮中，1h后取出，自然晾干后使用60目的氧化铝粉末进行表面喷砂处理，使得金属基体表面粗糙度Ra=4.8μm，喷砂后使用酒精对基体进行超声波清洗，清洗后使用压缩空气吹净基体表面；
步骤（2）：超音速火焰喷涂制备粘结层，粘结层粉末化学成分为Ni-22Cr-10Al-1.0Y，在进行喷涂时，喷枪的喷涂角度为90°，选择纯度为96%的丙烷作为超音速火焰喷涂的燃气以及氢气作为点火气体，使用水传感器控制喷涂的系统的关闭，整套喷涂设备工作电压为220V，工作电流为15A，选择单相60Hz电源，在进行喷涂时，丙烷流量为73NLPM，压力为6.8bar，喷涂距离为300mm，送粉速率为30g/min，喷枪横向移动速度为700mm/s，流量为30.5L/min，喷涂金属粘结层的厚度为260μm，粘结层表面粗糙度为Ra=4.5μm，Rz=34μm，RSm=164μm，Rsk=0.16μm；
步骤（3）：大气等离子喷涂制备高纯度8YSZ缓冲层，高纯度8YSZ缓冲层的制备选用高团聚烧结粉末，粉末化学组成成分为8.0Y2O3-0.05SiO2-0.05TiO2-0.05Al2O3-0.05Fe2O3掺杂的ZrO2，选择氮气作为等离子主气，喷枪冷却水温度为16℃，输入压力为8.8bar，冷却水流量为15.5L/min，喷涂距离为100mm，送粉速率为60g/min，喷枪横向移动速度为700mm/s，喷涂功率为50Kw，在进行缓冲层的制备前对制备好的粘结层进行振动光饰与预热，使得缓冲层与金属粘结层的结合更为紧密，振动光饰时间为24h，光饰频率为42Hz，粘结层预热温度为650℃，喷涂陶瓷缓冲层的厚度为100μm，孔隙率为7.7 %；
步骤（4）：大气等离子喷涂制备YGYZ陶瓷层，YGYZ陶瓷层使用团聚烧结法制备的YGYZ粉末，粉末化学组成成分为9.5Y2O3-5.6Yb2O3-5.2Gd2O3掺杂的ZrO2，选择氮气作为等离子主气，喷枪冷却水温度为16℃，输入压力为8.8bar，冷却水流量为16L/min，喷涂距离为100mm，送粉速率为60g/min，喷枪横向移动速度为700mm/s，喷涂功率为46Kw，在进行YGYZ陶瓷层喷涂前对制备好的缓冲层进行预热，提高缓冲层与YGYZ陶瓷层的结合强度，缓冲层预热温度为200℃，喷涂YGYZ陶瓷层的厚度为600μm，孔隙率为10.7 %。
见图1，是本发明热障涂层实施例结构示意图，图中1为本发明热障涂层实施例的基底，2为本发明热障涂层实施例的粘结层，3为本发明热障涂层实施例的缓冲层，4为本发明热障涂层实施例的顶部陶瓷层；粘结层的厚度为260~290μm，缓冲层的厚度为100~120μm，陶瓷层的厚度为600~630μm。
见图2，是现有技术中单层陶瓷层YGYZ热障涂层制备态涂层的界面扫描电镜照片；见图3，是现有技术中单层陶瓷层YGYZ热障涂层喷气式发动机实验后涂层的界面扫描电镜照片；可以看出，现有技术中单层陶瓷层YGYZ内存在着大量的孔洞。这与YGYZ制备的射流速度和射流温度有关，射流温度较低在导致在喷涂过程中存在未熔或半熔融粒子，从而使涂层表面产生凹坑部位。当凹坑不能被完全填充时，便产生了孔洞。喷气式发动机实验后，YGYZ热障涂层丢失严重。
见图4，是本发明实施例制备态涂层的界面扫描电镜照片；见图5，是本发明实施例试验后涂层的扫描电镜照片；本发明制备出的粘结层几乎不存在孔洞，一方面，PS-PVD具有大功率等离子喷枪，在这种条件下，粉末粒子会被充分加热至熔融状态，并沉积到基体；另一方面，PS-PVD的等离子射流速度相比于APS要高得多，熔融粒子在等离子射流的作用下高速撞击到基体，此时熔融粒子在基体上的铺展更为完全、平整。因此，使用PS-PVD所制备的粘接层更加致密。
见图6，是本发明实施例应用于喷气式发动机试验的循环寿命对比图，本发明与单层YSZ涂层的热循环次数对比图。通过在1300℃下进行保温并冷却，可知本发明的耐热循环的性能优于单层YSZ。
本发明也可应用于喷气式发动机叶片为AgentJayZ J47引擎叶片，也能达到相同效果。
当然，本发明还可以有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变与变形，但这些相应的改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种喷气式发动机叶片用热障涂层，其特征在于，该热障涂层为复合结构，在金属基体表面从下至上依次为金属粘结层、缓冲层和陶瓷层，所述金属基体为镍基定向凝固高温合金，所述金属粘接层为镍基合金，所述缓冲层为8YSZ材质，所述陶瓷层为YGYZ材质，喷涂金属粘结层的厚度为260~290μm，喷涂缓冲层的厚度为100~120μm，喷涂陶瓷层的厚度为600~630μm。
2.根据权利要求1所述的一种喷气式发动机叶片用热障涂层，其特征在于，所述金属基体材质为65.0Ni-10.0Cr-7.5Ta-7.0W-5.0Al-4.4Co-1.0Ti-0.08C-0.01Zr-0.01B。
3.根据权利要求1所述的一种喷气式发动机叶片用热障涂层，其特征在于，所述金属粘接层材质为Ni-22Cr-10Al-1.0Y。
4.根据权利要求1所述的一种喷气式发动机叶片用热障涂层，其特征在于，所述缓冲层为掺杂了91.8ZrO2的8.0Y2O3-0.05SiO2-0.05TiO2-0.05Al2O3-0.05Fe2O32。
5.根据权利要求1所述的一种喷气式发动机叶片用热障涂层，其特征在于，所述陶瓷层的原料粉末为通过高温固相合成方法，掺杂了79.7ZrO2的9.5Y2O3-5.6Yb2O3-5.2Gd2O3。
6.一种喷气式发动机叶片用热障涂层的制备方法，其特征在于，其具体操作步骤如下：
（1）基体准备与预处理，将镍基定向凝固高温合金基体浸泡在丙酮中，1h后取出，自然晾干后使用60目以上的氧化铝粉末进行表面喷砂处理，使得金属基体表面粗糙度Ra=4.5~5μm，喷砂后使用酒精对基体进行超声波清洗，清洗后使用压缩空气吹净基体表面；
在基体上喷涂制备粘结层，粘结层采用超音速火焰进行喷涂，喷涂时喷枪的角度为90°，选择纯度不低于96%的丙烷作为超音速火焰喷涂的燃气，并选择氢气作为点火气体，使用水流流量传感器控制喷涂设备的关闭，喷涂设备工作电压为220V，工作电流为15~16A，选择单相50~60Hz电源，在进行喷涂时，丙烷流量为71~74NLPM，压力为6.6~6.9bar，喷涂距离为250~300mm，送粉速率为28~30g/min，喷枪横向移动速度为600~700mm/s，流量为30~31L/min，喷涂金属粘结层的厚度为260~290μm，粘结层的表面粗糙度为Ra=4.4~4.6μm，Rz=32~35μm，RSm=160~165μm，Rsk=0.15~0.2μm；
在粘结层上喷涂制备缓冲层，选用高纯度高团聚烧结粉末，并以氮气作为等离子主气，喷枪冷却水温度为16~20℃，输入压力为8.7~8.9bar，冷却水流量为15~16L/min，喷涂距离为100~150mm，送粉速率为58~60g/min，喷枪横向移动速度为700~750mm/s，喷涂功率为50~60kW，喷涂缓冲层的厚度为100~120μm，孔隙率为7.5%~7.8%；
（4）在缓冲层上喷涂制备陶瓷层，使用团聚烧结法制备的YGYZ粉末，选择氮气作为等离子主气，喷枪冷却水温度为14~16℃，输入压力为8.8~8.9bar，冷却水流量为15~16L/min，喷涂距离为100~150mm，送粉速率为58~60g/min，喷枪横向移动速度为600~700mm/s，喷涂功率为46~50kW，喷涂陶瓷层的厚度为600~630μm，孔隙率为10~11 %。
7.根据权利要求6所述的一种喷气式发动机叶片用热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤3）中所述高纯度高团聚烧结粉末的纯度不低于99.9%。
8.根据权利要求6所述的一种喷气式发动机叶片用热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤3）中在进行缓冲层的制备前对制备好的粘结层进行振动光饰与预热，使得缓冲层与金属粘结层的结合更为紧密，振动光饰时间不少于24h，光饰频率为42~50Hz，粘结层预热温度为640~650℃。
9.根据权利要求6所述的一种喷气式发动机叶片用热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤4）中在进行陶瓷层喷涂前对制备好的缓冲层进行预热，提高缓冲层与陶瓷层的结合强度，缓冲层预热温度为200~230℃。
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