CN113755784A - 一种基于超声振动辅助激光改性自愈合热障涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于超声振动辅助激光改性自愈合热障涂层的制备方法：将含有自愈合颗粒的混合粉末均匀铺在热障涂层试样上，将试样放在超声振动台上，利用1kW激光制造系统进行激光改性表面处理，获得自愈合热障涂层；本发明利用超声振动辅助激光合金化技术让自愈合颗粒掺杂于热障涂层，并使自愈合颗粒均匀分布在改性层中；在热障涂层热服役过程中，利用自愈合颗粒在高温情况下被氧化生成氧化物而产生体积膨胀从而填充裂纹，实现裂纹的自愈合效应，进而提升热障涂层的抗热震性能与热腐蚀性能；采用本发明得到的激光改性热障涂层，可明显提升高端装备关键热端部件在高温恶劣服役环境下的适应能力和服役寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光表面处理方法，具体涉及一种基于超声振动辅助激光改性自愈合热障涂层的制备方法
背景技术
随着科学技术的发展，航空发动机具有极其广泛的应用，其燃烧系统中工作的零部件将承受更高温和更高应力，零部件会受到损伤，为了提高零部件的使用寿命，将热障涂层应用于发动机和燃气轮机的热端部件上。常用的热障涂层是由隔热的陶瓷顶层，抗氧化的粘接层，粘接层氧化而生成的热生长氧化物(Thermally grown oxides，TGO)和高温合金基体组成。陶瓷层大多是由大气等离子喷涂(Air Plasma Spraying，APS)或电子束物理气相沉积(Electron Beam Physical Vapor Deposition，EB-PVD)喷涂7～8％YSZ粉末制备的，厚度为200～400μm，粘接层常用低压等离子喷涂、真空等离子喷涂或超音速火焰喷涂等技术喷涂MCrAlY(M可以是Ni、Co或二者混合物)粉末制备而得，厚度为50～150μm。但是由于热障涂层在制备过程中不可避免地产生裂纹与孔洞，导致其在高温情况下由于氧气的渗透而使粘接层氧化，从而TGO层增厚，累积的TGO应力促进水平裂纹的萌生及扩展，最终水平裂纹与垂直裂纹连接而导致涂层剥落失效。
自愈合是指材料在工作过程中一旦产生缺陷，在无外界作用的情况下材料本身具有自我恢复的能力。而自愈合方法是利用合适的材料设计与制备工艺使材料具有自愈合的性能，可以显著减少材料内部的裂纹，提高材料性能。本发明中的自愈合效应是利用自愈合颗粒在高温服役情况下发生氧化产生体积膨胀而填充涂层内部的裂纹，从而实现裂纹的自愈合效应。
采用激光合金化技术掺杂自愈合颗粒于热障涂层，可以有效提高热障涂层在高温服役下的抗氧化性能和抗热震性能，延长热障涂层的服役寿命。主要是利用高能量激光束将自愈合材料快速熔化、熔于陶瓷层表层，使得基体表层形成具有所要求的深度与化学成分的表面合金化层，并将自愈合颗粒均匀分布在合金化层中。热障涂层在热循环服役过程中，在热循环前期，激光改性热障涂层中的网状裂纹和未贯穿涂层的垂直裂纹有利于提高涂层的应变容限，延长涂层服役寿命；但是在热服役后期，由于TGO层过厚，导致水平裂纹的萌生及扩展，水平裂纹和垂直裂纹连接会导致涂层剥落，而自愈合颗粒在热服役过程中发生氧化反应生成氧化产物，产生体积膨胀而填充了裂纹，实现裂纹的自愈合，减缓了涂层的剥落。
目前，鲜有公开的文献对激光改性热障涂层进行描述。
发明内容
为了减少并消除大气等离子喷涂(APS)制备的热障涂层内部存在的裂纹与孔洞，设计一种超声振动辅助激光改性热障涂层裂纹自愈合方法，属于表面加工处理技术。本发明所描述的热障涂层包括陶瓷顶层、粘接层和高温合金基体。本发明通过超声振动辅助激光改性将自愈合颗粒熔于热障涂层中，在后续高温服役过程中，自愈合颗粒发生氧化反应，生成了氧化物产生体积膨胀从而填充裂纹，使热障涂层内部裂纹与孔洞减少乃至消失。
同时，由于激光改性热障涂层有未贯穿涂层的纵向裂纹，在热循环前期，热障涂层的垂直裂纹可以提高涂层应变容限，延长服役寿命。而在热服役后期，利用自愈合颗粒氧化产生体积膨胀而填充裂纹，实现裂纹的自愈合效应，可以阻碍氧气向粘接层渗透，避免热生长氧化物进一步增厚和尖晶石氧化物的生成，延缓涂层开裂剥落失效，同时也提高了涂层的抗热震性能。
本发明的技术方案如下：
一种基于超声振动辅助激光改性自愈合热障涂层的制备方法，所述方法为：
将含有自愈合颗粒的混合粉末均匀铺在热障涂层试样上，将试样放在超声振动台上，利用1kW激光制造系统进行激光改性表面处理，获得自愈合热障涂层；
所述自愈合颗粒选用TiAl3；所述含有自愈合颗粒的混合粉末组成为：5～20％质量分数的TiAl3，余量为CYSZ(氧化铈氧化钇部分稳定氧化锆，ZrO2-24wt％CeO2-2.4wt％Y2O3)；混合粉末在热障涂层试样上的铺设厚度为0.3～1mm；
在进行激光改性表面处理时，在热障涂层试样表面打出若干道(例如6～12道)激光路径，各道激光路径重复率为0～30％，激光功率为100～400W，扫描速度为10～40mm/s，光斑尺寸直径为1～2mm，超声振动辅助频率50～4500W。
本发明激光改性获得的自愈合热障涂层厚度为100～300μm，且内部含有不贯穿改性层的纵向裂纹。本发明的激光改性处理可以利用自愈合颗粒在热障涂层高温热服役过程中，发生氧化反应而产生体积膨胀从而填充裂纹，进而减少热障涂层内的裂纹与孔隙，提高热障涂层的抗高温氧化性和抗热冲击性，从而用于高端装备关键热端部件表面防护。
本发明涂层性能评价的方法如下：
对原始热障涂层和激光改性热障涂层进行热冲击实验。将未改性的热障涂层与激光改性热障涂层置于高温箱式炉中，在1000℃下保温5min，然后取出放入去离子水中急速冷却至室温(25℃)，用吹风机吹干，再反复进行这一过程(整个热处理过程无需真空)。并采用高倍相机观察涂层表面变化并记录。以涂层表面剥落率达到20％为涂层失效的标准，记录两种热障涂层的热循环次数。
本发明的有益效果主要表现在：
由于大气等离子喷涂过程中，会有熔化或半熔化的颗粒沉积在基体表面，而喷涂层是由无数变形颗粒相互堆叠在一起的层状结构，导致涂层内存在一些孔洞或裂纹，抗热震性能和热腐蚀性能较差。利用超声振动辅助激光合金化技术让自愈合颗粒掺杂于热障涂层，并使自愈合颗粒均匀分布在改性层中。在热障涂层热服役过程中，利用自愈合颗粒在高温情况下被氧化生成氧化物而产生体积膨胀从而填充裂纹，实现裂纹的自愈合效应，进而提升热障涂层的抗热震性能与热腐蚀性能。采用本发明得到的激光改性热障涂层，可明显提升高端装备关键热端部件在高温恶劣服役环境下的适应能力和服役寿命。
附图说明
图1为原始的热障涂层表面微观形貌。
图2为原始的热障涂层横截面的微观形貌。
图3是本发明实施例1中激光改性后的热障涂层的表面微观形貌。
图4是本发明实施例1中激光改性后的热障涂层的横截面微观形貌。
图5是本发明实施例1中热冲击实验前的激光改性热障涂层截面微观形貌。
图6是本发明实施例1中热冲击实验后的激光改性热障涂层截面微观形貌。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步描述本发明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例中用到的TiAl3粒径主要在15～150μm内分布；CYSZ由江西赣州科盈结构陶瓷有限公司提供，粒径分布15～120μm。
实施例一
1)在镍基高温合金基体上制备热障涂层，包括陶瓷层与粘接层；利用超音速火焰喷涂制备粘接层，粉末为NiCrAlY，粘接层厚度大约为100μm。
2)在制备好的粘接层上，采用大气等离子喷涂(APS)制备陶瓷层，粉末为7％氧化钇部分稳定氧化锆(7YSZ)，陶瓷层厚度约为300μm。
3)对制备好的热障涂层进行超声波清洗，去除表面污渍和杂质。
4)将5％TiAl3+CYSZ自愈合粉末均匀的铺在热障涂层试样上，铺粉厚度约0.3mm，利用激光改性技术(激光合金化)对热障涂层的陶瓷层进行改性处理，选用的设备是1kW柔性激光制造系统和超声振动辅助设备，激光在陶瓷层表面扫5道路径，重复率为0％。激光工艺参数中，激光功率为200W，激光扫描速度为15mm/s，激光光斑尺寸直径为1mm，超声振动辅助频率2000W，得到的激光改性层厚度大约为252μm。
5)对未改性的热障涂层与激光改性热障涂层进行热冲击试验，通过热冲击试验后发现，未改性热障涂层的热循环寿命为200次，而激光改性热障涂层的热循环寿命为610次，激光改性热障涂层的抗热震性能是未改性热障涂层的抗热震性能的3.05倍，可以发现激光改性处理可明显提升热障涂层的抗热震性能。
处理后的热障涂层表面显微形貌如图3所示，观察横截面形貌如图4所示。
对比图1和图3，原始热障涂层表面较粗糙，且分布部分未熔颗粒、气孔和微裂纹，经过激光改性后，热障涂层表面光滑且分布着网状裂纹，涂层更加致密。
对比图2和图4，原始热障涂层具有较多的孔隙和微裂纹，涂层为层状结构，经过激光改性处理后的热障涂层横截面较为致密且有未贯穿的纵向裂纹。
对比图5和图6，对比热冲击实验前后的激光改性热障涂层的截面形貌，热冲击实验后的热障涂层的垂直裂纹明显减少，而且与未改性区域表面处于同一水平面，保持其完整性，实现较好的裂纹自愈合能力。
利用超声振动辅助激光掺杂5％TiAl3+CYSZ自愈合粉末于热障涂层中，利用自愈合颗粒在高温热服役过程中被氧化，产生体积膨胀而填充裂纹，实现裂纹的自愈合效应，可以明显提升热障涂层的抗热冲击性能。
实施例二
1)在镍基高温合金基体上制备热障涂层，包括陶瓷层与粘接层；利用大气等离子喷涂(APS)制备粘接层，粉末为NiCrAlY，粘接层厚度大约为100μm。
2)在制备好的粘接层上，用大气等离子喷涂(APS)制备陶瓷层，粉末为7％氧化钇部分稳定氧化锆(7YSZ)，陶瓷层厚度大约为300μm。
3)对制备好的热障涂层进行超声波清洗，去除表面污渍和杂质。
4)将10％TiAl3+CYSZ自愈合粉末均匀的铺在热障涂层试样表面，铺粉厚度大约为0.4mm，采用激光改性技术(激光合金化)对热障涂层的陶瓷层进行改性处理，采用的设备是1kW柔性激光制造系统，激光在陶瓷层表面扫5道路径，重复率为20％。激光工艺参数中，激光功率为300W，激光扫描速度为25mm/s，激光光斑尺寸为1.5mm，用激光超声辅助振动系统来辅助激光改性，超声振动辅助频率3000W，得到的激光改性层厚度大约为200μm。
5)对未改性的热障涂层与激光改性热障涂层进行热冲击试验，通过热冲击试验后发现，未改性热障涂层的热循环寿命为200次左右，而激光改性热障涂层的热循环寿命为720次左右，激光改性热障涂层的抗热震性能是未改性热障涂层的抗热震性能的3.6倍左右，可以发现激光改性处理可以明显提升热障涂层的抗热震性能。
实施例三
1)在镍基高温合金基体上制备热障涂层，包括陶瓷层与粘接层；利用大气等离子喷涂制备粘接层，粉末为NiCrAlY，粘接层厚度大约为100μm。
2)在制备好的粘接层上，用大气等离子喷涂(APS)制备陶瓷层，粉末为7％氧化钇部分稳定氧化锆(7YSZ)，陶瓷层厚度大约为300μm。
3)对制备好的热障涂层进行超声波清洗，去除表面污渍和杂质。
4)将15％TiAl3+CYSZ自愈合粉末均匀铺在热障涂层试样表面，铺粉厚度大约为0.5mm，采用激光改性技术(激光合金化)对热障涂层表面的陶瓷层进行改性处理，所采用的设备是1kW柔性激光制造系统，激光在陶瓷层表面扫5道路径，重复率为30％。激光工艺参数中，激光功率为400W，激光扫描速度为35mm/s，激光光斑尺寸为2mm，用激光超声辅助振动系统来辅助激光改性，超声振动辅助频率4000W，得到的激光改性层厚度大约为230μm。
5)通过热冲击试验后发现，未改性热障涂层的热循环寿命为200次，而激光改性热障涂层的热循环寿命为820次，激光改性热障涂层的抗热震性能是未改性热障涂层的抗热震性能的4.1倍左右，可以发现激光改性处理可以明显提升热障涂层的抗热震性能。
本发明公开和提出的技术方案，对于本领域的技术人员来说，可以通过借鉴本文内容，适当改变其中的条件路线等实验条件来实现实验的目的。尽管本发明的方法和制备技术已通过较好的实施例子进行描述，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改。凡是在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明保护范围之内。所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
Claims (2)
1.一种基于超声振动辅助激光改性自愈合热障涂层的制备方法，其特征在于，所述方法为：
将含有自愈合颗粒的混合粉末均匀铺在热障涂层试样上，将试样放在超声振动台上，利用1kW激光制造系统进行激光改性表面处理，获得自愈合热障涂层；
所述自愈合颗粒选用TiAl3；所述含有自愈合颗粒的混合粉末组成为：5～20％质量分数的TiAl3，余量为CYSZ；
在进行激光改性表面处理时，在热障涂层试样表面打出若干道激光路径，各道激光路径重复率为0～30％，激光功率为100～400W，扫描速度为10～40mm/s，光斑尺寸直径为1～2mm，超声振动辅助频率50～4500W。
2.如权利要求1所述基于超声振动辅助激光改性自愈合热障涂层的制备方法，其特征在于，所述含有自愈合颗粒的混合粉末在热障涂层试样上的铺设厚度为0.3～1mm。
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