CN114318207B - 一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层的制备方法及其相应铜合金基材 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层的制备方法及其相应铜合金基材，涉及材料保护领域。该方法利用大气等离子喷涂设备，对铜合金基材表面进行喷涂以制备热障涂层，该涂层由CuNi基合金层、NiCuCr基合金层与MCrAlYX合金层的三层构成。通过三次喷涂，使得CuNi基合金层沉积于铜合金基体表面，NiCuCr基合金层沉积于CuNi基合金层表面，MCrAlYX合金层作为顶层隔热层沉积于NiCuCr基合金层表面。本发明通过结合过渡层与隔热层，使得涂层能够与基体表面紧密贴合，形成均匀致密，结合良好，性能较高的热障涂层，同时利用过渡层减少了基体与涂层之间的热膨胀差异，减少了涂层容易出现的裂纹，屈曲等问题，延长了涂层的服役寿命，进一步扩展了热障涂层的应用范围。

Description

一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层的制备方法及其相应 铜合金基材

技术领域

本发明涉及材料保护领域，特别是一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层的制备方法及其相应铜合金基材。

背景技术

随着民用载物火箭的运用，火箭中的推力室是液体火箭发动机用于将化学能转化为动能的核心装置，因此保证其安全运行对火箭发动机而言具有重要意义。而推力室作为核心部件，其服役工况十分严苛，室内压力高(5-27 MPa)，燃气温度高(3000-3800K)，且壁面热流密度大(10-160MW/m²)。因此对推力室内壁进行强烈的冷却和保护十分关键。目前主要采用的方式是在推力室内壁喷涂热障涂层，以起到隔热和防氧化的作用。

相关技术中，一般采用热导率很低的陶瓷涂层作为隔热涂层，然而在较高的温度梯度下，陶瓷涂层与基体的热膨胀差异非常大，使得涂层中产生较大的热应力导致涂层在热循环过程中失效，从而降低了涂层的使用寿命。

另一种方式是使用金属隔热涂层，但是金属合金涂层在大热流密度服役测试条件下容易出现，涂层与基体的界面分层开裂，涂层的屈曲，垂直裂纹以及柯肯达尔效应孔隙等问题。此外，采用大气等离子喷涂技术在喷涂金属合金涂层过程中，当高温等离子射流从喷枪高速喷出在大气中飞行时，很自然地将大气成分卷入其中，使得金属合金粒子发生氧化，从而使涂层中含有金属氧化物成分。氧化物会导致涂层间结合变差，不仅增加涂层孔隙率，还会使涂层失去对基体的耐腐蚀、耐高温保护，降低涂层的力学性能与耐磨损性能等。其次，氧化物的存在会使涂层的成分与组织结构偏离预期设计的成分与组织。由于喷涂过程中众多工艺因素的复杂性，涂层中的氧化物含量与分布难以控制，使得涂层的结构与性能的稳定性也难以得到保证。

因此，在材料保护领域十分有必要开发一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层，使得该涂层通过合理设计，可以解决金属热障涂层在大热流密度服役环境下因成分，热膨胀系数差异较大而引起的涂层失效问题及熔融金属合金粒子的氧化问题，从而提高涂层的服役寿命。

发明内容

本发明主要目的在于，提供一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层的制备方法，以解决金属热障涂层制备中熔融金属合金粒子的氧化问题和在大热流密度服役环境下因成分，热膨胀系数差异较大而引起的涂层失效问题。

本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明实施例的第一方面公开了一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层的制备方法，所述方法包括：

第一步，对待喷涂目标基材进行预处理；

第二步，采用大气等离子喷涂方式对所述预处理后的待喷涂目标基材表面喷涂CuNi基合金层；

第三步，采用大气等离子喷涂方式在所述CuNi基合金层上喷涂NiCuCr 基合金层；

第四步，采用大气等离子喷涂方式在所述NiCuCr基合金层上喷涂 MCrAlYX合金层；

其中，所述MCrAlYX合金为镍基合金(NiCoCrAlYX)或钴基合金 (CoNiCrAlYX)，X为除Y以外的其他稀土元素。

优选地，所述方法还包括：

对第四步喷涂完成后的所述目标基材进行热处理，热处理温度在 500～800℃之间。

优选地，所述对待喷涂目标基材进行预处理，包括：

对所述待喷涂目标基材的表面进行除锈、除污、除油和粗糙化处理。

优选地，所述第二步包括：

采用大气等离子喷涂方式向所述预处理后的待喷涂目标基材上喷涂含有硼化物的CuNi基合金粉末；其中，所述硼化物为镍化硼或铬化硼，在所述含有硼化物的CuNi基合金粉末中，硼元素的质量分数为1.5wt％～3.5wt％，所述Cu的质量分数为60wt％～70wt％，以及所述Ni的质量分数为 30wt％～40wt％。

优选地，所述第三步包括：

采用大气等离子喷涂方式向所述CuNi基合金层上喷涂含有硼化物的 NiCuCr基合金粉末；其中，所述硼化物为镍化硼或铬化硼，在所述含有硼化物的NiCuCr基合金粉末中，硼元素的质量分数为1.5wt％～3.5wt％，所述 Ni的质量分数为50wt％～70wt％，所述Cu的质量分数为30wt％～40wt％，以及所述Cr的质量分数为10～25wt％。

优选地，所述第四步包括：

采用大气等离子喷涂方式向所述NiCuCr基合金层上喷涂MCrAlYX合金粉末；其中，Cr含量为15～25wt％，Al含量为7～10wt％Ni，Y含量为 0.4～0.8wt％，X稀土元素含量为0～2wt％；当所述MCrAlYX合金为镍基合金(NiCoCrAlYX)时，Ni含量为38％～70wt％，Co含量为0～32wt％；当所述MCrAlYX合金为钴基合金(CoNiCrAlYX)时，Co含量为38～50wt％， Ni含量为20～32wt％。

优选地，所述第二步中进行大气等离子喷涂的喷涂功率为30～45kW，喷涂距离为80～200mm；所述第三步中进行大气等离子喷涂的喷涂功率为 35～50kW，喷涂距离为80～200mm；所述第四步中进行大气等离子喷涂的的喷涂功率为35～55kW，喷涂距离为80～200mm；所述喷涂距离为喷涂设备前端口与所述目标基材表面之间的距离。

优选地，所述CuNi基合金层厚度为30～80μm，NiCuCr基合金层厚度为 30～80μm，MCrAlYX合金层厚度为70～150μm。

本发明实施例的第二方面公开了一种用于制作火箭发动机铜合金推力室内壁的铜合金基材，所述铜合金基材是按照本发明实施例第一方面公开的方法制备得到的。

本发明提供了一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层的制备方法，通过先对待喷涂目标基材进行预处理，再利用大气等离子喷涂设备，依次在目标基材表面喷涂CuNi基合金层，NiCuCr基合金层，MCrAlYX合金层。使得 CuNi基合金层沉积于铜合金基体表面，NiCuCr基合金层沉积于CuNi基合金层表面，MCrAlYX合金层作为顶层沉积于NiCuCr基合金层表面。其中，所述MCrAlYX合金为镍基合金(NiCoCrAlYX)或钴基合金(CoNiCrAlYX)， X为除Y以外的其他稀土元素。在本发明中，利用大气等离子喷涂设备进行热障涂层制备，该金属热障涂层由CuNi基合金层、NiCuCr基合金层与 MCrAlYX合金层的三层构成，三层涂层分别能够与基体表面紧密贴合，形成均匀致密，结合良好，性能较高的热障涂层，同时利用过渡层减少了基体与涂层之间的热膨胀差异，减少了涂层容易出现的裂纹，屈曲等问题，延长了涂层的服役寿命，进一步扩展了热障涂层的应用范围。

与现有技术相比，本发明具体的有益效果如下：

1)减少了界面分层开裂问题。涂层发生界面开裂主要是因为基体与涂层材料的热膨胀系数不匹配而导致垂直于涂层表面的热应力作用于涂层表面时引起了分层。本发明通过设置过渡层减少了基体与涂层之间的热膨胀系数差异，从而缓解了界面分层开裂问题。

2)减少了涂层屈曲作用。当金属合金涂层与基体热膨胀系数不匹配时，在热循环过程中，在加热阶段，基体若膨胀过多，涂层膨胀过小，在随后的冷却过程中，则会发生基体收缩多而涂层收缩小，导致涂层受到压应力，此时会出现涂层结合较弱部分出现屈曲。本发明通过设置金属合金过渡层减少了基体与涂层之间的热膨胀系数差异，同时，相比于传统涂层因氧化物含量高，界面结合弱的问题，而本发明涂层采用含硼化物的铜基粉末与镍基粉末制备过渡层，涂层氧化物含量低，塑性高，结合强度高，从而减少了涂层屈曲问题。

3)减少了垂直裂纹。垂直裂纹同样是因为材料的热膨胀系数匹配较差，涂层与基体不能同步膨胀和收缩，涂层中过大的拉应力导致涂层被拉裂。本发明通过设置金属合金过渡层减少了基体与涂层之间的热膨胀系数差异，同时，相比于传统涂层因氧化物含量高，界面结合弱的问题，而本发明涂层采用含硼化物的铜基粉末与镍基粉末制备过渡层，涂层氧化物含量低，塑性高，结合强度高，从而减少了垂直裂纹的出现。

4)减少了柯肯达尔孔隙。柯肯达尔孔隙的出现主要是因为基体与涂层材料成分的差异导致在长期服役过程中，界面处发生了元素互相扩散而形成了孔隙。本发明通过设置金属合金过渡层，缩小了涂层与基体之间的差异，减缓了界面处元素的互相扩散，从而减少了柯肯达尔孔隙。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层的制备方法流程图；

图2是本发明实施例提供的一种铜合金基材的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为了便于理解本发明提出的技术方案，在此先对金属合金热障涂层制备、等离子喷涂技术等相关技术做简要说明。

目前，已有技术中制备耐高温隔热金属涂层的方法主要有电镀，超音速火焰喷涂，真空等离子喷涂和大气等离子喷涂等。其中，电镀方法制备涂层工艺简单，涂层均匀致密，但涂层与基体结合力较差，且常采用的电镀Ni 或Cr层热导率较高。热喷涂作为涂层制备常用方法之一，其工艺简单、灵活，涂层成分灵活控制，可实现任意成分涂层的制备，因此被广泛应用于涂层制备过程，但超音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；真空等离子喷涂受真空腔室的限制，这种设备投资巨大，不仅运行成本较高，同时喷涂灵活性受到限制，可喷涂的结构工件的尺寸也受到限制。大气等离子喷涂作为一种能够在大气氛围中实施的喷涂技术广泛应用在实际生产中，是因其可在低运行成本条件下制备出工件尺寸不受限制，结合良好，性能较高的涂层。

等离子喷涂是一种工艺简单且成本较低的涂层制备方法。等离子喷涂技术是采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，然后在焰流加速下，以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。等离子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有如下特性：超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂；喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高；由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。

此外采用大气等离子喷涂技术在喷涂金属合金涂层过程中，当高温等离子射流从喷枪高速喷出在大气中飞行时，会很自然地将大气成分卷入其中，采用等离子喷涂金属合金粉末制备金属合金涂层，卷入的空气会与金属合金粉末发生氧化，从而使涂层中含有金属氧化物成分，金属合金涂层中夹杂的氧化物会导致涂沉积粒子层间结合变差，不仅增加涂层孔隙率，使涂层失去对基体的耐腐蚀、耐高温保护，而且降低涂层的力学性能与耐磨损性能等。其次，氧化物的存在，阻碍了铺展中的金属与先前沉积且已经冷却凝固的金属的直接接触，阻止了粒子间金属键合的形成，又因熔融金属与氧化物具有润湿性差的特点，熔融金属快速铺展与冷却过程中难以与氧化物形成强的化学结合，而以弱结合存在的界面在后续冷却中发生界面分离会形成未结合界面。氧化物的存在不仅使涂层的成分与组织结构偏离预期设计的成分与组织，使得涂层塑性降低，强度下降，而且由于喷涂过程中众多工艺因素影响的复杂性，涂层中的氧化物含量与分布难以控制，使得涂层的组织与性能的一致性难以得到保证。

基于以上说明，对本申请实施例的技术方案介绍如下。

具体实施例一

本发明实施例提供了一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层的制备方法，图1是所述方法的步骤流程图，如图1所示，该方法包括：

第一步，对待喷涂目标基材进行预处理；

在本实施例中，所述待喷涂目标基材为铜合金基材，具体的可以是用于火箭发动机推力室内壁的铜合金基材，该基材长期处于常温高压且热流密度大的工作环境中。

所述对待喷涂目标基材进行预处理，为对所述待喷涂目标基材的表面进行除锈、除污、除油和粗糙化处理。具体操作时可以利用打磨设备打磨掉锈蚀，也可以用酸液除去锈蚀，对污垢和油污可以利用相应溶剂进行清洗操作。另外，为了提高涂覆后的金属涂层的附着力，还可以利用喷砂设备对基体的表面进行喷砂作业，以降低该表面的光洁度，从而有效提高附着力。

第二步，采用大气等离子喷涂方式对所述预处理后的待喷涂目标基材表面喷涂CuNi基合金层；

该步骤包括，向所述预处理后的待喷涂目标基材上喷涂含有硼化物的 CuNi基合金粉末；其中，所述硼化物为镍化硼或铬化硼，在所述含有硼化物的CuNi基合金粉末中，硼元素的质量分数为1.5wt％～3.5wt％，所述Cu 的质量分数为60wt％～70wt％，以及所述Ni的质量分数为30wt％～40wt％。

CuNi基合金层为过渡层，由于喷涂材料中铜合金所占比例较大 (60wt％～70wt％)，可以很好的与铜合金基材贴合，使得涂层与铜合金基材之间的热膨胀系数差异较小，从而减少了涂层分层开裂，屈曲。垂直裂纹以及柯肯达尔孔隙等问题。

除此之外，本实施例还在CuNi基合金粉末中添加了一定比例的硼化物，所述硼化物为镍化硼或铬化硼，在所述含有硼化物的CuNi基合金粉末中，硼元素的质量分数为1.5wt％～3.5wt％。在大气氛围下将所述金属粉末送入高温等离子射流中，在高温等离子射流将该金属粉末加热至熔融状态的过程中，金属粉末中的硼化物中的硼元素能够优先与氧发生反应，形成氧化硼挥发，从而达到保护金属元素不被氧化，减少金属粒子飞行过程中的氧化，从而降低涂层中的氧含量与氧化物含量，提高涂层塑形与强度的目的。

第三步，采用大气等离子喷涂方式在所述CuNi基合金层上喷涂NiCuCr 基合金层；

在制备的CuNi基合金层上进一步喷涂NiCuCr基合金层，在本实施例中，在所述含有硼化物的NiCuCr基合金粉末中，硼元素的质量分数为 1.5wt％～3.5wt％，所述Ni的质量分数为50wt％～70wt％，所述Cu的质量分数为30wt％～40wt％，以及所述Cr的质量分数为10～25wt％。在第二层过渡层中，铜合金的占比逐渐减小，镍与铬合金的占比增大，使得这一层合金层可以很好的与CuNi基合金层贴合，又可以起到一定的隔热作用。

第四步，采用大气等离子喷涂方式在所述NiCuCr基合金层上喷涂 MCrAlYX合金层；

其中，所述MCrAlYX合金为镍基合金(NiCoCrAlYX)或钴基合金 (CoNiCrAlYX)，X为除Y以外的其他稀土元素。

在本实施例中，采用大气等离子喷涂方式向所述NiCuCr基合金层上喷涂MCrAlYX合金粉末；其中，Cr含量为15～25wt％，Al含量为7～10wt％Ni， Y含量为0.4～0.8wt％，X稀土元素含量为0～2wt％；当所述MCrAlYX合金为镍基合金(NiCoCrAlYX)时，Ni含量为38％～70wt％，Co含量为0～32wt％；当所述MCrAlYX合金为钴基合金(CoNiCrAlYX)时，Co含量为38～50wt％， Ni含量为20～32wt％。MCrAlYX合金层为功能层，起到主要的隔热，抗高温性和耐腐蚀性。

优选地，所述方法还包括：

对第四步喷涂完成后的所述目标基材进行热处理，热处理温度在 500～800℃之间。通过对喷涂完成的涂层进行热处理，可以进一步促进涂层之间的结合。

在喷涂过程中，所述第二步中进行大气等离子喷涂的喷涂功率为30～45 kW，喷涂距离为80～200mm；所述第三步中进行大气等离子喷涂的喷涂功率为35～50kW，喷涂距离为80～200mm；所述第四步中进行大气等离子喷涂的的喷涂功率为35～55kW，喷涂距离为80～200mm；所述喷涂距离为喷涂设备前端口与所述目标基材表面之间的距离。所述喷涂距离为喷涂设备前端口与目标基材表面之间的距离。喷涂距离过小使零件受等离子焰流的影响而严重氧化以及基体升温过高，造成热变形；而喷涂距离过大，会使已经加热到熔融状态的粉末在与零件接触时冷了下来，飞行速度也开始降低，同样影响涂层与基体的结合，喷涂效率会明显降低，同时涂层孔隙率也将增加。

在本实施例中，所述CuNi基合金层厚度为30～80μm，NiCuCr基合金层厚度为30～80μm，MCrAlYX合金层厚度为70～150μm。需要知道的是，热障涂层的隔热性与抗氧化性与材料的选取，涂层结构，制备工艺与工作环境密切相关。

本发明提供了一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层的制备方法，通过先对待喷涂目标基材进行预处理，再利用大气等离子喷涂设备，依次在目标基材表面喷涂CuNi基合金层，NiCuCr基合金层，MCrAlYX合金层。使得 CuNi基合金层沉积于铜合金基体表面，NiCuCr基合金层沉积于CuNi基合金层表面，MCrAlYX合金层作为顶层沉积于NiCuCr基合金层表面。通过三层涂层，基体与结合过渡层与隔热层的成分差异减小，并使得涂层能够与基体表面紧密贴合，形成均匀致密，结合良好，性能较高的热障涂层，同时利用过渡层减少了基体与涂层之间的热膨胀差异，减少了涂层容易出现的裂纹，屈曲等问题，延长了涂层的服役寿命，进一步扩展了热障涂层的应用范围。除此之外，还通过在过渡层的CuNi基合金粉末与NiCuCr基合金粉末中添加一定比例的镍化硼或铬化硼。使得在高温等离子喷涂过程中，金属粉末中的硼化物中的硼元素能够优先与氧发生反应，形成氧化硼挥发，从而保护其他金属元素不被氧化，减少金属粒子飞行过程中的氧化，进而降低涂层中的氧含量与氧化物含量，提高了涂层塑形与强度，解决了熔融金属合金粒子的氧化问题。

具体实施例二

本发明实施例提供一种用于制作火箭发动机铜合金推力室内壁的铜合金基材，所述铜合金基材是按照本发明实施例第一方面公开的方法制备得到的。

图2是该铜合金基材的结构示意图，如图2所示，该基材底层为铜合金基体，该铜合金基体即为具体实施例一中的待喷涂目标基体，CuNi基合金层沉积于铜合金基体表面，NiCuCr基合金层沉积于CuNi基合金层表面， MCrAlYX合金层作为顶层沉积于NiCuCr基合金层表面。该金属合金热障涂层可以应用于火箭发动机铜合金推力室，具有氧含量较少，孔隙率低，致密，结合强度高等性能，提高了火箭发动机铜合金推力室的服役寿命。

下面，通过具体的示例对上述实施例的制备及应用过程进行示例性说明。

示例1

S101，对待喷涂目标基材进行预处理。其中，所述待喷涂目标基材为铜合金基材。

S102，采用大气等离子喷涂方式对所述预处理后的待喷涂目标基材表面喷涂CuNi基合金层；其中，喷涂所用的CuNi基合金粉末中硼元素含量为 1.5wt％，Cu含量为60wt％，Ni含量为38.5wt％。

S103，采用大气等离子喷涂方式在所述CuNi基合金层上喷涂NiCuCr 基合金层；其中，喷涂所用的NiCuCr基合金粉末中硼元素含量为1.5wt％， Ni含量为58.5wt％，Cu含量为30wt％，Cr含量为10wt％。

S104，采用大气等离子喷涂方式在所述NiCuCr基合金层上喷涂 MCrAlYX合金层；其中，喷涂所用的MCrAlYX合金为镍基合金 (NiCoCrAlYX)，Ni基合金中Co含量为10wt％，Cr含量为15wt％，Al 含量为7wt％，Y含量为0.4wt％，X含量为2wt％，其余含量均为Ni。

S105，对第四步喷涂完成后的所述目标基材进行热处理，热处理温度为 500℃。

采用大气等离子喷涂所述三种金属合金热障涂层时，CuNi合金涂层， NiCrCu合金涂层和NiCoCrAlYX合金涂层喷涂功率分别为30kW，35kW和 40kW，喷涂距离均为80mm，制备的涂层厚度分别为30μm，30μm和150μm。根据所述的喷涂参数，制备的CuNi基合金层的氧含量约为0.5％，NiCrCu 基合金层的氧含量约为0.6％，镍基合金NiCoCrAlYX层的氧含量约为7％。

示例2

S201，对待喷涂目标基材进行预处理。其中，所述待喷涂目标基材为铜合金基材。

S202，采用大气等离子喷涂方式对所述预处理后的待喷涂目标基材表面喷涂CuNi基合金层；其中，喷涂所用的CuNi基合金粉末中硼元素含量为 2.5wt％，Cu含量为60wt％，Ni含量为37.5wt％。

S203，采用大气等离子喷涂方式在所述CuNi基合金层上喷涂NiCuCr 基合金层；其中，喷涂所用的NiCuCr基合金粉末中硼元素含量为2.5wt％， Ni含量为57.5wt％，Cu含量为30wt％，Cr含量为10wt％。

S204，采用大气等离子喷涂方式在所述NiCuCr基合金层上喷涂 MCrAlYX合金层；其中，喷涂所用的MCrAlYX合金为镍基合金 (NiCoCrAlYX)，Ni基合金中Co含量为20wt％，Cr含量为20wt％，Al 含量为7wt％，Y含量为0.4wt％，X含量为2wt％，其余含量均为Ni。

S205，对第四步喷涂完成后的所述目标基材进行热处理，热处理温度为 600℃。

采用大气等离子喷涂所述三种金属合金热障涂层时，CuNi合金涂层， NiCrCu合金涂层和NiCoCrAlY合金涂层喷涂功率分别为35kW，40kW和 45kW，喷涂距离均为100mm，制备的涂层厚度分别为50μm，50μm和120μm。根据所述的喷涂参数，制备的CuNi基合金层的氧含量约为0.4％，NiCrCu 基合金层的氧含量约为0.5％，镍基合金NiCoCrAlY层的氧含量约为5％。

示例3

S301，对待喷涂目标基材进行预处理。其中，所述待喷涂目标基材为铜合金基材。

S302，采用大气等离子喷涂方式对所述预处理后的待喷涂目标基材表面喷涂CuNi基合金层；其中，喷涂所用的CuNi基合金粉末中硼元素含量为 2.5wt％，Cu含量为60wt％，Ni含量为37.5wt％。

S303，采用大气等离子喷涂方式在所述CuNi基合金层上喷涂NiCuCr 基合金层；其中，喷涂所用的NiCuCr基合金粉末中硼元素含量为2.5wt％，Ni含量为57.5wt％，Cu含量为30wt％，Cr含量为10wt％。

S304，采用大气等离子喷涂方式在所述NiCuCr基合金层上喷涂 MCrAlYX合金层；其中，喷涂所用的MCrAlYX合金为钴基合金 (CoNiCrAlYX)，Co基合金中Ni含量为20wt％，Cr含量为20wt％，Al 含量为7wt％，Y含量为0.4wt％，X含量为2wt％，其余含量均为Co。

S305，对第四步喷涂完成后的所述目标基材进行热处理，热处理温度为 700℃。

采用大气等离子喷涂所述三种金属合金热障涂层时，CuNi合金涂层， NiCrCu合金涂层和NiCoCrAlY合金涂层喷涂功率分别为38kW，43kW和 48kW，喷涂距离均为120mm，制备的涂层厚度分别为40μm，50μm和150μm。根据所述的喷涂参数，制备的CuNi基合金层的氧含量约为0.4％，NiCrCu 基合金层的氧含量约为0.5％，钴基合金CoNiCrAlYX的氧含量约为5％。

示例4

S401，对待喷涂目标基材进行预处理。其中，所述待喷涂目标基材为铜合金基材。

S402，采用大气等离子喷涂方式对所述预处理后的待喷涂目标基材表面喷涂CuNi基合金层；其中，喷涂所用的CuNi基合金粉末中硼元素含量为 3.5wt％，Cu含量为60wt％，Ni含量为36.5wt％。

S403，采用大气等离子喷涂方式在所述CuNi基合金层上喷涂NiCuCr 基合金层；其中，喷涂所用的NiCuCr基合金粉末中硼元素含量为3.5wt％， Ni含量为56.5wt％，Cu含量为30wt％，Cr含量为10wt％。

S404，采用大气等离子喷涂方式在所述NiCuCr基合金层上喷涂 MCrAlYX合金层；其中，喷涂所用的MCrAlYX合金为钴基合金 (CoNiCrAlYX)，Co基合金中Ni含量为30wt％，Cr含量为15wt％，Al 含量为10wt％，Y含量为0.4wt％，X含量为2wt％，其余含量均为Co。

S405，对第四步喷涂完成后的所述目标基材进行热处理，热处理温度为 800℃。

采用大气等离子喷涂所述三种金属合金热障涂层时，CuNi合金涂层，NiCrCu合金涂层和NiCoCrAlY合金涂层喷涂功率分别为35kW，43kW和 45kW，喷涂距离均为140mm，制备的涂层厚度分别为40μm，40μm和140μm。根据所述的喷涂参数，制备的CuNi基合金层的氧含量约为0.3％，NiCrCu 基合金层的氧含量约为0.4％，钴基合金CoNiCrAlYX的氧含量约为3％。

本发明提供了一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层的制备方法及其相关的铜合金基材，该热障涂层制备方法通过先对待喷涂目标基材进行预处理，再利用大气等离子喷涂设备，依次在目标基材表面喷涂CuNi基合金层， NiCuCr基合金层，MCrAlYX合金层，使得CuNi基合金层沉积于铜合金基体表面，NiCuCr基合金层沉积于CuNi基合金层表面，MCrAlYX合金层作为顶层沉积于NiCuCr基合金层表面。通过三次喷涂，结合过渡层与隔热层，使得涂层能够与基体表面紧密贴合，形成均匀致密，结合良好，性能较高的热障涂层，同时利用过渡层减少了基体与涂层之间的热膨胀差异，减少了涂层容易出现的裂纹，屈曲等问题，延长了涂层的服役寿命，进一步扩展了热障涂层的应用范围。除此之外，还通过在过渡层的CuNi基合金粉末与NiCuCr 基合金粉末中添加一定比例的镍化硼或铬化硼，在大气氛围下将所述金属粉末送入高温等离子射流中，以使所述高温等离子射流将所述金属粉末加热至超过1860℃的熔融状态，并沉积在基体表面形成氧含量少，致密，结合良好的金属涂层。其中，在高温等离子射流将该金属粉末加热至熔融状态的过程中，金属粉末中的硼元素能够优先与氧发生反应，形成氧化硼挥发，从而保护金属元素不被氧化，减少金属粒子飞行过程中的氧化，进而降低涂层中的氧含量与氧化物含量，提高了涂层塑形与强度，解决了熔融金属合金粒子的氧化问题。所述金属合金热障涂层应用于火箭发动机铜合金推力室，具有氧含量较少，孔隙率低，致密，结合强度高等性能，大大提高火箭发动机铜合金推力室的服役寿命，扩展了热障涂层的应用范围。

对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的操作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的操作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的操作和实验条件并不一定是本发明所必须的。

以上对本发明所提供的一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层的制备方法及其相应铜合金基材进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

第一步，对待喷涂目标基材进行预处理，所述目标基材为铜合金基材；

第二步，采用大气等离子喷涂方式对所述预处理后的待喷涂目标基材表面喷涂CuNi基合金层；

第三步，采用大气等离子喷涂方式在所述CuNi基合金层上喷涂NiCuCr基合金层；

第四步，采用大气等离子喷涂方式在所述NiCuCr基合金层上喷涂MCrAlYX合金层；

其中，所述MCrAlYX合金为镍基合金NiCoCrAlYX或钴基合金CoNiCrAlYX，X为除Y以外的其他稀土元素；

所述第二步包括：采用大气等离子喷涂方式向所述预处理后的待喷涂目标基材上喷涂含有硼化物的CuNi基合金粉末；其中，所述硼化物为镍化硼或铬化硼，在所述含有硼化物的CuNi基合金粉末中，硼元素的质量分数为1.5wt%~3.5wt%，所述Cu的质量分数为60wt%，以及所述Ni的质量分数为30wt%~40wt%；

所述第三步包括：采用大气等离子喷涂方式向所述CuNi基合金层上喷涂含有硼化物的NiCuCr基合金粉末；其中，所述硼化物为镍化硼或铬化硼，在所述含有硼化物的NiCuCr基合金粉末中，硼元素的质量分数为1.5wt%~3.5wt%，所述Ni的质量分数为50wt%~58.5wt%，所述Cu的质量分数为30wt%~40wt%，以及所述Cr的质量分数为10~25wt%；

所述第四步包括：采用大气等离子喷涂方式向所述NiCuCr基合金层上喷涂MCrAlYX合金粉末；其中，Cr含量为15~25wt%，Al含量为7~10wt%Ni，Y含量为0.4~0.8wt%，X稀土元素含量大于0，且小于等于2wt%；当所述MCrAlYX合金为镍基合金NiCoCrAlYX时，Ni含量为38%~70wt%，Co含量为0~32wt%；当所述MCrAlYX合金为钴基合金CoNiCrAlYX时，Co含量为38~50wt%，Ni含量为20~32wt%。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法还包括：

对第四步喷涂完成后的所述目标基材进行热处理，热处理温度在500~800℃之间。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述对待喷涂目标基材进行预处理，包括：

对所述待喷涂目标基材的表面进行除锈、除污、除油和粗糙化处理。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述第二步中进行大气等离子喷涂的喷涂功率为30~45 kW，喷涂距离为80~200mm；所述第三步中进行大气等离子喷涂的喷涂功率为35~50kW，喷涂距离为80~200mm；所述第四步中进行大气等离子喷涂的喷涂功率为35~55kW，喷涂距离为80~200mm；所述喷涂距离为喷涂设备前端口与所述目标基材表面之间的距离。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述CuNi基合金层厚度为30~80μm，NiCuCr基合金层厚度为30~80μm，MCrAlYX合金层厚度为70~150μm。

6.一种用于制作火箭发动机铜合金推力室内壁的铜合金基材，其特征在于，所述铜合金基材是按照权利要求1-5任一所述的方法制备得到的。

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