CN114645241B

CN114645241B - 一种具有复合结构热障涂层的制备方法

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Publication number: CN114645241B
Application number: CN202210245544.9A
Authority: CN
Inventors: 彭徽; 郭洪波; 宫声凯
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2022-03-04
Filing date: 2022-03-04
Publication date: 2023-04-18
Anticipated expiration: 2042-03-04
Also published as: CN114645241A

Abstract

本发明公开了一种具有复合结构热障涂层的制备方法，包括以下步骤：S1，在合金基体表面涂覆粘结层；S2，等离子喷涂下层层状结构，层状结构厚度为100μm‑200μm；S3，激光同轴送粉沉积上层柱状晶结构，沉积层数为1‑10层，柱状晶结构厚度为100μm‑1000μm，柱晶直径为100‑500μm，柱晶间隙为上层柱状晶结构厚度的10％‑20％。该方法工艺简单、原料成本和工艺成本低、设计灵活性高，可实现复杂零件表面局部涂覆；制备获得的层状‑柱状晶双层结构热障涂层具有良好的抗热循环寿命和抗冲蚀性能。

Description

一种具有复合结构热障涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及热障涂层技术领域，具体涉及一种适用于在航空发动机、燃气轮机、活塞柴油机涡轮叶片、导向器叶片等热端部件表面制备具有复合结构热障涂层的方法。该方法可以在部件表面整体或局部涂覆具有层状-柱状复合结构的热障涂层，所制备热障涂层界面结合力好、表面硬度高、应变容限大，具有较传统工艺热障涂层更高的抗热循环寿命和抗冲刷性能。

背景技术

电子束物理气相沉积(EB-PVD)和等离子喷涂(PS)是当前航空发动机及燃气轮机热端部件，尤其是适用于导向器叶片和高压涡轮叶片热防护的主流技术。其中，等离子喷涂涂层成本较低，具有层状结构和较好的隔热性能。EB-PVD热障涂层由垂直于基体的柱状晶组成，应变容限得到显著提高，具有更高的热循环寿命；此外，EB-PVD涂层表面更加光洁，可保持良好的叶片空气动力学性能，并且能够减少外来物质在涂层表面进行沉积，阻止冷却孔堵塞等；EB-PVD涂层更致密，因此具有更优异的抗冲蚀性能。

为了提高热障涂层的服役性能，目前已经开发出多种复合结构涂层制备方法。如在申请号为CN202010918044.8的中国发明专利中，采用EB-PVD涂层表面再涂覆等离子喷涂工艺，可以有效的提高涂层的隔热性能，但两种结构涂层的层间界面仍是容易开裂的部位，且这种复合工艺的制造成本较高；在申请号为CN201310239054.9的中国发明专利中，提出采用激光表面熔覆的方式获得更为致密的陶瓷涂层表面组织，提高了涂层表面硬度和抗冲蚀性能，但对于抗高温热震寿命并没有明显改善；申请号为CN201910592722.3的中国发明专利中，提出了采用激光近净成形的方式获得梯度热障涂层结构，提高了涂层的热震寿命，但该专利中所采用的方法仅能得到层状结构涂层，无法对涂层物理结构进行有效调控；申请号为CN201410143978.3的中国发明专利中采用近年来出现的等离子喷涂物理气相沉积(PS-PVD)技术也可以获得具有层状、柱状复合结构的热障涂层，虽然所获得的涂层具有良好的高温服役寿命，但疏松的涂层组织使得涂层的抗冲蚀能力明显降低。

针对发动机实际零部件，在高温区域局部涂覆热障涂层可缓解叶片热应力集中，提高涂层部件的高温寿命，但制备较困难。由于等离子喷涂和EB-PVD工艺均为实现效应，因此目前主要采用工装遮挡方式对非涂覆区域进行防护来获得局部涂覆涂层(申请号CN201410725939.4的中国发明专利)。工装遮挡的涂层工艺存在工序复杂、遮挡效果较差、成本高等缺点。

综上所述，综合性能优异的热障涂层需要具有界面结合良好、抗冷热交变寿命长、抗冲蚀性能优异的特性。如何针对这一需求开发出涂层制备工艺和方法也是目前亟需解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有层状-柱状结构的复合结构热障涂层的制备方法，该方法工艺简单、原料成本和工艺成本低、设计灵活性高，可实现复杂零件表面局部涂覆；制备获得的层状-柱状双层结构热障涂层具有良好的抗热循环寿命和抗冲蚀性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有复合结构热障涂层的制备方法，包括以下步骤：

S1，在合金基体表面涂覆粘结层；

S2，等离子喷涂下层层状结构涂层，层状结构厚度为100μm-200μm；等离子喷涂层起到过渡层作用，一方面作为激光沉积的基底层(防止激光造成金属基体熔化损伤)；另一方面，作为应力匹配层，可以有效缓解涂层界面应力，防止致密柱晶组织在热应力下发生剥落；考虑到等离子喷涂层的脱落风险，该层厚度不宜过大；综上考虑，层状结构厚度的最优选择为100μm-200μm。

S3，激光同轴送粉沉积上层柱状晶结构，沉积层数为1-10层，柱状晶结构层的厚度为100μm-1000μm，柱晶直径为100-500μm，柱晶间隙为上层柱状晶结构厚度的10％-20％。热障涂层的热震性能和隔热性能与涂层厚度、柱晶宽度、柱晶间隙直接相关。由于等离子喷涂下层厚度仅为100μm-200μm，因此复合结构涂层的隔热性能主要由上层柱晶结构层提供。为了确保涂层具有良好的隔热能力，参照目前常规热障涂层设计厚度，柱晶层的厚度优选为100μm-1000μm。此外，如果单个柱晶尺寸过大，容易在柱晶内累积应力，造成涂层剥落；受到现有激光沉积加工的技术水平限制，柱晶尺寸直径的最优选择为100-500μm。柱晶间隙影响涂层的内应力：柱晶间隙过小，各柱晶之间应变容限小，会导致涂层内部较大的热应力；但柱晶间隙过大，会使得热气流沿间隙进入涂层内部，降低涂层隔热效果。综上考虑，柱晶间隙的最优选择为柱状晶结构厚度的10％-20％。

进一步的，所述步骤S3，加工参数为：采用15-45μm球形造粒陶瓷粉末，1-4路同轴送粉，载气量为3-15L/min，连续送粉并确保粉末送入激光束流；激光束功率为100W-400W，束斑尺寸为100μm-300μm；沉积点间距为150μm-1000μm；激光束采用脉冲方式，每个沉积点激光输出脉冲宽度为0.02s-0.3s，送粉量为2-20g/min。

进一步的，所述步骤S3，激光束在合金基体表面移动，控制沉积点间距获得单层柱状晶涂层沉积；若继续沉积多层，则按照相同步骤沉积后续2-10层，控制激光头在合金基体表面的定位精度实现柱状晶的精确连续生长。

进一步的，所述下层层状结构和/或所述上层柱状晶结构的材料为萤石结构材料或烧绿石结构材料。

一种具有复合结构的热障涂层，采用上述制备方法进行制备，包括下层层状结构、上层柱状晶结构。

进一步的，所述下层层状结构涂层孔隙率为15％-50％，用于匹配与粘接层之间的界面应力。

进一步的，所述上层柱状晶结构的柱晶直径为100-500μm，柱晶间隙为20-200μm，柱晶间隙为上层柱状晶结构层厚度的10％-20％。

本发明的有益效果在于：

1、层状-柱状结构的双层复合结构热障涂层具有更优异的服役性能。主要表现为：1)抗热循环寿命长。柱晶间隙确保涂层具有较大的应变容限；单个柱晶的微小尺寸导致其内部无法形成较大内应力，内部致密、缺陷少的柱晶具有良好的抗冷热交变能力；下层层状结构层作为过渡层可以有效缓解界面剪切应力；下层厚度较薄，降低了剥落失效的风险。2)具有良好的抗冲蚀性能。上层涂层中的单个柱晶致密、硬度高，可以提高抗外物冲刷、冲蚀的能力，延长涂层使用寿命。

2、等离子—激光复合涂层加工方式具有制备工艺简单、原料成本和工艺成本低、设计灵活性高的优点。其中，采用激光沉积可在复杂零件表面实现涂层局部涂覆；通过改变复合加工时所用原材料粉末，也可以满足不同成分涂层的制备需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对发明技术方案及实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，其中：

图1为在一定激光束功率和束斑尺寸条件下，为了获得具有不同厚度及所需结构涂层时控制沉积点间距的“窗口值”(图中阴影区域)。

图2为本发明中具有复合结构热障涂层的示意图。

图3为等离子喷涂+激光沉积一层的双层结构热障涂层微观组织。

图4为等离子喷涂+激光沉积3层的双层结构热障涂层微观组织。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明提出了一种具有复合结构热障涂层的制备方法，所述热障涂层可沉积于目前主流的NiPtAl、MCrAlY等涂覆有粘接层的高温合金零件表面，所述热障涂层陶瓷层材料可以使用目前常规的萤石结构材料(如氧化钇稳定氧化锆(YSZ))、烧绿石结构材料(如锆酸钆、铈酸镧)等，采用等离子喷涂结合激光同轴送粉沉积实现，具体包括以下步骤：

S1，在合金基体表面涂覆粘结层；粘接层可采用等离子喷涂、低压等离子喷涂、超音速喷涂、EB-PVD、气相渗铝沉积及化学气相沉积工艺制备。

S2，等离子喷涂下层层状结构，层状结构厚度为100μm-200μm。

S3，激光同轴送粉沉积上层柱状结构，具体加工参数为：粉末采用15-45μm球形造粒粉末，具有良好流动性，采用1-4路同轴送粉，载气量为3-15L/min，连续送粉并确保粉末可送入激光束流；激光束功率为100W-400W，束斑尺寸为100μm-300μm；沉积点间距为150μm-1000μm；激光束采用脉冲方式，每个沉积点激光输出脉冲宽度为0.02s-0.3s；涂层沉积层数为1-10层。通过精确控制所述扫描策略，利用连续送粉结合脉冲激光的方式，可以在等离子喷涂层上方获得厚度为100μm-1000μm具有柱晶结构的热障涂层。

为了利用激光同轴送粉沉积技术获得所需要的具有适当间隙的柱状涂层结构，需要严格控制涂层制备参数。图1所示为在一定激光束功率和束斑尺寸条件下，为了获得具有不同厚度及所需结构涂层时控制沉积点间距的“窗口值”(图中阴影区域)。可以看到，随着涂层厚度增加，需要增大沉积点间距以获得柱状结构涂层；在一定涂层厚度条件下，增大沉积点间距柱晶间隙增大。此外，在窗口值范围内，需要匹配激光束功率和束斑尺寸，以便获得熔化沉积良好的涂层组织，避免涂层材料熔化不充分造成层间结合较差或过度熔化导致涂层组织坍塌损伤柱状结构。

图2为采用上述制备方法获得的具有复合结构热障涂层的示意图，包括等离子喷涂层以及由激光同轴送粉沉积的多层、具有一定厚度的柱晶组织，即下层为层状、上层为柱状晶复合结构的热障涂层。其中，下层层状结构孔隙率高，用于匹配与粘接层之间的界面应力，提高涂层的热循环寿命；上层柱状晶结构应变容限大，可缓解热应力，且柱晶内部组织致密，硬度高，具有良好的抗冲蚀性能。

具体的，所述柱状晶结构涂层的特征为：单个柱状晶内部组织致密，柱晶直径为100-500μm，柱晶连续生长，高度同涂层厚度；微小柱晶结构使得即使在致密组织内部热应力也无法积累，涂层具有良好的抗热循环性能。

所述柱状晶结构涂层的另一特征为：柱晶间隙为20-200μm。通过控制激光加工参数(功率、沉积点间距等)，使得柱状晶间隙尺寸为涂层厚度的10％-20％。适当的柱晶间隙有助于缓解热应力的同时，避免高温热流沿晶间传入。

所述的柱晶结构涂层(以YSZ涂层为例)，柱状晶内部硬度为800-1300Hv，具有良好的抗冲刷性能。

特别的，本发明所述的复合结构热障涂层制备方法还可以实现涂层的局部涂覆。采用激光同轴送粉可灵活的在零件表面局部易受到高温热流冲击、外物冲蚀区域进行实现局部涂覆，实现局部涂层增厚及梯度过度。

实施例一

一种具有复合结构热障涂层的制备方法，采用以下步骤：

S1，在合金基体表面涂覆NiCoCrAlY粘结层；

S2，等离子喷涂下层层状结构，采用8YSZ材料；

S3，激光同轴送粉沉积上层柱状结构，沉积层数为一层。首先控制机械手臂运动，调整激光头在涂层工件表面的定位及聚焦尺寸；采用15-45μm球形造粒8YSZ粉末，4路同轴送粉，载气量为7L/min；开启脉冲激光，连续送粉并确保粉末送入激光束流；激光束功率为100W，束斑尺寸为200μm；控制机械手臂使得激光头在工件表面连续移动实现柱晶涂层沉积，控制激光脉冲输出实现沉积点间距为350μm；每个沉积点激光输出脉冲宽度为0.04s；送粉量为5g/min。

图3为激光同轴送粉沉积一层的复合结构涂层的微观组织光镜形貌。其中，等离子喷涂层为约200μm；激光沉积层厚度约200μm，柱晶宽度约250μm，柱晶间隙约30μm。

实施例二

一种具有复合结构热障涂层的制备方法，采用以下步骤：

S1，在合金基体表面涂覆NiPtAl粘结层；

S2，等离子喷涂下层层状结构，采用8YSZ材料；

S3，激光同轴送粉沉积上层柱状结构，沉积层数为3层。首先控制机械手臂运动，调整激光头在涂层工件表面的定位及聚焦尺寸；采用15-45μm球形造粒Gd₂Zr₂O₇粉末，4路同轴送粉，载气量为5L/min；；开启脉冲激光，连续送粉并确保粉末送入激光束流；激光束功率为150W，束斑尺寸为250μm；控制机械手臂使得激光头在工件表面连续移动实现柱晶涂层沉积，控制激光脉冲输出实现沉积点间距为500μm；激光束采用脉冲方式，每个沉积点激光输出脉冲宽度为0.05s；送粉量为7g/min；沉积单层结束后，按照相同步骤沉积后续2层；通过控制激光头在工件表面的定位精度实现柱晶的精确连续生长。

图4为激光同轴送粉沉积3层的复合结构涂层的微观组织光镜形貌。其中，等离子喷涂层为约200μm；激光沉积层厚度约450μm，柱晶宽度约400μm，柱晶间隙约40μm。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具有复合结构热障涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在合金基体表面涂覆粘结层；

S2，等离子喷涂下层层状结构，层状结构厚度为100 μm-200 μm；

S3，激光同轴送粉沉积上层柱状晶结构，沉积层数为2-10层，柱状晶结构厚度为100 μm-1000 μm，柱晶直径为100-500 μm，柱晶间隙为上层柱状晶结构厚度的10%-20%；

所述步骤S3，激光束在合金基体表面移动，控制沉积点间距获得单层柱状晶涂层沉积，按照相同步骤沉积后续各层，控制激光头在合金基体表面的定位精度实现柱状晶的精确连续生长。

2. 根据权利要求1所述的具有复合结构热障涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S3，加工参数为：采用15-45 μm球形造粒粉末，1-4路同轴送粉，载气量为3-15 L/min，连续送粉并确保粉末送入激光束流；激光束功率为100 W-400 W，束斑尺寸为100 μm-300 μm；沉积点间距为150 μm-1000 μm；激光束采用脉冲方式，每个沉积点激光输出脉冲宽度为0.02s-0.3 s，送粉量为2-20 g/min。

3.根据权利要求1-2任一项所述的具有复合结构热障涂层的制备方法，其特征在于，所述下层层状结构和/或所述上层柱状晶结构的材料为萤石结构材料或烧绿石结构材料。

4.一种具有复合结构的热障涂层，采用权利要求1-3任一项所述的制备方法进行制备，其特征在于，包括下层层状结构、上层柱状晶结构。

5.根据权利要求4所述的具有复合结构的热障涂层，其特征在于，所述下层层状结构孔隙率为15%-50%。

6. 根据权利要求5所述的具有复合结构的热障涂层，其特征在于，所述上层柱状晶结构的柱晶直径为100-500 μm，柱晶间隙为20-200 μm，柱晶间隙为涂层厚度的10%-20%。