CN114807822B - 延缓界面tgo生长的激光微织构改性热障涂层及其制备工艺 - Google Patents

延缓界面tgo生长的激光微织构改性热障涂层及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种延缓界面TGO生长的激光微织构改性热障涂层及其制备工艺，在传统的低成本热障涂层内部引入激光微凹坑织构阵列，快速精准控制粘结层‑陶瓷层界面微结构，粘结层‑陶瓷层沉积界面结合质量优异。本发明的激光微织构改性热障涂层包括高温合金基体、金属粘结层、粘结层表面带内壁重熔致密化层的微凹坑织构阵列、陶瓷隔热层。本发明通过设置重熔致密化层，脉冲激光束直接烧蚀制备微凹坑织构阵列，凹坑内壁涂层组织重熔致密化，实现粘结层表层微结构致密化，进而显著降低热障涂层高温服役时的Al元素消耗，增大粘结层‑陶瓷层界面微裂纹扩展阻力，提升热障涂层的长效服役效能。

Description

延缓界面TGO生长的激光微织构改性热障涂层及其制备工艺
技术领域
本发明涉及涂层技术领域，具体是一种延缓界面TGO生长的激光微织构改性热障涂层及其制备工艺。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
目前，大规模工业化应用的热障涂层为等离子喷涂双层结构体系，包括MCrAlY(M＝Ni，Co，或NiCo)抗氧化粘结层和陶瓷隔热层(如ZrO2-8wt.％Y2O3氧化钇稳定氧化锆材料，YSZ)。高温服役过程中，粘结层-陶瓷层界面生成以α-Al2O3为主的热生长氧化物TGO(Thermally Grown Oxide，TGO)层，阻碍热氧/氧离子进一步内向扩散，可提升基体和粘结层高温耐久性。但是，粘结层、TGO层和YSZ陶瓷层之间热膨胀系数差异大(粘结层10-16×10-6/K，TGO层5-9×10-6/K，YSZ陶瓷层10-11×10-6/K)，TGO层附近产生热失配应力。随着服役时间延长，TGO层生长增厚也会累积较大生长应力。在二者共同作用下，粘结层凸起处和陶瓷层凹坑处不断积聚法向残余拉应力。此外，陶瓷层内部也会产生高温烧结刚化和相变应力。当陶瓷层或粘结层-陶瓷层界面处累积的弹性应变能超过涂层断裂韧性，微裂纹萌生并扩展。目前的研究表明，对于传统热喷涂双层结构热障涂层，其剥落失效的主要诱因之一是TGO层异常生长增厚导致粘结层-陶瓷层界面大尺度裂纹快速失稳扩展，严重限制了热障涂层高温服役寿命。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种延缓界面TGO生长的激光微织构改性热障涂层及其制备工艺。通过脉冲激光束直接烧蚀粘结层表面制备形貌重复性好、带内壁重熔致密化层的微凹坑织构阵列，微凹坑直径和深度为微米级，实现了微凹坑和内壁重熔致密化层的一次精准成形，后续喷涂陶瓷隔热层的填充沉积质量优异；粘结层-陶瓷层界面凸起比例的减少和表层重熔致密化结构可显著降低热障涂层高温服役时的Al元素消耗，维持全域界面α-Al2O3层缓慢致密生长，实现热障涂层界面TGO层缓慢生长；微凹坑织构亦可扭曲微裂纹扩展方向，延长微裂纹扩展距离，增大粘结层-陶瓷层界面微裂纹扩展阻力，有效提高了热障涂层抗热冲击性能和高温稳定性。
为解决上述技术问题，提供如下技术方案。
一种激光微织构改性热障涂层的制备工艺，包括如下步骤：在喷砂粗化的高温合金基体表面喷涂制备金属粘结层；随后利用脉冲激光束直接烧蚀金属粘结层表面，构筑平行排列且带内壁重熔致密化层的微凹坑织构阵列；随后在微凹坑织构阵列表面喷涂制备陶瓷隔热层。
进一步的，所述高温合金基体为航空发动机和工业燃气轮机热端构件材料，可选用镍基和难熔金属为基的合金。
进一步的，金属粘结层可选择抗高温氧化的NiCoCrAlY粉末，但不限于MCrAlY材料体系。粘结层制备工艺采用大气等离子喷涂，也可采用超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂、真空等离子喷涂等技术。
进一步的，金属粘结层厚度为80-150μm。
进一步的，采用大气等离子喷涂技术制备金属粘结层，其具体工艺为喷涂电流750A，喷涂电压为30V，主气氩气流量40L/min，辅气氦气流量7.5L/min，送粉气氩气流量4L/min，喷涂距离110mm，送粉速度18g/min。
进一步的，微凹坑织构阵列制备工艺选用纳秒脉冲激光技术直接烧蚀粘结层表面，同步重熔粘结层表面，重熔层厚度2-10μm，实现微凹坑织构和凹坑内壁重熔致密化层的一次精准成形；微凹坑直径和深度为微米级，微凹坑深度、直径、阵列密度可调，微凹坑深度可为粘结层厚度的1/6～1/8，微凹坑直径可为微凹坑深度的1/2～3倍，阵列密度可为50～200个/cm2，后续陶瓷隔热层的沉积结合质量优异，提高了粘结层-陶瓷层界面结合性能
进一步的，利用纳秒脉冲激光技术烧蚀粘结层表面加工平行排列的微凹坑织构阵列，其具体工艺为，脉冲宽度100ns，脉冲平均功率20w，微凹坑直径为50μm，深度25μm，凹坑中心间距70μm。
纳秒脉冲激光技术参数有效减少了微凹坑内壁重熔层增厚和重熔层表面堆积，快速实现带内壁重熔致密化层的微凹坑织构阵列可控成形；微凹坑深度、直径、阵列密度参数保证了后续陶瓷隔热层的撞击沉积质量，粘结层和陶瓷层界面结合优异，提高了界面结合面积和结合强度。
进一步的，陶瓷隔热层选用低热导率的氧化钇稳定氧化锆粉末(ZrO2-8wt.％Y2O3，YSZ)或锆酸锶、锆酸镧等稀土锆酸盐粉末。陶瓷隔热层制备工艺采用大气等离子喷涂，也可采用超音速等离子喷涂、真空等离子喷涂、等离子喷涂物理气相沉积等技术。
进一步的，陶瓷隔热层的厚度为100-300μm。
进一步的，采用大气等离子喷涂技术制备陶瓷隔热层，其具体工艺为喷涂电流790A，喷涂电压为35V，主气氩气流量45L/min，辅气氦气流量6.5L/min，送粉气氩气流量4L/min，喷涂距离120mm，送粉速度14g/min。
本发明公开一种延缓界面TGO生长的激光微织构改性热障涂层及其制备工艺，在传统的低成本热障涂层内部引入激光微凹坑织构阵列，快速精准控制粘结层-陶瓷层界面微结构，粘结层-陶瓷层沉积界面结合质量优异。一方面，粘结层表面高比例微凹坑形貌和表层重熔致密化微结构，降低了粘结层高温服役时Al元素氧化消耗速度而维持全域界面α-Al2O3层缓慢致密生长。另一方面，微凹坑织构可扭曲裂纹扩展方向，延长裂纹扩展距离，增大了粘结层-陶瓷层界面微裂纹扩展阻力。本发明公开的激光微织构改性热障涂层可有效延缓高温热冲击剥落失效，对于确保等离子喷涂热障涂层高温稳定性及其长期服役具有重要影响。
本发明的有益效果：
(1)与现有技术相比，本发明保留传统低成本热障涂层双层结构体系的同时，通过脉冲激光束直接烧蚀粘结层快速引入界面微凹坑织构，实现微凹坑和内壁重熔致密化层的一次精准成形，有效抑制TGO层大厚度生长和粘结层-陶瓷层界面微裂纹扩展，确保热障涂层长寿命稳定运行。该新结构热障涂层基于脉冲激光技术和等离子喷涂技术的成熟工艺，可快速实现该新型结构热障涂层的可控制备和促进实际工程应用，进一步低成本挖掘热障涂层的长效服役潜力。
(2)本发明通过调整脉冲激光束参数，有效减少了微凹坑内壁重熔层增厚和重熔层表面堆积，快速实现带内壁重熔致密化层的微凹坑织构阵列可控成形。
(3)本发明通过脉冲激光束直接烧蚀粘结层制备微凹坑织构阵列，凹坑内壁涂层组织重熔致密化，消除了粘结层内在微孔洞、微裂纹、层状堆叠层间界面，实现粘结层表层微结构致密化。热障涂层高温服役时，该凹坑内壁重熔致密化层可抑制粘结层表面Al元素外向扩散和外部高温氧内向扩散，降低A l元素氧化消耗，维持全域界面α-Al2O3层缓慢致密生长，抑制TGO分层大厚度生长。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是激光微织构改性热障涂层的结构示意图；
其中，1为高温合金基体、2为金属粘结层、3为粘结层表面微凹坑织构阵列、4为陶瓷隔热层、5为微凹坑内壁重熔致密化层。
图2为热喷涂新结构热障涂层构筑图。
图3为激光微织构改性热障涂层高温性能测试图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1
一种延缓界面TGO生长的激光微织构改性热障涂层及其制备工艺，包含以下步骤：
在喷砂粗化的高温合金基体表面，采用粒度为45～90μm的NiCoCrAlY粉末，通过大气等离子喷涂技术制备厚度120μm粘结层，其具体工艺为喷涂电流750A，喷涂电压为30V，主气氩气流量40L/min，辅气氦气流量7.5L/min，送粉气氩气流量4L/min，喷涂距离110mm，送粉速度18g/min。使用砂纸将粘结层表面研磨平整，随后利用纳秒脉冲激光技术烧蚀粘结层表面加工平行排列的微凹坑织构阵列，其具体工艺为，脉冲宽度100ns，脉冲平均功率20w，微凹坑直径为50μm，深度25μm，凹坑中心间距70μm。最后采用粒度为45-75μm的YSZ粉末，通过大气等离子喷涂技术制备YSZ隔热面层(厚度约200μm)，其具体工艺为喷涂电流790A，喷涂电压为35V，主气氩气流量45L/min，辅气氦气流量6.5L/min，送粉气氩气流量4L/min，喷涂距离120mm，送粉速度14g/min。
通过上述工艺制备得到一种延缓界面TGO生长的激光微织构改性热障涂层，其结构如图1所示。
YSZ陶瓷层与激光微织构改性粘结层界面结合完整，填充沉积质量优异，激光微织构改性热障涂层成形良好，横截面形貌图如图2(其中图2左为粘结层表面微凹坑织构阵列形貌；图2右为热障涂层沉积形貌)所示。
针对“等离子喷涂NiCoCrAlY粘结层—激光微织构阵列—等离子喷涂YSZ陶瓷层”新型结构热障涂层进行空气炉等温氧化实验和水淬热循环实验，评价热障涂层高温稳定性和TGO层生长形态。等温氧化实验在空气电阻炉中进行，将试样加热至1050℃，保温100h，从炉中取出自然空冷。一次水淬热循环包括：将试样置于1050℃空气电阻炉中保温10分钟，随后从炉中取出迅速放入去离子水中水淬3分钟至室温。实验结果如图3(图3左为等温氧化后界面TGO层生长形貌；图3右为水淬热震循环后界面TGO层生长形貌)所示。等温氧化实验结果表明，界面TGO层无分层和褶皱现象，氧化生长速度减慢约1倍(微凹坑织构阵列改性热障涂层的TGO层厚度约2.2μm，喷涂态热障涂层的TGO层厚度约4.3μm)，未见界面大尺度裂纹。200次水淬热循环实验结果表明YSZ陶瓷层无剥落现象，界面TGO层氧化生长速度缓慢且未发生褶皱和开裂(TGO层厚度约1.1μm，无分层)。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种激光微织构改性热障涂层的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：在喷砂粗化的高温合金基体表面喷涂制备金属粘结层；随后利用脉冲激光束直接烧蚀金属粘结层表面，构筑平行排列且带内壁重熔致密化层的微凹坑织构阵列；随后在微凹坑织构阵列表面喷涂制备陶瓷隔热层；
金属粘结层采用NiCoCrAlY粉末进行制备；
带内壁重熔致密化层的微凹坑织构阵列制备工艺选用纳秒脉冲激光技术；
金属粘结层的厚度为80-150μm、陶瓷隔热层的厚度为100-300μm；
重熔致密化层的厚度为2-10μm；
利用纳秒脉冲激光技术直接烧蚀金属粘结层表面，其具体工艺参数为：脉冲宽度100ns，脉冲平均功率20w，微凹坑直径为50μm，深度25μm，凹坑中心间距70μm。
2.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述高温合金基体为镍基和难熔金属为基的合金。
3.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，金属粘结层制备工艺选自大气等离子喷涂、超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂、真空等离子喷涂。
4.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，采用大气等离子喷涂技术制备金属粘结层；采用大气等离子喷涂技术制备金属粘结层的具体工艺为喷涂电流750A，喷涂电压为30V，主气氩气流量40L/min，辅气氦气流量7.5L/min，送粉气氩气流量4L/min，喷涂距离110mm，送粉速度18g/min。
5.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述陶瓷隔热层选用氧化钇稳定氧化锆粉末、锆酸锶粉末或锆酸镧粉末进行制备。
6.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，采用大气等离子喷涂技术制备陶瓷隔热层；采用大气等离子喷涂技术制备陶瓷隔热层，其具体工艺为喷涂电流790A，喷涂电压为35V，主气氩气流量45L/min，辅气氦气流量6.5L/min，送粉气氩气流量4L/min，喷涂距离120mm，送粉速度14g/min。
7.根据上述权利要求任一项所述的制备工艺制备得到的激光微织构改性热障涂层。
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