CN114807823A - 一种燃气轮机热端部件用高温防护涂层制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃气轮机热端部件用高温防护涂层制备方法，其特征在于先制备含Ta‑Nb‑Hf‑Zr‑Ti难熔高熵合金的高温防护涂层粉末；然后大气等离子喷涂制备涂层，再采用超音速喷丸处理在表面形成细晶层，利于高温下内部Al元素向外扩散形成防护层；最后在高温下经过真空和氧分压气氛烧结在表面形成致密Al2O3陶瓷氧化膜进一步提高抗氧化性能。

Description

一种燃气轮机热端部件用高温防护涂层制备方法
技术领域
本发明涉及一种涂层的制备方法，特别涉及一种燃气轮机热端部件用高温防护涂层制备方法，属于表面工程领域。
背景技术
燃气轮机为了获得较高的效率而采用较高的涡轮进口温度，其热端部件，如如燃烧室、涡轮、尾喷管等需要承受氧化腐蚀及高速气流的冲刷，极易发生失效。目前普遍采用表面制备高温防腐涂层的方法进行防护。
CN110423976A高温抗剥落Y-Al2O3/MCrAlY复合涂层及其制备方法，属于表面工程技术领域。Y-Al2O3/MCrAlY复合涂层，M是Ni、Co或Fe中的一种或几种，涂层具有多层结构，且Al2O3膜中不含有Y2O3及Y-Al-O氧化物。该涂层由Y-Al2O3层和MCrAlY层组成，Y-Al2O3层位于MCrAlY层上表面。Y-Al2O3层中，Y原子占据Al2O3晶格中Al原子位置，涂层结构仍为Al2O3晶型；Y-Al2O3层不含有Y2O3及Y-Al-O氧化物。本发明提供的Y-Al2O3/MCrAlY复合涂层具有结合强度高、耐高温氧化、使用寿命长等特点，可用于防护航空、舰船、电力、冶金等领域高温热端部件。CN114086101A公开了一种抗高温氧化和热腐蚀热障涂层及制备方法，所述热障涂层包括由内至外依次设置在基体合金上的MCrAlY粘结层、Al-Cr共渗层和ZrO2-6～8Y2O3陶瓷层，M＝Ni或Co或Ni+Co。其中所述的Al-Cr共渗涂层为在MCrAlY粘结层表面进行Al-Cr共渗，内扩散形成内层富Cr的改性铝化物涂层。本发明的热障涂层与未进行Al-Cr共渗处理的传统热障涂层相比，高温氧化速率明显更低，抗高温氧化和热腐蚀性能更为优异。
随着燃气轮机的发展，对涂层的高温性能要求越来越高，现有涂层的抗氧化性已不足，开发具有优异的高温防护性能的涂层制备技术具有重要的价值。
发明内容
针对目前燃气轮机热端部件用高温防护涂层制备方法存在的问题，本发明提出先制备含Ta-Nb-Hf-Zr-Ti难熔高熵合金的高温防护涂层粉末；大气等离子喷涂制备涂层后采用超音速喷丸处理在表面形成细晶层，利于高温下内部Al元素向外扩散形成防护层；最后在高温下经过真空和氧分压气氛烧结在表面形成致密Al2O3陶瓷氧化膜进一步提高抗氧化性能。
本发明的燃气轮机热端部件用高温防护涂层制备方法，其特征在于依次包含以下步骤：
（1）高温防护涂层粉末制备：采用真空熔炼-雾化法制备Ta-Nb-Hf-Zr-Ti难熔高熵合金粉末, 其成分为按摩尔百分比Ta-Nb-Hf-Zr-Ti=1：1：1：1：1；采用真空熔炼-雾化法制备NiCoCrAlY粉末,其成分为 Cr占20~25wt.%, Al 占5~10wt.%, Y占0.5~1wt.%, Ni占30~35wt.%, Co为余量；NiCoCrAlY和Ta-Nb-Hf-Zr-Ti的平均粒度均为35~45μm；将Ta-Nb-Hf-Zr-Ti难熔高熵合金粉与NiCoCrAlY粉末按比例混合，其中Ta-Nb-Hf-Zr-Ti难熔高熵合金粉在混合粉末中占10~15wt.%，将混合粉末在行星球磨机中混合1~2h制备出高温防护涂层粉末；
（2）高温防护涂层涂层制备：以经过喷砂处理的耐热钢作为基体，以高温防护涂层粉末作为喂料，采用大气等离子喷涂方法制备涂层，功率30kW, 电流600A，喷距80~100mm，Ar流量45L/min,H2流量6~7L/min，喷涂后涂层的厚度为100~180μm；涂层中NiCoCrAlY的物相组成为α-Cr(FCC)固溶体+β-Ni（Co）Al 相(FCC)+γ-Ni(Co）相(FCC)，Ta-Nb-Hf-Zr-Ti的物相组成为BCC结构单相；涂层孔隙率2.0~2.5%；
（3）表面细晶层形成：将制备的涂层进行超音速喷丸处理，采用α-Al2O3颗粒，喷射角度为60~90°，气体压力为1.0~1.5MPa,气流速率700~1200m/s，喷射距离20~40mm，喷射时间60~90s，处理后在表面形成厚度20~40μm的表面细晶层，其晶粒尺寸为0.06μm~0.2μm，数量巨大的晶界可作为Al元素向外扩散形成防护层的通道；
（4）表面陶瓷氧化膜高温防护层形成：先将超音速喷丸后的涂层放入烧结炉中，在真空加热到1000~1100℃并保温1~2h，使涂层中NiCoCrAlY中析出Ni3Al相，Ta-Nb-Hf-Zr-Ti中析出TiAl相，涂层孔隙度降低到1.5~2.0%；保温结束后通入氩气和氧气，控制烧结炉气氛中的氧分压，温度不变并保温4~6h然后随炉冷却，涂层孔隙度降低到1.0~1.5%，涂层表面生成2.5~3.5μm厚的致密Al2O3陶瓷氧化膜高温防护层；获得在1000℃保温48h的静态氧化增重≦0.45mg/cm2。
本发明的燃气轮机热端部件用高温防护涂层制备方法，其进一步的特征在于：
（1）高温防护涂层粉末制备时行星球磨机转速为150~250r/min，球罐中不装球，运行时球磨机以1r/min的速度翻转；
（2）高温防护涂层制备时耐热钢表面进行喷砂的气体压力为3~5bar，刚玉砂颗粒的粒度为12~24目，喷砂时间为1~2min；
（3）表面细晶层形成时，先将涂层抛光处理到粗糙度小于5μm；对涂层表面喷丸采用的α-Al2O3颗粒平均粒度为70~90μm；
（4）表面陶瓷氧化膜高温防护层形成时，升温速度为10℃/min，真空度≦2*10-3Pa；充入氩气和氧气后控制氧分压P=0.1~0.5Pa。
本发明的优点在于：（1）引入的Ta-Nb-Hf-Zr-Ti难熔高熵合金具有十分优异的抗高温氧化性能；（2）表面细晶层中存在数量巨大的晶界，在高温工况下，内部的Al元素有更多的向外扩散的通道，这将有助于致密Al2O3膜的形成，从而提高抗氧化性；（3）表面陶瓷氧化膜高温防护层形成过程中析出的Ni3Al和TiAl相在高温下具有优异的抗氧化性等高温性能；（4）表面陶瓷氧化膜是致密Al2O3，可在涂层高温工况下起到防护作用；（5）表面陶瓷氧化膜高温防护层形成过程中高温下发生相变和熔合，涂层孔隙度降低，致密度提高。
附图说明
图1 本发明的燃气轮机热端部件用高温防护涂层制备方法示意图。
具体实施方式
实例1 按以下步骤制备燃气轮机热端部件用高温防护涂层：
（1）采用真空熔炼-雾化法制备Ta-Nb-Hf-Zr-Ti难熔高熵合金粉末, 其成分为按摩尔百分比Ta-Nb-Hf-Zr-Ti=1：1：1：1：1；采用真空熔炼-雾化法制备NiCoCrAlY粉末,其成分为 Cr占20wt.%, Al 占6wt.%, Y占0.6wt.%, Ni占31wt.%, Co为余量；NiCoCrAlY的平均粒度均为36μm，Ta-Nb-Hf-Zr-Ti的平均粒度均为40μm；将Ta-Nb-Hf-Zr-Ti难熔高熵合金粉与NiCoCrAlY粉末按比例混合，其中Ta-Nb-Hf-Zr-Ti难熔高熵合金粉在混合粉末中占11wt.%，将混合粉末在行星球磨机中混合1h，行星球磨机转速为160r/min，球罐中不装球，运行时球磨机以1r/min的速度翻转，制备出高温防护涂层粉末；
（2）高温防护涂层涂层制备：先对耐热钢表面进行喷砂处理，喷砂气体压力为3bar，刚玉砂颗粒的粒度为15目，喷砂时间为1min；以经过喷砂处理的耐热钢作为基体，以高温防护涂层粉末作为喂料，采用大气等离子喷涂方法制备涂层，功率30kW, 电流600A，喷距80mm，Ar流量45L/min,H2流量6L/min，喷涂后涂层的厚度为120μm；涂层中NiCoCrAlY的物相组成为α-Cr(FCC)固溶体+β-Ni（Co）Al 相(FCC)+γ-Ni(Co）相(FCC)，Ta-Nb-Hf-Zr-Ti的物相组成为BCC结构单相；涂层孔隙率2.3%；
（3）表面细晶层形成：先将涂层抛光处理到粗糙度3.2μm，然后将制备的涂层进行超音速喷丸处理，采用平均粒度为72μm的α-Al2O3颗粒，喷射角度为60°，气体压力为1.1MPa,气流速率720m/s，喷射距离20mm，喷射时间70s，处理后在表面形成厚度22μm的表面细晶层，其晶粒尺寸为0.1μm，数量巨大的晶界可作为Al元素向外扩散形成防护层的通道；
（4）表面陶瓷氧化膜高温防护层形成：先将超音速喷丸后的涂层放入烧结炉中，升温速度为10℃/min，真空度1.2*10-3Pa，在真空加热到1050℃并保温1h，使涂层中NiCoCrAlY中析出Ni3Al相，Ta-Nb-Hf-Zr-Ti中析出TiAl相，涂层孔隙度降低到1.8%；保温结束后通入氩气和氧气，控制烧结炉气氛中的氧分压P=0.2Pa，温度不变并保温5h然后随炉冷却，涂层孔隙度降低到1.3%，涂层表面生成2.7μm厚的致密Al2O3陶瓷氧化膜高温防护层；获得在1000℃保温48h的静态氧化增重0.43mg/cm2。
实例2 按以下步骤制备燃气轮机热端部件用高温防护涂层：
（1）采用真空熔炼-雾化法制备Ta-Nb-Hf-Zr-Ti难熔高熵合金粉末, 其成分为按摩尔百分比Ta-Nb-Hf-Zr-Ti=1：1：1：1：1；采用真空熔炼-雾化法制备NiCoCrAlY粉末,其成分为 Cr占23wt.%, Al 占8wt.%, Y占0.7wt.%, Ni占34wt.%, Co为余量；NiCoCrAlY的平均粒度均为40μm，Ta-Nb-Hf-Zr-Ti的平均粒度为42μm；将Ta-Nb-Hf-Zr-Ti难熔高熵合金粉与NiCoCrAlY粉末按比例混合，其中Ta-Nb-Hf-Zr-Ti难熔高熵合金粉在混合粉末中占14wt.%，将混合粉末在行星球磨机中混合2h，行星球磨机转速为220r/min，球罐中不装球，运行时球磨机以1r/min的速度翻转，制备出高温防护涂层粉末；
（2）高温防护涂层涂层制备：先对耐热钢表面进行喷砂处理，喷砂气体压力为5bar，刚玉砂颗粒的粒度为20目，喷砂时间为2min；以经过喷砂处理的耐热钢作为基体，以高温防护涂层粉末作为喂料，采用大气等离子喷涂方法制备涂层，功率30kW, 电流600A，喷距90mm，Ar流量45L/min,H2流量7L/min，喷涂后涂层的厚度为170μm；涂层中NiCoCrAlY的物相组成为α-Cr(FCC)固溶体+β-Ni（Co）Al 相(FCC)+γ-Ni(Co）相(FCC)，Ta-Nb-Hf-Zr-Ti的物相组成为BCC结构单相；涂层孔隙率2.4%；
（3）表面细晶层形成：先将涂层抛光处理到粗糙度4.2μm，然后将制备的涂层进行超音速喷丸处理，采用平均粒度为85μm的α-Al2O3颗粒，喷射角度为90°，气体压力为1.4MPa,气流速率900m/s，喷射距离30mm，喷射时间80s，处理后在表面形成厚度29μm的表面细晶层，其晶粒尺寸为0.12μm，数量巨大的晶界可作为Al元素向外扩散形成防护层的通道；
（4）表面陶瓷氧化膜高温防护层形成：先将超音速喷丸后的涂层放入烧结炉中，升温速度为10℃/min，真空度≦1.6*10-3Pa，在真空加热到1080℃并保温2h，使涂层中NiCoCrAlY中析出Ni3Al相，Ta-Nb-Hf-Zr-Ti中析出TiAl相，涂层孔隙度降低到1.6%；保温结束后通入氩气和氧气，控制烧结炉气氛中的氧分压P=0.4Pa，温度不变并保温6h然后随炉冷却，涂层孔隙度降低到1.2%，涂层表面生成3.1μm厚的致密Al2O3陶瓷氧化膜高温防护层；获得在1000℃保温48h的静态氧化增重0.41mg/cm2。

Claims (2)

1.一种燃气轮机热端部件用高温防护涂层制备方法，其特征在于依次包含以下步骤：
（1）高温防护涂层粉末制备：采用真空熔炼-雾化法制备Ta-Nb-Hf-Zr-Ti难熔高熵合金粉末, 其成分为按摩尔百分比Ta-Nb-Hf-Zr-Ti=1：1：1：1：1；采用真空熔炼-雾化法制备NiCoCrAlY粉末,其成分为 Cr占20~25wt.%, Al 占5~10wt.%, Y占0.5~1wt.%, Ni占30~35wt.%, Co为余量；NiCoCrAlY和Ta-Nb-Hf-Zr-Ti的平均粒度均为35~45μm；将Ta-Nb-Hf-Zr-Ti难熔高熵合金粉与NiCoCrAlY粉末按比例混合，其中Ta-Nb-Hf-Zr-Ti难熔高熵合金粉在混合粉末中占10~15wt.%，将混合粉末在行星球磨机中混合1~2h制备出高温防护涂层粉末；
（2）高温防护涂层涂层制备：以经过喷砂处理的耐热钢作为基体，以高温防护涂层粉末作为喂料，采用大气等离子喷涂方法制备涂层，功率30kW, 电流600A，喷距80~100mm，Ar流量45L/min,H2流量6~7L/min，喷涂后涂层的厚度为100~180μm；涂层中NiCoCrAlY的物相组成为α-Cr(FCC)固溶体+β-Ni（Co）Al 相(FCC)+γ-Ni(Co）相(FCC)，Ta-Nb-Hf-Zr-Ti的物相组成为BCC结构单相；涂层孔隙率2.0~2.5%；
（3）表面细晶层形成：将制备的涂层进行超音速喷丸处理，采用α-Al2O3颗粒，喷射角度为60~90°，气体压力为1.0~1.5MPa,气流速率700~1200m/s，喷射距离20~40mm，喷射时间60~90s，处理后在表面形成厚度20~40μm的表面细晶层，其晶粒尺寸为0.06μm~0.2μm，数量巨大的晶界可作为Al元素向外扩散形成防护层的通道；
（4）表面陶瓷氧化膜高温防护层形成：先将超音速喷丸后的涂层放入烧结炉中，在真空加热到1000~1100℃并保温1~2h，使涂层中NiCoCrAlY中析出Ni3Al相，Ta-Nb-Hf-Zr-Ti中析出TiAl相，涂层孔隙度降低到1.5~2.0%；保温结束后通入氩气和氧气，控制烧结炉气氛中的氧分压，温度不变并保温4~6h然后随炉冷却，涂层孔隙度降低到1.0~1.5%，涂层表面生成2.5~3.5μm厚的致密Al2O3陶瓷氧化膜高温防护层；获得在1000℃保温48h的静态氧化增重≦0.45mg/cm2。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机热端部件用高温防护涂层制备方法，其进一步的特征在于：
（1）高温防护涂层粉末制备时行星球磨机转速为150~250r/min，球罐中不装球，运行时球磨机以1r/min的速度翻转;
（2）高温防护涂层制备时耐热钢表面进行喷砂的气体压力为3~5bar，刚玉砂颗粒的粒度为12~24目，喷砂时间为1~2min；
（3）表面细晶层形成时，先将涂层抛光处理到粗糙度小于5μm；对涂层表面喷丸采用的α-Al2O3颗粒平均粒度为70~90μm；
（4）表面陶瓷氧化膜高温防护层形成时，升温速度为10℃/min，真空度≦2*10-3Pa；充入氩气和氧气后控制氧分压P=0.1~0.5Pa。
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