CN1167824C - 一种爆炸喷涂制备热障涂层的方法 - Google Patents

一种爆炸喷涂制备热障涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种爆炸喷涂制备热障涂层的方法。连接层采用MCrAlY合金体系,其中M=Ni,Co或Ni+Co,陶瓷层成分为ZrO2-8Y2O3,具体操作为:对试样进行六面爆炸喷涂,控制基材温度为100~200℃,按连接层、陶瓷层顺序依次喷涂,获得热障涂层;其中连接层工作参数:氧和乙炔的气体流量比例范围为1.06~1.20∶1,工作频率为4~6发射次数/秒,喷涂距离为100~140mm,炮口直径为20~25mm,送粉率为0.3~0.6g/s,喷涂斑盘搭接率30~50%;陶瓷层工作参数:氧和乙炔的气体流量比例范围为1.02~1.10∶1,工作频率为4~6发射次数/秒,喷涂距离为80~120mm,炮口直径为20~25mm,送粉率为0.3~0.9g/s,喷涂斑盘搭接率30~50%;所述连接层和陶瓷层中间可加入过渡层,所述过渡层为连接层与陶瓷层两种成分。本发明成本低、易操作,涂层结合性好、硬度高、隔热效果好,达到了完全抗氧化级。

Description

一种爆炸喷涂制备热障涂层的方法
技术领域
本发明涉及涂层制备技术,具体地说是一种爆炸喷涂制备热障涂层的方法。
背景技术
在燃气轮机部件上使用热障涂层(Thermal Barrier Coatings,简称TBCs),可以减少热量从燃气向金属部件的传递,降低金属部件的工作温度。热障涂层由MCrAlY(M=Ni,Co或Ni+Co,)连接层和ZrO2-Y2O3氧化锆陶瓷面层组成。目前,热障涂层主要的制备方法有等离子喷涂和电子束物理气相沉积(EB-PVD)两种。其中等离子喷涂是采用非转移弧作为热源,将喷涂材料加热到熔融或高塑性状态,随同等离子弧焰流,以高速撞击并沉积到工件表面形成涂层的方法。虽然等离子喷涂成本低、涂层成分易控制,但涂层内不可避免地存在孔隙、空洞和夹杂,且涂层结合性差;加之喷涂过程中基材温度高,易引起性能下降。电子束物理气相沉积(EB-PVD)是在真空状态下,使沉积材料受电子束轰击由凝聚态转变为气态,沉积在工件表面上的方法,可以得到冶金结合和结构无孔的涂层。不足之处在于:由于在真空条件下操作,工艺复杂,成本高,且沉积速度低,不容易沉积厚度高的涂层。另外,爆炸喷涂也是制备涂层的一种热喷涂技术,由于爆炸喷涂过程中,粉末粒子对基材撞击力大,断续爆炸喷涂抑制了基材的升温,使获得的涂层具有硬度高、结合强度好、涂层气孔少的优点,且成本低、易操作,但是,与等离子喷涂相比,爆炸喷涂火焰温度相对较低,喷涂熔点高的氧化锆陶瓷层时不易熔化,因此,采用爆炸喷涂制备热障涂层的方法未见报道。
发明内容
为了解决采用爆炸喷涂技术不易制备ZrO2-Y2O3陶瓷层的技术难点,本发明的目的在于提供一种成本低、易操作、粉末沉积速度高、涂层结合强度高、厚度大的爆炸喷涂制备热障涂层的方法。
为了实现上述目的,本发明的技术方案是:连接层采用MCrAlY合金体系,其中M=Ni,Co或Ni+Co,作为面层的陶瓷层成分为ZrO2-8Y2O3,具体操作为:1)对试样进行清洗和喷砂处理;其特征在于:2)对试样进行六面爆炸喷涂,控制基材温度为100~200℃,按连接层、陶瓷层顺序依次喷涂,获得热障涂层;所述连接层MCrAlY的工作参数:氧和乙炔的气体流量比例范围为1.06~1.20∶1,工作频率为4~6发射次数/秒,喷涂距离为100~140mm,炮口直径为20~25mm,送粉率为0.3~0.6g/s,喷涂斑盘搭接率30~50%;所述陶瓷层ZrO2-8Y2O3的工作参数:氧和乙炔的气体流量比例范围为1.02~1.10∶1,工作频率为4~6发射次数/秒,喷涂距离为80~120mm,炮口直径为20~25mm,送粉率为0.3~0.9g/s,喷涂斑盘搭接率30~50%;
在所述连接层和陶瓷层中间加入过渡层,所述过渡层为连接层与陶瓷层两种成分的多层结构,其中:连接层成分按重量百分比95~5%递减、陶瓷层成分按重量百分比5~95%递增配比,连接层、陶瓷层两种成分分别按重量百分比交替喷涂,或按重量百分比混合后喷涂;连接层厚度为100~200μm,陶瓷层厚度为300~900μm;过渡层厚度为0~100μm,所述过渡层的多层结构中各层厚度等分;所述MCrAlY合金体系成分,按质量百分比为,M:余量;Cr:18~35;Al:5~12;Y:0~1;所述MCrAlY合金体系为Ni-25Cr-5Al-0.5Y,Co-29Cr-6Al-1Y,Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y。
本发明具有以下优点:
1.本发明通过调整爆炸喷涂工艺参数(如提高C2H2∶O2),解决了爆炸喷涂技术制备熔点高的ZrO2-8Y2O3陶瓷层的技术难点。
2.涂层之间以及涂层与基材间的结合性好。采用本发明具有粉末沉积速度高的优点,其沉积速度为800-1000m/s,与现有技术中等离子喷涂相比,能在高温合金基材上制备出结合性好、气孔少的双层或梯度结构的热障涂层。
3.本发明制备的陶瓷层内存在纵向分布的微裂纹,利于提高热障涂层的抗热冲击能力。
4.本发明制备的热障涂层硬度可达8.0GPa以上,隔热温度大于100℃,且达到完全抗氧化级,如本发明的一个实施例制备的热障涂层在1000℃下氧化100小时后的氧化增重<0.1g/m2h。
5.本发明采用爆炸喷涂工艺,易操作、成本低,能满足厚度要求;与现有技术中EB-PVD成本高、沉积的涂层厚度薄(200-300μm)相比,本发明成本低,可制备出厚度可达1mm的热障涂层。
具体实施方式
下面通过实例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
基材采用高温合金M38G,试样尺寸为15×25×5mm3。喷涂前,对试样进行清洗和喷砂处理(Al2O3,28目)。采用二维工作台,对试样进行六面爆炸喷涂。制备的热障涂层包括两个部分:抗氧化连接层和作为面层的绝缘陶瓷层,连接层采用Ni-25Cr-5Al-0.5Y,ZrO2-8Y2O3为陶瓷层材料,控制基材温度为小于150℃。本实施例为双层结构的热障涂层,其爆炸喷涂工艺参数见表1,成分、厚度参数见表2。
               表1  实施例1爆炸喷涂工艺参数
工艺参数      Ni-25Cr-5A1-0.5Y      ZrO2-8Y2O3
工作频率        4发射次数/秒       4发射次数/秒
O2∶C2H2      1.15∶1            1.05∶1
喷涂距离          120mm               100mm
炮口直径          25mm                25mm
送粉率            0.4g/s              0.5g/s
喷涂斑盘搭接率    40%                50%
        表2  实施例1双层结构的热障涂层
成分                          厚度(μm)
Ni-25Cr-5Al-0.5Y                150
ZrO2-8Y2O3                  300
其工作过程是:将喷涂粉末装入料罐后,引爆炮管尾端内的氧和乙炔混合气体,气体爆炸释放出的高能量加热并熔化粉末,与此同时驱动粉末,形成粒子流,高速粒子流撞击基材表面,与金属原子结合在一起形成气孔较少、致密、均匀、结合性好的涂层。采用本发明制备的ZrO2-8Y2O3陶瓷层硬度可达8.22GPa,远高于等离子喷涂态的陶瓷层硬度(约4.0Gpa)。
实施例2
基材成分和尺寸同实施例1。首先对试样进行清洗和喷砂处理,然后制备梯度结构的热障涂层,本实施例连接层MCrAlY合金体系采用Ni-25Cr-5Al-0.5Y,绝缘陶瓷层为ZrO2-8Y2O3材料,在所述连接层和陶瓷层中间加入过渡层,所述过渡层为连接层与陶瓷层两种成分,具体是:第一过渡层按重量百分比采用75%Ni-25Cr-5Al-0.5Y连接层和25%氧化锆陶瓷层ZrO2-8Y2O3,第二过渡层按重量百分比采用50%Ni-25Cr-5Al-0.5Y连接层和50%氧化锆陶瓷层ZrO2-8Y2O3,第三过渡层按重量百分比采用25%Ni-25Cr-5Al-0.5Y连接层和75%氧化锆陶瓷层ZrO2-8Y2O3,获得具有梯度结构的热障涂层,控制基材温度小于200℃。爆炸喷涂工艺参数见表3,成分、厚度参数见表4。
              表3  实施例2爆炸喷涂工艺参数
工艺参数       Ni-25Cr-5Al-0.5Y        ZrO2-8Y2O3
工作频率         6发射次数/秒         6发射次数/秒
O2∶C2H2        1.20∶1              1.09∶1
喷涂距离            100mm                80mm
炮口直径            20mm                 20mm
送粉率              0.3g/s               0.6g/s
喷涂斑盘搭接率      30%                 40%
            表4  实施例2梯度结构的热障涂层
 成分                                 厚度(μm)
Ni-25Cr-5Al-0.5Y                          120
Ni25Cr5Al0.5Y(75%)+ZrO2-8Y2O3(25%)  25
Ni25Cr5Al0.5Y(50%)+ZrO2-8Y2O3(50%)  25
Ni25Cr5Al0.5Y(25%)+ZrO2-8Y2O3(75%)  25
ZrO2-8Y2O3                            500
喷涂过渡层时,连接层、陶瓷层两种成分分别按重量百分比交替喷涂,采用两个送粉器交替工作来实现。最终得到的热胀系数梯度过渡的热障涂层,对于提高热障涂层的抗热冲击性是有益的。
实施例3
基材采用Ni3Al基合金IC-6,试样尺寸为15×25×2mm3。喷涂前,对试样进行清洗和喷砂处理(Al2O3,28目)。制备双层结构的热障涂层,连接层采用Co-29Cr-6Al-1Y合金体系,为了提高涂层的隔热效果,陶瓷层ZrO2-8Y2O3厚度为900μm。控制基材温度小于200C。制备出的厚陶瓷层没有剥落现象出现,陶瓷层内存在规则的纵向分布的微裂纹,这对于提高TBCs的热冲击性是有利的。其爆炸喷涂工艺参数见表5,成分、厚度参数见表6。
                 表5  实施例3爆炸喷涂工艺参数
工艺参数         Co-29Cr-6Al-1Y             ZrO2-8Y2O3
工作频率          4发射次数/秒             4发射次数/秒
O2∶C2H2        1.06∶1                  1.02∶1
喷涂距离            140mm                    120mm
炮口直径            25mm                     25mm
送粉率              0.6g/s                   0.8g/s
喷涂斑盘搭接率      50%                     50%
                  表6实施例3热障涂层
 成分                     厚度(μm)
Co-29Cr-6Al-1Y              200
ZrO2-8Y2O3              900
采用本实施例制备的热障涂层可以使IC-6合金的工作温度降低120℃。
实施例4
基材成分和尺寸同实施例1。首先对试样进行清洗和喷砂处理,然后制备梯度结构的热障涂层,本实施例连接层采用Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y,陶瓷层为ZrO2-8Y2O3材料,在所述连接层和陶瓷层中间加入过渡层,所述过渡层为连接层与陶瓷层两种成分,具体是:第一过渡层按重量百分比采用90%Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y连接层和10%氧化锆陶瓷层ZrO2-8Y2O3,第二过渡层按重量百分比采用75% Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y连接层和25%氧化锆陶瓷层ZrO2-8Y2O3,第三过渡层按重量百分比采用50%Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y连接层和50%氧化锆陶瓷层ZrO2-8Y2O3,第四过渡层按重量百分比采用25%Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y连接层和75%氧化锆陶瓷层ZrO2-8Y2O3,第五过渡层按重量百分比采用10%Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y连接层和90%氧化锆陶瓷层ZrO2-8Y2O3,获得具有梯度结构的热障涂层,控制基材温度小于200℃。爆炸喷涂工艺参数见表7,成分、厚度参数见表8。
           表7  实施例4爆炸喷涂工艺参数
工艺参数        Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y         ZrO2-8Y2O3
工作频率           6发射次数/秒             6发射次数/秒
O2∶C2H2         1.15∶1                  1.05∶1
喷涂距离             120mm                    100mm
炮口直径             25mm                     25mm
送粉率               0.3g/s                   0.5g/s
喷涂斑盘搭接率       40%                     50%
         表8  实施例4梯度结构的热障涂层
 成分                                        厚度(μm)
Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y                            100
Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y(90%)+ZrO2-8Y2O3(10%) 15
Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y(75%)+ZrO2-8Y2O3(25%) 15
Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y(50%)+ZrO2-8Y2O3(50%) 15
Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y(25%)+ZrO2-8Y2O3(75%) 15
Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y(10%)+ZrO2-8Y2O3(90%) 15
ZrO2-8Y2O3                                  500
喷涂过渡层时,按重量百分比混合后喷涂,最终得到的热胀系数梯度过渡的热障涂层。
实施例5
基材成分和尺寸同实施例3。喷涂前,对试样进行清洗和喷砂处理(Al2O3,28目)。本实施例制备双层结构的热障涂层,连接层采用Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y,陶瓷层为ZrO2-8Y2O3材料,控制基材温度为小于150℃。其爆炸喷涂工艺参数见表9,成分、厚度参数见表10。
                 表9  实施例5爆炸喷涂工艺参数
工艺参数        Co-29Cr-6Al-1Y        ZrO2-8Y2O3
工作频率        4发射次数/秒         4发射次数/秒
O2∶C2H2      1.06∶1              1.02∶1
喷涂距离          140mm                120mm
炮口直径          25mm                 25mm
送粉率            0.6g/s               0.8g/s
喷涂斑盘搭接率    50%                 50%
             表10  实施例5热障涂层
  成分                              厚度(μm)
Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y                  120
ZrO2-8Y2O3                        300
采用本实施例制备的热障涂层在1000℃下氧化100小时后的氧化增重<0.1g/m2h,使IC-6合金在1000℃时达到了完全抗氧化级。

Claims (6)

1.一种爆炸喷涂制备热障涂层的方法,连接层采用MCrAlY合金体系,其中M=Ni,Co或Ni+Co,作为面层的陶瓷层成分为ZrO2-8Y2O3,具体操作为:1)对试样进行清洗和喷砂处理;其特征在于:2)对试样进行六面爆炸喷涂,控制基材温度为100~200℃,按连接层、陶瓷层顺序依次喷涂,获得热障涂层;所述连接层MCrAlY的工作参数:氧和乙炔的气体流量比例范围为1.06~1.20∶1,工作频率为4~6发射次数/秒,喷涂距离为100~140mm,炮口直径为20~25mm,送粉率为0.3~0.6g/s,喷涂斑盘搭接率30~50%;所述陶瓷层ZrO2-8Y2O3的工作参数:氧和乙炔的气体流量比例范围为1.02~1.10∶1,工作频率为4~6发射次数/秒,喷涂距离为80~120mm,炮口直径为20~25mm,送粉率为0.3~0.9g/s,喷涂斑盘搭接率30~50%。
2.按权利要求1所述方法,其特征在于:在所述连接层和陶瓷层中间加入过渡层,所述过渡层为连接层与陶瓷层两种成分的多层结构,其中:连接层成分按重量百分比95~5%递减、陶瓷层成分按重量百分比5~95%递增配比,连接层、陶瓷层两种成分分别按重量百分比交替喷涂,或按重量百分比混合后喷涂。
3.按权利要求1所述方法,其特征在于:连接层厚度为100~200μm,陶瓷层厚度为300~900μm。
4.按权利要求2所述方法,其特征在于:过渡层厚度为0~100μm,所述过渡层的多层结构中各层厚度等分。
5.按权利要求1所述方法,其特征在于:所述MCrAlY合金体系成分,按质量百分比为,M:余量;Cr:18~35;Al:5~12;Y:0~1。
6.按权利要求1或5所述方法,其特征在于:所述MCrAlY合金体系为Ni-25Cr-5Al-0.5Y,Co-29Cr-6Al-1Y,Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y。
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