CN117127137A - 一种多相镶嵌式渐变色热障涂层、制备方法及制备系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多相镶嵌式渐变色热障涂层、制备方法及制备系统，包括：从下往上依次为合金基体、粘结层以及陶瓷层，其中，粘结层从下往上由单一合金金属粉末制备的粘结层和混合粉末制备的梯度渐变过渡层共同组成，陶瓷层从下往上由致密陶瓷层和多孔结构陶瓷顶层共同组成。本发明所提出的一种新型送粉工艺使得涂层微观结构得到改善，从而提高热障涂层的服役寿命。
Description
技术领域
本发明属于热障涂层材料技术领域，尤其涉及一种多相镶嵌式渐变色热障涂层、制备方法及制备系统。
背景技术
随着航空发动机向高推重比、高强度、长寿命和高可靠性发展，其关键零部件材料制备与加工制造工艺复杂，导致其服役环境越来越恶劣和极端，涡轮叶片等高温部件的工作环境温度也随之不断提高。作为航空发动机领域的关键热防护技术之一，热障涂层因其优良的耐高温、抗氧化、防腐蚀和低热导性能，为航空发动机和燃气轮机的热端部件提供了有效防护。其结构健康状况直接关系到航空发动机热端部件的在役安全和使用寿命。热障涂层是由金属过渡层(或称金属粘结层)和耐热、隔热性好的陶瓷热防护层组成的“层合型”金属陶瓷复合涂层系统。
尽管热障涂层作为高温部件表面的保护性涂层技术在航空发动机中已获得了成功应用，但在严苛服役环境下，热障涂层面临高温、高压和外部冲击的挑战，容易引起失效现象，严重制约其服役寿命。一旦涂层发生过早退化或失效，被其保护的合金将直接暴露在过高温度中，这对整个航空发动机的安全性和可靠性造成隐患和威胁。因此，如何进一步延长热障涂层的服役寿命一直是学界和工业界密切关注和亟待解决的重要问题。
目前，热障涂层制备最广泛使用的技术是等离子喷涂技术和电子束物理气相沉积，其中大气等离子喷涂技术因低成本、高效率等优点被广泛应用。大气等离子方法制备的喷涂态涂层的微观结构中包含大量层间未结合缺陷(小孔隙)和不规则大孔隙，在热震初始阶段，由于尺寸较小的孔隙发生快速烧结，导致孔隙率的减小，进而导致原始设计的热障涂层系统的服役性能随之下降。基于此，诸多国内外研究人员做了大量探索，目前已公开的专利和发表的论文：中国专利公开号为CN114574798A和CN111363998A，Liu等人发表在Journal of Thermal Spray Technology的2016年第25卷1期中的High Heat InsulatingThermal Barrier Coating Designed with Large Two-Dimensional Inter-lamellarPores等相关文献。即设置含有多孔微球的陶瓷层以及采用造孔剂等方法提高陶瓷面层的孔隙率，进而提高热障涂层的抗烧结性能。鉴于大气等离子热障涂层内存在大量孔隙，容易使得氧气进入陶瓷层/粘结层的界面中，导致粘结层中Al等金属元素被氧化，经过数次热振循环在陶瓷层/粘结层的界面中会产生TGO(Thermally Grown Oxide,简称TGO)氧化层。随着热振循环的次数增加，TGO层会逐渐增厚，最终导致靠近TGO层的陶瓷层破裂失效。基于此，相关文献做出研究，公开发表的专利和论文：中国专利公开号为CN104451519A和李长久等人发表在Journal of Thermal Spray Technology的2013年第22卷8期中Evolutionoflamellar interface cracks during isothermal cyclic test of plasma-sprayed8YSZ coating with a columnar structured YSZ interlayer等文献，均设置致密陶瓷层以阻碍氧气的进入，防止金属氧化物的生成、形成TGO层，以此来提高热障涂层的抗氧化性。但随着涂层的致密化，其断裂韧性变差。因此，传统的大气等离子热障涂层的隔热性、断裂韧性以及应变容限等性能已经无法足更高温度下的防护要求，亟需发展一种更可靠的热障涂层系统。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种多相镶嵌式渐变色热障涂层、制备方法及制备系统，提供的热障涂层具有优异的隔热性能、较高的断裂韧性和应变容限。从而改善了涂层的热震性能、提高了热障涂层的服役寿命。
为实现上述目的，本发明公开了一种多相镶嵌式渐变色热障涂层，包括：从下往上依次为合金基体、粘结层和陶瓷层；
所述合金基体，为航空发动机热端部件，如航空发动机叶片，是本发明一种多相镶嵌式变色热障涂层保护的对象；
所述粘结层，基于合金金属粉末和混合粉末制备；所述混合粉末包括：合金金属粉末和陶瓷粉末；所述粘结层降低了合金基体与陶瓷层之间因热膨胀系数不匹配所产生的内应力。
所述陶瓷层，基于大粒径陶瓷粉末、小粒径陶瓷粉末和多孔球型颗粒制备；所述多孔球型颗粒经一级5-15μm陶瓷粉末颗粒团聚烧结后保持多孔的结构形态；所述陶瓷层阻止部分氧气进入、抑制粘结层金属被氧化产生氧化层的速率，同时改善了热障涂层的隔热性能和应变容限。
可选地，所述粘结层包括：金属粘结层和梯度渐变过渡层；
所述金属粘结层靠近所述合金基体，基于所述合金金属粉末制备；
所述梯度渐变过渡层靠近所述陶瓷层，基于所述混合粉末制备。
可选地，所述陶瓷层包括：致密陶瓷层和陶瓷顶层；
所述致密陶瓷层，基于所述梯度渐变过渡层上表面经大气等离子喷涂形成；
所述多孔结构陶瓷顶层，基于所述致密陶瓷涂层上表面采用三相送粉工艺等离子喷涂形成，所述多孔结构陶瓷顶层直接暴露在高温环境中。
可选地，所述合金金属粉末为：镍铬铝钇合金粉末、钴铬铝钇合金粉末或镍钴铬铝钇合金粉末；
所述陶瓷粉末为：氧化钇稳定氧化锆粉末、氧化镁稳定氧化锆粉末、氧化钙稳定氧化锆粉末、氧化铈稳定氧化锆粉末、锆酸镧粉末、锆酸钆粉末中的预设种类。
为实现上述目的，本发明还公开了一种多相镶嵌式渐变色热障涂层的制备方法，包括：
S1.对合金基体表面进行预热处理；
S2.在所述合金基体表面制备粘结层；所述粘结层包括单一合金金属粉末制备的金属粘结层和混合粉末制备的梯度渐变过渡层，其中所述金属粘结层靠近合金基体，由单一的合金金属粉末通过单独送粉方式制备，所述梯度渐变过渡层靠近陶瓷层，由合金金属粉末和陶瓷粉末通过两相送粉方式制备；
S3.在所述梯度渐变过渡层上表面经大气等离子喷涂形成致密陶瓷涂层；
S4.在所述致密陶瓷涂层上表面采用三相送粉工艺等离子喷涂形成多孔结构陶瓷顶层，所述多孔结构陶瓷顶层直接暴露在高温环境中。
可选的，所述S2中制备所述梯度渐变过渡层包括：
提供第一相粉末、第二相粉末为小粒陶瓷粉末颗粒和合金金属粉末颗粒；
基于小粒陶瓷粉末颗粒和合金金属粉末颗粒，经等离子喷涂形成梯度层，若干层梯度层堆积形成梯度渐变过渡层；其中，每层两相粉末各自的体积占比率不同。
可选的，所述S3中制备所述致密陶瓷涂层包括：
提供第一相陶瓷粉末、第二相陶瓷粉末为小粒径陶瓷粉末颗粒和大粒径陶瓷粉末颗粒；
将小粒径陶瓷粉末颗粒经大气等离子喷涂形成致密涂层基体，将大粒径陶瓷粉末颗粒均匀镶嵌在致密涂层基体内，从而形成致密结构陶瓷层。
可选的，所述S4中制备所述多孔结构陶瓷顶层包括：
提供第一相粉末、第二相粉末和第三相粉末为小粒径陶瓷粉末颗粒、大粒径陶瓷粉末颗粒和多孔球型颗粒；
将小粒径陶瓷粉末颗粒经大气等离子喷涂形成致密涂层基体，将大粒径陶瓷粉末颗粒和多孔球型颗粒均匀镶嵌在涂层基体内，从而形成所述多孔隙结构陶瓷顶层。
可选的，所述S2中，基于小粒陶瓷粉末颗粒和合金金属粉末颗粒，经等离子喷涂形成梯度层采用增量式PID控制方法来实现；
所述增量式PID控制方法包括：
步骤1：用户设定初始值，理论送粉量、送粉比例、喷枪移动速率；
步骤2：读取初始化指令，计算送粉速率，结合送粉电机输出转速函数，启动PWM信号，驱动送粉器送粉；
步骤3：基于送粉量监测传感器监测送粉速率参数计算出当前送粉量，将实际送粉量与理论送粉量进行比较，对监测结果进行反馈，经过PID算法计算生成控制电压传送至送粉电机；
步骤4：当达到理论送粉量时，判断是否达到设置循环次数，若未达到则调整送粉比列进入下一个循环，若达到则结束作业。
为实现上述目的，本发明还公开了三相送粉大气等离子装置，包括：
送粉装置；所述送粉装置包括1号送粉器、2号送粉器、3号送粉器，用于粉末颗粒的输出；其中，1号送粉器、2号送粉器设置在等离子焰流高温段，3号送粉器设置在等离子焰流低温段；
等离子喷枪；所述等离子喷枪包括隔热壳体、等离子气体输入口、等离子焰流阳极出口、电机阴极、冷却水输入输出口、喷枪悬挂臂等，所述等离子喷枪与送粉装置相配合进行喷涂；所述等离子喷枪主体包括外部隔热壳体，所述隔热壳体包括前端盖、后端盖和中部柱体，所述前端盖、后端盖固定在中部柱体内部两端，所述前端盖包括等离子焰流阳极出口，所述后端盖包括靠近中心的等离子气体输入口和靠近边界的冷却水输入口以及固定在后端盖上的电极阴极，所述中部柱体包括侧部的冷却水输出口，所述喷枪悬挂臂通过绝缘体固定在隔热壳体的中部柱体上。
供给系统；所述供给系统包括主电源、送粉箱、储气装置以及热交换器，所述供给系统与等离子喷枪和送粉装置相连接，提供直流电、粉末颗粒、气体以及冷却水；所述主电源、送粉箱、储气装置以及热交换器并列安放，所述主电源与热交换器、等离子喷枪、控制柜、转接箱连接，所述送粉箱与送粉装置连接，所述储气装置与等离子喷枪连接，所述热交换器与转接箱连接。
控制系统；所述控制系统包括控制柜、转接箱，所述控制系统用于控制并连接喷枪、送粉箱、热交换器等装置。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明通过提出一种新型送粉工艺即三相送粉装置来调节热障涂层的微观结构，从而得到一种多相镶嵌式渐变色热障涂层。本发明提出的一种多相镶嵌式渐变色热障涂层从下往上依次为合金基体、粘结层以及陶瓷层，其中，粘结层从下往上由单一合金粉末制备的金属粘结层和混合粉末制备的梯度渐变过渡层共同组成，陶瓷层从下往上由致密陶瓷层和多孔结构陶瓷顶层共同组成。梯度渐变过渡层由新型送粉工艺结合增量式PID控制算法经大气等离子喷涂得到梯度渐变结构，使得陶瓷层与粘结层之间无明显界面，从而降低因涂层膨胀系数的差异所产生的内应力，使粘结层和陶瓷层界面结合更加稳固；致密陶瓷层由第一相小粒径陶瓷粉末颗粒经等离子喷涂形成致密的涂层基体，使得第二相大粒径陶瓷粉末颗粒均匀镶嵌其中，其致密的微观结构可以阻止部分氧气进入抑制粘结层金属被氧化产生TGO氧化层，同时第二相大粒径陶瓷粉末颗粒的引入，使得热障涂层的断裂韧性得以加强；多孔结构陶瓷顶层在致密陶瓷层的基础上使疏松多孔的多孔球型颗粒均匀镶嵌其中，其多孔隙结构增强了热障涂层的隔热性能和应变容限。本发明所提出的一种新型送粉工艺使得涂层微观结构得到改善，从而提高热障涂层的服役寿命。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1本发明实施例所提出的一种多相镶嵌式渐变色热障涂层制备方法流程示意图；
图2本发明实施例所提出的一种多相镶嵌式渐变色热障涂层所设置的梯度渐变过渡层制备方法控制系统流程图；
图3本发明实施例所提出的一种多相镶嵌式渐变色热障涂层微观结构示意图；
图4本发明实施例所提出的一种多相镶嵌式渐变色热障涂层的梯度渐变过渡层具体结构示意图；
图5本发明实施例所提出的三相送粉大气等离子喷枪右后侧示意图；
图6本发明实施例所提出的三相送粉大气等离子喷枪左前侧示意图；
图7本发明实施例所提出的三相送粉大气等离子喷枪中间剖面示意图；
图8本发明实施例所提出的三相送粉装置示意图；
图9本发明实施例所提出的三相送粉大气等离子喷涂设备整体工作配合示意图；
其中，1-陶瓷顶层，2-致密陶瓷层，3-梯度渐变过渡层，4-金属粘结层，5-合金基体，6-多孔球型颗粒，7-大粒径陶瓷粉末颗粒，8-喷枪悬挂臂，9-等离子气体输入口，10-冷却水输入口，11-绝缘体，12-冷却水输出口，13-送粉装置，14-壳体，15-送粉口，16-一号送粉器，17-二号送粉器，18-三号送粉器，19-等离子焰流阳极出口，20-电极阳极，21-电极阴极，22-转接箱，23-储气装置，24-等离子喷枪，25-送粉箱，26-控制柜，27-主电源，28-热交换器，29-等离子喷枪隔热壳体。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
如图1所示，本实施例所提出的一种多相镶嵌式渐变色热障涂层制备方法，包括以下步骤：
S1，分别对合金金属粉末、陶瓷粉末进行球磨处理，以获取可用于制备梯度渐变过渡层的粉末颗粒，喷涂前对合金基体表面进行预热处理。；
S2，在合金基体表面制备粘结层；粘结层由单一合金粉末制备的金属粘结层4和梯度渐变过渡层3组成，其中单一合金粉末制备的金属粘结层4靠近合金基体层5，由单一的合金金属粉末经大气等离子喷涂通过单送粉方式制备，梯度渐变过渡层3靠近陶瓷层，在金属粘结层4的上表面采用本发明三相送粉装置13结合增量式PID算法经大气等离子喷涂形成梯度渐变过渡层3，其梯度渐变过渡层3制备方法为提供第一、第二相粉末为小粒径陶瓷粉末颗粒和金属合金粉末颗粒，经等离子喷涂形成梯度层，m层梯度层堆积形成梯度渐变过渡层3，m取值范围为50-120层。每层两相粉末各自的体积占比率不同，即从1到m层陶瓷粉末体积占比率逐渐增加。用a、b分别表示陶瓷粉末颗粒和金属合金粉末颗粒的体积占比率、c表示梯度变化率、n表示层数、m表示总梯度层数，则：
a＝n·c
b＝1-n·c
其中，梯度渐变过渡层制备方法如图2所示，梯度渐变过渡层具体结构如图4所示。
S3,在梯度渐变过渡层3上表面经大气等离子喷涂形成致密陶瓷涂层2，即提供第一相粉末颗粒为小粒径陶瓷粉末颗粒经大气等离子喷涂形成致密涂层基体，提供第二相粉末颗粒为大粒径陶瓷粉末颗粒7，通过控制相对送粉速率使其均匀镶嵌在涂层基体内，从而形成致密结构陶瓷层；
S4,在致密陶瓷涂层2上表面采用三相送粉工艺等离子喷涂形成多孔结构陶瓷顶层1，即在步骤S3的基础上，通过控制其相对送粉速率使多孔球型颗粒均匀镶嵌在涂层基体内，从而形成多孔隙结构陶瓷顶层。其中，多相镶嵌式渐变色热障涂层微观结构如图3所示。
步骤S2中经等离子喷涂形成梯度层，m层梯度层堆积形成梯度渐变过渡层，可采用增量式PID算法来实现。包括以下步骤：
步骤一：用户设定初始值，喷枪移动速率、理论送粉量、送粉比例等。
步骤二：读取初始化指令，计算送粉速率，结合送粉电机输出转速函数，启动PWM信号，驱动送粉器送粉。
步骤三：送粉量监测传感器监测送粉速率等参数计算出当前送粉量，实际送粉量与理论送粉量进行比较，对监测结果进行反馈，经过PID算法计算生成控制电压传送至送粉电机。
步骤四：当达到理论送粉量时，判断是否达到设置循环次数，若未达到则调整送粉比列进入下一个循环，若达到则结束作业。
优选的，由经典PID算法、模糊PID算法、以及积分分离PID算法等其它改进PID算法控制本发明所提出的三相送粉装置所实现的此梯度渐变过渡层均属于本实现方法。
PID控制算法中理论送粉量与实际送粉量构成了控制偏差，即
Ek＝SL-Sk
其中，SL——理论送粉量
Sk——实际送粉量
Ek——控制偏差
控制偏差Ek为增量式PID算法的输入值，OUTk为PID算法的输出值以及被控制对象的输入信号。其在k时刻的控制规律为：
其中，Kp——比例系数
T——平均周期(计算周期)
Ti——积分时间常数
TD——微分时间常数
OUT0——控制常量
增量式PID算法需要计算控制量的增量ΔOUT，由OUTK可知在k-1时刻算法的输出值为：
即得到增量式PID控制算法的增量ΔOUT公式为
进一步地，小粒径陶瓷粉末颗粒经大气等离子喷涂制备成致密涂层基体；
进一步地，大粒径陶瓷粉末颗粒体积占比率为6-25％；
进一步地，大粒径陶瓷粉末颗粒体积占比率6-15％，多孔球型颗粒体积占比率为10-50％。
进一步地，大粒径陶瓷陶瓷粉末颗粒其直径为30-80μm，小粒径陶瓷陶瓷粉末颗粒其直径为15-45μm，多孔球型颗粒直径为30-120μm。
进一步地，小粒径选用熔融破碎型陶瓷粉末颗，大粒径选用熔融破碎型陶瓷粉末颗，多孔球型颗粒经一级5-15μm陶瓷粉末颗粒团聚烧结后保持多孔的结构形态。
进一步地，合金金属粉末选自以下材料任意一种：镍铬铝钇合金粉末、钴铬铝钇合金粉末、镍钴铬铝钇合金粉末；陶瓷粉末种类分别选自以下陶瓷材料的同一种或不同的两种或三种：氧化钇稳定氧化锆粉末、氧化镁稳定氧化锆粉末、氧化钙稳定氧化锆粉末、氧化铈稳定氧化锆粉末、锆酸镧粉末、锆酸钆粉末等。
进一步地，多相镶嵌式渐变色热障涂层包括粘结层、致密陶瓷层以及多孔结构陶瓷顶层组成。粘结层由单一合金金属粉末制备的金属粘结层和梯度渐变过渡层组成，梯度渐变过渡层为无明显界面的渐变过渡粘结层，应理解为此粘结层设置的目的是为了让陶瓷层更好的与合金基体结合。
进一步地，多孔结构陶瓷顶层厚度为200-450μm；致密陶瓷层厚度为100-150μm；金属粘结层厚度为70-120μm，梯度渐变过渡层厚度为30-80μm。
本实施例所提出的三相送粉大气等离子装置，包括：
送粉装置；所述送粉装置包括1号、2号、3号送粉器，用于粉末颗粒的输出；
等离子喷枪；所述等离子喷枪包括等离子气体输入口、等离子焰流阳极出口、电机阴极、冷却水输入输出口、喷枪悬挂臂，所述等离子喷枪与送粉装置相配合进行喷涂；
供给系统；所述供给系统包括主电源、送粉箱、储气装置以及热交换器，所述供给系统与等离子喷枪和送粉装置相连接，提供直流电、粉末颗粒、气体以及冷却水；
控制系统；所述控制系统包括控制柜、转接箱，所述控制系统用于控制并连接接喷枪、送粉箱、热交换器等装置。
所述三相送粉大气等离子装置的使用方法，具体包括以下步骤：
步骤一：打开主电源、送气阀、热交换器等开关，输入程序并调整喷枪与基体保持一定距离，；
步骤二：按下净化按钮，调整气体气压至一定数值，用于清理喷枪内残余粉末颗粒；
步骤三：按下运行按钮，喷枪起弧、调整气体气压与喷枪功率至指定数值，对基体进行预热；
步骤四：打开送粉器送粉进行喷涂作业；
步骤五：喷涂完成后关掉送粉器、调整气体气压与喷枪功率至较低数值，换粉进行下一层涂层喷涂，重复上述步骤至完成所有喷涂作业。
所述三相送粉大气等离子装置，其特征在于，送粉装置中1号、2号、3号送粉器相距120度环形分布在送粉装置上，1号、2号送粉器距等离子焰流阳极出口横向距离约10-40mm，3号送粉器距等离子焰流阳极出口横向距离约30-60mm，可以理解为1号、2号送粉器设置在等离子焰流高温段，3号送粉器设置在等离子焰流低温段。
在喷涂过程中，由于送粉装置特殊的结构使得1号、2号送粉器射入等离子焰流中的粉末颗粒处于高温段，因此得到充分熔融并加速撞击在基体上进行沉积；3号送粉器输入等离子焰流的粉末处于低温段，因此得以保留其所特有的粉末结构形态。
本实施例所提出的一种多相镶嵌式渐变色热障涂层及其制备方法，在现有的热障涂层微观结构和送粉工艺的基础上进行调节，所制备的涂层其优点在于：
1.设置梯度渐变过渡层，降低因涂层膨胀系数的差异所产生的内应力，使得粘结层和陶瓷层界面结合稳固；
2.设置大粒径陶瓷粉末均匀镶嵌的致密陶瓷层结构，可以阻止氧气进入抑制粘结层金属被氧化产生TGO氧化层，使得热障涂层的抗氧化性和断裂韧性得以加强；
3.设置使疏松多孔的多孔球型颗粒均匀镶嵌其中的陶瓷顶层，其多孔结构增强了热障涂层的隔热性能和应变容限。
本实施例所提出的一种多相镶嵌式渐变色热障涂层制备方法，具体实现方法包括：
S1，对金属合金粉末、陶瓷粉末球磨处理；按下运行按钮，喷枪起弧、调整主气体压力为0.4MPa、辅助气体氢气压力为0.25MPa，喷枪功率为25KW，对合金基体进行预热处理。
S2，打开1号送粉器，2号、3号送粉器处于关闭状态，提供单一合金金属粉末颗粒制备金属粘结层，喷涂设备主要参数为：喷涂功率为30kW、喷涂距离为80mm、喷枪移动速率为100mm/s、送粉速率为20g/min、主气体氩气其压力为0.4MPa、辅助气体氢气压力为0.25MPa，制备完成后关闭1号送粉器停止送粉，调整喷枪功率至5KW、更换粉末颗粒；对金属粘结层表面进行预热处理，打开1号、2号送粉器，3号送粉器处于关闭状态，提供第一相陶瓷粉末颗粒、第二相金属合金粉末颗粒制备梯度渐变过渡层。启动程序，取m总梯度层数为100，则梯度变化率c为1％，由等离子喷涂制得第1层梯度层陶瓷粉末颗粒体积占比率a＝1％、金属合金粉末颗粒体积占比率b＝99％，第2梯度层：a＝2％、b＝98％、第3梯度层：a＝3％、b＝97％、......、第99梯度层：a＝99％、b＝1％、第100梯度层：a＝100％、b＝0％，依次堆积形成梯度渐变过渡层。喷涂设备主要参数为：喷涂功率为36kW、喷涂距离为80mm、主气体氩气其压力为0.4MPa、辅助气体氢气压力为0.25MPa，制备完成后关闭1号、2号送粉器停止送粉，调整喷枪功率至5KW、更换粉末颗粒，所制备梯度渐变过渡层总厚度控制在60μm；
S3，对梯度渐变过渡层表面进行预热，打开1号、2号送粉器，3号送粉器处于关闭状态，提供第一相小粒径15-25μm陶瓷粉末颗粒、第二相大粒径35-55μm陶瓷粉末颗粒制备致密陶瓷层。喷涂设备主要参数为：喷涂功率为36kW、喷涂距离为40mm、一号送粉器送粉17速率为50g/min、二号送粉器18送粉速率为8g/min、主气体氩气其压力为0.4MPa、辅助气体氢气压力为0.25MPa，制备完成后关闭1号、2号送粉器停止送粉，调整喷枪功率至5KW，所制备致密陶瓷层控制在120μm；
S4，对致密陶瓷层表面进行预热，打开1号、2号、3号送粉器，提供第一相小粒径15-25μm陶瓷粉末颗粒、第二相大粒径35-55μm陶瓷粉末颗粒制备致密陶瓷层、第三相35-70μm多孔球型颗粒制备陶瓷顶层。喷涂设备主要参数为：喷涂功率为36kW、喷涂距离为40mm、一号送粉器17送粉速率为50g/min、二号送粉器18送粉速率为8g/min、三号送粉器16送粉速率为8g/min、主气体氩气其压力为0.4MPa、辅助气体氢气压力为0.25MPa，制备完成后关闭1号、2号、3号送粉器停止送粉，调整喷枪功率至5KW，按下运行停止按钮、关闭主电源、送气阀、热交换器等所有设备，所制备陶瓷顶层厚度控制在300μm。其中，本实施例所提出的三相送粉大气等离子喷枪如图5-7所示；具体包括：喷枪悬挂臂8，等离子气体输入口9，冷却水输入口10，绝缘体11，冷却水输出口12，送粉装置13，壳体14，送粉口15，一号送粉器16，二号送粉器17，三号送粉器18，等离子焰流阳极出口19，电极阳极20，电极阴极21；三相送粉装置如图8所示，具体包括：转接箱22，储气装置23，等离子喷枪24，送粉箱25，控制柜26，主电源27，热交换器28；三相送粉大气等离子喷涂设备整体工作配合如图9所示；其中等离子喷枪24用于热障涂层喷涂，是整个系统最关键装置；送粉箱25用来储存喷涂粉末并按工艺要求向喷枪输送粉末；控制柜26用于对冷却水、直流电、主气体与辅助气体、粉磨颗粒的控制和调节；转接箱22用于连接主电源、控制柜、热交换器、喷枪，是整个喷涂系统的转接中心；主电源27用于对等离子喷枪24提供直流电；热交换器28用于使等离子喷枪24获得有效冷却，达到使得等离子喷枪24延寿的目的。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种多相镶嵌式渐变色热障涂层，其特征在于，包括：从下往上依次为合金基体、粘结层和陶瓷层；
所述合金基体，为航空发动机热端部件：
所述粘结层，基于合金金属粉末和混合粉末制备；所述混合粉末包括：合金金属粉末和陶瓷粉末；
所述陶瓷层，基于大粒径陶瓷粉末、小粒径陶瓷粉末和多孔球型颗粒制备。
2.根据权利要求1所述的多相镶嵌式渐变色热障涂层，其特征在于，所述粘结层包括：金属粘结层和梯度渐变过渡层；
所述金属粘结层靠近所述合金基体，基于所述合金金属粉末制备；
所述梯度渐变过渡层靠近所述陶瓷层，基于所述混合粉末制备。
3.根据权利要求2所述的多相镶嵌式渐变色热障涂层，其特征在于，所述陶瓷层包括：致密陶瓷层和陶瓷顶层；
所述致密陶瓷层，基于所述梯度渐变过渡层上表面经大气等离子喷涂形成；
所述多孔结构陶瓷顶层，基于所述致密陶瓷涂层上表面采用三相送粉工艺等离子喷涂形成，所述多孔结构陶瓷顶层直接暴露在高温环境中。
4.根据权利要求2所述的多相镶嵌式渐变色热障涂层，其特征在于，所述合金金属粉末为：镍铬铝钇合金粉末、钴铬铝钇合金粉末或镍钴铬铝钇合金粉末；
所述陶瓷粉末为：氧化钇稳定氧化锆粉末、氧化镁稳定氧化锆粉末、氧化钙稳定氧化锆粉末、氧化铈稳定氧化锆粉末、锆酸镧粉末、锆酸钆粉末中的预设种类。
5.一种多相镶嵌式渐变色热障涂层制备方法，制备如权利要求1-4所述的多相镶嵌式渐变色热障涂层，其特征在于，包括：
S1.对合金基体表面进行预热处理；
S2.在所述合金基体表面制备粘结层；所述粘结层包括单一合金金属粉末制备的金属粘结层和混合粉末制备的梯度渐变过渡层，其中所述金属粘结层靠近合金基体层，由单一的合金金属粉末通过单独送粉方式制备，所述梯度渐变过渡层靠近陶瓷层，由合金金属粉末和陶瓷粉末通过两相送粉方式制备；
S3.在所述梯度渐变过渡层上表面经大气等离子喷涂形成致密陶瓷涂层；
S4.在所述致密陶瓷涂层上表面采用三相送粉工艺等离子喷涂形成多孔结构陶瓷顶层，所述多孔结构陶瓷顶层直接暴露在高温环境中。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述S2中制备所述梯度渐变过渡层包括：
提供第一相粉末、第二相粉末为小粒陶瓷粉末颗粒和合金金属粉末颗粒；
基于小粒陶瓷粉末颗粒和合金金属粉末颗粒，经等离子喷涂形成梯度层，若干层梯度层堆积形成梯度渐变过渡层；其中，每层两相粉末各自的体积占比率不同。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述S3中制备所述致密陶瓷涂层包括：
提供第一相陶瓷粉末、第二相陶瓷粉末为小粒径陶瓷粉末颗粒和大粒径陶瓷粉末颗粒；
将小粒径陶瓷粉末颗粒经大气等离子喷涂形成致密涂层基体，将大粒径陶瓷粉末颗粒均匀镶嵌在致密涂层基体内，从而形成致密结构陶瓷层。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述S4中制备所述多孔结构陶瓷顶层包括：
提供第一相粉末、第二相粉末和第三相粉末为小粒径陶瓷粉末颗粒、大粒径陶瓷粉末颗粒和多孔球型颗粒；
将小粒径陶瓷粉末颗粒经大气等离子喷涂形成致密涂层基体，将大粒径陶瓷粉末颗粒和多孔球型颗粒均匀镶嵌在涂层基体内，从而形成所述多孔隙结构陶瓷顶层。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述S2中，基于小粒陶瓷粉末颗粒和合金金属粉末颗粒，经等离子喷涂形成梯度层采用增量式PID控制方法来实现；
所述增量式PID控制方法包括：
步骤1：用户设定初始值，理论送粉量、送粉比例、喷枪移动速率；
步骤2：读取初始化指令，计算送粉速率，结合送粉电机输出转速函数，启动PWM信号，驱动送粉器送粉；
步骤3：基于送粉量监测传感器监测送粉速率参数计算出当前送粉量，将实际送粉量与理论送粉量进行比较，对监测结果进行反馈，经过PID算法计算生成控制电压传送至送粉电机；
步骤4：当达到理论送粉量时，判断是否达到设置循环次数，若未达到则调整送粉比列进入下一个循环，若达到则结束作业。
10.一种多相镶嵌式渐变色热障涂层的制备系统，制备如权利要求1-4所述的多相镶嵌式渐变色热障涂层，其特征在于，包括：
送粉装置；所述送粉装置包括1号送粉器、2号送粉器、3号送粉器，用于粉末颗粒的输出；其中，1号送粉器、2号送粉器设置在等离子焰流高温段，3号送粉器设置在等离子焰流低温段；
等离子喷枪；所述等离子喷枪包括隔热壳体、等离子气体输入口、等离子焰流阳极出口、电机阴极、冷却水输入口、冷却水输出口、喷枪悬挂臂等，所述等离子喷枪与送粉装置相配合进行喷涂；所述等离子喷枪主体包括所述隔热壳体，所述隔热壳体包括前端盖、后端盖和中部柱体，所述前端盖、后端盖固定在中部柱体内部两端，所述前端盖包括所述等离子焰流阳极出口，所述后端盖包括靠近中心的所述等离子气体输入口和靠近边界的冷却水输入口以及固定在后端盖的电极阴极，所述中部柱体包括侧部的冷却水输出口，所述喷枪悬挂臂通过绝缘体固定在隔热壳体的中部柱体上；
供给系统；所述供给系统包括主电源、送粉箱、储气装置以及热交换器，所述供给系统与等离子喷枪和送粉装置相连接，提供直流电、粉末颗粒、气体以及冷却水；所述主电源、送粉箱、储气装置以及热交换器并列安放，所述主电源与热交换器、等离子喷枪、控制柜、转接箱连接，所述送粉箱与送粉装置连接，所述储气装置与等离子喷枪连接，所述热交换器与转接箱连接；
控制系统；所述控制系统包括控制柜、转接箱，所述控制系统用于控制并连接等离子喷枪、送粉箱、热交换器等装置。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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