專利名稱：一種通過(guò)金屬結(jié)合層表面改性提高熱障涂層使用壽命的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于涂層制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種通過(guò)金屬結(jié)合層表面改性提高熱障涂層使用壽命的方法。
背景技術(shù)：
隨著航空航天技術(shù)的進(jìn)步，航空燃?xì)鉁u輪機(jī)正在向高流量比、高推重比和高渦輪進(jìn)口溫度方向發(fā)展。但隨著燃?xì)鉁囟群腿細(xì)鈮毫Φ牟粩嗵岣?，現(xiàn)有高溫合金已經(jīng)難以滿足要求，由此促進(jìn)了降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件溫度技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。除改進(jìn)冷卻技術(shù)外，在高溫合金熱端部件表面制備熱障涂層(TBC)是重要手段之一。
實(shí)際應(yīng)用的典型航空用熱障涂層大都采用雙層結(jié)構(gòu)，其中表層主要是由6％～8％Y2O3穩(wěn)定的以ZrO2為主的陶瓷面層(YSZ)，該面層在高溫環(huán)境下穩(wěn)定性好，主要起隔熱作用；陶瓷面層與基底之間為結(jié)合層(BC)，目前該層的通用材料為MCrAlY(M是過(guò)渡族金屬Ni、Co或Ni與Co的混合物)，其功能是改善基體與陶瓷面層之間的物理相容性(熱不匹配)，并且能夠形成位于結(jié)合層和陶瓷面層之間的熱增長(zhǎng)氧化物層(TGO)。氧化物層是防止結(jié)合層氧化腐蝕和影響熱障涂層使用壽命的關(guān)鍵層面。雖然目前熱障涂層已廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件，但其早期剝落失效時(shí)有發(fā)生，抗熱疲勞壽命還需進(jìn)一步提高。經(jīng)過(guò)多年研究，已發(fā)現(xiàn)熱端部件熱障涂層的使用壽命與氧化物層的生長(zhǎng)速度、結(jié)構(gòu)形式、組成成分以及陶瓷面層和結(jié)合層界面的形態(tài)、應(yīng)力有直接的關(guān)系，即氧化物層是決定熱障涂層使用壽命的主要因素。國(guó)內(nèi)外研究人員經(jīng)過(guò)大量的研究發(fā)現(xiàn)，隨著氧化物層的不斷增長(zhǎng)，其附近將會(huì)形成鋁元素貧化區(qū)，從而導(dǎo)致該區(qū)域鎳等元素選擇氧化優(yōu)勢(shì)增加，最終導(dǎo)致大顆粒氧化物形成，這些大顆粒氧化物將會(huì)嚴(yán)重影響到熱障涂層的壽命，結(jié)果引起涂層失效；此外，氧化物層/結(jié)合層的界面不平整，即由各種凸起和凹坑所造成的表面粗糙度過(guò)大也會(huì)影響到涂層的結(jié)合強(qiáng)度和界面熱機(jī)械應(yīng)力分布，并且還會(huì)通過(guò)熱機(jī)械作用影響熱障涂層的使用壽命。因此通過(guò)改善鋁元素?cái)U(kuò)散機(jī)制和改變界面形態(tài)都會(huì)有助于改變氧化物層的生成與生長(zhǎng)機(jī)理，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行干預(yù)與控制，從而有效地提高熱障涂層的使用壽命。
中國(guó)發(fā)明專利第01133423.1號(hào)中公開(kāi)了一種爆炸噴涂制備熱障涂層的方法，該涂層包括采用MCrAlY合金體系的結(jié)合層和采用ZrO2-Y2O3的陶瓷面層兩部分，雖然這種方法可制備出比較致密的MCrAIY成分的結(jié)合層，并且陶瓷面層氣孔率高、隔熱性好、抗熱沖擊性優(yōu)，而且成本低且易于操作，但涂層中夾雜孔洞等缺陷，從而降低了涂層的使用性能。中國(guó)發(fā)明專利第03111363.X號(hào)中公開(kāi)了一種NiCoCrAlYSiB抗熱腐蝕涂層及其制備方法，該方法是采用電弧離子鍍技術(shù)制備上述的抗熱腐蝕涂層，具有高能量密度、高效率、能耗低的優(yōu)點(diǎn)，并且與爆炸噴涂方法相比在制作高致密、高結(jié)合強(qiáng)度及低內(nèi)應(yīng)力水平、抗高溫氧化優(yōu)的MCrAlY結(jié)合層等方面顯示出一定的優(yōu)勢(shì)，但上述兩種方法均未涉及采用對(duì)金屬結(jié)合層表層進(jìn)行改性的手段，通過(guò)對(duì)熱增長(zhǎng)氧化物(TGO)的生成與生長(zhǎng)進(jìn)行干預(yù)和控制的方法來(lái)改善和提高熱障涂層抗熱沖擊的能力與使用壽命的技術(shù)內(nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種涂層抗熱沖擊性能好，使用壽命長(zhǎng)，工藝操作簡(jiǎn)單且重復(fù)性好的通過(guò)金屬結(jié)合層表面改性提高熱障涂層使用壽命的方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的通過(guò)金屬結(jié)合層表面改性提高熱障涂層使用壽命的方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟1)按照常規(guī)的工藝程序?qū)w表面進(jìn)行清洗和噴砂處理；
2)采用超音速火焰或等離子噴涂方法在上述處理后的基體表面沉積上常用的MCrAlY合金體系的金屬結(jié)合層；3)以Al2O3粉末作為噴射轟擊顆粒材料，采用超音速冷氣噴射轟擊表面方法對(duì)上述金屬結(jié)合層進(jìn)行表面改性，以改變其近表層的晶粒結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)和表面形態(tài)；4)最后采用等離子噴涂方法在上述噴射轟擊處理后的結(jié)合層表面上噴涂沉積常規(guī)的ZrO2-Y2O3陶瓷面層，即可獲得高壽命的熱障涂層。
所述的步驟2)中用于沉積金屬結(jié)合層的粉末粒度分布范圍為10-100μm，涂層厚度為0.10-0.30mm。
所述的步驟3)中噴射轟擊材料的顆粒尺寸為30-250μm，氣體溫度為25-200℃，氣體壓力為1.0-3.0MPa，轟擊距離為10-60mm，轟擊時(shí)間為5-120s，送粉量為3-25g/s。
所述的步驟4)中陶瓷面層的ZrO2-Y2O3成分中Y2O3的重量百分比為7～8％，陶瓷面層的厚度則為0.15-0.30mm。
本發(fā)明提供的通過(guò)金屬結(jié)合層表面改性提高熱障涂層使用壽命的方法是采用超音速冷氣噴射Al2O3顆粒轟擊的方法對(duì)熱障涂層中的金屬結(jié)合層進(jìn)行表面改性，以改變其表層的晶粒/顆粒結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)。通過(guò)該技術(shù)處理可使金屬結(jié)合層表層的晶粒/顆粒更加細(xì)化，從而改善了涂層中鋁的擴(kuò)散，使得界面附近的鋁分布趨于均勻，從而減少了鋁的局部貧化程度，同時(shí)基本上消除了Ni、Co等氧化物的生成，使得氧化物層成分單一、結(jié)構(gòu)致密、厚度均勻一致，有效地改善了界面應(yīng)力分布；此外，通過(guò)該技術(shù)處理還可大大改善氧化物層的界面形態(tài)，因此基本能夠避免出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中問(wèn)題，從而達(dá)到改善熱障涂層抗熱沖擊性和提高使用壽命的目的。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的通過(guò)對(duì)金屬結(jié)合層表面改性提高熱障涂層使用壽命的方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例1本發(fā)明提供的通過(guò)對(duì)金屬結(jié)合層表面改性提高熱障涂層使用壽命的方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟1)按照常規(guī)的工藝程序?qū)w表面進(jìn)行清洗和噴砂處理；2)采用超音速火焰噴涂方法在上述處理后的基體表面沉積上常用的MCrAlY合金體系的金屬結(jié)合層，其中M為Ni、Co或Ni與Co的混合物，粉末粒度為10-40μm，涂層厚度為0.10mm；3)以Al2O3粉末作為噴射轟擊顆粒材料，采用超音速冷氣噴射轟擊表面方法對(duì)上述金屬結(jié)合層進(jìn)行表面改性，以細(xì)化結(jié)合層表層的晶粒/顆粒結(jié)構(gòu)，其中噴射轟擊材料的顆粒尺寸為30-80μm，氣體溫度為25℃，氣體壓力為1.0MPa，轟擊距離為10mm，轟擊時(shí)間為5s，送粉量為3.0g/s；4)最后采用等離子噴涂方法在上述噴射轟擊處理后的結(jié)合層表面上噴涂沉積常規(guī)的ZrO2-Y2O3陶瓷面層，即可獲得熱障涂層。其中ZrO2-Y2O3成分中Y2O3的重量百分比為7％，而陶瓷面層的厚度則為0.18mm。
實(shí)施例2本發(fā)明提供的通過(guò)對(duì)金屬結(jié)合層表面改性提高熱障涂層使用壽命的方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟1)按照常規(guī)的工藝程序?qū)w表面進(jìn)行清洗和噴砂處理；2)采用等離子噴涂方法在上述處理后的基體表面沉積上常用的MCrAlY合金體系的金屬結(jié)合層，其中M為Ni、Co或Ni與Co的混合物，粉末粒度為30-100μm，涂層厚度為0.20mm；3)以Al2O3粉末作為噴射轟擊顆粒材料，采用超音速冷氣噴射轟擊表面方法對(duì)上述金屬結(jié)合層進(jìn)行表面改性，以細(xì)化結(jié)合層表層的晶粒/顆粒結(jié)構(gòu)，其中噴射轟擊材料的顆粒尺寸為50-100μm，氣體溫度為120℃，氣體壓力為1.8MPa，轟擊距離為30mm，轟擊時(shí)間為60s，送粉量為15g/s；4)最后采用等離子噴涂方法在上述噴射轟擊處理后的結(jié)合層表面上噴涂沉積常規(guī)的ZrO2-Y2O3陶瓷面層，即可獲得熱障涂層。其中ZrO2-Y2O3成分中Y2O3的重量百分比為8％，而陶瓷面層的厚度則為0.22mm。
實(shí)施例3本發(fā)明提供的通過(guò)對(duì)金屬結(jié)合層表面改性提高熱障涂層使用壽命的方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟1)按照常規(guī)的工藝程序?qū)w表面進(jìn)行清洗和噴砂處理；2)采用超音速火焰噴涂方法在上述處理后的基體表面沉積上常用的MCrAlY合金體系的金屬結(jié)合層，其中M為Ni、Co或Ni與Co的混合物，粉末粒度為30-60μm，厚度為0.30mm；3)以Al2O3粉末作為噴射轟擊顆粒材料，采用超音速冷氣噴射轟擊表面方法對(duì)上述金屬結(jié)合層進(jìn)行表面改性，以細(xì)化結(jié)合層表層的晶粒/顆粒結(jié)構(gòu)，其中噴射轟擊材料的顆粒尺寸為130-250μm，氣體溫度為185℃，氣體壓力為3.0MPa，轟擊距離為60mm，轟擊時(shí)間為120s，送粉量為25g/s；4)最后采用等離子噴涂方法在上述噴射轟擊處理后的結(jié)合層表面上噴涂沉積常規(guī)的ZrO2-Y2O3陶瓷面層，即可獲得熱障涂層。其中ZrO2-Y2O3成分中Y2O3的重量百分比為7％，而陶瓷面層的厚度則為0.30mm。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)金屬結(jié)合層表面改性提高熱障涂層使用壽命的方法，其特征在于所述的通過(guò)金屬結(jié)合層表面改性提高熱障涂層使用壽命的方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟1)按照常規(guī)的工藝程序?qū)w表面進(jìn)行清洗和噴砂處理；2)采用超音速火焰或等離子噴涂方法在上述處理后的基體表面沉積上常用的MCrAlY合金體系的金屬結(jié)合層；3)以Al2O3粉末作為噴射轟擊顆粒材料，采用超音速冷氣噴射轟擊表面方法對(duì)上述金屬結(jié)合層進(jìn)行表面改性，以改變其近表層的晶粒結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)和表面形態(tài)；4)最后采用等離子噴涂方法在上述噴射轟擊處理后的結(jié)合層表面上噴涂沉積常規(guī)的ZrO2-Y2O3陶瓷面層，即可獲得高壽命的熱障涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過(guò)金屬結(jié)合層表面改性提高熱障涂層使用壽命的方法，其特征在于所述的步驟2)中用于沉積金屬結(jié)合層的粉末粒度分布范圍為10-100μm，涂層厚度為0.10-0.30mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過(guò)金屬結(jié)合層表面改性提高熱障涂層使用壽命的方法，其特征在于所述的步驟3)中噴射轟擊材料的顆粒尺寸為30-250μm，氣體溫度為25-200℃，氣體壓力為1.0-3.0MPa，轟擊距離為10-60mm，轟擊時(shí)間為5-120s，送粉量為3-25g/s。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過(guò)金屬結(jié)合層表面改性提高熱障涂層使用壽命的方法，其特征在于所述的步驟4)中陶瓷面層的ZrO2-Y2O3成分中Y2O3的重量百分比為7～8％，陶瓷面層的厚度則為0.15-0.30mm。
全文摘要
一種通過(guò)金屬結(jié)合層表面改性提高熱障涂層使用壽命的方法。包括對(duì)基體表面進(jìn)行清洗和噴砂處理；采用超音速火焰噴涂或等離子噴涂方法在基體表面沉積上常用的MCrAlY合金體系的金屬結(jié)合層；采用超音速冷氣噴射Al
文檔編號(hào)C23C4/06GK101050515SQ20071005743
公開(kāi)日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2007年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月23日
發(fā)明者王志平, 馮日寶, 紀(jì)朝輝, 陳亞軍 申請(qǐng)人:中國(guó)民航大學(xué)