專利名稱：一種高溫結(jié)構(gòu)材料的熱障層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于合金材料高溫處理技術(shù)，具體涉及一種高溫結(jié)構(gòu)材料的熱障層的制備方法。
背景技術(shù)：
高溫結(jié)構(gòu)材料被廣泛用做飛機(jī)、輪船、汽車等裝置中的渦輪發(fā)動機(jī)燃燒室、高溫鍋爐 的高溫燃燒室及其它高溫工作區(qū)的結(jié)構(gòu)材料，要在1000°C以上高溫及氧化腐蝕的惡劣環(huán) 境下工作。在如此高的溫度下，現(xiàn)有高溫結(jié)構(gòu)材料(如Fe基、Ni基、Co基、Ti基、Nb 基、W基、Ta基高溫合金，或超高溫合金和金屬間的化合物)已經(jīng)難以同時滿足高溫強(qiáng) 度和耐高溫氧化這兩個要求。目前采用表面涂覆保護(hù)層的方法來保護(hù)高溫結(jié)構(gòu)材料，降低 高溫結(jié)構(gòu)材料表面溫度，提高實(shí)際工作溫度。保護(hù)層是指多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，含有陶瓷隔熱層 的保護(hù)層稱為熱障層。最簡單的熱障層包括一個陶瓷隔熱層和一個抗氧化粘結(jié)層，陶瓷隔 熱層的用途是在其兩側(cè)形成溫度差，從而降低高溫工作環(huán)境下高溫結(jié)構(gòu)材料表面的溫度； 在高溫結(jié)構(gòu)材料與陶瓷隔熱層之間的抗氧化粘結(jié)層， 一般成分是金屬或合金，起到抗高溫 氧化和熱應(yīng)力匹配雙重作用。而在更復(fù)雜的保護(hù)層結(jié)構(gòu)中抗高溫氧化、粘結(jié)、阻止元素?cái)U(kuò) 散的功能可能由不同的鍍層或涂層來實(shí)現(xiàn)。不同的高溫結(jié)構(gòu)材料會采用不同的熱障層。比 如目前應(yīng)用最廣的Ni基高溫合金材料，廣泛采用MCrAlY合金(其中的M可代表Fe、 Ni、 Co、NiCo或其它金屬元素)抗氧化粘結(jié)層或者Ni3Al和Pt的抗氧化粘結(jié)層加PSZ(用Y302、 MgO、 Ce02、 Sc203、 In203或CaO作穩(wěn)定劑的部分穩(wěn)定的氧化鋯)隔熱陶瓷層，起到抗 高溫氧化和應(yīng)力匹配雙重作用。隔熱陶瓷層構(gòu)成的熱障層是高溫防護(hù)性能最佳、應(yīng)用前景 最好的一類表面防護(hù)涂層。目前熱障層主要采用等離子體噴涂或電子束物理氣相沉積方法 制備，其他物理、化學(xué)氣相沉積方法、溶-凝膠法也在探索中。即成熟的熱障層的制備方法 是，首先在Ni基高溫合金上鍍或涂覆5(^m 300jim厚的MCrAlY抗氧化粘結(jié)層，再在粘 結(jié)層上鍍或涂覆60iim 20(^m厚的PSZ隔熱陶瓷層。此類熱障層在高溫氧化過程中，粘 結(jié)層和隔熱陶瓷層之間會形成一熱氧化層，當(dāng)熱氧化層增至一定厚度后，粘結(jié)層和隔熱陶 瓷層的失配應(yīng)力會使隔熱陶瓷層脫落、失效。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種利用強(qiáng)脈沖離子束輻照的制備熱障層方法， 該方法可降低粘結(jié)層和隔熱陶瓷層間的失配應(yīng)力，延長熱障層在高溫氧化環(huán)境下的服役壽 命。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種高溫結(jié)構(gòu)材料的熱障層的制備方法，其步驟包括1) 在高溫結(jié)構(gòu)材料上鍍或涂覆一層抗氧化粘結(jié)層；2) 在上述抗氧化粘結(jié)層上鍍或涂覆一層隔熱陶瓷層；3) 用強(qiáng)脈沖離子束對上述材料的表面進(jìn)行輻照，使上述隔熱陶瓷層和抗氧化粘結(jié)層發(fā) 生熔融混合形成一過渡層；4) 隨后再鍍或涂覆一層隔熱陶瓷層，制得高溫結(jié)構(gòu)材料的熱障層。 所述抗氧化粘結(jié)層可為MCrAlY合金，其中的M代表Fe、 Ni、 Co、 NiCo或其它金屬元素，所述抗氧化粘接層還可以是Ni3Al和Pt。所述隔熱陶瓷層可采用PSZ隔熱陶瓷，PSZ為用Y302、 MgO、 Ce02、 Sc203、 ln203 或CaO作穩(wěn)定劑的部分穩(wěn)定的Zr02。其中，步驟2)中的隔熱陶瓷層的厚度范圍為 l~10|am。所述強(qiáng)脈沖離子束的離子能量峰值可在10keV lMeV之間，離子束流的強(qiáng)密度峰值在 10A/cmLlkA/cm2之間，以及離子束的脈沖寬度在10ns l(^is之間。所述強(qiáng)脈沖離子束可是一種或多種價態(tài)的C離子束，或是C離子與H離子的混合離 子束、或是金屬離子束。所述強(qiáng)脈沖離子束的輻照可采用單脈沖方式、雙脈沖方式或多脈沖方式。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是利用強(qiáng)脈沖離子束輻照，在隔熱陶瓷層與抗氧化粘結(jié)層之間出現(xiàn)熔融現(xiàn)象，進(jìn)而發(fā)生 混合而形成一個過渡層。當(dāng)此結(jié)構(gòu)的熱障層在高溫氧化環(huán)境下，抗氧化粘結(jié)層形成的熱氧 化物一部分會形成完整的熱氧化層， 一部分會混合在相鄰的隔熱陶瓷層里，可減少抗氧化 粘結(jié)層與隔熱陶瓷層之間的失配應(yīng)力，從而減小了隔熱陶瓷層脫落失效的可能性。因此采用本發(fā)明制備的熱障層比現(xiàn)有技術(shù)制備的熱障層具有更長的使用壽命。


附圖所示本發(fā)明高溫結(jié)構(gòu)材料的熱障層的制備工藝示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述高溫結(jié)構(gòu)材料1是IC6合金，抗氧化粘結(jié)層2是NiCoCrAlY合金，隔熱陶瓷層3是 6%~8% (質(zhì)量百分比)Y302部分穩(wěn)定的Zr02 (簡稱為Y-PSZ或YSZ)。參考附圖，本發(fā)明首先在高溫結(jié)構(gòu)材料1襯底上用EB—PVD (電子束物理氣相沉積) 制備抗氧化粘結(jié)層2，鍍層應(yīng)盡量覆蓋整個表面。接著，在抗氧化粘結(jié)層2上用EB—PVD鍍一層薄的隔熱陶瓷層3;該薄隔熱陶瓷層 厚度為lpm~l()Hm，應(yīng)盡量覆蓋整個表面。隨后，用強(qiáng)脈沖離子束4對上述材料進(jìn)行表面輻照，采用單脈沖方式，該離子束是能 量300keV的30%C++70%H+,脈沖峰值束流密度范圍為150A/cm2 250A/cm2。強(qiáng)脈沖離子束輻照后，在隔熱陶瓷層與抗氧化粘結(jié)層之間形成一過渡層5。經(jīng)過上述處理后，再鍍或涂覆一層隔熱陶瓷層3，其厚度為60pm~20(^m，從而最終 形成了高溫結(jié)構(gòu)材料的熱障層。本發(fā)明中，上述實(shí)施例提供了一種優(yōu)化了高溫結(jié)構(gòu)材料的熱障層的制備方案，本發(fā)明 不僅局限于此實(shí)施例，可以根據(jù)實(shí)際需要和設(shè)計(jì)要求做出相應(yīng)的修改，例如實(shí)施例中提供了用原子比為3: 7的C離子與H離子的混合離子束作為脈沖離子束， 但脈沖離子束也可是一種或多種價態(tài)的C離子，或其他原子比的C離子與H離子的混合 束，或金屬離子束。另外，強(qiáng)脈沖離子束除了單脈沖方式以外，還可以是雙脈沖方式，或采用多脈沖方式。 離子束的能量峰值在10keV lMeV之間、離子束流的強(qiáng)密度峰值在10A/cm^lkA/cn^之間， 以及離子束的脈沖寬度在10ns 10^is之間。此外，本發(fā)明的襯底材料可以是各種高溫結(jié)構(gòu)材料。所述抗氧化粘結(jié)層可為MCrAlY合金，或NisAl和Pt。所述隔熱陶瓷層可以是采用各種穩(wěn)定劑的PSZ。此外，本發(fā)明中鍍或涂覆抗氧化粘結(jié)層和隔熱陶瓷層的方法除了采用EB—PVD,還 可以包括其它物理或化學(xué)氣相沉積、等離子體噴涂、磁控濺射鍍膜、弧放電離子鍍、溶-凝膠法等。以上通過詳細(xì)實(shí)施例描述了本發(fā)明所提供的熱障層的制備方法，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng) 當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明做一定的變形或修改；其制備方法 也不限于實(shí)施例中所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1、一種高溫結(jié)構(gòu)材料的熱障層的制備方法，其步驟包括1)在高溫結(jié)構(gòu)材料上鍍或涂覆一層抗氧化粘結(jié)層；2)在上述抗氧化粘結(jié)層上鍍或涂覆一層隔熱陶瓷層；3)用強(qiáng)脈沖離子束對上述材料的表面進(jìn)行輻照，使上述抗氧化粘結(jié)層和隔熱陶瓷層熔融形成一過渡層；4)隨后再鍍或涂覆一層隔熱陶瓷層，制得高溫結(jié)構(gòu)材料的熱障層。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述抗氧化粘接層為MCrAlY合金，其中 的M代表Fe、 Ni、 Co、 NiCo或其它金屬元素。
3、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述抗氧化粘接層為N:UAl和Pt。
4、 如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述隔熱陶瓷層采用PSZ隔熱陶瓷， PSZ為用Y302、 MgO、 Ce02、 Sc203、 ln203或CaO作穩(wěn)定劑的部分穩(wěn)定的Zr02。
5、 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟2)中的隔熱陶瓷層的厚度范圍 為l~10|xm。
6、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述強(qiáng)脈沖離子束的離子能量峰值在 10keV lMeV之間，離子束流的強(qiáng)密度峰值在10A/cm^lkA/cn^之間，以及離子束的脈沖 寬度在10ns 10^is之間。
7、 如權(quán)利要求1或6所述的方法，其特征在于，所述強(qiáng)脈沖離子束是一種或多種價 態(tài)的C離子束，或是C離子與H離子的混合離子束，或金屬離子束。
8、 如權(quán)利要求1或6所述的方法，其特征在于，所述強(qiáng)脈沖離子束的輻照采用單脈 沖方式、雙脈沖方式或多脈沖方式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高溫結(jié)構(gòu)材料的熱障層的制備方法。該方法的步驟是，首先在高溫結(jié)構(gòu)材料上鍍或涂覆一層抗氧化粘結(jié)層；接著，在抗氧化粘結(jié)層上鍍或涂覆一層隔熱陶瓷層；隨后，用強(qiáng)脈沖離子束對上述材料的表面進(jìn)行輻照，使隔熱陶瓷層與抗氧化粘結(jié)層發(fā)生熔融混合形成一過渡層；接著再鍍或涂覆一層隔熱陶瓷層，制得高溫結(jié)構(gòu)材料的熱障層。由于本發(fā)明在抗氧化粘結(jié)層和隔熱陶瓷層之間形成了一過渡層，可減少兩者之間的失配應(yīng)力，延長了熱障層的使用壽命。
文檔編號C23C28/00GK101333656SQ20081011666
公開日2008年12月31日 申請日期2008年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月15日
發(fā)明者尚怡君, 趙渭江, 莎 顏 申請人:北京大學(xué)