專利名稱：激光感應(yīng)復(fù)合熔覆梯度功能熱障涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光感應(yīng)復(fù)合熔覆梯度功能熱障涂層的方法。
背景技術(shù)：
隨著航空燃?xì)鉁u輪機(jī)向著高流量比、高推重比、高進(jìn)口溫度方向發(fā)展，渦輪前進(jìn)口溫度不斷提高，目前已接近2000K。為提高渦輪機(jī)外環(huán)、葉片等高溫?zé)岫瞬考氖褂脡勖?，保證燃?xì)鉁u輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，除改進(jìn)高溫合金的成分、制備工藝以及葉片設(shè)計外，使用防護(hù)性熱障涂層是目前最有效的方法。 目前，在高溫合金熱端部件表面制備熱障涂層的技術(shù)主要有等離子噴涂(plasmaspraying)、電子束-物理氣相沉積(EB-PVD)、激光熔覆(laser cladding)等。其中，等離子噴涂熱障涂層技術(shù)具有工藝成熟、操作簡單與效率高等優(yōu)點，但制備的熱障涂層與基材呈機(jī)械結(jié)合，其內(nèi)部存在大量的氣孔與微裂紋，導(dǎo)致涂層在服役的過程中易剝落。電子束-物理氣相沉積技術(shù)制備的熱障涂層具有柱狀晶結(jié)構(gòu)，其工作壽命相對于等離子噴涂層大幅度提高，但是該技術(shù)操作復(fù)雜、沉積效率低、技術(shù)難度大、涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度也不高。激光熔覆技術(shù)制備的熱障涂層具有組織致密，稀釋率低，與基材形成結(jié)合強(qiáng)度高的冶金結(jié)合，優(yōu)異的抗高溫氧化與抗熱震性能。但是，激光熔覆效率較低以及熔覆層易產(chǎn)生裂紋等冶金缺陷極大地限制了該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用范圍。 此外，熱障涂層通常采用結(jié)構(gòu)簡單的陶瓷層-粘結(jié)層的雙層結(jié)構(gòu)，使各層間界面明顯，不同的熱膨脹系數(shù)易在層間產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致涂層退化與失效。采用粘結(jié)金屬層、多層隔熱層和阻氧層以及陶瓷頂層構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)，雖然可以獲得相對雙層結(jié)構(gòu)更厚的涂層以及更好的抗氧化性能，但對涂層的抗熱震性能改善不大，且工藝復(fù)雜，重復(fù)性與可靠性較差。因此，隨著熱障涂層應(yīng)用要求的不斷提高，必須開發(fā)具有熱應(yīng)力緩沖功能的梯度功能熱障涂層。 近年來，可以在高效率條件下，將涂層內(nèi)的熱應(yīng)力降低到最小程度，從而制備高性能的無裂紋涂層的激光感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)(Zhou Shengfeng， HuangYongjun， ZengXiaoyan， Hu Qianwu. Microstructure characteristics of Ni—basedWC compositecoatings by laser induction hybrid r鄰id cladding. Materials ScienceandEngineering :A， 2008， 480 (1_2) :564-572)引起了人們的廣泛興趣。但是，關(guān)于采用激光感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)制備陶瓷相含量高且具有熱應(yīng)力緩沖功能的無裂紋梯度功能熱障涂層并未見文獻(xiàn)報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種激光感應(yīng)復(fù)合熔覆梯度功能熱障涂層的方法，激光感應(yīng)復(fù)合熔覆梯度功能熱障涂層具有化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能沿涂層厚度方向呈梯度連續(xù)變化的特點，避免了基體和陶瓷層熱膨脹系數(shù)不匹配而導(dǎo)致的熱應(yīng)力，可大幅度提高涂層的抗熱震性能與使用壽命。
本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的，其特征是方法步驟為 (1)首先將粘結(jié)金屬MCrAlY(M = Ni，NiCo)合金粉末與陶瓷相氧化鈰穩(wěn)定的氧化鋯(Zr02+(6 8% )Ce02)或鑄造WC以及高熔點、高硬度的硼化物、硅化物和金屬間化合物分別裝入雙斗自動送粉器的兩個裝料斗內(nèi)，然后將基材表面進(jìn)行除銹、除油、清洗與噴砂處理，通過精確調(diào)節(jié)雙斗送粉器的兩個裝料斗的送粉率，使陶瓷相在復(fù)合粉末(由陶瓷相與粘結(jié)金屬組成的混合物)中質(zhì)量百分含量為0 90wt. %。 (2)將基材表面與感應(yīng)加熱線圈之間的距離控制在2 10mm內(nèi)，通入電流至感應(yīng)加熱線圈，并調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱功率，使基材表面被感應(yīng)加熱的溫度為300 IOO(TC，同時利用銅管對感應(yīng)加熱區(qū)吹入惰性保護(hù)氣體，防止其高溫氧化； (3)將聚焦激光束與雙斗自動送粉器的粉末噴嘴定位于感應(yīng)加熱區(qū)內(nèi)，實現(xiàn)激光熱源與感應(yīng)加熱源的復(fù)合；利用粉末噴嘴將復(fù)合粉末吹入激光感應(yīng)復(fù)合熔覆熱源形成的熔池內(nèi)，復(fù)合粉末在熔池內(nèi)發(fā)生熔化并在基材的表面鋪開，當(dāng)激光束與感應(yīng)加熱源移開后，熔融層冷卻并凝固結(jié)晶形成涂層；激光感應(yīng)復(fù)合熔覆過程中，粉末噴嘴與基材表面法向間的夾角為30 70° ，粉末噴嘴與基材的垂直距離為10 15mm，粉末流量為1 12kg/h，激光束光斑直徑為1 20mm，激光功率為2 8kW，感應(yīng)加熱功率為20 200kW，激光掃描速度為1 12m/min，單層涂層的厚度為0. 1 2mm ; (4)當(dāng)激光感應(yīng)復(fù)合熔覆完一道之后，沿激光掃描速度的垂直方向移動數(shù)控機(jī)床，其移動的距離為激光光斑直徑的70 30% ; (5)當(dāng)激光感應(yīng)復(fù)合熔覆完一層涂層之后，將激光頭、感應(yīng)加熱線圈和粉末噴嘴返回到上一涂層激光感應(yīng)復(fù)合熔覆時的起始位置，并沿Z軸上升到上一涂層的厚度距離，同時增加陶瓷相的送粉率，使陶瓷相在復(fù)合粉末內(nèi)的質(zhì)量百分含量增加0 90wt. % ;
(6)檢測涂層的厚度是否達(dá)到預(yù)期的厚度要求，如果沒有，重復(fù)步驟(2)-(5)，直到涂層達(dá)到所要求的厚度；否則，工作結(jié)束。 本發(fā)明所述的陶瓷相鑲嵌于粘結(jié)金屬內(nèi)，并沿涂層厚度方向呈0 90wt. %范圍內(nèi)任意可調(diào)。 本發(fā)明所述在進(jìn)行步驟(3)時，激光束采用C02激光、Nd: YAG激光或光纖激光，經(jīng)聚焦后與雙斗自動送粉器的粉末噴嘴定位于感應(yīng)加熱區(qū)內(nèi)，實現(xiàn)激光熱源與感應(yīng)加熱源的復(fù)合。 本發(fā)明所述在步驟(4)時，將數(shù)控機(jī)床沿激光掃描速度的垂直方向移動激光光斑直徑的70 30%，從而控制連續(xù)兩道次間的搭接率為30 70%。 本發(fā)明的優(yōu)點是(l)激光感應(yīng)復(fù)合熔覆效率高，可以對需要加工的區(qū)域精確定位，而不必對基材進(jìn)行整體加熱，因此對基材的尺寸、形狀以及需要處理的部位無限制；(2)對于梯度功能熱障涂層，陶瓷相在涂層內(nèi)的含量沿涂層厚度方向呈梯度變化、可控，而且可在0 90wt. %范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)；(3)梯度功能熱障涂層與基材呈結(jié)合強(qiáng)度高的冶金結(jié)合，而且整個梯度功能熱障涂層無氣孔與裂紋；(4)梯度功能熱障涂層具有優(yōu)異的抗熱震性能，相對于等離子噴涂相同成分材料的抗熱震性能提高3 10倍，服役壽命大幅度提高。


圖1為本發(fā)明激光感應(yīng)復(fù)合熔覆功能梯度熱障涂層的裝置示意圖。
圖2為本發(fā)明激光感應(yīng)復(fù)合熔覆的感應(yīng)加熱線圈與基材相對位置的示意圖。
具體實施方式
實施例1在基材鎳基高溫合金表面制備NiCrAlY/(Zr02+(6 8% )Ce02)梯度功能熱障涂層，該涂層的厚度為6mm，其中陶瓷相氧化鈰穩(wěn)定的氧化鋯(Zr02+(6 8%)Ce02)鑲嵌于粘結(jié)金屬NiCrAlY內(nèi)，并沿涂層厚度方向呈0 90wt. %范圍內(nèi)任意可調(diào)的梯度分布。
本實施例的實施過程為，如圖1與圖2所示。 (1)熔覆材料的選擇與準(zhǔn)備粘結(jié)金屬為NiCrAlY合金粉末，其化學(xué)成分為(質(zhì)量百分比)50 70% Ni、19 25% Cr、6 8% A1、0. 08 1. 5% Y，其粒徑為45 90 ii m，陶瓷相為氧化鈰穩(wěn)定的氧化鋯(Zr02+(6 8% )CeO》，其粒徑為20 40 y m，將NiCrAlY合金粉末與氧化鈰穩(wěn)定的氧化鋯(Zr02+(6 8% )Ce02)顆粒分別裝入雙斗自動送粉器9的兩個裝料斗7、7'內(nèi)，然后將基材鎳基高溫合金14的表面進(jìn)行除銹、除油、清洗與噴砂處理。此外，精確調(diào)節(jié)雙斗送粉器9的兩個裝料斗7、7'的送粉率，使氧化鈰穩(wěn)定的氧化鋯(Zr02+(6 8% )Ce02)在復(fù)合粉末8(由氧化鈰穩(wěn)定的氧化鋯與NiCrAlY合金粉末組成的混合物)內(nèi)的質(zhì)量百分含量為0 90wt. % ; (2)將鎳基高溫合金14的表面與安裝有專用導(dǎo)磁體16的感應(yīng)加熱線圈10之間的距離調(diào)整為5mm，通入電流至感應(yīng)加熱線圈IO，并利用計算機(jī)1調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱電源12的感應(yīng)加熱功率，使鎳基高溫合金14的表面被感應(yīng)加熱線圈10加熱的溫度為800°C，同時利用銅管18向感應(yīng)加熱區(qū)11吹入氮氣作為保護(hù)氣體，防止感應(yīng)加熱區(qū)11的高溫氧化；
(3) C02激光器2發(fā)出的激光束經(jīng)過導(dǎo)光系統(tǒng)3傳輸?shù)轿挥诩す忸^4內(nèi)的聚焦系統(tǒng)5聚焦，聚焦后的C02激光束與雙斗自動送粉器9的粉末噴嘴6定位于感應(yīng)加熱區(qū)11內(nèi)，實現(xiàn)激光熱源與感應(yīng)加熱源的復(fù)合；利用粉末噴嘴6將復(fù)合粉末8吹入激光感應(yīng)復(fù)合熔覆熱源形成的熔池17內(nèi)，復(fù)合粉末8在熔池17內(nèi)發(fā)生熔化并在鎳基高溫合金14的表面鋪開，當(dāng)激光束與感應(yīng)加熱源移開后，熔融層冷卻并凝固結(jié)晶形成涂層15 ; 在激光感應(yīng)復(fù)合熔覆過程中，粉末噴嘴6與鎳基高溫合金14的表面法向間的夾角為45° ，粉末噴嘴6與鎳基高溫合金14表面的垂直距離為12mm，粉末流量為6kg/h，激光束光斑直徑為5mm，激光功率為8kW，感應(yīng)加熱功率為80kW，激光掃描速度為3m/min，單層涂層的厚度為0. 6mm。 (4)當(dāng)激光感應(yīng)復(fù)合熔覆完一道之后，沿激光掃描速度的垂直方向移動數(shù)控機(jī)床13，其移動的距離為激光光斑直徑的50%，從而控制連續(xù)兩道次間的搭接率為50% ;
(5)當(dāng)激光感應(yīng)復(fù)合熔覆完一層涂層之后，利用計算機(jī)1將激光頭4、感應(yīng)加熱線圈10和粉末噴嘴6返回到上一涂層激光感應(yīng)復(fù)合熔覆時的起始位置，并沿Z軸上升0. 6mm，同時增加陶瓷相氧化鈰穩(wěn)定的氧化鋯的送粉率，使氧化鈰穩(wěn)定的氧化鋯(Zr02+(6 8% )Ce02在復(fù)合粉末8內(nèi)的質(zhì)量百分含量增加lOwt. % ; (6)檢測涂層的厚度是否達(dá)到預(yù)期的厚度要求，如果沒有，重復(fù)步驟(2)-(5)，直到涂層達(dá)到所要求的厚度；否則，工作結(jié)束。
實施例2 在基材鎳基高溫合金表面制備NiCoCrAlY/Ti3Al梯度功能熱障涂層，該涂層的厚度為3mm，其中陶瓷相Ti3Al鑲嵌于粘結(jié)金屬NiCoCrAlY內(nèi)，并沿涂層厚度方向呈0
90wt. %范圍內(nèi)任意可調(diào)的梯度分布。 本實施例的實施過程為，如圖1與圖2所示。 (1)熔覆材料的選擇與準(zhǔn)備粘結(jié)金屬為NiCoCrAlY合金粉末，其化學(xué)成分為(重量百分比)40 60% Ni、18 22% Co、19 25% Cr、6 8% A1、0. 08 1. 5% Y，其粒徑為45 90 ii m ;陶瓷相為金屬間化合物Ti3Al顆粒，其粒徑為40 60 y m，然后將NiCoCrAlY合金粉末與Ti3Al顆粒分別裝入雙斗自動送粉器9的兩個裝料斗7、7'內(nèi)；將鎳基高溫合金14的表面進(jìn)行除銹、除油、清洗與噴砂處理。此外，精確調(diào)節(jié)雙斗送粉器9的兩個裝料斗7、7'的送粉率，使Ti3Al顆粒在復(fù)合粉末8 (由Ti3Al顆粒與NiCoCrAlY合金粉末組成的混合物)內(nèi)的質(zhì)量百分含量為0 90wt. % ; (2)將鎳基高溫合金14的表面與安裝有專用導(dǎo)磁體16的感應(yīng)加熱線圈10之間的距離調(diào)整為8mm內(nèi)，通入電流至感應(yīng)加熱線圈IO，并利用計算機(jī)1調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱電源12的感應(yīng)加熱功率，使鎳基高溫合金14的表面被感應(yīng)加熱線圈10加熱的溫度為930°C，同時利用銅管18對感應(yīng)加熱區(qū)11吹入N2作為保護(hù)氣體，防止感應(yīng)加熱區(qū)11的高溫氧化；
(3)Nd:YAG激光器2發(fā)出的激光束經(jīng)過導(dǎo)光系統(tǒng)3傳輸?shù)轿挥诩す忸^4內(nèi)的聚焦系統(tǒng)5聚焦，聚焦后的Nd:YAG激光束與雙斗自動送粉器9的粉末噴嘴6定位于感應(yīng)加熱區(qū)11內(nèi)，實現(xiàn)激光熱源與感應(yīng)加熱源的復(fù)合；利用粉末噴嘴6將復(fù)合粉末8吹入激光感應(yīng)復(fù)合熔覆熱源形成的熔池17內(nèi)，復(fù)合粉末8在熔池17內(nèi)發(fā)生熔化并在鎳基高溫合金14的表面鋪開，當(dāng)激光束與感應(yīng)加熱源移開后，熔融層冷卻并凝固結(jié)晶形成涂層15 ;激光感應(yīng)復(fù)合熔覆過程中，粉末噴嘴6與鎳基高溫合金14的表面法向間的夾角為37° ，粉末噴嘴6與鎳基高溫合金14表面的垂直距離為10mm，粉末流量為12kg/h，激光束光斑直徑為8mm，激光功率為3kW，感應(yīng)加熱功率為120kW，激光掃描速度為8m/min，單層涂層的厚度為0. 5mm ;
(4)當(dāng)激光感應(yīng)復(fù)合熔覆完一道之后，沿激光掃描速度的垂直方向移動數(shù)控機(jī)床13，其移動的距離為激光光斑直徑的45%，從而控制連續(xù)兩道次間的搭接率為55% ;
(5)當(dāng)激光感應(yīng)復(fù)合熔覆完一層涂層之后，利用計算機(jī)l將激光頭4、感應(yīng)加熱線圈10和粉末噴嘴6返回到上一涂層激光感應(yīng)復(fù)合熔覆時的起始位置，并沿Z軸上升0. 5mm，同時增加陶瓷相Ti3Al的送粉率，使11^1顆粒在復(fù)合粉末8內(nèi)的質(zhì)量百分含量增加18wt. % ; (6)檢測涂層的厚度是否達(dá)到預(yù)期的厚度要求，如果沒有，重復(fù)步驟(2)-(5)，直到涂層達(dá)到所要求的厚度；否則，工作結(jié)束。
權(quán)利要求
一種激光感應(yīng)復(fù)合熔覆梯度功能熱障涂層的方法，其特征是方法步驟為(1)首先將粘結(jié)金屬MCrAlY(M＝Ni，NiCo)合金粉末與陶瓷相氧化鈰穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2+(6～8％)CeO2)或鑄造WC以及高熔點、高硬度的硼化物、硅化物和金屬間化合物分別裝入雙斗自動送粉器的兩個裝料斗內(nèi)，然后將基材表面進(jìn)行除銹、除油、清洗與噴砂處理，通過精確調(diào)節(jié)雙斗送粉器的兩個裝料斗的送粉率，使陶瓷相在復(fù)合粉末內(nèi)的質(zhì)量百分含量為0～90wt.％；(2)將基材表面與感應(yīng)加熱線圈之間的距離控制在2～10mm內(nèi)，通入電流至感應(yīng)加熱線圈，并調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱功率，使基材表面被感應(yīng)加熱的溫度為300～1000℃，同時利用銅管對感應(yīng)加熱區(qū)吹入惰性保護(hù)氣體，防止其高溫氧化；(3)將聚焦激光束與雙斗自動送粉器的粉末噴嘴定位于感應(yīng)加熱區(qū)內(nèi)，實現(xiàn)激光熱源與感應(yīng)加熱源的復(fù)合；利用粉末噴嘴將復(fù)合粉末吹入激光感應(yīng)復(fù)合熔覆熱源形成的熔池內(nèi)，復(fù)合粉末在熔池內(nèi)發(fā)生熔化并在基材的表面鋪開，當(dāng)激光束與感應(yīng)加熱源移開后，熔融層冷卻并凝固結(jié)晶形成涂層；激光感應(yīng)復(fù)合熔覆過程中，粉末噴嘴與基材表面法向間的夾角為30～70°，粉末噴嘴與基材的垂直距離為10～15mm，粉末流量為1～12kg/h，激光束光斑直徑為1～20mm，激光功率為2～8kW，感應(yīng)加熱功率為20～200kW，激光掃描速度為1～12m/min，單層涂層的厚度為0.1～2mm；(4)當(dāng)激光感應(yīng)復(fù)合熔覆完一道之后，沿激光掃描速度的垂直方向移動數(shù)控機(jī)床，其移動的距離為激光光斑直徑的70～30％；(5)當(dāng)激光感應(yīng)復(fù)合熔覆完一層涂層之后，將激光頭、感應(yīng)加熱線圈和粉末噴嘴返回到上一涂層激光感應(yīng)復(fù)合熔覆時的起始位置，并沿Z軸上升到上一涂層的厚度距離，同時增加陶瓷相的送粉率，使陶瓷相在復(fù)合粉末內(nèi)的質(zhì)量百分含量增加0～90wt.％；(6)檢測涂層的厚度是否達(dá)到預(yù)期的厚度要求，如果沒有，重復(fù)步驟(2)-(5)，直到涂層達(dá)到所要求的厚度；否則，工作結(jié)束。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光感應(yīng)復(fù)合熔覆梯度功能熱障涂層的方法，其特征是所述 的陶瓷相鑲嵌于粘結(jié)金屬內(nèi)，并沿涂層厚度方向呈0 90wt. %范圍內(nèi)任意可調(diào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光感應(yīng)復(fù)合熔覆梯度功能熱障涂層的方法，其特征是所述 在進(jìn)行步驟(3)時，激光束采用(A激光、Nd:YAG激光或光纖激光，經(jīng)聚焦后與雙斗自動送 粉器的粉末噴嘴定位于感應(yīng)加熱區(qū)內(nèi)，實現(xiàn)激光熱源與感應(yīng)加熱源的復(fù)合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光感應(yīng)復(fù)合熔覆梯度功能熱障涂層的方法，其特征是所述 在步驟(4)時，將數(shù)控機(jī)床沿激光掃描速度的垂直方向移動激光光斑直徑的70 30%，從 而控制連續(xù)兩道次間的搭接率為30 70% 。
全文摘要
一種激光感應(yīng)復(fù)合熔覆梯度功能熱障涂層的方法，其特征是方法步驟為(1)將基材表面進(jìn)行除銹、除油、清洗與噴砂處理；(2)同時利用銅管對感應(yīng)加熱區(qū)吹入惰性保護(hù)氣體，防止其高溫氧化；(3)將聚焦激光束與雙斗自動送粉器的粉末噴嘴定位于感應(yīng)加熱區(qū)內(nèi)，實現(xiàn)激光熱源與感應(yīng)加熱源的復(fù)合；(4)將數(shù)控機(jī)床沿激光掃描速度的垂直方向移動激光光斑直徑的70～30％；(5)使陶瓷相在復(fù)合粉末內(nèi)的質(zhì)量百分含量增加0～90wt.％；(6)重復(fù)步驟(2)-(5)，直到涂層達(dá)到所要求的厚度；否則，工作結(jié)束。本發(fā)明的優(yōu)點是(1)對基材的尺寸、形狀以及需要處理的部位無限制；(2)對于梯度功能熱障涂層，陶瓷相在涂層內(nèi)的含量沿涂層厚度方向呈梯度變化、可控；(3)整個梯度功能熱障涂層無氣孔與裂紋；(4)服役壽命大幅度提高。
文檔編號C23C24/00GK101748402SQ20091018667
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月10日
發(fā)明者周圣豐, 曾曉雁, 杜楠 申請人:南昌航空大學(xué)