專利名稱：熱障涂層激光復合等離子噴涂制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及表面涂層材料領域，特指一種熱障涂層激光復合等離子噴涂制備方法。

背景技術：
熱障涂層是指具有優(yōu)異隔熱性能的陶瓷涂層材料，通常由金屬粘結(jié)層和耐熱的氧化物陶瓷層組成。熱障涂層可以有效降低高溫部件的工作溫度，避免高溫氧化、腐蝕與磨損等，目前廣泛應用于噴氣發(fā)動機、燃氣輪機葉片、導向葉片、翼面和渦輪槳等高溫部件。
熱障涂層的概念是20世紀50年代初提出的，最早使用的熱障涂層材料是ZrO2陶瓷，其熔點高，熱導率低，抗熱沖擊性能好，熱膨脹系數(shù)較大，與金屬基體相差相對較小，但是ZrO2不穩(wěn)定，在較高溫度下容易發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，且伴隨較大的體積變化，這大大降低了它的使用壽命。為此，需采用其它氧化物進行穩(wěn)定化處理，用于穩(wěn)定的氧化物有MgO、CaO、Y2O3等，其中穩(wěn)定性最好的是Y2O3。目前應用最多的熱障涂層材料為ZrO2-(6～8)wt％Y2O3(YPSZ)。隨著航空燃氣輪機逐漸向高流量比、高推重比、高進氣口溫度方向發(fā)展，對高溫部件工作溫度的要求越來越高，現(xiàn)廣泛使用的YPSZ涂層材料已不能滿足應用的需求，因此，一些新的熱障涂層材料不斷涌現(xiàn)。
熱障涂層的制備方法很多，現(xiàn)在應用較多的有兩種，一種是等離子噴涂(PS)，另一種是電子束物理氣相沉積(EB-PVD)。與后者相比，前者具有設備投資小、工藝簡單、效率高、涂層成分和厚度易于控制、對被噴零件尺寸和形狀要求小等優(yōu)點，得到了廣泛的應用。等離子噴涂的熱障涂層與基體之間是機械咬合，為了提高涂層與基體之間的結(jié)合，除了最佳化等離子噴涂工藝參數(shù)外，基體表面的前處理也是十分重要的。因此，噴涂之前通常對基體表面進行凈化和粗化處理，這是提高界面結(jié)合強度的有效途徑之一。凈化主要是為了去除基體表面的氧化皮、油漬等，通常采用溶劑清洗、加熱脫脂等方法。溶劑清洗等化學凈化方法不僅難以控制，而且易對環(huán)境造成嚴重污染；加熱脫脂只能去除表面有機物，凈化不徹底，而且存在二次污染。粗化是為了增加涂層與基體的接觸面，使凈化過的表面更加活化，進而提高涂層的結(jié)合強度，通常采用噴砂方法。噴砂處理由于受氣源壓力、噴砂槍、金剛砂的硬度和粒度等的影響，易造成表面粗糙度不穩(wěn)定，且大小、形狀不易調(diào)控，從而影響界面結(jié)合與界面應力分布，無法充分提高涂層的使用壽命。
針對上面存在的問題，本發(fā)明提出采用激光清洗與激光毛化復合工藝處理基體表面，以有效提高涂層與基體間的界面結(jié)合強度。激光清洗是一種新的清洗方法，其是利用激光的方向性和高亮度，通過光剝離、光分解等原理清除材料表面的污染物，與目前常用的溶劑清洗、加熱脫脂等方法相比，具有簡單方便、無污染及二次污染等獨特的優(yōu)點。激光毛化主要是通過激光束與材料的相互作用，在材料表面進行熔凝-造型，采用電信號波形調(diào)控技術，不僅可以調(diào)整表面粗糙度，而且可以調(diào)整微坑的形狀，如圓形、矩形、三角形和菱形。同與之相近的噴砂粗化處理相比，其具有表面粗糙度均勻、易調(diào)控、無污染、無噪聲，處理速度快等優(yōu)點。通過激光預處理的基體表面，有利于獲得更高的界面結(jié)合強度，延長涂層的使用壽命；此外，有利于改善涂層中的應力分布，提高涂層的抗熱震性能和力學性能。因此，采用激光復合等離子噴涂工藝能夠制備出高性能的界面結(jié)合牢固的熱障涂層。


發(fā)明內(nèi)容
熱障涂層廣泛應用于高溫環(huán)境中，提高涂層與基體的界面結(jié)合強度，延長使用壽命具有重要的工程實際意義?；w表面的凈化與粗化是提高涂層與基體界面結(jié)合強度的有效方法，但現(xiàn)有的凈化和粗化方法由于自身種種因素的影響，難以充分發(fā)揮表面凈化與粗化的作用，不能有效提高界面結(jié)合強度，延長使用壽命。本發(fā)明的目的是為解決上面的問題，提供一種熱障涂層激光復合等離子噴涂制備方法，其通過激光清洗與激光毛化有效地處理與控制基體表面的清潔度與形貌，增大涂層與基體的接觸面積，改善涂層中的應力分布，從而有效提高涂層與基體的界面結(jié)合強度、抗熱震性能與力學性能，延長涂層的使用壽命。
本發(fā)明解決上述問題的技術方案是采用激光預處理與等離子噴涂相結(jié)合的復合工藝制備熱障涂層，提高涂層與基體的界面結(jié)合強度，延長涂層的使用壽命。其步驟為 1)將待處理材料采用線切割切成所需尺寸； 2)將切好的材料表面依次用100#、400#、600#、800#、1000#、1200#砂紙進行打磨； 3)將打磨后的材料表面在真空或氣體保護下采用脈沖激光清洗； 4)將清洗后的材料表面在真空或氣體保護下進行激光毛化處理，粗化材料表面； 5)將噴涂材料粉裝入送粉器，將粗化后的材料固定在轉(zhuǎn)臺上，通過真空等離子噴涂工藝制備熱障涂層；或先制備中間粘結(jié)層，然后重復步驟3)和4)中的清洗與毛化工藝，再通過真空等離子噴涂工藝制備熱障涂層。
所述的待處理材料為鎳基高溫合金或鈦基高溫合金或釹鐵硼永磁合金。
所述的脈沖激光清洗工藝采用調(diào)Q Nd:YAG激光器，具體工藝參數(shù)為激光能量密度10mJ/cm2～50mJ/cm2，脈寬5ns～10ns，波長266nm～1064nm，重復頻率10Hz，入射角度10°～90°。
所述的激光毛化工藝采用Nd:YAG脈沖激光器，具體工藝參數(shù)為激光能量密度0.5kJ/cm2～5kJ/cm2，脈寬0.2ms～1ms，離焦量-0.5mm～4.5mm，掃描速度2mm/s～10mm/s，輔助氣體氮氣或氬氣，壓力0.5MPa～5MPa。
所述的熱障涂層及其成分的原子百分比為氧化物穩(wěn)定的ZrO2，其中，氧化物為Y2O3、Al2O3、MgO、CaO、Gd2O3中的一種或幾種，質(zhì)量百分比為0.1％～10％； RE2M2O7，其中，RE為稀土金屬元素La、Ce、Pr、Nd、Gd、Y、Dy、Tb、Ho、Er中的一種或幾種，M為金屬Zr、Ce中的一種或幾種；AZrO3，其中，A為堿土金屬元素Ca、Sr、Ba、Mg中的一種或幾種。
所述的中間粘結(jié)層為NiCrAlY。
所述的熱障涂層與中間粘結(jié)層粉的顆粒尺寸為20nm～100μm。
所述的等離子噴涂工藝參數(shù)為電弧電流500A～600A，電弧電壓50V～80V，噴涂距離70mm～100mm，噴涂速度25mm/s～35mm/s，主氣Ar流量45dm3/min～80dm3/min，次氣H2流量4.5dm3/min～8dm3/min，送粉氣Ar流量2.5dm3/min～3.5dm3/min，送粉速度25g/min～40g/min。
本發(fā)明的優(yōu)點在于將材料表面進行激光預處理，可以有效凈化材料表面，控制表面粗糙度值，調(diào)整表面微觀形貌，最大限度地克服傳統(tǒng)工藝表面凈化不徹底、環(huán)境污染以及表面粗化不均勻與不可控的缺點。將表面處理后的材料固定在轉(zhuǎn)臺上，通過真空等離子噴涂工藝制備熱障涂層。這不僅顯著提高了涂層與基體的界面結(jié)合強度，而且有利于提高涂層的抗熱震性能與力學性能，推動了其在工程實際中的應用。此工藝過程簡單，適合于大規(guī)模批量化生產(chǎn)。因此，通過本發(fā)明可以制備出高性能高界面結(jié)合的熱障涂層。

具體實施例方式 本發(fā)明中熱障涂層是通過激光清洗、激光毛化與等離子噴涂相結(jié)合的復合工藝制備而成。首先將待處理材料切割成所需尺寸，然后將其表面用砂紙打磨，并將打磨表面進行激光清洗，去除表面的污染物，再將凈化表面進行激光毛化，粗化表面，最后將預處理后的材料表面通過等離子噴涂工藝制備熱障涂層。激光預處理表面干凈清潔，表面微觀形貌規(guī)則均勻，有效提高了涂層的界面結(jié)合強度，而且有利于提高涂層的綜合性能，推動了其在工程實際中的應用。
實施例1 1)將Inconel 738鎳合金采用線切割切成Φ25mm×4mm； 2)將切好的Inconel 738鎳合金表面依次用100#、400#、600#、800#、1000#、1200#砂紙進行打磨； 3)將打磨后的Inconel 738鎳合金表面在真空下采用脈沖激光清洗，具體工藝參數(shù)為激光能量密度10mJ/cm2，脈寬5ns，波長1064nm，重復頻率10Hz，入射角度10°； 4)將清洗后的Inconel 738鎳合金表面進行激光毛化處理，具體工藝參數(shù)為激光能量密度0.5kJ/cm2，脈寬0.2ms，離焦量-0.5mm，掃描速度2mm/s，輔助氣體氮氣，壓力1MPa，粗化材料表面； 5)將平均粒徑100μm的ZrO2-10wt％Y2O3粉裝入送粉器內(nèi)，將粗化后的Inconel 738鎳合金固定在轉(zhuǎn)臺上，通過真空等離子噴涂工藝制備300μm厚的ZrO2-10wt％Y2O3熱障涂層，等離子噴涂工藝參數(shù)為電弧電流600A，電弧電壓50V，噴涂距離70mm，噴涂速度25mm/s，主氣Ar流量80dm3/min，次氣H2流量8dm3/min，送粉氣Ar流量3.5dm3/min，送粉速度40g/min。
為比較，采用丙酮清洗與噴砂粗化預處理的Inconel 738鎳合金在相同工藝條件下真空等離子噴涂制備ZrO2-10wt％Y2O3熱障涂層。根據(jù)我國航空工業(yè)標準熱噴涂涂層結(jié)合強度實驗方法(HB5476-91)測得的界面結(jié)合強度值如表1。
表1 采用不同預處理工藝制備的熱障涂層的界面結(jié)合強度
從中可以看出，采用激光清洗與激光毛化預處理后，通過真空等離子噴涂制備的熱障涂層的結(jié)合強度要遠高于經(jīng)傳統(tǒng)工藝處理的表面，因此通過激光復合等離子噴涂工藝可以制備出高界面結(jié)合強度的熱障涂層。
實施例2 1)將Nd15Fe79B6合金采用線切割切成Φ25mm×4mm； 2)將切好的Nd15Fe79B6合金表面依次用100#、400#、600#、800#、1000#、1200#砂紙進行打磨； 3)將打磨后的Nd15Fe79B6合金表面在氬氣保護下采用脈沖激光清洗，具體工藝參數(shù)為激光能量密度50mJ/cm2，脈寬10ns，波長266nm，重復頻率10Hz，入射角度30°； 4)將清洗后的Nd15Fe79B6合金表面進行激光毛化處理，具體工藝參數(shù)為激光能量密度5kJ/cm2，脈寬0.6ms，離焦量2mm，掃描速度6mm/s，輔助氣體氬氣，壓力0.5MPa，粗化材料表面； 5)將平均粒徑20nm的La2(Zr0.8Ce0.2)2O7粉造粒成30μm后裝入送粉器內(nèi)，將粗化后的Nd15Fe79B6合金固定在轉(zhuǎn)臺上，通過真空等離子噴涂工藝制備100μm厚的La2(Zr0.8Ce0.2)2O7熱障涂層，等離子噴涂工藝參數(shù)為電弧電流500A，電弧電壓80V，噴涂距離90mm，噴涂速度35mm/s，主氣Ar流量50dm3/min，次氣H2流量5dm3/min，送粉氣Ar流量2.5dm3/min，送粉速度30g/min。
為比較，采用丙酮清洗與噴砂粗化預處理的Nd15Fe79B6合金在相同工藝條件下真空等離子噴涂制備La2(Zr0.8Ce0.2)2O7熱障涂層。根據(jù)我國航空工業(yè)標準熱噴涂涂層結(jié)合強度實驗方法(HB5476-91)測得的界面結(jié)合強度值如表2。
表2 采用不同預處理工藝制備的熱障涂層的界面結(jié)合強度
從中可以看出，采用激光清洗與激光毛化預處理后，通過真空等離子噴涂制備的熱障涂層的結(jié)合強度要遠高于經(jīng)傳統(tǒng)工藝處理的表面，因此通過激光復合等離子噴涂工藝可以制備出高界面結(jié)合強度的熱障涂層。
實施例3 1)將AE435鎳合金采用線切割切成Φ25mm×4mm； 2)將切好的AE435鎳合金表面依次用100#、400#、600#、800#、1000#、1200#砂紙進行打磨； 3)將打磨后的AE435鎳合金表面在氬氣保護下采用脈沖激光清洗，具體工藝參數(shù)為激光能量密度20mJ/cm2，脈寬7ns，波長532nm，重復頻率10Hz，入射角度90°； 4)將清洗后的AE435鎳合金表面進行激光毛化處理，具體工藝參數(shù)為激光能量密度4.5kJ/cm2，脈寬1ms，離焦量3mm，掃描速度3.5mm/s，輔助氣體氬氣，壓力5MPa，粗化材料表面； 5)將平均粒徑100nm的Ca0.9Sr0.1ZrO3粉造粒成50μm后裝入送粉器內(nèi)，將粗化后的AE435鎳合金固定在轉(zhuǎn)臺上，通過真空等離子噴涂工藝制備200μm厚的Ca0.9Sr0.1ZrO3熱障涂層，等離子噴涂工藝參數(shù)為電弧電流550A，電弧電壓70V，噴涂距離85mm，噴涂速度33mm/s，主氣Ar流量55dm3/min，次氣H2流量6dm3/min，送粉氣Ar流量2.8dm3/min，送粉速度35g/min。
為比較，采用丙酮清洗與噴砂粗化預處理的AE435鎳合金在相同工藝條件下真空等離子噴涂制備Ca0.9Sr0.1ZrO3熱障涂層。根據(jù)我國航空工業(yè)標準熱噴涂涂層結(jié)合強度實驗方法(HB5476-91)測得的界面結(jié)合強度值如表3。
表3 采用不同預處理工藝制備的熱障涂層的界面結(jié)合強度
從中可以看出，采用激光清洗與激光毛化預處理后，通過真空等離子噴涂制備的熱障涂層的結(jié)合強度要遠高于經(jīng)傳統(tǒng)工藝處理的表面，因此通過激光復合等離子噴涂工藝可以制備出高界面結(jié)合強度的熱障涂層。
實施例4 1)將Ti-6Al-4V合金采用線切割切成Φ25mm×4mm； 2)將切好的Ti-6Al-4V合金表面依次用100#、400#、600#、800#、1000#、1200#砂紙進行打磨； 3)將打磨后的Ti-6Al-4V合金表面在氬氣保護下采用脈沖激光清洗，具體工藝參數(shù)為激光能量密度30mJ/cm2，脈寬10ns，波長1064nm，重復頻率10Hz，入射角度90°； 4)將清洗后的Ti-6Al-4V合金表面進行激光毛化處理，具體工藝參數(shù)為激光能量密度5kJ/cm2，脈寬0.4ms，離焦量4.5mm，掃描速度10mm/s，輔助氣體氬氣，壓力3MPa，粗化材料表面； 5)將平均粒徑45μm的NiCrAlY粉裝入送粉器內(nèi)，再將粗化后的Ti-6Al-4V合金固定在轉(zhuǎn)臺上，通過真空等離子噴涂工藝制備NiCrAlY中間粘結(jié)層，等離子噴涂工藝參數(shù)為電弧電流530A，電弧電壓55V，噴涂距離100mm，噴涂速度28mm/s，主氣Ar流量45dm3/min，次氣H2流量4.5dm3/min，送粉氣Ar流量2.5dm3/min，送粉速度25g/min；然后重復步驟3)和4)中的清洗與毛化工藝，再將平均粒徑80μm的ZrO2-0.1wt％Al2O3粉裝入送粉器內(nèi)，通過真空等離子噴涂工藝制備500μm厚的ZrO2-0.1wt％Al2O3熱障涂層，等離子噴涂工藝參數(shù)為電弧電流580A，電弧電壓60V，噴涂距離80mm，噴涂速度30mm/s，主氣Ar流量65dm3/min，次氣H2流量7dm3/min，送粉氣Ar流量3.3dm3/min，送粉速度38g/min。
為比較，采用丙酮清洗與噴砂粗化預處理的Ti-6Al-4V合金在相同工藝條件下真空等離子噴涂制備ZrO2-0.1wt％Al2O3熱障涂層。根據(jù)我國航空工業(yè)標準熱噴涂涂層結(jié)合強度實驗方法(HB5476-91)測得的界面結(jié)合強度值如表4。
表4 采用不同預處理工藝制備的熱障涂層的界面結(jié)合強度
從中可以看出，采用激光清洗與激光毛化預處理后，通過真空等離子噴涂制備的熱障涂層的結(jié)合強度要遠高于經(jīng)傳統(tǒng)工藝處理的表面，因此通過激光復合等離子噴涂工藝可以制備出高界面結(jié)合強度的熱障涂層。
權(quán)利要求
1.熱障涂層激光復合等離子噴涂制備方法，其特征在于，采用脈沖激光清洗、毛化與等離子噴涂技術相結(jié)合的復合工藝制備具有高結(jié)合強度的高性能熱障涂層，延長其使用壽命；步驟為
1)將待處理材料采用線切割切成所需尺寸；
2)將切好的材料表面依次用100#、400#、600#、800#、1000#、1200#砂紙進行打磨；
3)將打磨后的材料表面在真空或氣體保護下采用脈沖激光清洗；
4)將清洗后的材料表面在真空或氣體保護下進行激光毛化處理，粗化材料表面；
5)將噴涂材料粉裝入送粉器，并將粗化后的材料固定在轉(zhuǎn)臺上，通過真空等離子噴涂工藝制備熱障涂層；或先制備中間粘結(jié)層，然后重復步驟3)和4)中的清洗與毛化工藝，再通過真空等離子噴涂工藝制備熱障涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱障涂層激光復合等離子噴涂制備方法，其特征在于，所述的待處理材料為鎳基高溫合金或鈦基高溫合金或釹鐵硼永磁合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱障涂層激光復合等離子噴涂制備方法，其特征在于，所述的脈沖激光清洗工藝采用調(diào)Q Nd:YAG激光器，具體工藝參數(shù)為激光能量密度10mJ/cm2～50mJ/cm2，脈寬5ns～10ns，波長266nm～1064nm，重復頻率10Hz，入射角度10°～90°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱障涂層激光復合等離子噴涂制備方法，其特征在于，所述的激光毛化工藝采用Nd:YAG脈沖激光器，具體工藝參數(shù)為激光能量密度0.5kJ/cm2～5kJ/cm2，脈寬0.2ms～1ms，離焦量-0.5mm～4.5mm，掃描速度2mm/s～10mm/s，輔助氣體氮氣或氬氣，壓力0.5MPa～5MPa。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱障涂層激光復合等離子噴涂制備方法，其特征在于，所述的熱障涂層及其成分的原子百分比為氧化物穩(wěn)定的ZrO2，其中，氧化物為Y2O3、Al2O3、MgO、CaO、Gd2O3中的一種或幾種，質(zhì)量百分比為0.1％～10％；或RE2M2O7，其中，RE為稀土金屬元素La、Ce、Pr、Nd、Gd、Y、Dy、Tb、Ho、Er中的一種或幾種，M為金屬Zr、Ce中的一種或幾種；或AZrO3，其中，A為堿土金屬元素Ca、Sr、Ba、Mg中的一種或幾種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱障涂層激光復合等離子噴涂制備方法，其特征在于，所述的中間粘結(jié)層為NiCrAlY。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱障涂層激光復合等離子噴涂制備方法，其特征在于，所述的熱障涂層與中間粘結(jié)層粉的顆粒尺寸為20nm～100μm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱障涂層激光復合等離子噴涂制備方法，其特征在于，所述的等離子噴涂工藝參數(shù)為電弧電流500A～600A，電弧電壓50V～80V，噴涂距離70mm～100mm，噴涂速度25mm/s～35mm/s，主氣Ar流量45dm3/min～80dm3/min，次氣H2流量4.5dm3/min～8dm3/min，送粉氣Ar流量2.5dm3/min～3.5dm3/min，送粉速度25g/min～40g/min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熱障涂層激光復合等離子噴涂制備方法，涉及表面涂層領域。其步驟為1)將待處理材料采用線切割切成所需尺寸；2)將切好的材料表面用砂紙打磨；3)將打磨的材料表面采用脈沖激光清洗；4)將清洗后的材料表面進行激光毛化處理，粗化材料表面；5)將噴涂材料粉裝入送粉器內(nèi)，并將粗化后的材料固定在轉(zhuǎn)臺上，通過等離子噴涂工藝制備熱障涂層；或先制備中間粘結(jié)層，然后重復步驟3)和4)中的清洗與毛化工藝，再通過等離子噴涂工藝制備熱障涂層。本發(fā)明制得的熱障涂層界面結(jié)合牢固，抗熱震性能和力學性能得到顯著的提高。本發(fā)明過程簡單，適合于大規(guī)模批量化生產(chǎn)，可以制備出高性能的界面結(jié)合牢固的熱障涂層。
文檔編號C23C4/02GK101768714SQ20101010771
公開日2010年7月7日 申請日期2010年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者崔熙貴, 程曉農(nóng), 崔承云, 許曉靜, 張朝陽, 魯金忠, 管海兵, 錢曉明 申請人:江蘇大學