一種具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的熱障涂層及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的熱障涂層及其制備方法。即利用激光直接沉積的3D打印技術(shù)在高溫合金基體上制備網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層，然后再用大氣等離子噴涂法制備陶瓷面層。與其他制備方法相比，利用激光直接沉積成型技術(shù)的制造過程受控于計算機(jī)和精密機(jī)床，不受葉片曲面和形狀的約束，可提高制造效率。利用計算機(jī)控制三維造型，可方便地在基體上沉積出不同形狀、尺寸的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層。激光極細(xì)的光斑可實(shí)現(xiàn)形狀和尺寸的精確控制。利用激光直接沉積成型技術(shù)可實(shí)現(xiàn)粘結(jié)層與基體的冶金結(jié)合，使得結(jié)合強(qiáng)度超過300MPa。有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的熱障涂層結(jié)合強(qiáng)度超過50MPa，從而有效抑制服役中的熱障涂層內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展，提高熱障涂層的服役壽命。
【專利說明】一種具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的熱障涂層及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航空、航天用熱障涂層制備技術(shù)，特別是一種具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的熱障涂層及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]熱障涂層由基體、金屬粘結(jié)層和陶瓷面層這三層組成。其中，基體通常為航空發(fā)動機(jī)和各類燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件，鎳基高溫合金具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，是制造熱端部件的主要材料；而金屬粘結(jié)層具有抗高溫氧化的性能，陶瓷材料具有優(yōu)越的耐高溫、抗腐蝕和低導(dǎo)熱的性能，將這兩層涂層依次制備于基體表面可提高熱端部件的工作溫度，增強(qiáng)熱端部件的抗高溫氧化和耐熱沖擊能力，延長熱端部件的使用壽命。
[0003]現(xiàn)有的熱障涂層通常采用大氣等離子噴涂技術(shù)(APS)、電子束物理氣相沉積技術(shù)(EB-PVD)來制備，但基體與涂層為機(jī)械結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度較低。另外，由于陶瓷面層與鎳基合金固有的熱物性的巨大差異，在制備和服役過程中容易因熱應(yīng)力作用導(dǎo)致開裂和剝落，失去對基體的保護(hù)功能。對此，一些研究提出在基體上制備網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層，將陶瓷粉末熔融并噴入粘結(jié)層網(wǎng)內(nèi)，最終形成的陶瓷面層被網(wǎng)狀粘結(jié)層分隔開，從而陶瓷面層的應(yīng)變?nèi)菹薜玫教岣?，而熱?yīng)力的作用降低。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的熱障涂層相比，具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的熱障涂層的制備方法有多種。
[0004]專利 I (GaryB.Merrill, JayA.Morrison.High temperature eros1n resistant,abradable thermal barr ier composite coating.US Patent, 6235370, 2001)公開了一種將預(yù)制的金屬蜂窩結(jié)構(gòu)焊接在基體上形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層，然后再將陶瓷粉末噴涂至粘結(jié)層的方法。
[0005]專利 2 (Subramanian, R.Honeycomb structure thermal barrier coating, UnitedStates Patent, US006846574B2, 2005)公開了一種采用光刻和電沉積聯(lián)合制備方法，即在基體上先旋涂光刻膠，通過光刻方法光刻膠上形成與網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相反的三維結(jié)構(gòu)，然后將MCrAlY和陶瓷材料依次用電沉積的方法沉積在結(jié)構(gòu)內(nèi)，去除光刻膠后得到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層，最后向粘結(jié)層內(nèi)沉積陶瓷材料得到熱障涂層。
[0006]專利3 (馬彬，李垚.一種熱障涂層及其制備方法.中國，200710144807.2，2008)公開了一種在鎳基高溫合金層外表面上先制備聚苯乙烯模板，用電沉積的方法在模板內(nèi)制備鎳材料的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，然后去除聚苯乙烯模板，再向結(jié)構(gòu)內(nèi)噴涂上氧化釔穩(wěn)定氧化鋯溶膠，煅燒后得到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層，最后向粘結(jié)層內(nèi)噴涂陶瓷粉末得到熱障涂層的方法。
[0007]上述網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)制備方法存在以下缺陷:
[0008](I)不易在具有曲面的基體材料上進(jìn)行制備；
[0009](2) 一個模板只能用于制備一種結(jié)構(gòu)和尺寸的粘結(jié)層；
[0010](3)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的尺寸和結(jié)構(gòu)難以精確控制；
[0011](4)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層與基體的結(jié)合強(qiáng)度低。
[0012]上述缺陷造成至今為止，應(yīng)用現(xiàn)有工藝方法難以進(jìn)行高效、便捷及精確的制備，同時也無法保證結(jié)合強(qiáng)度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的在于提供一種熱障涂層的制備方法，實(shí)現(xiàn)與基體具有高結(jié)合強(qiáng)度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的快速、精確制造，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高結(jié)合強(qiáng)度熱障涂層的制備，以抑制服役中的熱障涂層產(chǎn)生裂紋，并且提高熱障涂層的服役壽命。
[0014]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案如下:
[0015]一種具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的熱障涂層，所述涂層包括合金基體、金屬粘結(jié)層和陶瓷面層；其制備方法如下:
[0016](I)對高溫合金基體進(jìn)行除銹、表面粗化及除油處理，然后置于無氧環(huán)境中備用；
[0017](2)對金屬粉末進(jìn)行干燥處理；
[0018](3)將高溫合金基體置于激光加工平臺，將金屬粉末加入送粉器；
[0019 ](4)將粘結(jié)層的網(wǎng)格形狀導(dǎo)入激光加工系統(tǒng)，設(shè)定激光掃描路徑；
[0020](5)根據(jù)粉末與基體的類型以及粘結(jié)層的網(wǎng)格尺寸調(diào)整激光3D打印參數(shù)，進(jìn)行網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的制備；
[0021](6)對陶瓷粉末進(jìn)行干燥處理；
[0022](7)在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層上進(jìn)行預(yù)熱和噴砂處理；
[0023](8)采用大氣等離子噴涂法制備熱障涂層，調(diào)整等離子噴涂工藝參數(shù)，進(jìn)行熱障涂層的噴涂。
[0024]其中，步驟(5)中激光3D打印參數(shù)調(diào)整為:激光功率0.1~3kW，激光光斑半徑0.1~2mm,激光掃描速度50~500mm/min,送粉率0.5~5g/min,保護(hù)氣與載氣均為Ar氣，保護(hù)氣流量為3~251/min，載氣氣流量3~101/min。
[0025]步驟(8)中等離子噴涂工藝參數(shù)調(diào)整為:電流400~900A，電壓為40~70V，主氣和載氣均為Ar氣，主氣流量40~601/min，載氣流量3~401/min，輔助氣體為He氣，氣體流量為40~601/min,噴涂距離60~100mm,噴槍移動速度30~150mm/s。
[0026]本發(fā)明采用激光直接沉積的3D打印技術(shù)在高溫合金基體上制備具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的熱障涂層。3D打印的激光直接制造技術(shù)就是通過計算機(jī)控制，用激光將合金粉末熔化，并跟隨激光有規(guī)則地在金屬材料上游走，逐層堆積直接“生長”，直接根據(jù)零件CAD模型一步完成高性能金屬零部件的“近終成形”制造，同時實(shí)現(xiàn)了基體與粉末的冶金結(jié)合。這是一種與傳統(tǒng)“去材”制造工藝截然不同的“材料制備/零件近終成形一體化”的先進(jìn)“增材”制造技術(shù)，具有低成本、短周期、數(shù)字化的顯著特點(diǎn)，不受零件形狀和材料成分的限制。
[0027]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于:⑴激光直接沉積的3D打印技術(shù)制造粘結(jié)層的過程受控于計算機(jī)和精密機(jī)床，不受葉片曲面和形狀的約束，可提高制造效率；
(2)利用計算機(jī)三維造型，可方便地在基體上沉積出不同形狀、尺寸的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層，整個過程易于實(shí)現(xiàn)自動化；(3)激光聚焦后獲得極細(xì)的光斑可以實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層形狀、尺寸的精確控制；(4)可實(shí)現(xiàn)粘結(jié)層與基體的冶金結(jié)合，相對于傳統(tǒng)的等離子體噴涂粘結(jié)層的方法以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的制備方法，二者的結(jié)合強(qiáng)度得到提高；(5)相對于無網(wǎng)格結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的熱障涂層，制備的有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的熱障涂層結(jié)合強(qiáng)度得到提高，從而可有效抑制服役中的熱障涂層裂紋的產(chǎn)生，提高了熱障涂層的服役壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明激光直接沉積的3D打印技術(shù)在DZ4125高溫合金基體上制備的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層宏觀形貌圖。
[0029]圖2是本發(fā)明在制備有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層基體上進(jìn)一步制備的陶瓷面層的宏觀形貌圖。
[0030]圖3是本發(fā)明激光直接沉積的3D打印技術(shù)制備的粘結(jié)層的結(jié)合強(qiáng)度測量方法示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0031]實(shí)施例1
[0032]采用本發(fā)明的激光直接沉積的3D打印技術(shù)，在高溫合金基體上制備具有高結(jié)合強(qiáng)度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層。
[0033]將DZ4125鎳基單晶合金板切割成30mmX 30mmX 1mm尺寸，利用金相試樣預(yù)磨機(jī)和600#水砂紙?zhí)幚砘w高溫合金基體表面，對基體進(jìn)行除銹和表面粗化處理。將高溫合金基體置于超聲波清洗機(jī)中，加入適量無水乙醇或丙酮溶液，清洗5-10分鐘，對基體做除油處理。將NiCrAH粉末置于器皿中，再放入真空干燥箱中，在100°C下干燥4小時。將高溫合金基體置于CRS-QSF200激光加工平臺，將金屬粉末加入DPSF-3型單筒送粉器，采用同軸送粉的激光3D打印技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的制備。設(shè)定激光掃描路徑為(a)矩形結(jié)構(gòu)，邊長為8mm ； (b)矩形結(jié)構(gòu)，邊長為5mm ； (c)三角形結(jié)構(gòu)，邊長為1mm ； (d)三角形結(jié)構(gòu)，邊長為6.5mm ； (e)六邊形結(jié)構(gòu),邊長為5_ ； (f)六邊形結(jié)構(gòu),邊長為3.5_。設(shè)定激光功率為200W，激光光斑半徑為0.5_，激光掃描速度為200mm/min，送粉率為lg/min，保護(hù)氣和載氣均為Ar氣，保護(hù)氣流量為10~151/min，載氣流量為3~61/min。
[0034]將制備好的結(jié)構(gòu)利用線切割法切割成直徑為25_的圓柱，如圖1所示，網(wǎng)格的厚度為400μπι。依據(jù)國標(biāo)GB/T8642-2002方法測量網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。即將另一個直徑為25mm、材料為DZ4125高溫合金的圓柱表面進(jìn)行噴砂處理，然后用特種膠水E-7將這個圓柱與實(shí)施例1所得的試樣粘結(jié)，置于100°C的加熱爐中固化4小時以上，然后再進(jìn)行單向拉伸實(shí)驗。拉伸速率為0.2mm/min。當(dāng)應(yīng)力為51MPa時，拉伸件在膠處發(fā)生斷裂，說明本發(fā)明激光3D打印技術(shù)制備的粘結(jié)層與基體的結(jié)合強(qiáng)度大于51MPa。
[0035]實(shí)施例2
[0036]為了進(jìn)一步測量網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，采用文獻(xiàn)l(Pei Y T, OcelikV, De Hosson.1nterfacial adhes1n of laser clad funct1nally graded materials.Materials Science and Engineering，2003，A342:192-200.)的方法進(jìn)行拉伸件的制備，如圖3所示。將DZ4125鎳基單晶合金板I切割成30mmX100mmX5mm尺寸。在板上用線切割的方法加工出深1.5_、寬2_的溝槽2。然后對試樣依次用丙酮和無水乙醇清洗。進(jìn)而在槽內(nèi)進(jìn)行激光3D打印，令NiCrAH粉末熔覆整個溝槽，形成熔覆層3。設(shè)定激光功率為200W，激光光斑半徑為0.5mm，激光掃描速度為180mm/min，送粉率為lg/min，保護(hù)氣和載氣均為Ar氣，保護(hù)氣流量為10~151/min，載氣流量為3~61/min。依據(jù)國標(biāo)GB2651-1989，用線切割的方法切割出拉伸試樣4，試樣的厚度為1.5mm。進(jìn)行拉伸試驗，拉伸速率為0.5mm/min。當(dāng)應(yīng)力約為300MPa時，拉伸件在熔覆層內(nèi)部發(fā)生斷裂，說明本發(fā)明激光3D打印技術(shù)制備的粘結(jié)層與基體的結(jié)合強(qiáng)度大于300MPa，達(dá)到了冶金結(jié)合的要求。
[0037]對比例I
[0038]為了與實(shí)施例2中的粘結(jié)層與基體的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行比較，表1列出了不同方法制備的粘結(jié)層與基體的結(jié)合強(qiáng)度?？梢姴捎帽景l(fā)明的激光3D打印技術(shù)來制備網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層提高了粘結(jié)層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。
[0039]表1不同方法制備的粘結(jié)層與基體的結(jié)合強(qiáng)度
[0040]

【權(quán)利要求】
1.一種具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的熱障涂層，其特征在于所述涂層包括合金基體、金屬粘結(jié)層和陶瓷面層；其制備方法如下: (1)對高溫合金基體進(jìn)行除銹、表面粗化及除油處理，然后置于無氧環(huán)境中備用； (2)對金屬粉末進(jìn)行干燥處理； (3)將高溫合金基體置于激光加工平臺，將金屬粉末加入送粉器； (4)將粘結(jié)層的網(wǎng)格形狀導(dǎo)入激光加工系統(tǒng)，設(shè)定激光掃描路徑； (5)根據(jù)粉末與基體的類型以及粘結(jié)層的網(wǎng)格尺寸調(diào)整激光3D打印參數(shù)，進(jìn)行網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的制備； (6)對陶瓷粉末進(jìn)行干燥處理； (7)對于具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的基體進(jìn)行預(yù)熱，并對其表面做噴砂處理； (8)采用大氣等離子噴涂法制備熱障涂層，調(diào)整等離子噴涂工藝參數(shù)，進(jìn)行熱障涂層的嗔涂O
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的熱障涂層，其特征在于步驟(5)中激光3D打印參數(shù)調(diào)整為:激光功率0.1~3kW，激光光斑半徑0.1~2mm，激光掃描速度50~500mm/min,送粉率0.5~5g/min,保護(hù)氣與載氣均為Ar氣,保護(hù)氣流量為3~251/min,載氣氣流量3~101/min。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的熱障涂層，其特征在于步驟(8)中等離子噴涂工藝參數(shù)調(diào)整為:電流400~900A，電壓為40~70V，主氣和載氣均為Ar氣，主氣流量40~601/min，載氣流量3~401/min，輔助氣體為He氣，氣體流量為40~601/min，噴涂距離60~100mm,噴槍移動速度30~150mm/s。
4.一種具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的熱障涂層的制備方法，其特征在于所述涂層包括合金基體、金屬粘結(jié)層和陶瓷面層；其制備方法如下: (1)對高溫合金基體進(jìn)行除銹、表面粗化及除油處理，然后置于無氧環(huán)境中備用； (2)對金屬粉末進(jìn)行干燥處理； (3)將高溫合金基體置于激光加工平臺，將金屬粉末加入送粉器； (4)將粘結(jié)層的網(wǎng)格形狀導(dǎo)入激光加工系統(tǒng)，設(shè)定激光掃描路徑； (5)根據(jù)粉末與基體的類型以及粘結(jié)層的網(wǎng)格尺寸調(diào)整激光3D打印參數(shù)，進(jìn)行網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的制備； (6)對陶瓷粉末進(jìn)行干燥處理； (7)對于具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的基體進(jìn)行預(yù)熱，并對其表面做噴砂處理； (8)采用大氣等離子噴涂法制備熱障涂層，調(diào)整等離子噴涂工藝參數(shù)，進(jìn)行熱障涂層的嗔涂O
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的熱障涂層，其特征在于步驟(5)中激光3D打印參數(shù)調(diào)整為:激光功率0.1~3kW，激光光斑半徑0.1~2mm，激光掃描速度50~500mm/min,送粉率0.5~5g/min,保護(hù)氣與載氣均為Ar氣,保護(hù)氣流量為3~251/min,載氣氣流量3~101/min。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)層的熱障涂層，其特征在于步驟(8)中等離子噴涂工藝參數(shù)調(diào)整為:電流400~900A，電壓為40~70V，主氣和載氣均為Ar氣，主氣流量40~601/min，載氣流量3~401/min，輔助氣體為He氣，氣體流量為40~601/min，噴涂距離60~100mm，噴 槍移動速度30~150mm/s。
【文檔編號】B22F7/04GK104164643SQ201410405273
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月18日
【發(fā)明者】秦淵, 楊森, 王帥, 吳海濤, 吳泉圣, 周逸源 申請人:南京理工大學(xué)