一種兼?zhèn)淇篃嵴鹦院涂箾_蝕性熱障涂層的制備方法
【專利說明】一種兼?zhèn)淇篃嵴鹦院涂箾_蝕性熱障涂層的制備方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片熱障涂層技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種兼?zhèn)淇篃嵴鹦院?抗沖蝕性熱障涂層的制備方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 目前，由于電子束物理氣相沉積（EB-PVD)技術(shù)具有涂層化學(xué)成分易于精確控制、 可得到柱狀晶組織、涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多種渦輪葉片高溫防 護(hù)涂層的制備加工，顯著提高了渦輪葉片的抗高溫氧化和抗腐蝕性能、隔熱性能，延長了發(fā) 動機(jī)工作壽命。
[0003] 但是，發(fā)動機(jī)工作狀況惡劣，尤其是渦輪葉片，自身高速旋轉(zhuǎn)，同時承受高溫高壓 氣流的沖刷；而且氣流中難免存在金屬碎肩和沙塵顆粒，對涂覆熱障涂層的渦輪葉片造成 嚴(yán)重的沖蝕。如果涂層抗沖蝕性能不佳，工作后就會出現(xiàn)涂層被高速氣流沖刷減薄，甚至 完全剝落，從而造成涂層失效的問題。該種抗沖蝕能力欠佳的熱障涂層典型結(jié)構(gòu)形貌如圖 1中所示，該類型的柱狀晶間隙大，結(jié)構(gòu)較疏松，雖然有利于熱震性能的提高，但表面粗糙度 相對較大，致使葉片的表面摩擦系數(shù)增大，涂層抗沖蝕性能達(dá)不到使用要求，致使渦輪葉片 在高溫、高沖蝕環(huán)境條件下服役時，涂層被沖蝕減薄，直至脫落。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004] 為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種兼?zhèn)淇篃嵴鹦院涂箾_蝕性熱障涂層的制備方 法，通過控制陶瓷面層沉積過程中的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)陶瓷層不同尺寸柱狀晶的生長，得到一 種兼?zhèn)淇篃嵴鹦院涂箾_蝕性熱障涂層。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種兼?zhèn)淇篃嵴鹦院涂箾_蝕性熱障涂層的制備方法，其特征在于包括以下步驟：
[0007] (1)涂層前處理；
[0008] 制備陶瓷面層前對零件進(jìn)行前處理，前處理包括：沉積底層、拋光、濕吹砂處理、超 聲波清洗；
[0009] (2)陶瓷涂層前期沉積；
[0010] 按設(shè)計要求以標(biāo)準(zhǔn)陶瓷面層加工工藝參數(shù)，進(jìn)行陶瓷面層的沉積，沉積厚度為設(shè) 計厚度的60%~80% ;
[0011] (3)陶瓷涂層最終沉積；
[0012] 陶瓷涂層沉積厚度達(dá)到設(shè)計厚度的60%~80%后，將旋轉(zhuǎn)速度降至步驟（2)中工 藝轉(zhuǎn)速的50 %~70%，束流大小降至步驟（2)中束流大小電流的60 %~80%，沉積溫度降 至步驟（2)中沉積溫度的85-95%，繼續(xù)沉積涂層，待涂層厚度達(dá)到設(shè)計要求后，關(guān)閉蒸發(fā) 束流，緩慢降低加熱零件的束流大小直至為〇,停止涂層沉積。
[0013] 進(jìn)一步，所述步驟（2)中陶瓷涂層前期沉積的工藝參數(shù)為基體溫度：900±20°C、 轉(zhuǎn)速：15~25rpm、束流大小電流：1. 5~2. 5A，使用該參數(shù)進(jìn)行陶瓷面層的前期沉積。
[0014] 進(jìn)一步，所述步驟（1)中采用0· 2MPa的風(fēng)壓進(jìn)行濕吹砂清理。
[0015] 進(jìn)一步，所述步驟（1)中采用1000~2000目的砂紙進(jìn)行拋光處理。
[0016] 進(jìn)一步，所述步驟（3)中緩慢降低加熱零件的束流大小，降低速率為0. 02~0.1 A/ min〇
[0017] 本發(fā)明采用階段式電子束物理氣相沉積的方法，在陶瓷層前期沉積過程中，形成 傳統(tǒng)的柱狀晶結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)柱狀晶尺寸較大，在冷熱循環(huán)條件下的應(yīng)變?nèi)菹薏蛔?，涂層的?熱震性能較好；而在涂層沉積的后期，通過控制沉積工藝參數(shù)，使陶瓷層柱狀晶尺寸變細(xì)， 使涂層表面柱狀晶更佳細(xì)膩，降低陶瓷層表面粗糙度，從而使涂層表面抗沖蝕性能得到有 效改善，進(jìn)而制備得到同時具有高溫抗熱震性能和抗沖蝕性能的熱障涂層。
[0018] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0019] (1)制備得到的涂層柱狀晶間隙適當(dāng)，表面粗糙度更低，可以有效提高涂層在高速 燃?xì)猸h(huán)境下的抗沖蝕性能及耐磨性能。
[0020] (2)制備得到的涂層應(yīng)變?nèi)菹逈]有產(chǎn)生變化，在葉片冷熱環(huán)境下交替服役時，可有 效消除陶瓷層熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，對涂層的抗熱震性能無影響。
[0021] (3)沉積該種涂層時的工藝參數(shù)控制簡便，無需調(diào)節(jié)工藝加工過程。 【【附圖說明】】
[0022] 圖1熱障涂層的傳統(tǒng)柱狀晶形貌； 【【具體實(shí)施方式】】
[0023] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施 例。
[0024] 通過控制陶瓷面層沉積過程中的工藝參數(shù)，以此實(shí)現(xiàn)陶瓷層不同尺寸柱狀晶的生 長，從而得到一種兼?zhèn)淇篃嵴鹦院涂箾_蝕性熱障涂層。
[0025] 該種熱障涂層的具體加工步驟如下：
[0026] (1)涂層前處理；
[0027] 制備陶瓷面層前對零件進(jìn)行前處理，前處理包括：沉積底層、拋光、濕吹砂、超聲波 清洗；
[0028] (2)陶瓷涂層前期沉積；
[0029] 按照傳統(tǒng)的陶瓷面層加工工藝參數(shù)（基體溫度：900±20°C、轉(zhuǎn)速：15~25rpm、束 流大小電流：1. 5~2. 5A，）進(jìn)行陶瓷面層的沉積，沉積厚度為設(shè)計厚度的60%~80% ;
[0030] (3)陶瓷涂層最終沉積；
[0031] 陶瓷涂層沉積厚度達(dá)到設(shè)計厚度的60%~80%后，將旋轉(zhuǎn)速度降至原工藝轉(zhuǎn)速 的50%~70%，束流大小降至原工藝束流的50%~80%，沉積溫度降至原工藝沉積溫度的 85~95%，繼續(xù)沉積涂層，待涂層厚度達(dá)到設(shè)計要求后，關(guān)閉蒸發(fā)束流，緩慢降低加熱零件 的束流大小直至為0,停止涂層沉積。
[0032] 實(shí)施方案1 :
[0033] 涂層沉積過程如下：
[0034] (1)對沉積了金屬底層的試樣表面進(jìn)行前處理：首先，將試樣表面拋光至鏡面狀 態(tài)，然后利用0. 2MPa的風(fēng)壓進(jìn)行濕吹砂清理，最后進(jìn)行超聲波清洗；
[0035] (2)利用原始加工工藝沉積陶瓷涂層，至涂層總厚度達(dá)到設(shè)計要求的厚度，以該方 案作為對比試驗。
[0036] 結(jié)果：表1中的傳統(tǒng)涂層表面粗糙度Ra = 2. 09 μ m。
[0037] 實(shí)施方案2 :
[0038] 涂層沉積過程如下：
[0039] (1)對沉積了金屬底層的試樣表面進(jìn)行前處理：首先，利用1500目的砂紙將試樣 表面拋光至鏡面狀態(tài)，然后利用〇. 2MPa的風(fēng)壓進(jìn)行濕吹砂清理，最后進(jìn)行超聲波清洗；
[0040] (2)利用原始加工工藝沉積涂層，至涂層總厚度達(dá)到設(shè)計要求的60% ;
[0041] (3)迅速降低束流至L 2±0· 1A，降低旋轉(zhuǎn)速度至lOrpm，降低零件表面溫度至 850 ± 20°C，然后將剩余40 %的涂層厚度進(jìn)行沉積，直至沉積涂層結(jié)束。
[0042] 結(jié)果：表1中的方案1涂層表面粗糙度為Ra = 1. 23 μ m，與傳統(tǒng)熱障涂層相比，粗 糙度顯著降低。
[0043] 實(shí)施方案3 :
[0044] 涂層沉積過程如下：
[0045] (1)對沉積了金屬底層的試樣表面進(jìn)行前處理：首先，利用1500目的砂紙將試樣 表面拋光至鏡面狀態(tài)，然后利用〇. 2MPa的風(fēng)壓進(jìn)行濕吹砂清理，最后進(jìn)行超聲波清洗；
[0046] (2)利用原始加工工藝沉積涂層，至涂層總厚度達(dá)到設(shè)計要求的70% ;
[0047] (3)迅速降低束流至L 3±0· 1A，降低旋轉(zhuǎn)速度至lOrpm，降低零件表面溫度至 830 ± 20°C，然后將剩余30 %的涂層厚度進(jìn)行沉積，直至沉積涂層結(jié)束。
[0048] 結(jié)果：表1中的方案2涂層表面粗糙度為Ra = 1. 35 μ m，與傳統(tǒng)熱障涂層相比，粗 糙度顯著降低。
[0049] 實(shí)施方案4 :
[0050] 涂層沉積過程如下：
[0051] (1)對沉積了金屬底層的試樣表面進(jìn)行前處理：首先，利用1500目的砂紙將試樣 表面拋光至鏡面狀態(tài)，然后利用〇. 2MPa的風(fēng)壓進(jìn)行濕吹砂清理，最后進(jìn)行超聲波清洗；
[0052] (2)利用原始加工工藝沉積涂層，至涂層總厚度達(dá)到設(shè)計要求的80% ;
[0053] (3)迅速降低束流至L 3±0· 1A，降低旋轉(zhuǎn)速度至lOrpm，降低零件表面溫度至 850 ± 20°C，然后將剩余20 %的涂層厚度進(jìn)行沉積，直至沉積涂層結(jié)束。
[0054] 結(jié)果：表1中的方案3涂層表面粗糙度為Ra = 1. 72 μ m，與傳統(tǒng)熱障涂層相比，粗 糙度顯著降低。
[0055] 表 1
[0057] 本發(fā)明的制備方法采用一步法實(shí)現(xiàn)涂層柱狀晶的梯度變化，使涂層內(nèi)部柱狀晶粗 大，涂層外表面柱狀晶較細(xì)，實(shí)現(xiàn)抗熱震性和抗沖蝕性的兼?zhèn)洌苽溥^程控制方式便捷，零 件無需出爐，易于涂層質(zhì)量控制；制備方法除應(yīng)用于電子束物理氣相沉積（EB-PVD)設(shè)備進(jìn) 行陶瓷涂層的制備以外，也可以應(yīng)用于PS-PVD進(jìn)行梯度變化的陶瓷涂層制備。
【主權(quán)項】
1. 一種兼?zhèn)淇篃嵴鹦院涂箾_蝕性熱障涂層的制備方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 涂層前處理； 制備陶瓷面層前對零件進(jìn)行前處理，前處理包括：沉積底層、拋光、濕吹砂處理、超聲波 清洗； (2) 陶瓷涂層前期沉積； 按設(shè)計要求以標(biāo)準(zhǔn)陶瓷面層加工工藝參數(shù)，進(jìn)行陶瓷面層的沉積，沉積厚度為設(shè)計厚 度的60%~80% ; (3) 陶瓷涂層最終沉積； 陶瓷涂層沉積厚度達(dá)到設(shè)計厚度的60%~80%后，將旋轉(zhuǎn)速度降至步驟（2)中工藝轉(zhuǎn) 速的50 %~70%，束流大小降至步驟（2)中束流大小電流的60 %~80%，沉積溫度降至步 驟（2)中沉積溫度的85-95%，繼續(xù)沉積涂層，待涂層厚度達(dá)到設(shè)計要求后，關(guān)閉蒸發(fā)束流， 緩慢降低加熱零件的束流大小直至為〇,停止涂層沉積。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的兼?zhèn)淇篃嵴鹦院涂箾_蝕性熱障涂層的制備方法，其特征在 于：所述步驟（2)中陶瓷涂層前期沉積的工藝參數(shù)為基體溫度 ：900±20°C、轉(zhuǎn)速：15~ 25rpm、束流大小電流：1. 5~2. 5A，使用該參數(shù)進(jìn)行陶瓷面層的前期沉積。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的兼?zhèn)淇篃嵴鹦院涂箾_蝕性熱障涂層的制備方法，其特征在 于：所述步驟⑴中采用〇. 2MPa的風(fēng)壓進(jìn)行濕吹砂清理。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的兼?zhèn)淇篃嵴鹦院涂箾_蝕性熱障涂層的制備方法，其特征在 于：所述步驟（1)中采用1000~2000目的砂紙進(jìn)行拋光處理。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的兼?zhèn)淇篃嵴鹦院涂箾_蝕性熱障涂層的制備方法，其特征在 于：所述步驟⑶中緩慢降低加熱零件的束流大小，降低速率為〇. 02~0. lA/min。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種兼?zhèn)淇篃嵴鹦院涂箾_蝕性熱障涂層的制備方法，進(jìn)行涂層前處理，然后按設(shè)計要求以標(biāo)準(zhǔn)陶瓷面層加工工藝參數(shù)，進(jìn)行陶瓷面層的沉積，沉積厚度為設(shè)計厚度的60％～80％；最后將旋轉(zhuǎn)速度降至原工藝轉(zhuǎn)速的50％～70％，束流大小降至原束流大小電流的60％～80％，沉積溫度降至原工藝沉積溫度的85～95％，繼續(xù)沉積涂層，待涂層厚度達(dá)到設(shè)計要求后，關(guān)閉蒸發(fā)束流，緩慢降低加熱零件的束流大小直至為0，停止涂層沉積；通過控制沉積工藝參數(shù)，使陶瓷層柱狀晶尺寸變細(xì)，使涂層表面柱狀晶更佳細(xì)膩，降低陶瓷層表面粗糙度，從而使涂層表面抗沖蝕性能得到有效改善，進(jìn)而制備得到同時具有高溫抗熱震性能和抗沖蝕性能的熱障涂層。
【IPC分類】C23C14/06, C23C14/30
【公開號】CN105018886
【申請?zhí)枴緾N201510411975
【發(fā)明人】劉紅斌, 王玉鋒, 雷勇, 趙彥輝, 張華 , 蔣文鴿, 趙闖, 過月娥
【申請人】西安航空動力股份有限公司
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2015年7月14日