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CN105603351A - 等离子喷涂制备稀土改性的NiAl热障涂层粘结层的方法 - Google Patents

等离子喷涂制备稀土改性的NiAl热障涂层粘结层的方法 Download PDF

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CN105603351A
CN105603351A CN201610092486.5A CN201610092486A CN105603351A CN 105603351 A CN105603351 A CN 105603351A CN 201610092486 A CN201610092486 A CN 201610092486A CN 105603351 A CN105603351 A CN 105603351A
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赵晓峰
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Henan Plame Coating Science And Technology Ltd
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Abstract

本发明涉及等离子喷涂制备稀土改性的NiAl热障涂层粘结层的方法，使用稀土元素（Rear？Earth，RE）对β-NiAL进行微合金化，即利用纯金属为原料，按照一定比例配比，配比之后熔炼，熔炼后可通过机械粉碎铸锭或直接用雾化法制备适宜于喷涂的粉末；将金属基体依次进行除锈、去油脂并喷砂处理；通过等离子喷涂将制备的NiAL-RE粉末沉积在基体上，通过等离子喷涂或电子束物理气相沉积在粘结层上沉积陶瓷层。本发明制备新型的新型NiAL-RE粘结层，取代传统的MCrAlY和Pt改性的（Ni，Pt）Al粘结层，获得成分均匀，氧化速率低，氧化层抗剥落性能大幅提高，能有效地提高热障涂层的寿命。

Description

等离子喷涂制备稀土改性的NiAl热障涂层粘结层的方法
技术领域
本发明涉及热障涂层领域，尤其是涉及等离子喷涂制备稀土改性的NiAl热障涂层粘结层的方法。
背景技术
燃气涡轮机叶片面临着苛刻的服役环境。当时主要的燃气涡轮机生产商提供的数据显示：作为普通地面用途的燃气涡轮机叶片的使用温度范围在960～1100℃；军用飞机中的燃气轮机的燃气温度高达1600℃；至于商用飞机的燃气轮机燃气温度也高达1500℃，然而用于生产涡轮叶片的镍基超强耐热合金的最高工作温度只有1100℃。随着燃气轮机燃气温度的提高，相对于开发新型高温耐热合金材料基体来讲，致力于燃气轮机涡轮叶片表面的保护其成本要低的多。热障涂层（TBCs）是指由金属粘结层和陶瓷表面涂层组成的涂层系统。陶瓷层起到隔热作用，金属粘结层连接陶瓷层和基体，减少了界面应力并提高抗氧化能力，避免了陶瓷层的过早剥落。
粘结层材料的性能对热障涂层性能有明显影响，特别是粘结层上热生长氧化层的生长行为及热生长氧化层成分等对热障涂层失效有直接影响。热障涂层的失效主要表现为陶瓷层从氧化层附近界面剥落。粘结层表面氧化层的生长特性，即粘结层的氧化行为，将直接影响热障涂层的寿命。粘结层的成分与氧化层的生长以及氧化层与陶瓷及粘结层的结合状态密切相关。因此，开发新型高性能的 粘结层材料十分重要。
通常工业已应用的TBC由两类方法制备；其中Pt改性β-NiAl粘结层与EB-PVD制备的YSZ层相匹配，而热喷涂MCrAlY（M=Ni，Co或Ni+Co）与等离子喷涂YSZ进行配合。MCrAlY是传统的工业上应用成熟的粘结层材料，在低于1150℃时，其服役性能良好。但在更高使用温度时，氧化层会加速增厚。当氧化层厚度达到5um以上时，结合力明显下降，容易引起涂层的剥落。
Pt改性β-NiAl粘结层制备步骤为：首先在高温合金上电沉积数微米的Pt，之后真空物理蒸镀一层束十微米的Al，随后进行热扩散处理而得到（Ni，Pt）Al。这类粘结层比热喷涂的NiCoCrAlY平滑，适合与EB-PVD制备的陶瓷层相配合，其服役寿命也更长。因而（Ni，Pt）Al是一种较好的粘结层材料。但是，其中Pt含量较高，造成涂层材料成本昂贵。如果Pt元素能够被其他廉价金属替代，则可以明显降低热障涂层的生产成本。
NiAl是一种β相电子化合物，价电子与原子数之比为3：2，它的晶体结构是简单的CsCl结构，有序立方B2结构。在一个较宽的成分范围（45～60 at% Ni）内均可保持这种单相结构。化学计量比的NiAl熔点为1638℃，明显高于镍基高温合金。其密度为5.68g/cm3，大约是一般高温合金温度的2/3。化学计量比NiAl的晶格常数最大，为0.289nm。化学计量比的NiAl从277～1017℃的热膨胀系数为15.1×10-6 K-1，与镍基高温合金相近。在20～1100℃时其热导率为70～80W▪m-1 ▪K-1，大约是高温合金的4～8倍。NiAl由于有较高的Al含量，在高温条件下可以形成具有阻氧能力的氧化膜而具有较好的抗高温氧化性能。
纯β-NiAl合金在高温氧化时生成的α-Al2O3膜在多数情况下粘附性不太好，在循环氧化时氧化膜的剥落将造成一定程度的损失。研究表明，添加微量的稀土元素，如Y等能显著提高氧化层的抗剥落性能。与传统的Pt改性β-NiAl粘结层相比，NiAl-RE中添加的稀土元素很微量（0.05～1at.%），用NiAl-RE取代（Ni，Pt）Al，能节约大量的成本。
使用稀土元素对β-NiAl合金化已经有了相关研究，但是研究者主要针对块体材料或使用气相沉淀制备的单层涂层的抗氧化性开展工作，而采用等离子喷涂制备稀土改性的β-NiAl粘结层的研究还未见报道。
中国专利CN102181860A公开了一种镍基高温合金表面形成Pt改性的NiAl+Ni3Al热障粘结层的方法， 该专利是在镍基高温合金表面形成Pt改性的NiAl+Ni3Al热障粘结层的制备，使用该方法制备粘结层时，需要在高温合金表面电镀一层5～12um的Pt，成本较高。这种方法制备的粘结层主要用在航空发动机上，表面粗糙度不高，厚度只有50～80um，因而不能更好地用在地面燃气轮机上面。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有粘结层材料的各种限制而提供等离子喷涂制备稀土改性的NiAl热障涂层粘结层的方法，取代常用的MCrAlY和（Ni，Pt）Al粘结层材料，获得成分均匀，性能优异，成本相对低廉的金属粘结层，从而提高热障涂层的使用寿命。
本发明所采用的技术方案是：等离子喷涂制备稀土改性的NiAl热障涂层粘结层的方法，该制备方法采用以下步骤：
（1）将稀土元素（RE）与β-NiAl混合，熔炼；
（2）将步骤（1）中熔炼后的合金制备成适宜喷涂的NiAl- RE粉末；
（3）将金属基体依次进行除锈、去油脂并喷砂处理；
（4）制备粘结层，通过等离子喷涂将步骤（2）制备得到的NiAl- RE粉末沉积在经步骤3处理的金属基体上；
（5）制备陶瓷层，通过等离子喷涂或电子束物理气相沉积在粘结层上沉积陶瓷层。
优选地，所述步骤（1）中的稀土元素包括La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Y，Sc17种元素，掺杂量为0.05～1at.%。
优选地，所述步骤（2）中采用两种方法制备适宜喷涂的NiAl- RE粉末，一是机械破碎法，采用模具钢钢棒破碎熔炼后的铸锭并采用行星式球磨机进行细化粉末，细化后的粉末采用标准试样筛晒，从中取适宜于喷涂的粉末；二是直接采用雾化法制备粉末。
优选地，所述步骤（3）中的喷砂处理时，喷砂颗粒成分主要是Al2O3,颗粒粒径为16～120目。
优选地，所述步骤（4）中制备金属粘结层，需要把金属基体、粘结层的温度控制在200～650℃,喷枪与金属基板的距离为100～250mm，喷枪移动速度为300～1000mm/s，送粉速率为10～70g/min，送粉气流为12～30L/min,电压范围为100～180V，喷涂电流范围为200～450A，Ar气体流速范围为40～120 L/min，Ar气体压力为8～20Mpa，H2气体流速范围为15～40 L/min，H2气体压力为5～15Mpa。
优选地，所述步骤（5）中通过大气等离子喷涂制备陶瓷层，陶瓷层成分为6～8wt%Y2O3稳定的ZrO2，喷枪与金属基板的距离为100～250mm，喷枪移动速度为300～1000mm/s，送粉速率为10～70g/min，送粉气流为12～30L/min，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为200～450A，Ar气体流速范围为40～120 L/min，Ar气体压力为8～20Mpa，H2气体流速范围为15～40 L/min，H2气体压力为5～15Mpa。
优选地，所述步骤（4）中喷涂的NiAl- RE粘结层厚度为50～250um，所述步骤（5）中喷涂的陶瓷层厚度为100～1000 um。
本发明具有如下的积极效果：与传统的粘结层相比，该 NiAl- RE粘结层为单一的β-NiAl相，成分均匀，且在长期高温氧化过程中结构稳定。由于NiAl- RE中Al含量相对于MCrAlY要高，故抗氧化性能好，热生长氧化层致密，且由于稀土元素的增加，氧化层的粘附性大幅增加，热循环寿命相对于传统的MCrAlY有很大程度的提高。与（Ni，Pt）Al涂层相比，RE的添加量大约是Pt的二十分之一，不仅能节约大量成本，而且性能与之相当。
附图说明
图1为等离子喷涂稀土改性的NiAl粘结层截面的结构示意图
图2为等离子喷涂稀土改性的NiAl粘结层截面的扫描电镜图
图中1、基体2、粘结层3、陶瓷层。
具体实施方式
等离子喷涂制备稀土改性的NiAl热障涂层粘结层的方法，该制备方法采用以下步骤：
（1）将稀土元素（RE）与β-NiAl混合，熔炼；
（2）将步骤（1）中熔炼后的合金制备成适宜喷涂的NiAl- RE粉末；
（3）将金属基体依次进行除锈、去油脂并喷砂处理；
（4）制备粘结层，通过等离子喷涂将步骤（2）制备得到的NiAl- RE粉末沉积在经步骤3处理的金属基体上；
（5）制备陶瓷层，通过等离子喷涂或电子束物理气相沉积在粘结层上沉积陶瓷层。
所述步骤（1）中的稀土元素包括La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Y，Sc17种元素，掺杂量为0.05～1at.%。所述步骤（2）中采用两种方法制备适宜喷涂的NiAl- RE粉末，一是机械破碎法，采用模具钢钢棒破碎熔炼后的铸锭并采用行星式球磨机进行细化粉末，细化后的粉末采用标准试样筛晒，从中取适宜于喷涂的粉末；二是直接采用雾化法制备粉末。所述步骤（3）中的喷砂处理时，喷砂颗粒成分主要是Al2O3,颗粒粒径为16～120目。所述步骤（4）中制备金属粘结层，需要把金属基体、粘结层的温度控制在200～650℃,喷枪与金属基板的距离为100～250mm，喷枪移动速度为300～1000mm/s，送粉速率为10～70g/min，送粉气流为12～30L/min,电压范围为100～180V，喷涂电流范围为200～450A，Ar气体流速范围为40～120 L/min，Ar气体压力为8～20Mpa，H2气体流速范围为15～40 L/min，H2气体压力为5～15Mpa。所述步骤（5）中通过大气等离子喷涂制备陶瓷层，陶瓷层成分为6～8wt%Y2O3稳定的ZrO2，喷枪与金属基板的距离为100～250mm，喷枪移动速度为300～1000mm/s，送粉速率为10～70g/min，送粉气流为12～30L/min，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为200～450A，Ar气体流速范围为40～120 L/min，Ar气体压力为8～20Mpa，H2气体流速范围为15～40 L/min，H2气体压力为5～15Mpa。所述步骤（4）中喷涂的NiAl- RE粘结层厚度为50～250um，所述步骤（5）中喷涂的陶瓷层厚度为100～1000 um。
在具体工作的时候：采用纯金属的丝或者块体作为原料，按要求的合金成分进行配比，将配好的物料置于磁控钨极电弧炉中，熔炼成纽扣式金锭，每个锭重50〜60g。熔炼前，电弧炉炉内压力低于10-3Pa，通入少许氩气，使电弧炉内气压保持在0.5MPa，以方便引弧和防止金属过度蒸发。电极电压 30-45V，电流700〜800A。使用水冷铜坩埚熔炼，为达到成分均匀，反复熔炼3遍。
（2）采用机械破碎法制备粉末时：将模具钢钢棒破碎NiAl- RE铸锭至2mm以下，采用行星式球磨机球磨破碎后的粉末，球磨时间为5〜60min，球磨机转速为 I00〜1000r/min。合金粉末球磨到一定的粒度后，采用标准试样筛进行筛分，试样 筛目数为60〜1000目，筛分后的粉末粒度分布在8〜300um；采用雾化法制备粉末时：采用限制式喷雾方式，粉末粒度控制在40〜100um范围内。
（3）对金属基体依次用丙酮、酒精进行去油处理，然后用颗粒粒径为16〜120目的Al203，对基体进行喷砂处理，获得均匀的表面粗糙度。
（4）通过大气等离子喷涂制备粘结层，该技术采用等离子弧喷枪将通入 喷嘴内的气体（如Ar，N2和H2等）电离，形成高温高速等离子射流，熔化喷涂 物料，使其以高速喷射到经过预处理的工件表面上而形成涂层。将步骤（3)中制备的粉末装进送粉器，调节预定参数进行喷涂。金属基体、粘结层的温度控制在 200-650 喷枪与金属基板的距离为100〜250mm，喷枪移动速度为 300〜1000mm/s，送粉速率为HK70g/min，送粉气流为2〜30L/min，电压范围为 1CKM80V，喷涂电流范围为200-450A， Ar气体流速范围为40〜120L/min， Ar气 体压力为8〜20Mpa， H2气体流速范围为15〜40L/min，H2气体压力为5〜15Mpa。等离子喷涂技术喷涂粘结层后的样品横截面如图1所示。
（5）通过大气等离子喷涂制备陶瓷层，陶瓷层成分为6〜8wt% Y203稳定的 Zr02，喷枪与金属基板的距离为100〜250mm，喷枪移动速度为300〜1000mm/s，送 粉速率为10〜70g/min，送粉气流为12〜30L/min，电压范围为100〜180V，喷涂电流 范围为200〜450A，Ar气体流速范围为40〜120L/min， Ar气体压力为8〜20Mpa， H2气体流速范围为15〜40L/min， H2气体压力为5〜15Mpa。
通过上述方法制备的热障涂层的示意图如图2所示：该方法制备的金属粘结 层呈层片状结构，等离子体射流速度大（200〜600m/s)，涂层与基体结合良好。该 方法操作简单，成本相对较低。该NiAl-RE粘结层为单一的β-NiAl相，成分均匀，且在长期高温氧化过程中结构稳定。由于NiAl-RE中A1含量相对于MCrAlY要高，故抗氧化性能好，热生长氧化层致密，且由于稀土元素的添加，氧化层的粘附性大幅增强，热循环寿命相对于传统的MCrAlY有很大程度的提高。与（Ni， Pt) AI涂层相比，RE的添加量大约是Pt的二十分之一，不仅能节约大量成本，而且性能与之相当。
实施例1
首先将纯Ni（99.6wt%）、纯Al(99.8%)、纯Ce(99.8%)按 49.5Ni-50Al-0.05Ce 进行配比，熔炼成块状合金，每个50g左右，共3个。将熔炼后的块体进行破碎球磨，球磨速度为500m/s，时间为15min。球磨后的粉末用120目和600目的筛子进行筛分，得到粒径在23〜125um的粉末90g左右。
将DZ125高温合金依次用丙酮、酒精超声波清洗15min，然后用30目的砂子进行喷砂，喷砂压力为0.5Mpa，得到表面清洁且粗糙度适中的基体表面。采用大气等离子喷涂设备将制备好的NiAl-RE粉末喷涂到高温合金基体表面形成粘结层。喷涂时，喷枪与金属基板的距离为100mm，喷枪移动速度为800mm/s，送粉速率为22g/min，送粉气流为4.2L/min，电压为120V，喷涂电流范围为400A，Ar气体流速范围为90L/min，Ar气体压力为12.5Mpa，H2气体流速范围为15L/min，H2 气体压力为l0Mpa，喷枪扫描次数为10次，得到粘结层厚度为92±30um。
采用大气等离子喷涂设备在粘结层表面喷涂陶瓷层，成分为8wt% Y203稳定的ZrO2。喷涂时，喷枪与金属基板的距离为90mm，喷枪移动速度为800mm/s，送粉速率为30g/min，送粉气流为5L/min，电压为140V，喷涂电流范围为420A，Ar气体流速范围为115L/min，Ar气体压力为12.5Mpa，H2气体流速范围为20L/min，H2气体压力为l0Mpa，喷枪扫描次数为25次，得到陶瓷层厚度为213±46um。
实施例2
首先将纯Ni（99.6wt%）、纯Al(99.8%)、纯Nd(99.7%)按 49.5Ni-50Al-0.05 Nd进行配比，熔炼成块状合金，每个50g左右，共3个。将熔炼后的块体进行破碎球磨，球磨速度为500m/s，时间为15min。球磨后的粉末用120目和600目的筛子进行筛分，得到粒径在23〜125um的粉末90g左右。
将DZ125高温合金依次用丙酮、酒精超声波清洗15min，然后用30目的砂子进行喷砂，喷砂压力为0.5Mpa，得到表面清洁且粗糙度适中的基体表面。采用大气等离子喷涂设备将制备好的NiAl-RE粉末喷涂到高温合金基体表面形成粘结层。喷涂时，喷枪与金属基板的距离为100mm，喷枪移动速度为800mm/s，送粉速率为22g/min，送粉气流为4.2L/min，电压为120V，喷涂电流范围为400A，Ar气体 流速范围为90L/min，At气体压力为12.5Mpa，H2气体流速范围为15L/min，H2 气体压力为l0Mpa，喷枪扫描次数为10次，得到粘结层厚度为115±36um。
采用大气等离子喷涂设备在粘结层表面喷涂陶瓷层，成分为8wt% Y203稳定的Zr02。喷涂时，喷枪与金属基板的距离为90mm，喷枪移动速度为800mm/s，送粉速率为30g/min，送粉气流为5L/min，电压为140V，喷涂电流范围为420A，Ar 气体流速范围为115L/min，Ar气体压力为12.5Mpa，H2气体流速范围为20L/min， H2气体压力为l0Mpa，喷枪扫描次数为30次，得到陶瓷层厚度为256±51um。
本发明通过实例对技术方案进行完整、清晰的描述，但并不对本发明构成限制。对于本领域的专业人员容易想到的各种参数变化和调整都应该属于本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.等离子喷涂制备稀土改性的NiAl热障涂层粘结层的方法，其特征在于：该制备方法采用以下步骤：
（1）将稀土元素（RE）与β-NiAl混合，熔炼；
（2）将步骤（1）中熔炼后的合金制备成适宜喷涂的NiAl- RE粉末；
（3）将金属基体依次进行除锈、去油脂并喷砂处理；
（4）制备粘结层，通过等离子喷涂将步骤（2）制备得到的NiAl- RE粉末沉积在经步骤3处理的金属基体上；
（5）制备陶瓷层，通过等离子喷涂或电子束物理气相沉积在粘结层上沉积陶瓷层。
2.根据权利要求1所述的等离子喷涂制备稀土改性的NiAl热障涂层粘结层的方法，其特征在于，所述步骤（1）中的稀土元素包括La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Y，Sc等17种元素，掺杂量为0.05～1at.%。
3.根据权利要求1所述的等离子喷涂制备稀土改性的NiAl热障涂层粘结层的方法，其特征在于：所述步骤（2）中采用两种方法制备适宜喷涂的NiAl- RE粉末，一是机械破碎法，采用模具钢钢棒破碎熔炼后的铸锭并采用行星式球磨机进行细化粉末，细化后的粉末采用标准试样筛晒，从中取适宜于喷涂的粉末；二是直接采用雾化法制备粉末。
4.根据权利要求1所述的等离子喷涂制备稀土改性的NiAl热障涂层粘结层的方法，其特征在于：所述步骤（3）中的喷砂处理时，喷砂颗粒成分主要是Al2O3,颗粒粒径为16～120目。
5.根据权利要求1所述的等离子喷涂制备稀土改性的NiAl热障涂层粘结层的方法，其特征在于：所述步骤（4）中制备金属粘结层，需要把金属基体、粘结层的温度控制在200～650℃,喷枪与金属基板的距离为100～250mm，喷枪移动速度为300～1000mm/s，送粉速率为10～70g/min，送粉气流为12～30L/min,电压范围为100～180V，喷涂电流范围为200～450A，Ar气体流速范围为40～120 L/min，Ar气体压力为8～20Mpa，H2气体流速范围为15～40 L/min，H2气体压力为5～15Mpa。
6.根据权利要求1所述的等离子喷涂制备稀土改性的NiAl热障涂层粘结层的方法，其特征在于：所述步骤（5）中通过大气等离子喷涂制备陶瓷层，陶瓷层成分为6～8wt%Y2O3稳定的ZrO2，喷枪与金属基板的距离为100～250mm，喷枪移动速度为300～1000mm/s，送粉速率为10～70g/min，送粉气流为12～30L/min，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为200～450A，Ar气体流速范围为40～120 L/min，Ar气体压力为8～20Mpa，H2气体流速范围为15～40 L/min，H2气体压力为5～15Mpa。
7.根据权利要求1所述的等离子喷涂制备稀土改性的NiAl热障涂层粘结层的方法，其特征在于：所述步骤（4）中喷涂的NiAl- RE粘结层厚度为50～250um，所述步骤（5）中喷涂的陶瓷层厚度为100～1000 um。
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