CN103774082A

CN103774082A - 热障涂层的制备方法

Info

Publication number: CN103774082A
Application number: CN201410060589.4A
Authority: CN
Inventors: 于月光; 任先京; 崔崇; 章德铭; 侯伟骜; 卢晓亮
Original assignee: Bgrimm Advanced Materials Science & Technology Co ltd; Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy
Current assignee: Bgrimm Advanced Materials Science & Technology Co ltd; Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2014-05-07

Abstract

本发明公开了一种热障涂层的制备方法，属于热障涂层的制备领域，该方法包括：在工件上制备热障涂层区域采用HVOF喷涂方式或LPPS喷涂方式制备完成MCrAlY材料粘结涂层；在制备完成的MCrAlY材料粘结涂层上，以纳米结构YSZ陶瓷粉体为喷涂材料，通过三阳极等离子喷枪以特定工艺参数进行喷涂，喷涂过程中采用压缩空气对工件表面进行强制冷却，使工件的基体温度维持在低于150℃；喷涂至设定的涂层厚度，停止压缩空气的强制冷却，使工件和涂层自然冷却，即完成热障涂层的制备。该方法可实现快速制备厚度大于2000微米、孔隙率大于30%的超厚、大孔隙率的纳米结构热障涂层。

Description

热障涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及热障涂层的制备领域，特别是涉及一种快速制备超厚、大孔隙率的陶瓷热障涂层的方法。

背景技术

热障涂层技术从八十年代末到九十年代初获得迅速发展，并已广泛应用于航空、航天、舰船等领域，并且在陆基燃气轮机工业方面起着越来越重要的作用。发达国家的重型燃气轮机和先进发动机热端部件几乎都采用热障涂层技术。其中的关键部件，例如涡轮叶片（包括导向叶片和工作叶片）工作温度一般都接近其材料的许用温度，此时如果涡轮叶片每降低15℃，其持久寿命约延长1倍。根据NASA实验结果，采用热障涂层能产生100～300℃的温度降。

目前的热障涂层多采用双层体系（陶瓷涂层和金属粘结涂层），直接与基体接触的粘结涂层为MCrAlY合金，用以改善陶瓷面层与金属基体的粘结性能，同时保护镍基超合金基体避免氧化，通常采用超音速火焰喷涂（HVOF）技术或低压等离子喷涂（LPPS）技术制备。陶瓷涂层为Y₂O₃部分稳定的ZrO₂（YSZ），主要是保护高温环境下的热部件，起到隔热作用，通常利用大气等离子喷涂（APS）技术制备。

研究表明热障涂层剥落失效的主要原因是其服役过程中产生的应力：由温度梯度和热膨胀不匹配引起的热应力以及热生长氧化物（TGO）层产生的相变应力。

研究表明热障涂层的隔热性能与其厚度和孔隙率（孔隙总体积占涂层总体积之比）有直接关系。厚度越大，孔隙率越高，涂层隔热性能越好。对于具有同样厚度的陶瓷面层，其孔隙率提高1%，涂层热导率降低约10%。航空发动机热障涂层厚度一般要求200～350微米，陆基重型燃气涡轮发动机热障涂层厚度一般要求大于1000微米。但由于热输入大，热膨胀性能不匹配等原因，采用普通等离子喷涂难以获得更厚的热障涂层。提高涂层孔隙率可以减小所需热障涂层的厚度。

采用传统普通大气等离子喷涂工艺制备的YSZ涂层孔隙率偏低，一般为3.5～10%。传统的普通等离子喷涂技术存在电弧在阳极根部漂移使喷涂参数稳定性差，粉体射流温度均匀性差（束斑直径小，边缘效应显著），喷涂陶瓷材料送粉率低（约40g/min）导致生产效率低、喷涂距离短（约90mm）、喷涂时间长导致基体热输入大等问题。进而对涂层的残余应力、结合强度、均匀性、隔热性能以及基体热变形产生较大负面作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种热障涂层的制备方法，能制备超厚、大孔隙率的热障涂层，从而解决现有热障涂层喷涂时间长，涂层的厚度小、孔隙率偏低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种热障涂层的制备方法，包括：

在工件上制备热障涂层区域采用HVOF喷涂方式或LPPS喷涂方式制备完成MCrAlY材料粘结涂层；

在所述制备完成的MCrAlY材料粘结涂层上，以纳米结构YSZ陶瓷粉体为喷涂材料，通过三阳极等离子喷枪以设定参数进行喷涂，喷涂过程中采用压缩空气对所述工件表面进行强制冷却，使所述工件的基体温度维持在低于150℃；

喷涂至设定的涂层厚度，停止压缩空气强制冷却，使工件和涂层自然冷却，即完成热障涂层的制备。

本发明的有益效果为：由于采用MCrAlY材料制备粘结涂层，以及通过三阳极等离子喷枪进行喷涂纳米结构YSZ陶瓷粉体制备热障涂层，可实现快速制备厚度大于2000微米、孔隙率大于30%的超厚、大孔隙率的纳米结构热障涂层。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例的方法制备的孔隙率为40.5%的热障陶瓷涂层的显微组织结构图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种热障涂层的制备方法，可快速制备超厚、大孔隙率热障涂层，该方法包括以下步骤：

喷涂至设定的涂层厚度，停止所述压缩空气的强制冷却，使所述工件和涂层自然冷却，即完成热障涂层的制备。

上述制备方法中，在制备MCrAlY材料粘结涂层之前，包括：对工件上制备热障涂层区域之外的区域采用热喷涂专用防护胶带或机械防护方式进行保护。

上述制备方法中，采用的纳米结构YSZ陶瓷粉体为喷涂材料为：粉体粒度分布为15～125微米，粉体化学成分为6～9Wt.%｝Y₂O₃部分稳定的ZrO₂，粉体晶粒尺寸为纳米级的喷涂材料。

上述制备方法中，纳米结构YSZ陶瓷粉体采用北京矿冶研究总院生产的纳米结构YSZ陶瓷粉体。

上述制备方法中，通过三阳极等离子喷枪进行喷涂的参数为：粉体射流速度为200～300m/s，送粉率为100～300g/min，喷涂距离为120～50mm。

本发明的方法，采用具有特殊粒度分布的纳米结构YSZ粉末和三阳极等离子喷涂系统，所制备的热障涂层厚度可大于2000微米，孔隙率大于30%，送粉速率高达普通等离子喷涂工艺的3倍以上，实现了快速制备超厚、大孔隙率热障涂层的目的；由于喷涂时间变短以及喷涂距离延长，能够有效降低基体热输入（基体温度低于150℃），减小工件变形，进而提高了涂层的使用寿命。可主要应用但不限于各种航空发动机、陆基燃气涡轮发动机热端部件的隔热防护，降低了对叶片基材的热输入从而降低涂层残余内应力，制备孔隙率大于30%，厚度大于2000微米的热障涂层。解决了如何快速制备超厚、大孔隙率热障涂层的问题。具有更高的生产效率，涂层厚度均匀性。提高了涂层的隔热性能和使用寿命。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明

本发明的制备方法，在喷涂前，在工件表面已采用HVOF技术或LPPS技术制备完成MCrAlY材料粘结涂层，制备MCrAlY材料粘结涂层前，对无涂层区域采用热喷涂专用防护胶带或机械方法进行保护；

采用北京矿冶研究总院生产(或具有同等性能参数)的纳米结构YSZ陶瓷粉体，通过多轴机械手（也可采用手工）夹持的三阳极等离子喷枪（DELTA）以设定参数进行喷涂，在喷涂过程中采用压缩空气对工件表面进行强制冷却，使基体温度维持在150℃以下；

连续喷涂至设定的涂层厚度，停止压缩空气强制冷却，使工件和涂层自然冷却；

拆除防护胶带及其他防护装置，完成热障涂层的制备。

该方法可实现快速制备厚度大于2000微米、孔隙率大于30%的超厚、大孔隙率的纳米结构热障涂层（制备涂层的示意参见图1）。

实施例1

首先将待喷涂工件采用适当方式装卡固定，用纯净压缩空气吹干表面，并用热喷涂专用防护胶带或其他机械方法对工件的基体无涂层部位进行保护；

彻底清理送粉器、送粉管、喷枪，并保持喷涂环境清洁无污染，喷涂过程中保持较大的抽风除尘风量，确保喷涂过程无杂质引入；

采用北京矿冶研究总院生产(或具有同等性能参数)的纳米结构YSZ陶瓷粉体，通过多轴机械手（也可采用手工）夹持的三阳极等离子喷枪（DELTA）以设定参数进行喷涂。在喷涂过程中采用压缩空气对工件表面进行强制冷却，使工件的基体温度维持在150℃以下；

喷涂至设定的涂层厚度，停止压缩空气强制冷却，使工件和涂层自然冷却。

拆除防护胶带及其他防护装置，完成热障涂层的制备。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种热障涂层的制备方法，其特征在于，包括：

在所述制备完成的MCrAlY材料粘结涂层上，以纳米结构YSZ陶瓷粉体为喷涂材料，通过三阳极等离子喷枪按设定参数进行喷涂，喷涂过程中采用压缩空气对所述工件表面进行强制冷却，使所述工件的基体温度维持在低于150℃；

2.如权利要求1所述发热障涂层的制备方法，其特征在于，在制备MCrAlY材料粘结涂层之前，包括：对工件上制备热障涂层区域之外的区域采用热喷涂专用防护胶带或机械防护方式进行保护。

3.如权利要求1所述发热障涂层的制备方法，其特征在于，所述采用的纳米结构YSZ陶瓷粉体为喷涂材料为：粉体粒度分布为15～125微米，粉体化学成分为6～9Wt.%｝Y₂O₃部分稳定的ZrO₂，粉体晶粒尺寸为纳米级的喷涂材料。

4.如权利要求1或3所述发热障涂层的制备方法，其特征在于，所述纳米结构YSZ陶瓷粉体采用北京矿冶研究总院生产的纳米结构YSZ陶瓷粉体。

5.如权利要求1所述发热障涂层的制备方法，其特征在于，所述通过三阳极等离子喷枪进行喷涂的设定参数为：

粉体射流速度为200～300m/s，送粉率为100～300g/min，喷涂距离为120～50mm。