CN103789715A

CN103789715A - 一种高寿命耐氧化热障涂层材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103789715A
Application number: CN201410046125.8A
Authority: CN
Inventors: 关庆丰; 蔡杰; 杨盛志; 侯秀丽; 王晓彤; 李艳
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2014-02-10
Filing date: 2014-02-10
Publication date: 2014-05-14

Abstract

本发明属于热障涂层表面处理及改性技术领域，尤其涉及一种高寿命耐氧化热障涂层材料及其制备方法。该涂层材料，包括高温合金基体、金属粘结层、细晶重熔层和陶瓷面层。本发明还公开了一种高寿命耐氧化热障涂层材料的制备方法：高温合金基体经过预磨、清洗、喷砂粗化处理后利用等离子喷涂的方法在基体表层沉积金属粘结层，然后利用强流脉冲电子束设备对金属粘结层进行重熔处理；对重熔层最表层进行喷砂处理后，最后利用等离子喷涂方法在重熔层表层沉积陶瓷面层。本发明所制备的高寿命耐氧化热障涂层材料界面结合力好，组织成分均匀，在高温使用环境中具有稳定的耐氧化性能及较长的涂层使用寿命。

Description

一种高寿命耐氧化热障涂层材料及其制备方法

技术领域

本发明属于热障涂层表面处理及改性技术领域，尤其涉及一种高寿命耐氧化热障涂层材料及其制备方法。

背景技术

随着航空航天技术的快速发展，涡轮发动机的燃气进口温度和效率不断提高，而现有的高温合金和冷却技术已无法满足这一需求，目前国际上通用的最为有效、经济和可行的方法是在工件喷涂具有高温氧化和绝热功能的热障涂层（TBCs）材料，以此来保护叶片等高温部件免受高温度的侵蚀，增加燃气轮机功率，延长发动机的使用寿命。

TBCs 是由陶瓷氧化物和具有抗高温氧化性能的中间层组成的一种热防护系统；目前实际应用的典型航空用TBCs大都采用双层结构：起隔热作用的陶瓷面层（TC）和改善基体与陶瓷层物理相容性的金属粘结层（BC）；热障涂层的制备方法有多种，例如激光熔覆、超音速火焰喷涂（HVOF）、大气等离子喷涂（APS）、电子束物理气相沉积(EB-PVD)等；其中，大气等离子喷涂由于具有较高的喷涂沉积效率及结合强度、低的材料要求、良好的经济效益、简易的工艺过程等优点，是目前民航发动机热障涂层的主要制备方法。

在实际应用中，由于TBCs在强烈的高温氧化和腐蚀的恶劣环境中服役，并且承受频繁的冷热循环冲击，所以其使用寿命非常有限，容易发生涂层开裂、剥离、脱落等形式的失效，而且主要发生在化学组成和物理性能陡变的金属粘结层和陶瓷层的结合界面上；由等离子喷涂制备的热障涂层具有以下缺点：涂层疏松多孔且涂层成分不均匀，表面粗糙度较大；因此，在高温环境中，外界氧元素向陶瓷层和金属粘结层快速扩散，形成所谓的热生长氧化物TGO；由于等离子喷涂制备的涂层表面疏松多孔，因此在涂层界面处很难形成连续致密的TGO保护膜，并且随着氧化反应的进一步进行，过渡层中的Al逐渐贫化，粘结层内的Ni、Cr、Co等元素则会形成具有尖晶石结构的大颗粒氧化物，形成较大的生长应力，进而在涂层界面和TGO层内部萌生裂纹，最终导致涂层过早失效。

鉴于以上技术问题考虑，本发明公开了一种高寿命耐氧化热障涂层材料及其制备方法；这种涂层材料主要分为三层：金属粘结层、细晶重熔层、陶瓷层；这种涂层材料在陶瓷层与粘结层界面处引入一层重熔层，并且对该重熔层进行喷砂处理，进一步粗化最表层结构，能够更好的实现陶瓷层与粘结层之间的机械结合；此外，该重熔层组织成分均匀，具有超细的晶体结构，在高温氧化环境中，能够加速Al元素的选择性氧化，促使涂层在很短的时间内快速形成连续致密的氧化膜，从而使非受控的TGO生长按照预想的模式生长，进而有效地提高涂层的抗氧化性能，是一种理想的高寿命耐氧化热障涂层材料。

发明内容

为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种高寿命耐氧化热障涂层材料及其制备方法；通过结构设计和制备方法设计，解决了离子喷涂方法制备涂层时粘结层表面疏松多孔，界面处难以获得连续致密的TGO保护膜，导致涂层容易开裂、翘曲和脱落等问题，具有较强的高温耐氧化性能，提高了热效率，延长了使用寿命。

本发明提出的一种高寿命耐氧化热障涂层材料，包括金属基体，在所述的金属基体表面形成金属粘结层，在所述的金属粘结层表面形成组织均匀的细晶重熔层，在所述的细晶重熔层表面形成陶瓷面层。

所述的粘结层及陶瓷层均采用等离子喷涂方法获得，所述的细晶重熔层采用强流脉冲电子束重熔技术制备而成。

所述金属基体优选采用镍基高温合金，先采用喷砂粗化处理后再沉积金属粘结层。

所述等离子喷涂制备的金属粘结层采用MCrAlY，其中；M：Co、Ni或Co+Ni，为常规技术选择，厚度在150~200μm之间。

所述强流脉冲电子束制备的细晶重熔层表面光滑致密，重熔层厚度在10~40μm之间。

所述细晶重熔层最表层先采用喷砂粗化处理后再沉积陶瓷面层。

所述等离子喷涂制备的陶瓷面层优选采用质量百分含量为6％～8％Y₂O₃稳定的ZrO₂，厚度在200~300μm之间。

本发明中，上述公开的高寿命耐氧化热障涂层材料与现有制备技术相比，具有以下优点：利用电子束对等离子喷涂方法制备的金属粘结层表面进行重熔处理，涂层表面形成均匀致密的重熔层，厚度可达几十微米；该层重熔层组织细化、均匀，在氧化前期能够快速形成TGO保护膜，从而有效抑制了其他元素的扩散，提高了涂层的抗氧化性能，减小了循环热应力的产生，有效提高了涂层的使用寿命。

本发明还提出了一种高寿命耐氧化热障涂层材料的制备方法，技术方案如下：

（1）对高温合金基体，例如发动机叶片等部件，进行预磨、清洗、喷砂粗化处理；

（2）利用等离子喷涂的方法在粗化处理后的高温合金基体表面沉积金属粘结层，完成金属粘结层的制备；

（3）对制备好的金属粘结层进行脉冲电子束轰击处理，实现金属粘结层表面重熔，完成细晶重熔层的制备；

（4）对制备好的细晶重熔层最表层进行喷砂粗化处理，提高其表层粗糙度；

（5）利用等离子喷涂的方法在粗化后的细晶重熔层表面沉积陶瓷面层，完成热障涂层的制备。

所述步骤（1）中采用的喷砂材料为50~200目刚玉，喷砂压强为0.2~0.5MPa，喷砂距离为100~150mm。

所述步骤（2）中采用的等离子喷涂技术为，大气等离子喷涂技术，选择电压为30~40V，电流为700~800A，喷枪速率为400~500mm/s，喷涂距离为70~100mm。

所述步骤（3）中采用的HCPEB重熔技术，选择真空度P≤8×10^-3 Pa，电子束能量为20~40KeV，能量密度为4~20J/cm²，轰击次数为5~50次，靶源距离15~20cm。

所述步骤（4）中采用的喷砂材料为50~100目刚玉，压强为0.2~0.5MPa，喷砂距离为100~150mm。

所述步骤（5）中采用的等离子喷涂技术为，大气等离子喷涂技术，选择电压为35~45V，电流为800~900A，喷砂速率为200~300mm/s，喷涂距离为70~100mm。

本发明所制备的高寿命耐氧化热障涂层材料具有均匀的涂层界面，增强了界面结合力，有效控制了TGO的形成与生长，缓解了界面应力，有效提高了涂层的使用寿命和抗氧化性能。

附图说明

图1 是本发明中一种高寿命耐氧化热障涂层材料截面扫描电镜（SEM）图；

图2 是图1中热障涂层材料等温氧化200h后截面SEM图。

具体实施方式

下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明。

实施例1：

（1）热障涂层的制备：

S1、对高温合金基体进行预磨、清洗、喷砂粗化处理；根据喷砂设备的技术要求选择喷砂材料为60目白刚玉，压强为0.4MPa，喷砂距离为120mm。

S2、利用大气等离子喷涂的方法在粗化处理后的高温合金基体表面沉积金属粘结层Co23Cr13Al0.5Y，完成金属粘结层的制备，粘结层厚度为160μm；根据大气等离子喷涂设备要求，选择选择电压为38V，电流为750A，喷枪速率为450mm/s，喷涂距离为85mm。

S3、对制备好的金属粘结层进行HCPEB轰击处理，完成细晶重熔层的制备；根据HCPEB设备的技术要求选择电子束能量为27KeV，能量密度为4J/cm²，靶源距离为15cm，对试样进行10、20及30次辐照处理。

S4、对制备好的细晶重熔层最表层进行喷砂粗化处理，提高其表层粗糙度；根据喷砂设备的技术要求选择喷砂材料为60目白刚玉，喷砂压强为0.3MPa，喷砂距离为120mm。

S5、利用大气等离子喷涂的方法在粗化后的重熔层表面沉积8% Y₂O₃稳定的ZrO₂陶瓷面层，完成热障涂层的制备，陶瓷面层厚度在240μm；根据大气等离子喷涂设备要求，选择电压为39V，电流为860A，喷枪速率为250mm/s，喷涂距离为72mm。

（2）高温氧化性能测试

S6、将制备好的热障涂层置于封闭的箱式热处理炉内，在常压静态空气氛围中1050^oC下等温氧化200h。

（3）热循环性能测试

S7、将制备好的热障涂层置于封闭的箱式热处理炉内，在常压静态空气氛围中1050^oC下保温20min后取出，利用压缩空气冷却10min，该过程记为一次热循环，共记200次热循环。

对热障涂层截面进行SEM观察。结果显示，不同脉冲次数轰击处理后，界面处重熔层厚度随轰击次数的增加而增厚，重熔层与陶瓷层界面结合完好，无孔洞裂纹等微观缺陷出现。

对热障涂层高温氧耐化性能进行测试。在1050℃下的静态氧化实验显示，在陶瓷层与重熔层界面处，TGO为一条连续、均匀且致密的氧化膜结构，仅有少量的Cr、Co氧化物出现，并且随着轰击次数的增加TGO厚度不断减小。

对热障涂层热循环性能进行测试；鉴于目前对抗热震性能尚未有统一的评价指标，本案例则对比最常用的双层热障涂层来判断该案例涂层热震性能的提高，实验结果显示，200次热循环后，原始双层涂层表面氧化膜脱落超过20%，宣告失效；本案例提出的三层涂层表面氧化膜仅有少部分脱落，10次轰击后制备的涂层脱落面积不超过10%，20次轰击后制备的涂层脱落面积不超过5%，30次轰击后制备的热障涂层表面完好无损。

实施例2

同实施例1，仅改变步骤S3中电子束参数，根据HCPEB设备的技术要求选择电子束能量为21.6、23.4及27KeV，能量密度为4J/cm²，对金属粘结层进行30次辐照处理。

对热障涂层截面进行SEM观察。结果显示，不同脉冲能量轰击处理后，界面处重熔层厚度随轰击能量的增加而增厚，重熔层与陶瓷层界面结合完好，无孔洞裂纹等微观缺陷出现。

对热障涂层高温氧耐化性能进行测试。在1050℃下的静态氧化实验显示，在陶瓷层与重熔层界面处，TGO为一条连续均匀且致密的氧化膜结构，并且随着轰击能量的增加TGO厚度不断减小。

对热障涂层高热循环性能进行测试。实验结果显示，200次热循环后，原始双层涂层表面氧化膜脱落超过20%，宣告失效；本案例提出的三层涂层表面氧化膜仅有少部分脱落，低能量21.6KeV与中能量23.4KeV制备的热障涂层脱落面积不超过5%，高能量27KeV制备的热障涂层表面完好无损。

实施例3

同实施例1，仅改变步骤S2中金属粘结层的成分，利用大气等离子喷涂的方法在粗化处理后的高温合金基体表面沉积金属粘结层Ni21Co32Cr8Al0.5Y，完成金属粘结层的制备。

对热障涂层高温氧耐化性能进行测试。在1050℃下的静态氧化实验显示，在陶瓷层与重熔层界面处，TGO为一条连续均匀且致密的氧化膜结构，仅有少量的Ni、Cr、Co混合氧化物出现，并且随着轰击次数的增加TGO厚度不断减小。

对热障涂层高热循环性能进行测试。实验结果显示，200次热循环后，原始双层涂层表面氧化膜脱落超过20%，宣告失效；本案例提出的三层涂层表面氧化膜仅有少部分脱落，10次和20次轰击处理后脱落面积不超过5%，电子束30次轰击制备的热障涂层表面完好无损。

实施例4

对热障涂层截面进行SEM观察；结果显示，不同脉冲次数轰击处理后，界面处重熔层厚度随轰击次数的增加而增厚，重熔层与陶瓷层界面结合完好，无孔洞裂纹等微观缺陷出现。

对热障涂层高温氧耐化性能进行测试；在1050℃下的静态氧化实验显示，在陶瓷层与重熔层界面处，TGO为一条连续均匀且致密的氧化膜结构，并且随着轰击次数的增加TGO厚度不断减小。

对热障涂层高热循环性能进行测试；实验结果显示，200次热循环后，原始双层涂层表面氧化膜脱落超过20%，宣告失效；本案例提出的三层涂层表面氧化膜仅有少部分脱落，低能量21.6KeV与中能量23.4KeV制备的热障涂层脱落面积不超过5%，高能量27KeV制备的热障涂层表面完好无损。

在实施例1-4中获得的热障涂层材料具有三层结构，分别为陶瓷层、细晶重熔层、金属粘结层，其截面形貌如图1所示；图1是高寿命耐氧化热障涂层截面SEM分析图；图2为图1中热障涂层材料等温氧化200h后截面SEM图；结果显示，这种复合技术制备而成的热障涂层界面结合得到明显提高，细晶重熔层厚度在10-40μm之间，其利于TGO的形成与生长。这种热障涂层具有良好的高温耐氧化性能及较长的使用寿命。

Claims

1.一种高寿命耐氧化热障涂层材料，包括高温合金基体，其特征在于，在所述高温合金基体表面形成金属粘结层，在所述的金属粘结层表面形成组织均匀的细晶重熔层，在所述的细晶重熔层表面形成陶瓷面层。

2.根据权利要求1所述的一种高寿命耐氧化热障涂层材料，其特征在于：所述金属粘结层及陶瓷层均采用等离子喷涂方法获得，所述的细晶重熔层采用强流脉冲电子束重熔技术制备而成。

3.根据权利要求2所述的一种高寿命耐氧化热障涂层材料，其特征在于：所述等离子喷涂制备的金属粘结层采用MCrAlY，M为Co、Ni或Co+Ni，涂层厚度在150-200μm之间。

4.根据权利要求2所述的一种高寿命耐氧化热障涂层材料，其特征在于：强流脉冲电子束制备的细晶重熔层厚度在10-40μm之间。

5.根据权利要求2所述的一种高寿命耐氧化热障涂层材料，其特征在于：等离子喷涂制备的陶瓷面层采用质量百分含量为6％～8％Y₂O₃稳定的ZrO₂，厚度在200-300μm之间。

6.一种高寿命耐氧化热障涂层材料的制备方法，其特征在于：:包括下述步骤：

（1）对高温合金基体进行预磨、清洗、喷砂粗化处理；

（3）对制备好的金属粘结层进行HCPEB轰击处理，实现金属粘结层表面重熔，完成细晶重熔层的制备；

7.根据权利要求6所述的一种高寿命耐氧化热障涂层材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中采用的喷砂材料为50~200目刚玉，压强为0.2~0.5MPa，喷砂距离为100~150mm。

8.根据权利要求6所述的一种高寿命耐氧化热障涂层材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中采用的等离子喷涂技术为大气等离子喷涂技术，选择电压为30~40V，电流为700~800A，喷枪速率为400~500mm/s，喷涂距离为70~100mm。

9.根据权利要求6所述的一种高寿命耐氧化热障涂层材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中采用的HCPEB重熔技术，选择真空度P≤8×10^-3 Pa，电子束能量为20~40KeV，能量密度为4~20J/cm²，轰击次数为5~50次，靶源距离为15~20cm。

10.根据权利要求6所述的一种高寿命耐氧化热障涂层材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中采用的喷砂材料为50~100目刚玉，压强为0.2~0.5MPa，喷砂距离为100~150mm。

11.根据权利要求6所述的一种高寿命耐氧化热障涂层材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中采用的等离子喷涂技术为大气等离子喷涂技术，选择电压为35~45V，电流为800~900A，喷枪速率为200~300mm/s，喷涂距离为70~100mm。