熱障涂層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種熱障涂層的制備方法，屬于熱障涂層的制備領(lǐng)域，該方法包括：在工件上制備熱障涂層區(qū)域采用HVOF噴涂方式或LPPS噴涂方式制備完成MCrAlY材料粘結(jié)涂層；在制備完成的MCrAlY材料粘結(jié)涂層上，以納米結(jié)構(gòu)YSZ陶瓷粉體為噴涂材料，通過三陽極等離子噴槍以特定工藝參數(shù)進(jìn)行噴涂，噴涂過程中采用壓縮空氣對工件表面進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，使工件的基體溫度維持在低于150℃；噴涂至設(shè)定的涂層厚度，停止壓縮空氣的強(qiáng)制冷卻，使工件和涂層自然冷卻，即完成熱障涂層的制備。該方法可實(shí)現(xiàn)快速制備厚度大于2000微米、孔隙率大于30%的超厚、大孔隙率的納米結(jié)構(gòu)熱障涂層。
【專利說明】熱障涂層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱障涂層的制備領(lǐng)域，特別是涉及一種快速制備超厚、大孔隙率的陶瓷熱障涂層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱障涂層技術(shù)從八十年代末到九十年代初獲得迅速發(fā)展，并已廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船等領(lǐng)域，并且在陸基燃?xì)廨啓C(jī)工業(yè)方面起著越來越重要的作用。發(fā)達(dá)國家的重型燃?xì)廨啓C(jī)和先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件幾乎都采用熱障涂層技術(shù)。其中的關(guān)鍵部件，例如渦輪葉片(包括導(dǎo)向葉片和工作葉片)工作溫度一般都接近其材料的許用溫度，此時(shí)如果渦輪葉片每降低15°C，其持久壽命約延長I倍。根據(jù)NASA實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用熱障涂層能產(chǎn)生100~300°C的溫度降。
[0003]目前的熱障涂層多采用雙層體系(陶瓷涂層和金屬粘結(jié)涂層)，直接與基體接觸的粘結(jié)涂層為MCrAH合金，用以改善陶瓷面層與金屬基體的粘結(jié)性能，同時(shí)保護(hù)鎳基超合金基體避免氧化，通常采用超音速火焰噴涂(HVOF)技術(shù)或低壓等離子噴涂(LPPS)技術(shù)制備。陶瓷涂層為Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2 (YSZ)，主要是保護(hù)高溫環(huán)境下的熱部件，起到隔熱作用，通常利用大氣等離子噴涂(APS)技術(shù)制備。
[0004]研究表明熱障涂層剝落失效的主要原因是其服役過程中產(chǎn)生的應(yīng)力:由溫度梯度和熱膨脹不匹配引起的熱應(yīng)力以及熱生長氧化物(TGO)層產(chǎn)生的相變應(yīng)力。
[0005]研究表明熱障涂層的隔熱性能與其厚度和孔隙率(孔隙總體積占涂層總體積之t匕)有直接關(guān)系。厚度越大，孔隙率越高，涂層隔熱性能越好。對于具有同樣厚度的陶瓷面層，其孔隙率提高1%，涂層熱導(dǎo)率降低約10%。航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層厚度一般要求200~350微米，陸基重型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層厚度一般要求大于1000微米。但由于熱輸入大，熱膨脹性能不匹配等原因，采用`普通等離子噴涂難以獲得更厚的熱障涂層。提高涂層孔隙率可以減小所需熱障涂層的厚度。
[0006]采用傳統(tǒng)普通大氣等離子噴涂工藝制備的YSZ涂層孔隙率偏低，一般為3.5~10%。傳統(tǒng)的普通等離子噴涂技術(shù)存在電弧在陽極根部漂移使噴涂參數(shù)穩(wěn)定性差，粉體射流溫度均勻性差(束斑直徑小，邊緣效應(yīng)顯著)，噴涂陶瓷材料送粉率低(約40g/min)導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、噴涂距離短(約90mm)、噴涂時(shí)間長導(dǎo)致基體熱輸入大等問題。進(jìn)而對涂層的殘余應(yīng)力、結(jié)合強(qiáng)度、均勻性、隔熱性能以及基體熱變形產(chǎn)生較大負(fù)面作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種熱障涂層的制備方法，能制備超厚、大孔隙率的熱障涂層，從而解決現(xiàn)有熱障涂層噴涂時(shí)間長，涂層的厚度小、孔隙率偏低的問題。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種熱障涂層的制備方法，包括:
[0009]在工件上制備熱障涂層區(qū)域采用HVOF噴涂方式或LPPS噴涂方式制備完成MCrAH材料粘結(jié)涂層；[0010]在所述制備完成的MCrAH材料粘結(jié)涂層上，以納米結(jié)構(gòu)YSZ陶瓷粉體為噴涂材料，通過三陽極等離子噴槍以設(shè)定參數(shù)進(jìn)行噴涂，噴涂過程中采用壓縮空氣對所述工件表面進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，使所述工件的基體溫度維持在低于150°C ；
[0011 ] 噴涂至設(shè)定的涂層厚度，停止壓縮空氣強(qiáng)制冷卻，使工件和涂層自然冷卻，即完成熱障涂層的制備。
[0012]本發(fā)明的有益效果為:由于采用MCrAH材料制備粘結(jié)涂層，以及通過三陽極等離子噴槍進(jìn)行噴涂納米結(jié)構(gòu)YSZ陶瓷粉體制備熱障涂層，可實(shí)現(xiàn)快速制備厚度大于2000微米、孔隙率大于30%的超厚、大孔隙率的納米結(jié)構(gòu)熱障涂層。
【專利附圖】

【附圖說明】 [0013]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。
[0014]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的方法制備的孔隙率為40.5%的熱障陶瓷涂層的顯微組織結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0016]本發(fā)明實(shí)施例提供一種熱障涂層的制備方法，可快速制備超厚、大孔隙率熱障涂層，該方法包括以下步驟:
[0017]在工件上制備熱障涂層區(qū)域采用HVOF噴涂方式或LPPS噴涂方式制備完成MCrAH材料粘結(jié)涂層；
[0018]在所述制備完成的MCrAH材料粘結(jié)涂層上，以納米結(jié)構(gòu)YSZ陶瓷粉體為噴涂材料，通過三陽極等離子噴槍以設(shè)定參數(shù)進(jìn)行噴涂，噴涂過程中采用壓縮空氣對所述工件表面進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，使所述工件的基體溫度維持在低于150°C ；
[0019]噴涂至設(shè)定的涂層厚度，停止所述壓縮空氣的強(qiáng)制冷卻，使所述工件和涂層自然冷卻，即完成熱障涂層的制備。
[0020]上述制備方法中，在制備MCrAlY材料粘結(jié)涂層之如，包括:對工件上制備熱障涂層區(qū)域之外的區(qū)域采用熱噴涂專用防護(hù)膠帶或機(jī)械防護(hù)方式進(jìn)行保護(hù)。
[0021]上述制備方法中，采用的納米結(jié)構(gòu)YSZ陶瓷粉體為噴涂材料為:粉體粒度分布為15~125微米，粉體化學(xué)成分為6~9Wt.%} Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2，粉體晶粒尺寸為納米級的嗔涂材料。
[0022]上述制備方法中，納米結(jié)構(gòu)YSZ陶瓷粉體采用北京礦冶研究總院生產(chǎn)的納米結(jié)構(gòu)YSZ陶瓷粉體。
[0023]上述制備方法中，通過三陽極等離子噴槍進(jìn)行噴涂的參數(shù)為:粉體射流速度為200~300m/s，送粉率為100~300g/min，噴涂距離為120~50mm。[0024]本發(fā)明的方法，采用具有特殊粒度分布的納米結(jié)構(gòu)YSZ粉末和三陽極等離子噴涂系統(tǒng)，所制備的熱障涂層厚度可大于2000微米，孔隙率大于30%，送粉速率高達(dá)普通等離子噴涂工藝的3倍以上，實(shí)現(xiàn)了快速制備超厚、大孔隙率熱障涂層的目的；由于噴涂時(shí)間變短以及噴涂距離延長，能夠有效降低基體熱輸入(基體溫度低于150°C )，減小工件變形，進(jìn)而提高了涂層的使用壽命?？芍饕獞?yīng)用但不限于各種航空發(fā)動(dòng)機(jī)、陸基燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的隔熱防護(hù)，降低了對葉片基材的熱輸入從而降低涂層殘余內(nèi)應(yīng)力，制備孔隙率大于30%，厚度大于2000微米的熱障涂層。解決了如何快速制備超厚、大孔隙率熱障涂層的問題。具有更高的生產(chǎn)效率，涂層厚度均勻性。提高了涂層的隔熱性能和使用壽命。
[0025]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明
[0026]本發(fā)明的制備方法，在噴涂前，在工件表面已采用HVOF技術(shù)或LPPS技術(shù)制備完成MCrAlY材料粘結(jié)涂層，制備MCrAlY材料粘結(jié)涂層前，對無涂層區(qū)域采用熱噴涂專用防護(hù)膠帶或機(jī)械方法進(jìn)行保護(hù)；
[0027]采用北京礦冶研究總院生產(chǎn)(或具有同等性能參數(shù))的納米結(jié)構(gòu)YSZ陶瓷粉體，通過多軸機(jī)械手(也可采用手工)夾持的三陽極等離子噴槍(DELTA)以設(shè)定參數(shù)進(jìn)行噴涂，在噴涂過程中采用壓縮空氣對工件表面進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，使基體溫度維持在150°C以下；
[0028]連續(xù)噴涂至設(shè)定的涂層厚度，停止壓縮空氣強(qiáng)制冷卻，使工件和涂層自然冷卻；
[0029]拆除防護(hù)膠帶及其他防護(hù)裝置，完成熱障涂層的制備。
[0030]該方法可實(shí)現(xiàn)快速制備厚度大于2000微米、孔隙率大于30%的超厚、大孔隙率的納米結(jié)構(gòu)熱障涂層(制備涂層的示意參見圖1)。
[0031]實(shí)施例1
[0032]首先將待噴涂工 件采用適當(dāng)方式裝卡固定，用純凈壓縮空氣吹干表面，并用熱噴涂專用防護(hù)膠帶或其他機(jī)械方法對工件的基體無涂層部位進(jìn)行保護(hù)；
[0033]徹底清理送粉器、送粉管、噴槍，并保持噴涂環(huán)境清潔無污染，噴涂過程中保持較大的抽風(fēng)除塵風(fēng)量，確保噴涂過程無雜質(zhì)引入；
[0034]采用北京礦冶研究總院生產(chǎn)(或具有同等性能參數(shù))的納米結(jié)構(gòu)YSZ陶瓷粉體，通過多軸機(jī)械手(也可采用手工)夾持的三陽極等離子噴槍(DELTA)以設(shè)定參數(shù)進(jìn)行噴涂。在噴涂過程中采用壓縮空氣對工件表面進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，使工件的基體溫度維持在150°C以下；
[0035]噴涂至設(shè)定的涂層厚度，停止壓縮空氣強(qiáng)制冷卻，使工件和涂層自然冷卻。
[0036]拆除防護(hù)膠帶及其他防護(hù)裝置，完成熱障涂層的制備。
[0037]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種熱障涂層的制備方法，其特征在于，包括: 在工件上制備熱障涂層區(qū)域采用HVOF噴涂方式或LPPS噴涂方式制備完成MCrAH材料粘結(jié)涂層； 在所述制備完成的MCrAH材料粘結(jié)涂層上，以納米結(jié)構(gòu)YSZ陶瓷粉體為噴涂材料，通過三陽極等離子噴槍按設(shè)定參數(shù)進(jìn)行噴涂，噴涂過程中采用壓縮空氣對所述工件表面進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，使所述工件的基體溫度維持在低于150°C ； 噴涂至設(shè)定的涂層厚度，停止所述壓縮空氣的強(qiáng)制冷卻，使所述工件和涂層自然冷卻，即完成熱障涂層的制備。
2.如權(quán)利要求1所述發(fā)熱障涂層的制備方法，其特征在于，在制備MCrAH材料粘結(jié)涂層之前，包括:對工件上制備熱障涂層區(qū)域之外的區(qū)域采用熱噴涂專用防護(hù)膠帶或機(jī)械防護(hù)方式進(jìn)行保護(hù)。
3.如權(quán)利要求1所述發(fā)熱障涂層的制備方法，其特征在于，所述采用的納米結(jié)構(gòu)YSZ陶瓷粉體為噴涂材料為:粉體粒度分布為15~125微米，粉體化學(xué)成分為6~9Wt.%}Y203部分穩(wěn)定的ZrO2,粉體晶粒尺寸為納米級的噴涂材料。
4.如權(quán)利要求1或3所述發(fā)熱障涂層的制備方法，其特征在于，所述納米結(jié)構(gòu)YSZ陶瓷粉體采用北京礦冶研究總院生產(chǎn)的納米結(jié)構(gòu)YSZ陶瓷粉體。
5.如權(quán)利要求1所述發(fā)熱障涂層的制備方法，其特征在于，所述通過三陽極等離子噴槍進(jìn)行噴涂的設(shè)定參數(shù)為: 粉體射流速度為200~300m/s，送粉率為100~300g/min，噴涂距離為120~50mm。
【文檔編號】C23C4/08GK103774082SQ201410060589
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月21日
【發(fā)明者】于月光, 任先京, 崔崇, 章德銘, 侯偉驁, 盧曉亮 申請人:北京礦冶研究總院, 北礦新材科技有限公司