一種提高熱障涂層與基體結(jié)合力的涂層制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱障涂層制備技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種提高熱障涂層與基體結(jié)合力的涂層制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在熱障涂層技術(shù)發(fā)展中，國內(nèi)外學(xué)者主要圍繞兩個(gè)大的方向開展了許多試驗(yàn)及理論研宄，一是圍繞熱障涂層成分設(shè)計(jì)不斷進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，二是隨著技術(shù)的發(fā)展，不斷探索涂層制備技術(shù)的新突破。
[0003]目前制備熱障涂層的技術(shù)主要有等離子噴涂(PS)、電子束-物理氣相沉積(EB-PVD)、高速火焰噴涂技術(shù)和激光熔覆等；其中，等離子噴涂具有工藝成熟、沉積效率高等優(yōu)點(diǎn)，制備的熱障涂層具有“魚鱗”狀的層狀結(jié)構(gòu)，但與基材呈結(jié)合力較差的機(jī)械結(jié)合，在使用過程中易脫落。
[0004]蔡航偉等人采用等離子噴涂技術(shù)對(duì)OCr 18Ni9Ti進(jìn)行了滲鋯處理結(jié)果表明，該合金經(jīng)滲鋯處理后其硬度達(dá)到1530HVa(l5，抗腐蝕能力在不同酸性腐蝕液下提高了 2~9倍；滲鋯層抗氧化的主要原因是在酸性環(huán)境中，由于滲層鋯含量較高，極易生成穩(wěn)定致密的氧化鋯層，構(gòu)成鈍化膜，阻止腐蝕液向內(nèi)浸入繼續(xù)腐蝕。
[0005]徐鵬開展了納米氧化鋯熱障涂層的等離子噴涂制備及性能研宄發(fā)現(xiàn):薄膜基體的結(jié)合力可以達(dá)到72N，熱震次數(shù)可以達(dá)到40次，納米級(jí)與微米級(jí)涂層抗氧化性能相差無幾，其組織相為四方相t-ZrOjP 17^-ZrO2，單斜相c_ ZrO2，立方螢石結(jié)構(gòu)m_ ZrO2o
[0006]關(guān)于EB-PVD制備熱障涂層技術(shù)的研宄，近幾年北京航天航空大學(xué)、北京航空制造工程研宄所等單位采用引進(jìn)的EB-PVD設(shè)備對(duì)熱障涂層的制備與性能進(jìn)行了廣泛的研宄，并取得了突破性進(jìn)展；據(jù)報(bào)道，采用EB-PVD技術(shù)制備的熱障涂層的顯微組織由許多彼此分離的柱狀晶組成，且每個(gè)柱狀晶又與底層牢固結(jié)合，其抗剝落壽命比離子噴涂層提高了近7倍；顯然，EB-PVD涂層具有更高應(yīng)變?nèi)菹薜闹鶢罱Y(jié)構(gòu)，可以有效改善離子噴涂層氣孔率偏高的不足，具有熱循環(huán)壽命高、致密、結(jié)合力好等優(yōu)勢，但是，在熱循環(huán)下這種彼此分離且具有應(yīng)變?nèi)菹扌袨榈闹鶢罹ЫY(jié)構(gòu)，能夠相互移動(dòng)并為氧和腐蝕劑的進(jìn)入提供通道，導(dǎo)致其高溫耐蝕性能降低，而且EB-PVD技術(shù)對(duì)設(shè)備的要求高，價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，沉積效率低，技術(shù)難度大，工業(yè)應(yīng)用受到了較大的限制。
[0007]郭雙全等采用高速火焰噴涂技術(shù)制備粘結(jié)層，用等離子噴涂技術(shù)制備氧化鋯納米層，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，涂層拉伸強(qiáng)度在30MPa在1100°C熱震次數(shù)可以達(dá)到50次，但是高速火焰噴涂中，噴涂涂層質(zhì)量的均勻性和可靠性較差。
[0008]為了克服等離子噴涂層高孔隙率和裂紋引起的抗高溫氧化性能和涂層壽命降低的問題，對(duì)等離子噴涂涂層進(jìn)行激光重熔處理，可以獲得呈外延生長的柱狀晶結(jié)構(gòu)，提高了涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度，焊合部分裂紋，但并不能完全消除等離子噴涂層內(nèi)的氣孔與裂紋。
[0009]由于等離子噴涂層高孔隙率和裂紋引起的抗高溫氧化性能和涂層壽命降低的問題，激光熔覆熱障涂層的方法受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注；與PS、EB-PVD等加工方法相比，激光熔覆熱障涂層具有如下優(yōu)點(diǎn):可對(duì)熱障涂層材料進(jìn)行成分和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，得到完全致密、與基材冶金結(jié)合的涂層，激光束光斑小、能量密度高，在熔覆的過程中可以將基材的熱影響區(qū)(HAZ)與熱變形減少到最低程度，熔覆層與基材呈冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，不易脫落；激光熔覆具有快速加熱與快速冷卻的特點(diǎn)，得到的熱障涂層的組織為致密柱狀晶，可以改善涂層的控高溫氧化及控?zé)嵴鹦阅?，提高熱障涂層的服役壽命；例如，Pei等在1045鋼上激光鋼上激光熔覆ZrO2-Ni基熱障涂層材料，得到大量的亞穩(wěn)態(tài)的C -ZrO2和少量的H1-ZrO2組成的陶瓷外層以及與基材呈冶金結(jié)合的Ni基粘結(jié)層，顯微硬度達(dá)到了 1700Hv，遠(yuǎn)高于熱噴涂加工方法制備的熱障涂層；但是，陶瓷層在快速加熱到快速冷卻的過程中ZrO2易發(fā)生相變，而且陶瓷層與高溫合金的熱膨脹系數(shù)差異較大，將引發(fā)涂層裂紋的產(chǎn)生。
[0010]周圣豐等人采用激光-感應(yīng)復(fù)合快速熔覆功能梯度YSZ/NiCrAH涂層的研宄，經(jīng)檢測制備的YSZ/NiCrAH梯度涂層無裂紋，表面平整光滑，且顯微硬度呈梯度分布，等溫氧化后，激光感應(yīng)復(fù)合快速熔覆功能梯度YSZ/NiCrAH涂層內(nèi)亞穩(wěn)態(tài)的四方氧化鋯(t' -ZrO2)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)的四方氧化鋯(t-Zr02)，從而極大地提高了基材高溫合金GH4169的抗高溫氧化性能；王蔚等采用激光燒結(jié)技術(shù)對(duì)Al203/Si02 /21<)2進(jìn)行燒結(jié)，制備了 Al 203/S12 /21<)2復(fù)合塊體材料，隨著ZrO 2的含量增加，塊體硬度也相應(yīng)增加，發(fā)現(xiàn)當(dāng)ZrO 2含量達(dá)到30%時(shí)，復(fù)合材料的性能最好；王紅英等人開展了離子噴涂氧化鋯涂層及激光重熔的摩擦磨損性能研宄，結(jié)果發(fā)現(xiàn):氧化鋯涂層經(jīng)激光重熔后的摩擦磨損性能性能明顯高于原噴涂涂層，并且發(fā)現(xiàn)納米氧化鋯涂層經(jīng)重熔后性能最優(yōu)，激光重熔可以大幅消除涂層的孔隙與裂紋。
[0011]采用激光沖擊對(duì)鋁化物涂層進(jìn)行強(qiáng)化處理不僅能使?jié)B層組織更加致密，增加滲層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，還能在滲層殘留較高的殘余壓應(yīng)力，使涂層的疲勞壽命得到提高；這種復(fù)合處理方法在國內(nèi)只有少數(shù)的學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研宄，如:江蘇大學(xué)光子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室率先開展了激光沖擊與滲鋁工藝復(fù)合強(qiáng)化處理方向的，利用大功率Nd: YAG激光器對(duì)滲鋁后的00Crl2合金鋼進(jìn)行了沖擊強(qiáng)化處理，并在不同溫度下對(duì)其進(jìn)行了高溫拉伸試驗(yàn)，從力學(xué)性能及斷口形貌等分析了滲鋁復(fù)合激光沖擊對(duì)其高溫拉伸性能的影響，激光沖擊處理使?jié)B鋁層組織更加致密并且與基體結(jié)合更加緊密，部分提高了熱穩(wěn)定性及抗氧化性能；空軍工程大學(xué)周鑫等人研宄獲得“激光沖擊強(qiáng)化+滲鋁”工藝在工程應(yīng)用中具有可行性和優(yōu)越性，通過滲鋁提高了 K417的抗高溫氧化和燃?xì)飧g性能，并研宄了激光沖擊強(qiáng)對(duì)滲鋁試樣的影響效果，激光沖擊強(qiáng)化后材料疲勞強(qiáng)度為285.5MPa,再滲鋁后疲勞強(qiáng)度提高到339.5MPa ;以上研宄表明:激光沖擊對(duì)鋁化物涂層進(jìn)行強(qiáng)化，使?jié)B層組織更加致密，增強(qiáng)了涂層與基體之間的結(jié)合力，可以有效提高涂層抗高溫氧化性能和疲勞強(qiáng)度。
[0012]從上述國內(nèi)外研宄結(jié)果來看，目前無論是從涂層成分設(shè)計(jì)，還是從涂層制備工藝來看，各種工藝技術(shù)都處在不斷發(fā)展和完善之中。主要存在的問題還是:熱障涂層(或粘結(jié)層)與基體結(jié)合強(qiáng)度不足、涂層中存在氣孔裂紋本身強(qiáng)度不高、抗氧化腐蝕及抗熱震性能不強(qiáng)等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的是提供一種提高熱障涂層與基體結(jié)合的預(yù)處理方法。。
[0014]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
I)利用飛秒激光束在高溫合金表面進(jìn)行微造型，試驗(yàn)用材GH586合金，熱沖擊試樣尺寸40 X 40 X 5_，飛秒激光器參數(shù):波長800 nm，脈寬800 fs，重頻I KHz，能量~3.5 mJ，理論光斑聚焦直徑22 ym ;為了能在零件表面實(shí)現(xiàn)微造型，我們選取光斑中心距為微造型的一個(gè)重要工藝參數(shù)，聚焦光斑中心距為:25~30 ym，孔面積與待加工零件的表面之比控制在50~60%，輻照后孔深控制在30~50 μ m，飛秒激光能量700~1240 μ J。
[0015]2)在飛秒激光微造型后的試樣上進(jìn)行等離子噴涂熱障涂層，以工業(yè)用NiCrAH復(fù)合粉末作為底層，等離子噴涂過渡層(NiCrAH)，工藝參數(shù)為:功率20~28 KW;離子氣，0.6-1.5mVhAr 氣;送粉氣，0.5 ια/h 的 N2。
[0016]3)以工業(yè)用ZrO2+ 8Y203為噴涂粉末，在步驟2)的基礎(chǔ)上進(jìn)行等離子噴涂抗氧化層ZrO2+ 8Υ203，其噴涂工藝參數(shù)為:功率30 Kff ;離子氣，1.9 m3/h的Ar氣;送粉氣，0.5m3/h 的 N2O
[0017]如此，所制備的材料在1100°C做熱震性試驗(yàn)，抗熱震疲勞次數(shù)可達(dá)到631~692次。
[0018]本發(fā)明通過在高溫合金材料表面進(jìn)行飛秒激光微造型，結(jié)合等離子噴涂熱障涂層工藝技術(shù)制備了高質(zhì)量的表面熱障涂層材料，涂層致密度高