CN104593767A

CN104593767A - 一种激光粉末沉积技术制备热障涂层粘结层的方法

Info

Publication number: CN104593767A
Application number: CN201510006733.0A
Authority: CN
Inventors: 罗丽荣; 赵晓峰; 郭芳威; 周新义
Original assignee: Henan Plame Coating Science And Technology Ltd; Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Henan Plame Coating Science And Technology Ltd; Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2015-01-07
Filing date: 2015-01-07
Publication date: 2015-05-06

Abstract

本发明涉及一种激光粉末沉积技术制备热障涂层粘结层的方法，将金属基体依次进行除锈、去油喷砂处理；通过激光粉末沉积在金属基体上沉积金属粘结层；通过喷砂对金属粘结层的表面进行处理，获得一定的表面粗糙度和粘结层厚度；通过等离子喷涂或电子束物理气相沉积在金属粘结层上沉积陶瓷隔热层。与现有技术相比，本发明通过激光粉末沉积技术制备金属粘结层，取代常用的等离子喷涂方法和电子束物理气相沉积方法，获得结构致密，成分均匀的金属粘结层，从而整体提高热障涂层的寿命。

Description

一种激光粉末沉积技术制备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，尤其是涉及一种激光粉末沉积技术制备热障涂层粘结层的方法。

背景技术

热障涂层通过在高温燃气和高温合金之间加入具有低热导率的陶瓷隔热层，从而有效降低合金表面的温度。这使高温合金在接近或者高于其熔点温度的环境中服役成为可能。在高温发动机中，热障涂层的应用能有效提高燃料效率和发动机的推重比。

目前广泛使用和研究的热障涂层的结构主要包括陶瓷表面隔热层和金属粘结层。陶瓷隔热层应用最为成熟的材料是6～8wt％Y₂O₃稳定ZrO₂，其低的热导率、高的热膨胀系数使其从其他陶瓷材料中脱颖而出。金属粘结层其热膨胀系数介于陶瓷隔热层和金属基底之间，从而减少热循环过程因为热不匹配引起的界面应力。同时在热服役中，粘结层中的Al向粘结层与陶瓷界面扩散形成连续致密的Al₂O₃层即热生长层，为基体提供有效的抗氧化层，从而提高热障涂层的热循环寿命。粘结层的成分和结构对氧化层的生长速率、成分、形貌、均匀性、与基体的结合强度等具有关键作用。因此对粘结层的结构和成分的调控一直是热障涂层领域的研究重点。应用最为广泛的粘结层的成分主要为MCrAlY(其中M＝Ni,Fe,Co)，这类金属涂层其相组成主要是γ固溶体和β-NiAl金属间化合物的混合相。

制备MCrAlY的金属粘结层的方法主要有电子束物理气相沉积(EB-PVD)和等离子喷涂(PS)。EB-PVD方法制备的粘结层结构均匀，综合性能好，但沉积效率低，设备昂贵，成本高且样品的尺寸不能太大。该方法制备的涂层主要用于航空发动机涡轮叶片等服役环境比较苛刻的部件。而PS方法沉积效率高，制备成本低。但通过该方法制备的金属涂层，组织呈层片状，结构较为疏松，且喷涂过程会出现一定程度的氧化，这使得在热循环过程中热生长层生长速率加快，并且会出现NiO,Cr₂O₃等混合氧化物，降低了界面结合强度，导致涂层过早失效。此类方法只适合用于使用环境较为温和的部件，如燃烧室和定子叶片等。目前激光粉末沉积技术已被用来制备金属涂层，其结构致密，氧化度低。但并未被用来制备热障涂层的金属粘结层。因此通过激光粉末技术，制备出厚度可控，成分结构均匀、氧化程度低的金属粘结层，对于延长热障涂层热循环寿面有非常大的应用和研究价值。

中国专利CN101748402A公开了一种激光感应复合熔覆梯度功能热障涂层的方法,步骤为:(1)将基材表面进行除锈、除油、清洗与喷砂处理；(2)同时利用铜管对感应加热区吹入惰性保护气体,防止其高温氧化；(3)将聚焦激光束与双斗自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内,实现激光热源与感应加热源的复合；(4)将数控机床沿激光扫描速度的垂直方向移动激光光斑直径的70～30％；(5)使陶瓷相在复合粉末内的质量百分含量增加0～90wt.％；(6)重复步骤(2)-(5),直到涂层达到所要求的厚度；否则,工作结束。该专利申请旨在功能梯度热障涂层的制备，通过该方法制备的涂层由于孔隙率低以及同时混入高热导率的金属颗粒，必然导致该涂层的热导率降低。而将激光粉末沉积技术应用于制备热障涂层体系中，制备成分均匀、结构致密、无孔洞和裂纹的粘结层并未见报道。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种通过激光粉末沉积技术制备金属粘结层，取代常用的等离子喷涂方法和电子束物理气相沉积方法，获得结构致密，成分均匀的金属粘结层，从而整体提高热障涂层的使用寿命。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种激光粉末沉积技术制备热障涂层粘结层的方法，采用以下步骤：

(1)将金属基体依次进行除锈、去油和喷砂处理；

(2)通过激光粉末沉积在金属基体上制备金属粘结层；

(3)通过喷砂对金属粘结层的表面进行处理，获得一定的表面粗糙度和粘结层厚度；

(4)通过等离子喷涂或电子束物理气相沉积在金属粘结层上沉积陶瓷隔热层。

优选地，步骤(1)中的喷砂处理时，喷砂压力为0.1～0.7MPa,喷砂颗粒主要成分为Al₂O₃，颗粒粒径为16～120目。

优选地，步骤(2)中所述的金属粘结层的成分为MCrAlY，其中M为Ni或Co中的一种或两种。

优选地，步骤(2)中通过高能的激光熔化金属粉末，通过氩气保护熔池，将融化的金属粉末按扫描路径沉积到基体表面，具体参数为：纤维激光器的额定功率为500～1000W，激光束光斑直径为0.35～0.7mm，激光功率为80-150W，扫描速率为5～15mm/s，金属粉末的送粉量为1～10g/min，搭界率为10～50％金属粉末通过与激光同轴的喷嘴送粉，Ar气流量为6L/min。

优选地，步骤(3)中的喷砂处理采用的喷砂压力为0.1～0.7MPa，颗粒主要成分为Al₂O₃，颗粒粒径为16～120目。

优选地，步骤(3)处理后的金属粘结层的厚度为50～300μm，表面粗糙度Ra为1～15μm。

优选地，步骤(4)中等离子喷涂的基本参数为：基体温度范围为200～500℃，喷枪与基体距离范围为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0.5～1.2L/min，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为200～250A，Ar气流速范围为40～120L/min，H₂气流速范围为15～45L/min

优选地，步骤(4)沉积的陶瓷隔热层厚度为0.1～1mm。

与现有技术相比，本发明在激光粉末沉积粘结层过程中通过氩气保护熔池，这种通过惰性气体保护能有效减少金属层在沉积过程中的氧化，抑制氧化物的生成。其次由于激光能量高，金属粉末熔化充分，因此可以避免孔洞和裂纹的产生，达到涂层致密化的作用。这种氧化率低、结构致密的粘结层能有效的减少金属离子向界面扩散速率，从而减缓热生长层的生长速率，并且有效缓解NiO，Cr₂O₃等混合氧化物在界面形成。因此提高界面的抗氧化作用和界面结合强度，最终获得低成本、高性能的热障涂层。

附图说明

图1为激光粉末沉积技术制备金属粘结层横向截面示意图

图2为激光粉末沉积技术制备的粘结层喷砂后的热障涂层示意图

图中，1为金属基体、2为金属粘结层、3为陶瓷层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的制备方法做进一步的说明。

(1)首先对金属基体1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Al₂O₃，对基体进行喷砂处理，获得均匀的表面粗糙度；

(2)通过激光粉末沉积技术在金属基体1上引入MCrAlY金属粘结层2，其中M为Ni或Co中的一种或两种。该种方法是通过Ar送金属粉末，然后利用同轴高能激光进行熔化，通过设定扫描路径、激光束直径、激光器功率、扫描速率、送粉量等获得宽度、高度一致的结构单元，通过结构单元间的相互搭界、即搭界率的控制获得连续的粘结层，其横向截面图如图1所示。使用的纤维激光器额定功率为500～1000w，激光束光斑直径为0.35～0.7mm，激光功率为80-150W，扫描速率为5～15mm/s，金属粉末的送粉量为1～10g/min，搭界率为10～50％，金属粉末通过与激光同轴的喷嘴送粉，Ar流量为6L/min；

(3)为消除粘结层表面的浮粉和使粗糙度均匀并具有各向同性，对粘结层进行喷砂处理。喷砂压力范围为0.1～0.7MPa，Al₂O₃颗粒粒径为16～120目，获得粗糙度的范围为1～15μm；

(4)通过等离子喷涂在粘结层上沉积厚度为0.1～1mm的8YSZ陶瓷层3。该方法通过高温等离子束流对陶瓷颗粒进行加热熔化或者半熔化，然后快速将其喷涂至基体表面形成具有层状结构的涂层。喷涂前对基体进行预热2～4次。具体参数为：涂层的主要成分为6～8wt％Y₂O₃-ZrO₂，基体温度范围为200～500℃，喷枪与基体距离范围为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0.5～1.2L/min，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为200～250A，Ar气流速范围为40～120L/min，H₂气流速范围为15～45L/min。

通过上述方法制备的热障涂层的示意图如图2所示。激光粉末沉积技术制备粘结层，具有操作简单、涂层致密、氧化率低、成分均匀、结构致密的优点。该粘结层在热循环过程中，由于孔隙、裂纹和孔洞的减少、可抑制离子的快速向界面扩散，从而减缓热生长层的增长速度，还可以一定程度上抑制NiO，Cr₂O₃等混合氧化物在界面形成，从而优化热障涂层的使用寿命。

实施例1

首先将Hastelloy-X合金进行清洗、喷砂处理。通过激光粉末喷涂技术制备金属粘结层，其主要成分为NiCrAlY。通过激光将金属粉末熔化，设定程序在基体上逐行沉积粘结层，结构单元的宽度大约为500μm，高度约为200μm，搭界率为25％，激光功率为130W，扫描速率为10mm/s，激光光斑直径为0.5mm，送粉率为3g/min，Ar气流量为6L/min。随后通过喷砂处理，消除激光粉末喷涂过程带来的不可控的粗糙度和粘附在表面的颗粒，其中使用的Al₂O₃粒径为60目，喷砂压力为0.5MPa。最后通过大气等离子喷涂获得厚度为200μm的8YSZ涂层，喷涂电流为400A，电压为150V，Ar流量为45L/min，H₂流量为45L/min，喷枪与基体距离为150mm，送粉量为5g/min。获得氧化率小，成分均匀，结构致密的金属粘结层，该粘结层能有效增加与陶瓷的结合强度和热循环寿命。

实施例2

首先将镍基单晶基体进行清洗、喷砂处理，获得清洁并粗糙度适中的表面。然后通过激光粉末沉积技术制备主要成分为NiCoCrAlY，厚度为300μm的金属粘结层。其具体参数为：激光功率130W，激光光斑直径为0.5mm，激光模式为连续式，扫描速率为7mm/s，结构单元的宽度为500μm，高度约为200μm，送粉率为3g/min,Ar气流量为6L/min。随后对该粘结层表面进行喷砂处理，喷砂压力为0.7MPa，Al₂O₃粒径为60目，使得粘结层厚度降为150μm。最后通过大气等离子喷涂获得主要成分为8YSZ，厚度为250μm的陶瓷隔热层。其中喷涂电流为400A，电压为150V，Ar气流量为60L/min，H₂流量为20L/min，喷枪与基体距离为150mm，送粉量为5g/min。通过该方法制备的粘结层孔隙率低，Al₂O₃含量明显减小，在热循环过程中热生长层速率相比于热喷涂法制备的粘结层明显降低，从而有效提高热障涂层的寿命。

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

1.一种激光粉末沉积技术制备热障涂层粘结层的方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：

(1)将金属基体依次进行除锈、去油和喷砂处理；

(2)通过激光粉末沉积在金属基体上制备金属粘结层；

2.根据权利要求1所述的一种激光粉末沉积技术制备热障涂层粘结层的方法，其特征在于，步骤(1)中的喷砂处理时，喷砂压力为0.1～0.7MPa,喷砂颗粒主要成分为Al₂O₃，颗粒粒径为16～120目。

3.根据权利要求1所述的一种激光粉末沉积技术制备热障涂层粘结层的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的金属粘结层的成分为MCrAlY，其中M为Ni或Co中的一种或两种。

4.根据权利要求1所述的一种激光粉末沉积技术制备热障涂层粘结层的方法，其特征在于，步骤(2)中通过高能的激光熔化金属粉末，通过氩气保护熔池，将融化的金属粉末按扫描路径沉积到基体表面，采用的纤维激光器的额定功率为500～1000W，激光束光斑直径为0.35～0.7mm，激光功率为80-150W，扫描速率为5～15mm/s，金属粉末的送粉量为1～10g/min，搭界率为10～50％，金属粉末通过与激光同轴的喷嘴送粉，Ar气流量为6L/min。

5.根据权利要求1所述的一种激光粉末沉积技术制备热障涂层粘结层的方法，其特征在于，步骤(3)中的喷砂处理中喷砂压力为0.1～0.7MPa，喷砂颗粒为粒径16～120目的Al₂O₃颗粒。

6.根据权利要求1所述的一种激光粉末沉积技术制备热障涂层粘结层的方法，其特征在于，步骤(3)处理后的金属粘结层的厚度为50～300μm，表面粗糙度Ra为1～15μm。

7.根据权利要求1所述的一种激光粉末沉积技术制备热障涂层粘结层的方法，其特征在于，步骤(4)中采用等离子喷涂时，金属粘结层的温度控制在200～500℃，喷枪与金属粘结层间距离为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0.5～1.2L/min，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为200～250A，Ar气流速范围为40～120L/min，H₂气流速范围为15～45L/min。

8.根据权利要求1所述的一种激光粉末沉积技术制备热障涂层粘结层的方法，其特征在于，步骤(4)沉积的陶瓷隔热层厚度为0.1～1mm。