[發明專利]熱障涂層的制備方法

無效

• 申請號: 201410060589.4
• 申請日: 2014-02-21
• 公開（公告）號: CN103774082A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 于月光;任先京;崔崇;章德銘;侯偉驁;盧曉亮
• 申請（專利權）人: 北京礦冶研究總院;北礦新材科技有限公司
• 主分類號: C23C4/12
• 分類號: C23C4/12;C23C4/08;C23C4/10
• 代理公司: 北京凱特來知識產權代理有限公司 11260
• 代理人: 鄭立明;趙鎮勇

技術領域

本發明涉及熱障涂層的制備領域，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

熱障涂層技術從八十年代末到九十年代初獲得迅速發展，并已廣泛應用于航空、航天、艦船等領域，并且在陸基燃氣輪機工業方面起著越來越重要的作用。發達國家的重型燃氣輪機和先進發動機熱端部件幾乎都采用熱障涂層技術。其中的關鍵部件，例如渦輪葉片（包括導向葉片和工作葉片）工作溫度一般都接近其材料的許用溫度，此時如果渦輪葉片每降低15℃，其持久壽命約延長1倍。根據NASA實驗結果，采用熱障涂層能產生100～300℃的溫度降。

目前的熱障涂層多采用雙層體系（陶瓷涂層和金屬粘結涂層），直接與基體接觸的粘結涂層為MCrAlY合金，用以改善陶瓷面層與金屬基體的粘結性能，同時保護鎳基超合金基體避免氧化，通常采用超音速火焰噴涂（HVOF）技術或低壓等離子噴涂（LPPS）技術制備。陶瓷涂層為Y₂O₃部分穩定的ZrO₂（YSZ），主要是保護高溫環境下的熱部件，起到隔熱作用，通常利用大氣等離子噴涂（APS）技術制備。

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生的應力：由溫度梯度和熱膨脹不匹配引起的熱應力以及熱生長氧化物（TGO）層產生的相變應力。

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比）有直接關系。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%，涂層熱導率降低約10%。航空發動機熱障涂層厚度一般要求200～350微米，陸基重型燃氣渦輪發動機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。

采用傳統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%。傳統的普通等離子噴涂技術存在電弧在陽極根部漂移使噴涂參數穩定性差，粉體射流溫度均勻性差（束斑直徑小，邊緣效應顯著），噴涂陶瓷材料送粉率低（約40g/min）導致生產效率低、噴涂距離短（約90mm）、噴涂時間長導致基體熱輸入大等問題。進而對涂層的殘余應力、結合強度、均勻性、隔熱性能以及基體熱變形產生較大負面作用。

發明內容

本發明要解決的技術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，從而解決現有熱障涂層噴涂時間長，涂層的厚度小、孔隙率偏低的問題。

為解決上述技術問題，本發明提供一種熱障涂層的制備方法，包括：

在工件上制備熱障涂層區域采用HVOF噴涂方式或LPPS噴涂方式制備完成MCrAlY材料粘結涂層；

在所述制備完成的MCrAlY材料粘結涂層上，以納米結構YSZ陶瓷粉體為噴涂材料，通過三陽極等離子噴槍以設定參數進行噴涂，噴涂過程中采用壓縮空氣對所述工件表面進行強制冷卻，使所述工件的基體溫度維持在低于150℃；

噴涂至設定的涂層厚度，停止壓縮空氣強制冷卻，使工件和涂層自然冷卻，即完成熱障涂層的制備。

本發明的有益效果為：由于采用MCrAlY材料制備粘結涂層，以及通過三陽極等離子噴槍進行噴涂納米結構YSZ陶瓷粉體制備熱障涂層，可實現快速制備厚度大于2000微米、孔隙率大于30%的超厚、大孔隙率的納米結構熱障涂層。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實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明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發明實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構圖。

具體實施方式

下面對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明的保護范圍。

本發明實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：

在工件上制備熱障涂層區域采用HVOF噴涂方式或LPPS噴涂方式制備完成MCrAlY材料粘結涂層；