[發(fā)明專利]一種熱障涂層孔隙率的控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410247519.X
• 申請(qǐng)日: 2014-06-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104032255A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 白宇;韓志海;趙蕾;王玉;付倩倩;強(qiáng)永明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C4/12
• 分類號(hào): C23C4/12;C23C4/10
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 朱海臨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)及大型燃?xì)廨啓C(jī)中熱障涂層微觀結(jié)構(gòu)的控制方法。

背景技術(shù)

熱障涂層(Thermal?barrier?coatings,TBCs)是一種應(yīng)用在金屬基體表面，起到降低基體溫度以保證其在高溫條件下正常使用的功能化涂層，這種涂層目前已在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的熱端部件上得到廣泛應(yīng)用。其設(shè)計(jì)思想主要是利用陶瓷的高熔點(diǎn)、低熱導(dǎo)率及金屬材料的高韌性等優(yōu)點(diǎn)來(lái)形成一個(gè)涂層體系(多層結(jié)構(gòu))來(lái)滿足高溫使用的要求。但是以“陶瓷涂層/合金過(guò)渡層(粘結(jié)層)/高溫合金基體”構(gòu)成的熱障涂層系統(tǒng)由于本身在物理化學(xué)、力學(xué)性能方面的不匹配性，以及加工過(guò)程中工藝的復(fù)雜性和后續(xù)使用中苛刻的高溫、腐蝕環(huán)境，使得熱障涂層運(yùn)行壽命和隔熱效果仍然難以達(dá)到迅速發(fā)展的國(guó)防技術(shù)(如發(fā)展新一代超音速戰(zhàn)機(jī)和大飛機(jī)所需要的高效率、高穩(wěn)定性、大功率航空發(fā)動(dòng)機(jī)及大型艦艇需要的重型燃?xì)廨啓C(jī))的需求。此外，在熱障涂層的材料、設(shè)計(jì)、工藝等方面配套研究和生產(chǎn)層面對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)和質(zhì)量控制的一致性、穩(wěn)定性需求方面還存在理論與實(shí)踐的脫節(jié)問(wèn)題，使得熱障涂層的制備工藝、使用壽命，生產(chǎn)成本和批次穩(wěn)定性等方面與國(guó)際先進(jìn)水平還有很大差距，嚴(yán)重阻礙熱障涂層在我國(guó)國(guó)防尖端領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

對(duì)于等離子噴涂而言，由于所涉及到的工藝參數(shù)眾多，所以在涂層沉積過(guò)程中難以保證涂層質(zhì)量的穩(wěn)定性，導(dǎo)致同一批次沉積的涂層在結(jié)構(gòu)上往往存在很大的差異。目前，工程人員往往依靠對(duì)電流、電壓或氣體參數(shù)的調(diào)節(jié)來(lái)控制等離子體性質(zhì)，并結(jié)合樣本金相標(biāo)準(zhǔn)和理化性能檢測(cè)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化和控制涂層結(jié)構(gòu)，這種間接方法不僅工作量大、周期長(zhǎng)，而且往往需要重復(fù)多次試驗(yàn)，難以滿足現(xiàn)代高性能涂層制備工藝和結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制的要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種通過(guò)控制等離子體射流中粒子飛行速度及溫度來(lái)調(diào)控?zé)嵴贤繉游⒂^組織結(jié)構(gòu)的方法。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：

一種熱障涂層孔隙率的控制方法，其特征在于，包括下述步驟：

(1)以球形氧化釔部分穩(wěn)定的二氧化鋯為原料，對(duì)七組試樣進(jìn)行不同工藝參數(shù)的等離子噴涂試驗(yàn)：弧電流：440-808A，弧電壓：72-147V，主氣流量：35-70SLPM，輔氣流量：16.6-24.3SLPM，送粉量：35～40g·min^-1，噴涂距離：70～100mm，噴涂過(guò)程中，用測(cè)溫測(cè)速系統(tǒng)Spray?Watch2i對(duì)不同實(shí)施例的噴涂粒子進(jìn)行在線測(cè)量，得到不同工藝參數(shù)下的粒子飛行速度及粒子表面溫度；

(2)將不同工藝參數(shù)下的粒子飛行速度及粒子表面溫度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分組為高溫高速、中溫中速及低溫低速三個(gè)范圍，其中，高溫高速區(qū)粒子速度>400m·s^-1，粒子表面溫度>3200℃；中溫中速區(qū)粒子速度200-240m·s^-1，粒子表面溫度2900-3200℃；低溫低速區(qū)粒子速度180-200m·s^-1，粒子表面溫度2700-2900℃；

(3)對(duì)三個(gè)分組范圍內(nèi)噴涂試驗(yàn)所獲試樣涂層，進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀察并通過(guò)圖像灰度法測(cè)量涂層孔隙率；

(4)將不同實(shí)施例試樣的孔隙率、粒子飛行速度、粒子表面溫度繪制成三維關(guān)系圖，其中，高溫高速區(qū)，涂層孔隙率小于4％；中溫中速區(qū)，涂層孔隙率4-7％；低溫低速區(qū)，涂層孔隙率為8-10％。

(5)根據(jù)步驟(2)三個(gè)范圍的粒子飛行速度、粒子表面溫度劃分；結(jié)合步驟(4)孔隙率、粒子飛行速度、粒子表面溫度三維關(guān)系，調(diào)整工藝參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)涂層孔隙率的控制。

按照上述方案，在噴涂過(guò)程中，基體背面通過(guò)壓縮空氣冷卻，噴涂試樣表面溫度控制在150±20℃。

所述掃描電子顯微鏡圖像放大倍數(shù)為500，分辨率為600dpi，對(duì)于每個(gè)試樣，取20幅掃描照片來(lái)計(jì)算涂層平均孔隙率。

本發(fā)明的有益效果是，借助高速攝影及雙波長(zhǎng)輻射強(qiáng)度比值法用普通等離子噴涂及超音速等離子噴涂(兩種噴涂方法的結(jié)合可以有效地拓展粒子飛行速度及表面溫度的控制范圍)中粒子飛行速度及表面溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過(guò)涂層孔隙率的大小與粒子飛行速度及表面溫度的關(guān)系，調(diào)整噴涂工藝參數(shù)控制，從而可有效控制熱障涂層的組織結(jié)構(gòu)，使涂層孔隙率在1-10％范圍內(nèi)變化，滿足不同的使用條件。對(duì)實(shí)現(xiàn)涂層質(zhì)量一致性具有重要的應(yīng)用價(jià)值，在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)及重型燃?xì)廨啓C(jī)等國(guó)防尖端工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。