[發明專利]一種高能等離子噴涂制備熱障涂層的工藝方法

在審

• 申請號: 201710901060.4
• 申請日: 2017-09-28
• 公開（公告）號: CN107653432A
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發明（設計）人: 梁小龍;王斌利;張會盈;黃寶慶;胡江波;王建鋒;李迎軍;原紅星
• 申請（專利權）人: 中國航發動力股份有限公司
• 主分類號: C23C4/134
• 分類號: C23C4/134;C23C4/11;C23C4/073
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 徐文權

技術領域

本發明屬于熱障涂層技術領域，尤其涉及一種高能等離子噴涂制備熱障涂層的工藝方法。

背景技術

熱障涂層(Thermal Barrier Coatings，TBCs)在航空航天領域有眾多應用。熱障涂層可以將高溫部件與高溫工作環境隔絕，以降低熱端部件的工作溫度，防止基材部件發生高溫腐蝕和高溫氧化，延長其使用壽命。目前高壓渦輪工作葉片、導向葉片、燃燒室等零件均采用熱障涂層技術。

目前熱障涂層大部分采用雙層結構，包括粘結底層和陶瓷面層。粘結底層用APS、HVOF、LPPS或冷噴涂制備MCrAlY涂層，起到抗氧化、降低陶瓷面層與基體的熱膨脹系數的作用。陶瓷面層采用普通大氣等離子工藝噴涂具有隔熱作用的Y₂O₃部分穩定的ZrO₂(YSZ)涂層。

熱障涂層的失效因素較為復雜，主要存在兩大主因素，一種是由于熱障涂層在高溫環境下金屬粘結底層的熱膨脹系數較大，發生較大體積膨脹，而陶瓷面層的熱膨脹系數較小，導致粘結底層與陶瓷面層產生熱應力，最終導致涂層失效；另一種是金屬粘結底層在高溫下發生氧化，生成尖晶石類氧化物TGO，隨著TGO的增厚，在陶瓷—金屬界面會發生裂紋的萌生和擴展，最終導致陶瓷面層剝落失效。

傳統熱障涂層的制備工藝，采用超音速火焰噴涂MCrAlY涂層，采用大氣等離子噴涂陶瓷面層。但是，超音速火焰噴涂MCrAlY涂層對粉末要求較苛刻，對于較粗粉末融化不充分，涂層抗氧化性能差，加工效率低。利用大氣等離子噴涂陶瓷面層，涂層沉積效率低、粉末受熱不均勻且速度低，融化不充分，導致陶瓷面層氣孔率較大，結合強度與熱震壽命偏低，嚴重制約了熱障涂層的使用。再者，利用兩種不同工藝分別制備熱障涂層的粘結底層與陶瓷面層，增加了工藝的復雜性，不僅使得涂層加工效率低下，而且加工成本提高。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高能等離子噴涂制備熱障涂層的工藝方法，解決了現有技術中制備熱障涂層粘結底層時采用超音速火焰噴涂對噴涂原料的限制，以及制備熱障涂層陶瓷面層時采用常規大氣等離子工藝噴涂效率低，孔隙率大，結合強度與壽命偏低的問題。本發明可以快速高效制備粘結底層與高性能長壽命的陶瓷面層。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

本發明提供了一種高能等離子噴涂制備熱障涂層的工藝方法，包括以下步驟：

步驟a、采用高能等離子噴涂設備或超音速火焰噴涂設備將MCrAlY合金粉噴涂至基體表面制備粘結底層，噴涂過程中采用壓縮空氣對基體進行強制冷卻，使基體溫度低于200℃。

步驟b、采用高能等離子噴涂設備將8YSZ粉末噴涂至已制備粘結底層的基體表面制備陶瓷面層，噴涂過程中采用壓縮空氣對基體進行強制冷卻，使基體溫度低于300℃。

更進一步地，本發明的特點還在于：

在步驟a中，采用高能等離子噴涂設備噴涂粘結底層時，噴涂功率為150KW～170KW，噴涂電壓為380V～420V，噴涂主氣采用N₂或者Ar，噴涂輔氣采用H₂，噴涂主氣流量為70SLPM～80SLPM，噴涂輔氣流量為10SLPM～20SLPM，噴涂距離為170mm～200mm，送粉量為100g/min～300g/min；

在步驟b中，陶瓷面層的噴涂功率為170KW～200KW，噴涂電壓為380V～420V，噴涂主氣采用N₂或Ar，噴涂輔氣采用H₂，噴涂主氣流量為80SLPM～100SLPM，噴涂輔氣流量為25SLPM～50SLPM，噴涂距離為180mm～200mm，送粉量為50g/min～150g/min，移槍速度大于300mm/s。

在步驟a之前，對基體表面進行去油處理，并進行粗化處理。

在步驟a之前，對需噴涂部位以外區域進行遮蔽保護。

高能等離子噴涂設備的噴槍采用具有拉瓦爾結構的噴槍。

MCrAlY合金粉的粉末粒度為15μm～60μm。

8YSZ粉末團聚后粒度為20μm～100μm。

采用絕緣材料將高能等離子噴涂設備或超音速火焰噴涂設備的噴槍加持在機械手上進行噴涂。

與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：