[發明專利]一種3D打印構筑仿生結構優化熱障涂層穩定性的方法

有效

• 申請號: 202010848641.8
• 申請日: 2020-08-21
• 公開（公告）號: CN112126889B
• 公開（公告）日: 2021-10-01
• 發明（設計）人: 羅麗榮;羅學維;段帥帥;靳洪允;侯書恩
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: C23C4/134
• 分類號: C23C4/134;C23C4/073;C23C4/129;C23C24/10;C23C28/00
• 代理公司: 武漢知產時代知識產權代理有限公司 42238
• 代理人: 孔燦

本發明公開了一種3D打印構筑仿生結構優化熱障涂層穩定性的方法。本發明的方法，包括如下步驟：S1：通過對高溫合金基體進行丙酮溶液浸洗、超聲清洗和噴砂預處理；S2：采用同軸送粉激光3D打印技術，在高溫合金基體層構筑仿樹根結構；S3：通過等離子噴涂方法在仿樹根結構界面和高溫合金基體層沉積YSZ陶瓷層。本發明通過3D打印技術構筑多級分叉仿樹根結構可增加陶瓷層與高溫合金基體層的接觸面積，增大的分叉型端頭實現對陶瓷層的“鎖扣”效應。同時三維分叉仿樹根結構可有效阻止界面及近界面裂紋的合并或促使界面及近界面裂紋發生偏轉，增加界面結合強度。因此，熱障涂層可獲得增強的界面穩定性和壽命。

技術領域

本發明涉及熱障涂層技術領域，尤其涉及一種3D打印構筑仿生結構優化熱障涂層穩定性的方法。

背景技術

高效熱障涂層的應用是進一步提升航空發動機或燃氣輪機工作極限的最切實可行的方法。目前廣泛應用的熱障涂層主要由低熱導釔穩定氧化鋯(YSZ)、熱生長氧化層和金屬粘結層組成。熱障涂層可通過低熱導的陶瓷層將金屬基體與熱氣流隔離開來，使航空發動機或燃氣輪機的高溫部件如葉片、燃燒室等能夠在更高的燃氣溫度下穩定服役，從而提升發動機的工作效率和服役壽命。然而，在高溫服役過程中，熱障涂層容易在陶瓷層與粘結層界面或者近該界面的陶瓷層中發生裂紋的萌生、擴展和合并最終導致熱障涂層剝落失效。這會使金屬基體直接暴露在高溫燃氣中，引起發動機失效等嚴重后果。因此，提高熱障涂層界面及近界面穩定性是延長其服役壽命亟需解決的核心問題，也是航空發動機和地面燃氣輪機發展亟需解決的關鍵問題之一。

為提高大氣等離子噴涂熱障涂層體系的界面穩定性，目前常用的方法有：(1)對粘結層表面進行噴砂處理，增加粘結層表面的粗糙度，以促進與陶瓷層間的機械咬合。但粗糙的界面會導致界面徑向張應力及脆性尖晶石相的產生，不利于界面穩定。到目前為止，最優化的界面粗糙度值依然未達到統一。(2)在粘結層中添加活性元素如Hf、Ti或Zr等，促進對有害元素硫的“捕獲”，抑制其向界面擴散，從而提高界面結合強度。(3)優化粘結層微觀結構，促進致密氧化鋁層的形成，達到界面增強的目的。總體來說，目前的方法對陶瓷層與粘結層界面結合的增強效果有限，且都無法抑制陶瓷層在近界面處發生開裂脫落。

發明內容

本發明的目的在于，針對現有技術的上述不足，提出一種3D打印構筑仿生結構優化熱障涂層穩定性的方法。

本發明的具體技術方案如下：

本發明的一種3D打印構筑仿生結構優化熱障涂層穩定性的方法，包括如下步驟：

S1：通過對高溫合金基體進行丙酮溶液浸洗、超聲清洗和噴砂預處理；

S2：采用同軸送粉激光3D打印技術，在高溫合金基體層構筑仿樹根結構；

S3：通過等離子噴涂方法在仿樹根結構界面和高溫合金基體層沉積YSZ陶瓷層。

優選的，步驟S2中的所述的仿樹根結構為多級分叉仿樹根結構，每個分叉仿樹根結構的間距S為1～20mm，高度H為50～500μm，分叉角θ為10～90°，分形長度L₁為50～500μm，厚度T為100～500μm，長度L₂為50～500μm，分叉級數為1～3級。

優選的，所述仿樹根結構的材料為NiCoCrAlY或NiCrAlY。

優選的，步驟S2中的3D打印技術采用的纖維激光器，激光額定功率為500～1000W，激光束光斑直徑為50～200μm，激光功率為80～120W，送粉量為2～8g/min，掃描速率為5～15mm/s，用氬氣保護熔池，流量為3～6L/min。

一種3D打印構筑仿生結構優化熱障涂層穩定性的方法，包括如下步驟：

S1：通過對高溫合金基體進行丙酮溶液浸洗、超聲清洗和噴砂預處理；