專利名稱：高溫合金表面熱障涂層及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于熱加工技術，涉及在高溫合金表面制備的熱障涂層以及該涂層的制備方法。
背景技術：
現(xiàn)代燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)展趨勢是大推力、高效率、低油耗和長壽命。為了實現(xiàn)這些目的，通常在發(fā)動機熱端部件使用熱障涂層(TBCs)技術，一方面利用熱障涂層中氧化鋯陶瓷層低的熱導率降低熱端部件特別是渦輪葉片對冷卻空氣的需求量，從而提高發(fā)動機的效率，改善發(fā)動機性能；另一方面通過使用熱障涂層顯著提高渦輪葉片的使用壽命，減少維修費用，降低成本。本發(fā)明的制件可以用作燃氣渦輪發(fā)動機的高溫條件下的制件如渦輪葉片。
傳統(tǒng)的熱障涂層包括表面的陶瓷涂層和金屬粘結層。陶瓷涂層的材料如化學穩(wěn)定的氧化鋯材料，包括氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鉿穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鈣穩(wěn)定的氧化鋯和氧化鎂穩(wěn)定的氧化鋯。金屬粘結層主要包括如MCrAlY系列和Pt-Al系列。
普通的熱障涂層為多孔，孔隙率在8～30％范圍內(nèi)。在使用過程中，環(huán)境中的氧氣通過這些孔隙直接到達金屬粘結層上，與粘結層材料發(fā)生化學反應，生成了金屬氧化物層(TGO)，在高溫、腐蝕、顆粒沖刷等因素的共同作用下，隨著TGO的生長，在金屬粘結層與陶瓷涂層界面處的產(chǎn)生裂紋，造成熱障涂層的失效。為此普遍采用的方法是提高金屬粘結層的抗氧化性能來降低TGO的生長速率，同時提高陶瓷涂層的抗剝落能力。
爆炸噴涂工藝是熱噴涂工藝中最具特色的工藝之一，其基本原理是利用爆轟波產(chǎn)生的能量對粉末材料進行加熱、加速，從而獲得涂層，利用該工藝獲得的涂層具有高的致密度、高的結合強度等，爆炸噴涂獲得的涂層廣泛應用在石油、冶金、航空、航天等工業(yè)領域，通過在基體材料表面制備涂層，提高基體材料的使用性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種高溫合金表面制備的熱障涂層，在該熱障涂層中有一層致密的保護層，從而提高熱障涂層在高溫條件下的抗剝落能力；同時提出該帶有保護層的熱障涂層的制備方法。
本發(fā)明的技術方案是一種高溫合金表面的熱障涂層，高溫合金1是指用于發(fā)動機結構件的金屬材料，包括鈷、鎳、鋁、鐵、鉻等元素以及這些元素組成的合金；熱障涂層包括外層的陶瓷涂層3和直接附著在高溫合金1表面的金屬粘結層2，陶瓷涂層3的材料為化學穩(wěn)定的氧化鋯材料，包括氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鉿穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鈣穩(wěn)定的氧化鋯和氧化鎂穩(wěn)定的氧化鋯，金屬粘結層2的材料包括MCrAlY系列，MCrAlY系列、鈷、鎳、鋁、鐵、鉻、釔元素以及這些元素組成的合金，其特征在于，在金屬粘結層2和陶瓷涂層3之間有一層保護層4，保護層4的材料包括氧化鋁、氧化鈦、氧化硅、氧化鋯增強氧化鋁(ZTA)和氧化鎂以及由這些氧化物組成的復合物；保護層4的厚度為0.001mm～0.002mm；保護層的孔隙率為2～8％，熱障涂層的厚度為0.091mm～0.232mm。
如上所述高溫合金表面熱障涂層的制備方法，其特征在于，(1)制備金屬粘結層2；在選用的高溫合金上沉積金屬粘結層，采用如下工藝方法之一進行制備A、熱噴涂，包括等離子噴涂、高速火焰噴涂和爆炸噴涂；B、物理氣相沉積或者化學氣相沉積；C、電鍍或者浸滲工藝；金屬粘結層2的孔隙率為8～30％粘結層的厚度為0.030～0.080mm為保證保護層與金屬粘結層高的結合強度，在制備金屬粘結層前，需要對高溫合金進行吹砂處理；當采用物理氣相沉積、化學氣相沉積和真空等離子噴涂工藝制備金屬粘結層后，按照常規(guī)工藝進行擴散熱處理；(2)制備保護層4；利用爆炸噴涂工藝在金屬粘結層上制備致密的陶瓷保護層，保護層的材料包括氧化鋁、氧化鈦、氧化硅、氧化鋯增強氧化鋁和氧化鎂等以及由這些氧化物組成的復合物；保護層的制備工藝為爆炸噴涂，爆炸噴涂工藝步驟如下1)利用干燥清潔的壓縮空氣對制件進行清潔處理；2)利用爆炸噴涂設備制備保護層，其中爆炸氣體為氧氣和乙炔，氧氣和乙炔的氣體流量比為1.2～1.4，氮氣作為保護氣體壓力為1.12MPa；爆炸噴涂的距離為50～120mm；保護層的厚度為0.001mm～0.002mm，保護層的孔隙率為2～10％；爆炸噴涂工藝完成后，當采用氣相沉積工藝制備陶瓷層時，采用磨加工或者光蝕方法對保護層進行光潔處理，提高保護層的光潔度；(3)制備陶瓷涂層3；利用電子束物理氣相沉積或等離子噴涂工藝在保護層上制備陶瓷涂層，陶瓷涂層的材料為化學穩(wěn)定的氧化鋯材料，包括氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鉿穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鈣穩(wěn)定的氧化鋯和氧化鎂穩(wěn)定的氧化鋯，陶瓷涂層3的孔隙率為8～30％，陶瓷涂層厚度為0.060～0.150mm。
本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明通過致密的保護層減少熱障涂層中金屬粘結層的物理和化學的侵蝕，提高熱障涂層的抗剝落能力。首先表面保護層阻斷了環(huán)境中的雜質(zhì)如V205等對熱障涂層的浸滲和沖刷，起到了物理阻擋層的作用，其次表面保護層減少了環(huán)境中如氧對基體的擴散，降低了TGO的生長速率，起到了化學阻擋層的作用。


圖1是本發(fā)明熱障涂層的結構示意圖。圖中，1是高溫合金，指用于發(fā)動機結構件的金屬材料，包括例如鈷、鎳、鋁、鐵、鉻等元素以及這些元素組成的合金。2是金屬粘結層，包括例如鈷、鎳、鋁、鐵、鉻、釔等元素以及這些元素組成的合金。3是陶瓷涂層，材料如化學穩(wěn)定的氧化鋯材料，包括氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鉿穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鈣穩(wěn)定的氧化鋯和氧化鎂穩(wěn)定的氧化鋯。4是保護層，材料包括氧化鋁、氧化鈦、氧化硅、氧化鋯增強氧化鋁(ZTA)和氧化鎂等以及由這些氧化物組成的復合物。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明做進一步詳細說明。本發(fā)明涉及通過利用爆炸噴涂工藝在熱障涂層粘結層上制備致密的保護層，從而提高熱障涂層在高溫條件下的抗剝落能力。參見圖1，本發(fā)明高溫合金表面的熱障涂層，高溫合金1是指用于發(fā)動機結構件的金屬材料，包括鈷、鎳、鋁、鐵、鉻等元素以及這些元素組成的合金；熱障涂層包括外層的陶瓷涂層3和直接附著在高溫合金1表面的金屬粘結層2，陶瓷涂層3的材料為化學穩(wěn)定的氧化鋯材料，包括氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鉿穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鈣穩(wěn)定的氧化鋯和氧化鎂穩(wěn)定的氧化鋯，金屬粘結層2的材料包括MCrAlY系列，MCrAlY系列、鈷、鎳、鋁、鐵、鉻、釔元素以及這些元素組成的合金，其特征在于，在金屬粘結層2和陶瓷涂層3之間有一層保護層4，保護層4的材料包括氧化鋁、氧化鈦、氧化硅、氧化鋯增強氧化鋁(ZTA)和氧化鎂以及由這些氧化物組成的復合物；保護層4的厚度為0.001mm～0.002mm；保護層的孔隙率為2～8％，熱障涂層的厚度為0.091mm～0.232mm。
如上所述高溫合金表面熱障涂層的制備方法，其特征在于，(1)制備金屬粘結層2；在選用的高溫合金上沉積金屬粘結層，采用如下工藝方法之一進行制備A、熱噴涂，包括等離子噴涂、高速火焰噴涂和爆炸噴涂；B、物理氣相沉積或者化學氣相沉積；C、電鍍或者浸滲工藝；金屬粘結層2的孔隙率為8～30％，粘結層的厚度為0.030～0.080mm，為保證保護層與金屬粘結層高的結合強度，在制備金屬粘結層前，需要對高溫合金進行吹砂處理；當采用物理氣相沉積、化學氣相沉積和真空等離子噴涂工藝制備金屬粘結層后，按照常規(guī)工藝進行擴散熱處理；(2)制備保護層4；利用爆炸噴涂工藝在金屬粘結層上制備致密的陶瓷保護層，保護層的材料包括氧化鋁、氧化鈦、氧化硅、氧化鋯增強氧化鋁和氧化鎂等以及由這些氧化物組成的復合物；保護層的制備工藝為爆炸噴涂，爆炸噴涂工藝步驟如下1)利用干燥清潔的壓縮空氣對制件進行清潔處理，2)利用爆炸噴涂設備制備保護層，其中爆炸氣體為氧氣和乙炔，氧氣和乙炔的氣體流量比為1.2～1.4，氮氣作為保護氣體壓力為1.12MPa；爆炸噴涂的距離為50～120mm；保護層的厚度為0).001mm～0.002mm，保護層的孔隙率為2～10％；爆炸噴涂工藝完成后，根據(jù)需要當采用氣相沉積工藝制備陶瓷層時采用磨加工或者光蝕方法對保護層進行光潔處理，提高保護層的光潔度；(3)制備陶瓷涂層3；利用電子束物理氣相沉積或等離子噴涂工藝在保護層上制備陶瓷涂層，陶瓷涂層的材料為化學穩(wěn)定的氧化鋯材料，包括氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鉿穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鈣穩(wěn)定的氧化鋯和氧化鎂穩(wěn)定的氧化鋯，陶瓷涂層3的孔隙率為8～30％，陶瓷涂層厚度為0.060～0.150mm。
實施例實施例1，選用DZ125為基體高溫合金材料，利用多弧離子鍍工藝制備NiCrAlY金屬粘結層，粘結層厚度為0.05mm～0.07mm，粘結層在950℃真空條件下進行擴散熱處理，保溫時間為3～5小時，在此基礎上利用爆炸噴涂工藝制備氧化鋁保護涂層，氧化鋁涂層的厚度為0.0015mm～0.002mm，氧化鋁涂層的致密度為2％～4％，利用拋光工藝對氧化鋁保護層進行拋光，提高光潔度。爆炸噴涂工藝如下爆炸氣體為氧氣和乙炔，氧氣和乙炔的氣體流量比為1.2～1.4，氮氣作為保護氣體，噴涂氧化鋁粉末的純度為99％。利用EB-PVD(電子束物理氣相沉積)技術制備YSZ(氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯，ZrO2-8wt％Y2O3)陶瓷涂層，涂層厚度為0.08mm～0.10mm，在1100℃進行循環(huán)氧化，工藝為保溫30min，空冷5min，對比試驗結果發(fā)現(xiàn)，未利用爆炸噴涂工藝制備保護層的試樣在循環(huán)氧化200次后開始出現(xiàn)失重現(xiàn)象，而噴涂了保護層的試樣在循環(huán)氧化350次后開始出現(xiàn)失重現(xiàn)象，可以看出增加了涂層保護層，熱障涂層的抗剝落能力得到了提高。
實施例2，選用GH169為基體高溫合金材料，利用常壓等離子工藝制備NiCrAlY金屬粘結層，粘結層厚度為0.075～0.120mm，在此基礎上利用爆炸噴涂工藝制備氧化鋁-氧化鈦保護層，具體工藝與實施例1相同，氧化鋁-氧化鈦的化學配比為70wt％的氧化鋁，30wt％的氧化鈦，氧化鋁-氧化鈦保護層的厚度為0.002mm～0.004mm，氧化鋁-氧化鈦保護層的致密度為3％～4％，利用常壓等離子噴涂YSZ(氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯，ZrO2-8wt％Y2O3)。在1050℃保溫5分鐘，空冷25℃的條件下進行熱震試驗，沒有保護層的試樣在第7次出現(xiàn)了剝落，有氧化鋁-氧化鈦保護層的試樣在第10次仍完好。
實施例3，選用GH169為基體高溫合金材料，利用常壓等離子工藝制備NiCrAlY金屬粘結層，粘結層厚度為0.075～0.120mm，在此基礎上利用爆炸噴涂工藝制備氧化鋁-氧化鈦保護層，具體工藝與實施例1相同，氧化鋁-氧化鈦的化學配為60wt％的氧化鋁，40wt％的氧化鈦，氧化鋁-氧化鈦保護層的厚度為0.002mm～0.004mm，氧化鋁-氧化鈦保護層的致密度為3％～4％，利用常壓等離子噴涂氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯，ZrO2-20wt％Y2O3)。在950℃保溫5分鐘，空冷25℃的條件下進行熱震試驗，沒有保護層的試樣在第10次出現(xiàn)了剝落，有氧化鋁-氧化鈦保擴層的試樣在第15次仍完好。
權利要求
1.一種高溫合金表面熱障涂層，高溫合金[1]是指用于發(fā)動機結構件的金屬材料，包括鈷、鎳、鋁、鐵、鉻等元素以及這些元素組成的合金；熱障涂層包括外層的陶瓷涂層[3]和直接附著在高溫合金[1]表面的金屬粘結層[2]，陶瓷涂層[3]的材料為化學穩(wěn)定的氧化鋯材料，包括氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鉿穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鈣穩(wěn)定的氧化鋯和氧化鎂穩(wěn)定的氧化鋯，金屬粘結層[2]的材料包括MCrAlY系列，MCrAlY系列、鈷、鎳、鋁、鐵、鉻、釔元素以及這些元素組成的合金，其特征在于，在金屬粘結層[2]和陶瓷涂層[3]之間有一層保護層[4]，保護層[4]的材料包括氧化鋁、氧化鈦、氧化硅、氧化鋯增強氧化鋁(ZTA)和氧化鎂以及由這些氧化物組成的復合物；保護層[4]的厚度為0.001～0.002mm；保護層的孔隙率為2～8％，熱障涂層的厚度為0.091mm～0.232mm。
2.一種高溫合金表面熱障涂層的制備方法，其特征在于，(1)制備金屬粘結層[2]；在選用的高溫合金上沉積金屬粘結層，采用如下工藝方法之一進行制備A、熱噴涂，包括等離子噴涂、高速火焰噴涂和爆炸噴涂；B、物理氣相沉積或者化學氣相沉積；C、電鍍或者浸滲工藝；金屬粘結層[2]的孔隙率為8～30％，粘結層的厚度為0.030～0.080mm，為保證保護層與金屬粘結層高的結合強度，在制備金屬粘結層前，需要對高溫合金進行吹砂處理；當采用物理氣相沉積、化學氣相沉積和真空等離子噴涂工藝制備金屬粘結層后，按照常規(guī)工藝進行擴散熱處理；(2)制備保護層[4]；利用爆炸噴涂工藝在金屬粘結層上制備致密的陶瓷保護層，保護層的材料包括氧化鋁、氧化鈦、氧化硅、氧化鋯增強氧化鋁和氧化鎂等以及由這些氧化物組成的復合物；保護層的制備工藝為爆炸噴涂，爆炸噴涂工藝步驟如下1)利用干燥清潔的壓縮空氣對制件進行清潔處理；2)利用爆炸噴涂設備制備保護層，其中爆炸氣體為氧氣和乙炔，氧氣和乙炔的氣體流量比為1.2～1.4，氮氣作為保護氣體壓力為1.12MPa；爆炸噴涂的距離為50～120mm；保護層的厚度為0.001～0.002mm，保護層的孔隙率為2～10％；爆炸噴涂工藝完成后，根據(jù)需要，當采用氣相沉積工藝制備陶瓷層時，采用磨加工或者光蝕方法對保護層進行光潔處理，提高保護層的光潔度；(3)制備陶瓷涂層[3]；利用電子束物理氣相沉積或等離子噴涂工藝在保護層上制備陶瓷涂層，陶瓷涂層的材料為化學穩(wěn)定的氧化鋯材料，包括氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鉿穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鈣穩(wěn)定的氧化鋯和氧化鎂穩(wěn)定的氧化鋯，陶瓷涂層[3]的孔隙率為8～30％，陶瓷涂層厚度為0.060～0.150mm。
3.根據(jù)權利要求2所述的高溫合金表面熱障涂層的制備方法，其特征在于，在制備保護層[4]時，如果高溫合金[1]的使用溫度超過1000℃，優(yōu)先采用氧化鋁材料制備。
全文摘要
本發(fā)明屬于熱加工技術，涉及在高溫合金表面制備的熱障涂層以及該涂層的制備方法。本發(fā)明的熱障涂層包括外層的陶瓷涂層3和直接附著在高溫合金1表面的金屬粘結層2，其特征在于，在金屬粘結層2和陶瓷涂層3之間有一層保護層4，其厚度為0.001～0.002mm，孔隙率為2～8％。本發(fā)明通過致密的保護層減少熱障涂層中金屬粘結層的物理和化學的侵蝕，提高熱障涂層的抗剝落能力。
文檔編號C23C28/00GK1657653SQ200510059919
公開日2005年8月24日 申請日期2005年4月1日 優(yōu)先權日2005年4月1日
發(fā)明者唐建新, 葛子干, 陸峰, 何利民, 王寧 申請人:中國航空工業(yè)第一集團公司北京航空材料研究院