專利名稱：一種高隔熱抗燒結(jié)熱障涂層的增韌方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱障涂層的增韌方法，特別涉及一種高隔熱抗燒結(jié)熱障涂層的增韌方法。
背景技術(shù)：
熱障涂層(TBC)是ー種先進(jìn)的陶瓷材料系統(tǒng)，主要應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫金屬元件上，如燃燒室和透平葉片。透平葉片的材料是鎳基高溫合金，能夠承受的溫度極限在1100°c左右，遠(yuǎn)低于燃?xì)獾某隹跍囟?。為解決這ー問題，人們開發(fā)了熱障涂層系統(tǒng)，該系統(tǒng)由陶瓷涂層、高溫合金基底，基底與涂層間的粘結(jié)層(BC)以及在陶瓷涂層與過渡層之間形成的以氧化鋁為主要成分的熱生長(zhǎng)氧化層(TG0)組成。 熱障涂層的增韌方法主要有等離子噴涂(APS)和電子束物理氣相沉積(EB-PVD)兩種。EB-PVDエ藝所制TBC在垂直基體方向呈柱狀晶微觀結(jié)構(gòu)，其應(yīng)變承受能力強(qiáng)，與基體的結(jié)合強(qiáng)度高，但造價(jià)昂貴，沉積率低。APSエ藝所制TBC微觀上呈波浪式片狀層結(jié)構(gòu)，孔隙率較高，隔熱性能好，沉積率高，造價(jià)較低，但其應(yīng)變承受能力較弱，較多的空隙容易形成裂紋導(dǎo)致涂層失效，尤其當(dāng)涂層材料本身的應(yīng)變承受能力較弱時(shí)APS所制TBC更易失效，本發(fā)明基于APSエ藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了能達(dá)到更高的推重比，燃?xì)獾某隹跍囟炔粩嗯噬瑢?duì)TBC的隔熱要求也不斷提高。傳統(tǒng)的陶瓷涂層材料是8%釔部分穩(wěn)定的氧化鋯(8YSZ)，已不能滿足不斷提高的隔熱要求。近年來，雙陶瓷層TBC已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)能夠提高涂層的服役溫度同時(shí)延長(zhǎng)熱震壽命。雙陶瓷層TBC有兩個(gè)陶瓷層內(nèi)部陶瓷層為氧化鋯(8YSZ)材料，其優(yōu)點(diǎn)是斷裂韌性高、熱膨脹系數(shù)大，缺點(diǎn)是高溫易相變、抗燒結(jié)能力較差、熱導(dǎo)率較高。表面陶瓷層為稀土鋯酸鹽(LZ)材料，其優(yōu)點(diǎn)是熱導(dǎo)率低、抗燒結(jié)、熱穩(wěn)定性好、不易發(fā)生相變、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，缺點(diǎn)是斷裂韌性低(比8YSZ低約50%)、熱膨脹系數(shù)小(比8YSZ小約15%)。雙陶瓷層的設(shè)計(jì)能讓兩層陶瓷功能互補(bǔ)，使TBC具有高服役溫度與長(zhǎng)熱震壽命的特點(diǎn)。TBC失效的機(jī)制較為復(fù)雜，主要取決于內(nèi)部的應(yīng)カ分布。相對(duì)于單陶瓷層TBC，雙陶瓷層TBC増加了ー個(gè)界面，即兩層陶瓷層之間的界面。內(nèi)部陶瓷層的熱膨脹系數(shù)較高、斷裂韌性較高、應(yīng)變承受能力較強(qiáng)；表面陶瓷層的熱膨脹系數(shù)較低、斷裂韌性較低、應(yīng)變承受能力較差。表面陶瓷層與內(nèi)部陶瓷層因熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的熱應(yīng)カ是雙陶瓷層TBC失效的只要原因之一。尤其當(dāng)表面陶瓷層由APSエ藝所制時(shí)，進(jìn)ー步減弱了表面陶瓷層的應(yīng)變承受能力，使得兩層陶瓷之間的界面成為了雙陶瓷層TBC中最薄弱的ー環(huán)。因此，如何增強(qiáng)表面陶瓷層的應(yīng)變承受能力以緩解兩層陶瓷間的熱失配應(yīng)カ成為了雙陶瓷層TBC制備中亟待解決的問題，現(xiàn)有技術(shù)是以EB-PVDエ藝進(jìn)行表面陶瓷層的噴涂，這種方法雖然能提高表面陶瓷層的應(yīng)變承受能力但同時(shí)也削弱了其隔熱能力，并且造價(jià)昂貴，沉積率低。本發(fā)明基于APSエ藝噴涂的TBC進(jìn)行設(shè)計(jì)
發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供ー種高隔熱抗燒結(jié)熱障涂層的增韌方法，能夠在保持等離子噴涂エ藝所制雙陶瓷層熱障涂層高隔熱能力的基礎(chǔ)上緩解兩層陶瓷間的熱應(yīng)力，克服表面陶瓷低熱膨脹系數(shù)、低應(yīng)變承受能力的缺點(diǎn)，延長(zhǎng)雙陶瓷層熱障涂層的使用壽命。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。ー種高隔熱抗燒結(jié)熱障涂層的增韌方法，在等離子噴涂方法噴涂的雙陶瓷層熱障涂層的表面陶瓷層上，利用激光誘導(dǎo)表面陶瓷層內(nèi)部產(chǎn)生損傷或垂直于基體的裂紋。所述利用激光誘導(dǎo)表面陶瓷層內(nèi)部產(chǎn)生損傷或垂直于基體的裂紋的具體方法為用激光束以垂直于涂層方向在雙陶瓷層熱障涂層的表面陶瓷層上進(jìn)行掃描加熱。所述激光束的寬度為150μπι，激光束功率W/掃描速度m/s為 7. 11彡p/V く 10. 68,激光束間距為3mmο本發(fā)明方案提出的技術(shù)原理為將激光束以垂直涂層方向作用于等離子噴涂方法噴涂的雙陶瓷層熱障涂層的表面陶瓷層上，激光作用點(diǎn)附近半球形區(qū)域內(nèi)的陶瓷會(huì)急速升溫膨脹，如附圖所示形成熱膨脹區(qū)。由于加熱過程時(shí)間極短加之表面陶瓷材料熱導(dǎo)率很低，因此熱膨脹區(qū)下方陶瓷在此作用過程中幾乎沒有產(chǎn)生體積變化，熱膨脹區(qū)的陶瓷則會(huì)在其下方的陶瓷中產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)カ達(dá)到或超過表面陶瓷所能承受的最大值時(shí)陶瓷就會(huì)在垂直基體的方向開裂形成垂直裂紋或者損傷。足夠數(shù)量的激光作用點(diǎn)上即會(huì)在表面陶瓷層內(nèi)部產(chǎn)生足夠數(shù)量的損傷或垂直于基體的裂紋，形成類似EB-PVD所制熱障涂層的結(jié)構(gòu)以提高表面陶瓷層的應(yīng)變承受能力，緩解熱應(yīng)力，從而達(dá)到延長(zhǎng)雙陶瓷層熱障涂層使用壽命的目的。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)有的等離子噴涂雙陶瓷層熱障涂層技術(shù)雖然可以保證足夠的隔熱效果，但是表面陶瓷層的低應(yīng)變承受能力和低熱膨脹系數(shù)導(dǎo)致了較大的熱應(yīng)力，使其容易從內(nèi)部陶瓷層上剝落下來從而最終導(dǎo)致涂層的失效。本發(fā)明通過激光誘導(dǎo)生成垂直裂紋使等離子噴涂雙陶瓷層熱障涂層的表面陶瓷涂層具有了較高的應(yīng)變承受能力，增強(qiáng)了表面陶瓷涂層的應(yīng)變承受能力，降低了表面陶瓷層與內(nèi)部陶瓷層因熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，在保持等離子噴涂雙陶瓷層熱障涂層的高隔熱能力、成本低廉的基礎(chǔ)上延長(zhǎng)了其使用壽命。


圖1是本發(fā)明方法示意圖。圖2是本發(fā)明方法實(shí)施效果示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步詳細(xì)的描述。本發(fā)明ー種高隔熱抗燒結(jié)熱障涂層的增韌方法，首先采用等離子噴涂方法噴涂如圖2所示的熱障涂層系統(tǒng)，從內(nèi)到外依次為高溫合金基底、高溫合金基底和內(nèi)部陶瓷層間的粘結(jié)層、內(nèi)部陶瓷層以及表面陶瓷層；然后如圖1所示，采用激光束以垂直于涂層方向在表面陶瓷層上進(jìn)行掃描加熱，激光束的寬度為150 μ m,激光束功率W/掃描速度m/s為7. 11 ( p/v ( 10. 68，激光束間距為3mm。激光作用點(diǎn)附近半球形區(qū)域內(nèi)的陶瓷會(huì)急速升溫膨脹，如圖2所示，形成熱膨脹區(qū)。由于加熱過程時(shí)間極短加之表面陶瓷材料熱導(dǎo)率很低，因此熱膨脹區(qū)下方陶瓷在此作用過程中幾乎沒有產(chǎn)生體積變化，熱膨脹區(qū)的陶瓷則會(huì)在其下方的陶瓷中產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)カ達(dá)到或超過表面陶瓷所能承受的最大值時(shí)陶瓷就會(huì)在垂直基體的方向開裂形成損傷或垂直裂紋。足夠數(shù)量的激光作用點(diǎn)上即會(huì)在表面陶瓷層內(nèi)部產(chǎn)生足夠數(shù)量的損傷或垂直于基體的裂紋，形成類似EB-PVD所制熱障涂層的結(jié)構(gòu)以提 高表面陶瓷層的應(yīng)變承受能力，緩解熱應(yīng)力，從而達(dá)到延長(zhǎng)雙陶瓷層熱障涂層使用壽命的目的。
權(quán)利要求
1.一種高隔熱抗燒結(jié)熱障涂層的增韌方法，其特征在于在等離子噴涂方法噴涂的雙陶瓷層熱障涂層的表面陶瓷層上，利用激光誘導(dǎo)表面陶瓷層內(nèi)部產(chǎn)生損傷或垂直于基體的裂紋。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高隔熱抗燒結(jié)熱障涂層的增韌方法，其特征在于所述利用激光誘導(dǎo)表面陶瓷層內(nèi)部產(chǎn)生損傷或垂直于基體的裂紋的具體方法為用激光束以垂直于涂層方向在雙陶瓷層熱障涂層的表面陶瓷層上進(jìn)行掃描加熱。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高隔熱抗燒結(jié)熱障涂層的增韌方法，其特征在于所述激光束的寬度為150 μ m，激光束功率W/掃描速度m/s為7. 11 ^p/v^ 10. 68，激光束間距為 3mm η
全文摘要
一種高隔熱抗燒結(jié)熱障涂層的增韌方法，在等離子噴涂方法噴涂的雙陶瓷層熱障涂層的表面陶瓷層上，利用激光誘導(dǎo)表面陶瓷層內(nèi)部產(chǎn)生損傷或垂直于基體的裂紋，具體方法為用激光束以垂直于涂層方向在雙陶瓷層熱障涂層的表面陶瓷層上進(jìn)行加熱，激光束寬度150μm，激光束功率(W)/掃描速度(m/s)7.11≤p/v≤10.68,激光束間距3mm；本發(fā)明能夠在保持等離子噴涂工藝所制雙陶瓷層熱障涂層高隔熱能力的基礎(chǔ)上緩解兩層陶瓷間的熱應(yīng)力，克服表面陶瓷低熱膨脹系數(shù)、低應(yīng)變承受能力的缺點(diǎn)，延長(zhǎng)雙陶瓷層熱障涂層的使用壽命。
文檔編號(hào)C23C24/08GK102953027SQ201210435928
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月5日
發(fā)明者張偉旭, 呂志超, 許榮, 蘇羅川, 曲直, 王鐵軍 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)