一種抗cmas腐蝕微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)熱障涂層及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種抗CMAS腐蝕微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)熱障涂層的制備方法。本發(fā)明所述的熱障涂層包括在合金基體上制備得到的粘結(jié)層、第一陶瓷層和第二陶瓷層；所述的第一陶瓷層為氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯涂層，可以采用大氣等離子噴涂、電子束物理氣相沉積方法或等離子蒸發(fā)沉積的方法制備，厚度為50～200μm；所述第二陶瓷層為等離子蒸發(fā)沉積系統(tǒng)制備的抗CMAS涂層，厚度為1～100μm。高溫下，熔融的CMAS在本發(fā)明制備的第二陶瓷層表面不潤濕。本發(fā)明制備的含有粘結(jié)層+第一陶瓷層+抗CMAS的第二陶瓷的多層熱障涂層體系可以有效阻止熔融CMAS的滲入，具有優(yōu)異的抗熔融CMAS腐蝕性能。
【專利說明】
一種抗CMAS腐蝕微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)熱障涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及熱障涂層腐蝕與防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種具有微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗CMAS腐蝕的熱障涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱障涂層(Thermal Barrier Coatings)，簡稱TBCs，是先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)熱端部件的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)之一。隨著發(fā)動機(jī)推重比的提高，渦輪前燃?xì)膺M(jìn)口溫度也大幅提高，到第四代戰(zhàn)斗機(jī)時，燃?xì)膺M(jìn)口溫度已經(jīng)達(dá)到了 1650°C，單純依靠高溫合金單晶技術(shù)已經(jīng)很難滿足航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展要求。后來，美國NASA提出了熱障涂層的概念，即在高溫合金基底表面制備一層耐高溫、高隔熱的防護(hù)涂層，一般由金屬粘結(jié)層和陶瓷層組成。當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的熱障涂層中陶瓷層材料是氧化乾部分穩(wěn)定的氧化錯(YSZ，Zr02+6?8wt.% Y2O3)。
[0003]等離子蒸發(fā)沉積系統(tǒng)(plasma evaporated deposit1n system)是一種制備熱障涂層的新型技術(shù)。等離子蒸發(fā)沉積兼具等離子噴涂(PS)和電子束物理氣相沉積(EB-PVD)的優(yōu)點(diǎn)，可以通過改變工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)氣相、液相、固相多相復(fù)合沉積，制備出層狀、柱狀或混合狀結(jié)構(gòu)涂層，其制備效率高、成本低。較之大氣等離子噴涂(APS)，等離子蒸發(fā)沉積系統(tǒng)的輸出功率可達(dá)180kw，工作氣壓能降到Imbar，而且等離子射流能拉長到2m，射流直徑可以增加至200?400mm。
[0004]在飛機(jī)飛行過程中，發(fā)動機(jī)會吸入大氣中的各種固體顆粒物，例如火山噴發(fā)后漂浮在大氣中的火山灰，其主要化學(xué)成分Ca0，Mg0，Al203和S12,以及少量Fe(Ni，Ti)等的氧化物，簡稱為CMAS ο當(dāng)發(fā)動機(jī)服役溫度高于1200 0C時，CMAS在TBCs表面有很好的潤濕性，在毛細(xì)作用下通過YSZ陶瓷層表面的空隙和裂紋滲透到涂層內(nèi)部，沖擊壓實(shí)YSZ陶瓷層，產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致陶瓷層分層、剝落;而且YSZ陶瓷層中的穩(wěn)定劑氧化釔(Y2O3)會與CMAS發(fā)生反應(yīng)，誘發(fā)氧化鋯(ZrO2)發(fā)生相變，降低了涂層的應(yīng)變損傷容限；同時CMAS中的S1、Ca內(nèi)擴(kuò)散加劇了 YSZ陶瓷層的燒結(jié)、大幅降低了孔隙率，TBCs的隔熱能力急劇下降。因此CMAS腐蝕已經(jīng)被廣泛認(rèn)為是熱障涂層剝落失效的主要原因。
[0005]制備抗CMAS防護(hù)涂層的主要方法有:
[0006]1.表面封孔技術(shù)；
[0007]2.在表面制備不可滲透涂層或犧牲性涂層來阻擋CMAS的滲入；
[0008]3.新型陶瓷層材料，如:稀土鋯酸鹽陶瓷層。
[0009]上述三個方面在國內(nèi)外都有大量的專利申請，其本質(zhì)都是在陶瓷層表面形成一層致密的保護(hù)層，使恪融的CMAS無法滲透通過來抵抗CMAS的腐蝕。但不論如何設(shè)計，該致密層的熱膨脹系數(shù)必然和底層的陶瓷層不一致，在高溫?zé)嵫h(huán)條件下，致密層更容易產(chǎn)生裂紋和失效。因此，上述的CMAS防護(hù)技術(shù)并沒有在實(shí)際生產(chǎn)中得到大規(guī)模應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明提出一種抗CMAS腐蝕微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)熱障涂層及其制備方法，更具體指應(yīng)用等離子蒸發(fā)沉積系統(tǒng)(plasma evaporated deposit1n system)制備抗CMAS腐蝕涂層。所述的該涂層具有微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，高溫下熔融CMAS在涂層表面不潤濕，并且滾動角小，CMAS很難在涂層表面附著，從而避免了CMAS腐蝕的發(fā)生。
[0011]本發(fā)明提供的抗CMAS腐蝕微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)熱障涂層的制備方法，包括下列步驟:
[0012]第一步，基體表面噴砂預(yù)處理；
[0013]第二步，在基體上制備NiAlX(X:Dy，Hf，Zr等)、NiCoCrAlY或NiAlPt粘結(jié)層。制備方法是低壓等離子噴涂方法、等離子蒸發(fā)沉積法、電子束物理氣相沉積或者電鍍Pt后滲鋁法；
[0014]第三步，在粘結(jié)層上制備第一陶瓷層。所述的第一陶瓷層為氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯層(YSZ)。采用的制備方法是大氣等離子噴涂方法(APS)、等離子蒸發(fā)沉積法或電子束物理氣相沉積法；
[0015]第四步，在第一陶瓷層上采用等離子蒸發(fā)沉積法制備具有微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的第二陶瓷層，其原材料為氧化鋁或氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯等。所用粉末為納米團(tuán)聚粉，粉末的一次粉末粒徑為50?500nm，團(tuán)聚后粒徑為I?30μηι。所述的等離子蒸發(fā)沉積法具體步驟如下:
[0016](I)將噴好第一陶瓷層YSZ的基體裝入夾具中，然后把夾具裝到真空室內(nèi)的自動轉(zhuǎn)動工件臺上，關(guān)閉真空室，抽真空到真空室的壓力低于Imbar;
[0017](2)設(shè)定噴涂電功率為55?lOOkw，電流為1800?2500Α，打開工作氣體閥門，引弧，待電弧穩(wěn)定后，逐步調(diào)整等離子氣體流量到Ar 35slpm，He 30?60slpm;
[0018](3)調(diào)整工件臺至等離子焰流中，利用等離子焰流對基體進(jìn)行預(yù)加熱，同時通過紅外探頭探測基體溫度，當(dāng)基體溫度升到600?1000°C后，停止加熱；
[0019](4)打開裝有第二陶瓷層粉末的送粉器，調(diào)整送粉率為5?30g/min，噴涂距離為900?I 10mm，開始沉積第二陶瓷層；
[0020](5)涂層沉積結(jié)束后，停止送粉。一般沉積時間越長，涂層越厚，本發(fā)明中選擇沉積時間為Imin?1min，得到厚度為I?ΙΟΟμπι的第二陶瓷層。
[0021](6)逐步減小氣體流量，滅弧，待真空室冷卻至室溫后，泄真空；
[0022](7)放氣結(jié)束后，打開真空室，取出基體。
[0023]本發(fā)明還提供一種抗CMAS腐蝕的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的熱障涂層。所述的熱障涂層，包括三層:粘結(jié)層、第一陶瓷層和第二陶瓷層。
[0024]所述的粘結(jié)層材料分為三種:第一種為NiAlX(X:Dy，Hf，Zr等)，其組分包括40?6011101%的祖，38?6011101%的厶1，0.05?1.511101%的父(父:07，!^，21等)；第二種為祖厶1?扒其組分包括40?60mol %的Ni，34?46mol %的Al，4?20mol %的Pt ；第三種為NiCoCrAlY，其組分包括40?6(^七％的祖，15?25￥七％的(:0，16?27￥七％的0，5?10￥七％的厶1，0.05?2￥七％的Y。所述的第一陶瓷層為YSZ層，即陶瓷底層，制備在粘結(jié)層表面，其材料為氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯(Zr02+(6?8wt%)Y203)。第二陶瓷層為陶瓷頂層，制備在第一陶瓷層表面，具有微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以抗CMAS腐蝕，其材料為氧化鋁或氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)等材料。
[0025]優(yōu)選地，第一陶瓷層的厚度為50?200μπι，第二陶瓷層的厚度為I?ΙΟΟμπι。
[0026]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0027]1.等離子蒸發(fā)沉積技術(shù)可實(shí)現(xiàn)氣相、液相、固相多相復(fù)合沉積，最終沉積出來的第二陶瓷層是柱狀晶結(jié)構(gòu)，并且在柱狀晶表面分布著很多微納米顆粒。由于這些微納米顆粒的存在，涂層具有超疏水和自清潔性。常溫下測得水與第二陶瓷層之間的接觸角約160°，滾動角小于5° ； 1250°C下熔融的CMAS在涂層表面不鋪展不潤濕，起到了很好的防CMAS作用。
[0028]2.等離子蒸發(fā)沉積技術(shù)，可以直接在現(xiàn)有熱障涂層(第一陶瓷層)表面制備第二陶瓷層(抗CMAS微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)熱障涂層)，且與第一陶瓷層的結(jié)合力良好。
[0029]3.第二陶瓷層具有柱狀晶結(jié)構(gòu)，柱狀晶結(jié)構(gòu)的枝晶間隙可以釋放熱應(yīng)力，使涂層具有更高的應(yīng)變?nèi)菹?，熱循環(huán)壽命高；如果第一陶瓷層也選用等離子蒸發(fā)沉積技術(shù)制備且第二陶瓷層選用YSZ時，可以一次性制備出第一和第二陶瓷層，簡化制備工藝，提高生產(chǎn)效率。
[0030]4.第二陶瓷層選用YSZ時，與第一陶瓷層完全相容，穩(wěn)定性良好;第二陶瓷層選用氧化鋁時，價格低廉，降低了涂層的噴涂成本。
[0031 ] 5.等離子蒸發(fā)沉積技術(shù)效率高，而且具有非常好的繞鍍性，在非視線區(qū)域也可以沉積出涂層，能完成復(fù)雜工件的噴涂。
【附圖說明】
[0032]圖1是本發(fā)明制得的雙陶瓷層熱障涂層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖2(a)是本發(fā)明實(shí)施例1中用等離子蒸發(fā)沉積系統(tǒng)噴涂10秒制備的第二陶瓷層表面二次電子形貌圖(放大5000倍)；
[0034]圖2(b)是本發(fā)明實(shí)施例1中用等離子蒸發(fā)沉積系統(tǒng)噴涂I分鐘制備的第二陶瓷層表面二次電子形貌圖(放大5000倍)；
[0035]圖2(c)是本發(fā)明實(shí)施例1中用等離子蒸發(fā)沉積系統(tǒng)噴涂10分鐘制備的第二陶瓷層表面二次電子形貌圖(放大5000倍)；
[0036]圖2(d)是本發(fā)明實(shí)施例1中用等離子蒸發(fā)沉積系統(tǒng)噴涂10分鐘制備的第二陶瓷層表面二次電子形貌圖(放大500倍)；
[0037]圖2(e)是荷葉表面的SEM照片及結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖3(a)是本發(fā)明實(shí)施例1中制備的抗CMAS腐蝕微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層在1250°C下CMAS腐蝕4小時后，試樣中心的表面形貌圖；
[0039]圖3(b)是本發(fā)明實(shí)施例1中制備的抗CMAS腐蝕微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層在1250 V下CMAS腐蝕4小時后，試樣邊緣有CMAS殘留的表面形貌圖；
[0040]圖4是在本發(fā)明實(shí)施例2中制得的熱障涂層表面測水的潤濕角的示意圖；
[0041]圖5(a)是本發(fā)明實(shí)施例3中大氣等離子噴涂制備的YSZ熱障涂層在1250°C下CMAS腐蝕4小時后的表面形貌圖；
[0042]圖5(b)是本發(fā)明實(shí)施例3中大氣等離子噴涂制備的YSZ熱障涂層在1250°C下CMAS腐蝕4小時后的截面形貌圖；
[0043]圖5(c)是本發(fā)明實(shí)施例3中等離子蒸發(fā)沉積系統(tǒng)制備的抗CMAS第二陶瓷層在1250°CTCMAS腐蝕4小時的表面形貌圖；
[0044]圖5(d)是本發(fā)明實(shí)施例3中等離子蒸發(fā)沉積系統(tǒng)制備的抗CMAS第二陶瓷層在1250tCTCMAS腐蝕4小時的截面形貌圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045]以下通過具體實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施以及所具有的有益效果，但是不能對本發(fā)明的可實(shí)施范圍形成任何限定。該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)上述內(nèi)容對本發(fā)明的技術(shù)方案做出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0046]本發(fā)明提供一種抗CMAS腐蝕微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)熱障涂層的制備方法，包括下列步驟:
[0047]第一步，基體預(yù)處理；
[0048]將高溫合金基體依次在200#、400#、600#、800#砂紙上打磨表面，然后超聲波清洗lOmin，噴砂預(yù)處理使表面粗糙度Ra〈2。所述的高溫合金基體為K3合金。
[0049]第二步，在基體上制備NiAlX(X選擇Dy、Hf或Zr等)、NiCoCrAlY或NiAlPt粘結(jié)層。
[0050](A)采用低壓等離子噴涂方法制備NiAlXU選擇Dy、Hf或Zr等)或NiCoCrAlY粘結(jié)層；
[0051]將第一步預(yù)處理后的基體裝在低壓等離子噴涂設(shè)備的夾具中，然后將其安裝在真空室的自動工件運(yùn)動臺上，調(diào)整主要工藝參數(shù):電流為600?700A，電壓為40?60kw，送粉率為15?25g/min，噴涂距離為200?300mm，主氣流量Ar氣為50?70m3/h，H2氣流量為3?6m3/h，真空度為6?lOkPa。本發(fā)明中選擇沉積時間10?30min，得到厚度為40?80μηι的粘結(jié)層。
[0052](B)采用等離子蒸發(fā)沉積方法制備NiAlXU選自Dy、Hf或Zr等)或NiCoCrAlY粘結(jié)層；
[0053]將第一步預(yù)處理后的基體裝在等離子蒸發(fā)沉積設(shè)備的夾具中，然后將其安裝在真空室的自動工件運(yùn)動臺上，調(diào)整主要工藝參數(shù):噴涂電功率30?60kw，電流800?1200A，送粉率10?30g/min，噴涂距離300mm?800mm，主氣流量Ar 35slpm，He 30?60slpm，真空度30?50mbar。本發(fā)明中選擇沉積時間為2?I Om i η，得到厚度為40?80μηι的粘結(jié)層。
[0054](C)采用電子束物理氣相沉積方法制備NiAlX(X選自Dy、Hf或Zr等)或NiCoCrAlY粘結(jié)層；
[0055]將第一步預(yù)處理后的基體放置在電子束物理氣相沉積設(shè)備的旋轉(zhuǎn)基板上，然后把待蒸發(fā)的NiAlX(X: Dy，Hf，Zr等)或NiCoCrAlY棒料放入水冷銅坩禍中，沉積室抽真空至3 X10—3Pa,把基板預(yù)熱至700?800°C，調(diào)節(jié)電子束電壓為18?20kV，電子束電流為1.2A?1.5A，試樣旋轉(zhuǎn)速率為12?15r/min，預(yù)熱、蒸發(fā)棒料，控制棒料上升速率0.2?0.4mm/min。本發(fā)明中選擇沉積時間為30?40min，得到厚度40?80μηι的粘結(jié)層。
[0056](D)采用電鍍Pt后滲鋁的方法制備NiAlPt粘結(jié)層；
[0057]配置Pt的電鍍液，選取初始成分為:亞硝酸二氨鉑(Pt(NH3)2(NO2)2)含量17g/L，硝酸銨(NH4NO3)含量100g/L，亞硝酸鈉(NaNO2)含量10g/L，氨水(NH3.H2O)含量50g/L。將基體放入Pt電鍍液中，設(shè)置電鍍Pt電流為0.5?2.0mA/mm2，電鍍時間為Ih，鍍液溫度80 °C，電鍍Pt層的厚度為5?15μπι。然后再利用包埋滲方法滲鋁，包埋滲的工藝參數(shù)為:保溫溫度1000°C，保溫時間90min，最終得到厚度40?80μπι的NiAlPt粘結(jié)層。
[0058]將制備好的粘結(jié)層放入真空熱處理爐中，設(shè)置熱處理溫度為1050°C，保溫時間4h，進(jìn)行擴(kuò)散處理，提高涂層與高溫合金基體的結(jié)合力，然后隨爐冷卻。
[0059]第三步，在粘結(jié)層上制備第一陶瓷層氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯層(YSZ)。
[0060](A)采用大氣等離子噴涂方法制備第一陶瓷層；
[0061]將制備好粘結(jié)層的基體裝在大氣等離子噴涂設(shè)備的夾具中，然后將其安裝在真空室的自動工件運(yùn)動臺上，調(diào)整主要工藝參數(shù):電流為600?700A，電壓為60?80V，送粉率為15?25g/min，噴涂距離為100?250mm，主氣流量Ar氣為50?70L/min，H2氣流量為6?8L/min。本發(fā)明中選擇沉積時間為10?30min，得到厚度為50?200μηι的第一陶瓷層。
[0062](B)采用等離子蒸發(fā)沉積方法制備第一陶瓷層；
[0063](BI)將制備好粘結(jié)層的基體裝入夾具中，然后把夾具裝到真空室內(nèi)的自動工件運(yùn)動臺上，關(guān)閉真空室，抽真空到真空室的壓力低于Imbar;
[0064](Β2)設(shè)定噴涂電功率為55?lOOkw，電流為1800?2500Α，打開工作氣體閥門，弓丨弧，待電弧穩(wěn)定后，逐步調(diào)整等離子氣體流量到Ar 35slpm，He 30?60slpm;
[0065](B3)調(diào)整工件距離使得基體位于等離子焰流中，利用等離子焰流對基體進(jìn)行預(yù)加熱，同時通過紅外探頭探測基體溫度，當(dāng)基體溫度升到600?1000°C后，停止加熱；
[0066](B4)打開裝有YSZ粉末的送粉器，調(diào)整送粉率為5?30g/min，噴涂距離為1200?1400mm，開始沉積第一陶瓷層；
[0067](B5)YSZ涂層沉積結(jié)束后，停止送粉;一般沉積時間越長，涂層越厚，本發(fā)明中選擇沉積時間Imin?20min，得到厚度為50?200μπι的第一陶瓷層；
[0068](Β6)逐步減小氣體流量，滅弧，待真空室冷卻后，泄真空；
[0069](Β7)放氣結(jié)束后，打開真空室，取出基體。
[0070](C)采用電子束物理氣相沉積方法制備第一陶瓷層；
[0071]將制備好粘結(jié)層的基體試樣放置在電子束物理氣相沉積設(shè)備的旋轉(zhuǎn)基板上，然后把待蒸發(fā)的YSZ棒料放入水冷銅坩禍中，沉積室抽真空至3 X 10—3Pa,把基板預(yù)熱至700?800°C，調(diào)節(jié)電子束電壓為18?20kV，電子束電流為1.2A?1.5A，試樣旋轉(zhuǎn)速率為12?15r/min，預(yù)熱、蒸發(fā)棒料，控制棒料上升速率0.2?0.4mm/min。本發(fā)明中選擇沉積時間30?50min，得到厚度為50?200μπι的第一陶瓷層。
[0072]第四步，在第一陶瓷層上采用等離子蒸發(fā)沉積法制備第二陶瓷層，其材料為氧化鋁或氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯等。所用噴涂粉末為納米團(tuán)聚粉，粉末的一次粉末粒徑為50?500nm，團(tuán)聚后粒徑為I?30μηι，具體步驟如下:
[0073](I)將噴好第一陶瓷層YSZ的基體裝入夾具中，然后把夾具裝到真空室內(nèi)的自動轉(zhuǎn)動工件臺上，關(guān)閉真空室，抽真空到真空室的壓力低于Imbar;
[0074](2)設(shè)定噴涂電功率為55?lOOkw，電流為1800?2500Α，打開工作氣體閥門，引弧，待電弧穩(wěn)定后，逐步調(diào)整等離子氣體流量到Ar 35slpm，He 30?60slpm;
[0075](3)調(diào)整工件距離至等離子焰流中，利用等離子焰流對基體進(jìn)行預(yù)加熱，同時通過紅外探頭探測基體溫度，當(dāng)基體溫度升到600?KKKTC后，停止加熱；
[0076](4)打開裝有第二陶瓷層粉末的送粉器，調(diào)整送粉率為5?30g/min，噴涂距離為900?I 10mm，開始沉積第二陶瓷層；
[0077](5)涂層沉積結(jié)束后，停止送粉;沉積時間越長，涂層越厚，本發(fā)明中選擇沉積時間Imin?1min，得到厚度為I?ΙΟΟμπι的第二陶瓷層；
[0078](6)逐步減小氣體流量，滅弧，待真空室冷卻后，泄真空；
[0079](7)放氣結(jié)束后，打開真空室，取出基體。
[0080]實(shí)施例1:在高溫合金基體表面制備:低壓等離子噴涂NiCoCrAlY粘結(jié)層+等離子蒸發(fā)沉積第一陶瓷層YSZ+等離子蒸發(fā)沉積第二陶瓷層YSZ的熱障涂層，具體步驟如下:
[0081 ] 第一步，將高溫合金基體依次在200#、400#、600#、800#砂紙上打磨表面，然后超聲波清洗lOmin，噴砂預(yù)處理使表面粗糙度Ra〈2。所述的高溫合金為K3合金。
[0082]第二步，在基體上采用低壓等離子噴涂制備NiCoCrAlY粘結(jié)層。
[0083]將合金基體裝在低壓等離子噴涂設(shè)備的夾具中，然后將其安裝在真空室的自動工件運(yùn)動臺上，調(diào)整主要工藝參數(shù):電流為600Α，電壓為40kw，送粉率為15g/min，噴涂距離為200mm，主氣流量Ar氣為501113/11，!12氣流量為3m3/h，真空度為6kPa。本發(fā)明中選擇沉積時間為lOmin，得到厚度為50μπι的第一陶瓷層。
[0084]將制備好的粘結(jié)層放入真空熱處理爐中，設(shè)置熱處理溫度為1050°C，保溫時間4h，進(jìn)行擴(kuò)散處理，提高涂層與高溫合金基體的結(jié)合力，然后隨爐冷卻。
[0085]第三步，在NiCoCrAlY粘結(jié)層上采用等離子蒸發(fā)沉積方法一次性制備第一陶瓷層和第二陶瓷層，具體步驟如下:
[0086](I)將噴好粘結(jié)層的基體裝入夾具中，然后把夾具裝到真空室內(nèi)的自動轉(zhuǎn)動工件臺上，關(guān)閉真空室，抽真空到真空室的壓力低于Imbar;
[0087](2)設(shè)定噴涂電功率為lOOkw，電流為2500A，打開工作氣體閥門，引弧，待電弧穩(wěn)定后，逐步調(diào)整等離子氣體流量到Ar 35s lpm，He 60s lpm;
[0088](3)調(diào)整工件距離至等離子焰流中，利用等離子焰流對基體進(jìn)行預(yù)加熱，同時通過紅外探頭探測基體溫度，當(dāng)基體溫度升到600°C后，停止加熱；
[0089](4)打開裝有第一陶瓷層YSZ粉末的送粉器，調(diào)整送粉率為5g/min，噴涂距離為1400mm，開始沉積第一陶瓷層，第一陶瓷層YSZ粉末是粒徑I?20μπι的微米粉；沉積時間20min，得到厚度為200μπι的第一陶瓷層；
[0090](5)打開裝有第二陶瓷層YSZ粉末的送粉器，調(diào)整送粉率為5g/min，噴涂距離為1100mm，開始沉積第二陶瓷層，第二陶瓷層YSZ粉末是納米團(tuán)聚粉，一次粉末粒徑為200nm，團(tuán)聚后粒徑為I?30μηι ；依次設(shè)置沉積時間為I Os，Imin，I Omin，分別得到厚度為Ιμπι，2m，ΙΟΟμπι的第二陶瓷層；
[0091 ] (6)沉積結(jié)束后，逐步減小氣體流量，滅弧，待真空室冷卻后，泄真空；
[0092](7)放氣結(jié)束后，打開真空室，得到一種抗CMAS腐蝕的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的熱障涂層，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，所述的熱障涂層包括高溫合金基體上依次制備的粘結(jié)層、第一陶瓷層和第二陶瓷層。
[0093]圖2(a)、(b)、(c)、(d)為在等離子蒸發(fā)沉積設(shè)備IlOOmm位置噴涂不同時間的第二陶瓷層表面二次電子圖像，由圖可見，第二陶瓷層的柱狀晶結(jié)構(gòu)主要是由氣態(tài)和固體小顆粒共同沉積形成的，在沉積1s時，如圖2(a)，第二陶瓷層表面僅有一些固體小顆粒，隨沉積時間的延長，在固體顆粒上逐漸長出準(zhǔn)柱狀晶結(jié)構(gòu)的涂層;沉積I到10分鐘時，如圖2(b)，基體表面固體小顆粒逐漸增加，到沉積10分鐘時柱狀晶已經(jīng)布滿表面，如圖2(c)、2(d)，由氣相形成的柱狀晶柱頭為半球，尺寸約10?20μπι，在這些半球表面和空隙中還夾雜了大量直徑約0.5?Ιμπι的微納米顆粒，這些形貌構(gòu)成類似于荷葉表面的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。圖2(e)顯示出荷葉表面上有許多微小的乳突，乳突的平均大小約為ΙΟμπι，而每個乳突由許多直徑為Iμπι左右的突起組成的，荷葉之所以具有超疏水性和自清潔的特性就是因?yàn)橛羞@種乳突結(jié)構(gòu)存在。
[0094]將CMAS涂敷于第二陶瓷層表面，然后在1250°C的管式爐中恒溫24h。如圖3(a)所示在腐蝕后的試樣中心區(qū)域沒有發(fā)現(xiàn)CMAS附著。而圖3(b)所示的試樣邊緣區(qū)域殘留了少量CMAS，且都是球形的。通過測量發(fā)現(xiàn)熔融CMAS與第二陶瓷層的接觸角在150?180°之間。
[0095]實(shí)施例2:在高溫合金基體表面制備:電子束物理氣相沉積NiAlDy粘結(jié)層+電子束物理氣相沉積第一陶瓷層YSZ+等離子蒸發(fā)沉積第二陶瓷層YSZ的熱障涂層，具體步驟如下:
[0096]第一步，將高溫合金基體依次在200#、400#、600#、800#砂紙上打磨表面，然后超聲波清洗lOmin，噴砂預(yù)處理使表面粗糙度Ra〈2。所述的高溫合金為K3合金。
[0097]第二步，在基體上用電子束物理氣相沉積方法制備NiAlDy粘結(jié)層，制備步驟如下:
[0098](I)使用高純鎳(Ni)，高純鋁(Al)及純度99.7wt.%的鏑(Dy)，按照設(shè)計成分配比，Al含量為50mol %，Dy含量為0.5mol %，余量為Ni。對鎳塊及鋁塊表面進(jìn)行打磨，除去表面的氧化膜，然后用無水酒精和丙酮進(jìn)行超聲波清洗約15min，烘干后，對配制的合金使用電弧恪煉的方法，制備出Φ 7Omm X I OOmm革巴材；
[0099](2)將上述靶材在真空熱處理爐中進(jìn)行1200°C均勻化熱處理24h，然后隨爐冷卻；
[0100](3)將靶材放進(jìn)電子束物理氣相沉積設(shè)備的坩禍中，沉積室抽真空至3X10—￥&，把基板預(yù)熱至800°C，調(diào)節(jié)電子束電壓為20kV，電子束電流為1.5A，試樣旋轉(zhuǎn)速率為15r/min，預(yù)熱、蒸發(fā)棒料，控制棒料上升速率0.2mm/min。沉積時間40min，得到厚度為80μηι的粘結(jié)層；
[0101](4)將制備好的NiAlDy粘結(jié)層放入真空熱處理爐中，設(shè)置熱處理溫度為1050°C，保溫時間4h，進(jìn)行擴(kuò)散熱處理，提高涂層與高溫合金基體的結(jié)合力。
[0102]第三步，在NiAlDy粘結(jié)層上用電子束物理氣相沉積方法制備YSZ第一陶瓷層，制備步驟如下:
[0103](I)將YSZ粉體干壓成型，制成Φ 70mm X 10mm的YSZ棒料；
[0104](2)將上述棒料在200MPa下冷等靜壓成型I?2h，然后將棒料放在高溫?zé)Y(jié)爐1200°C下燒結(jié)4h，隨爐冷卻；
[0105](3)將制備好粘結(jié)層的基體放置在電子束物理氣相沉積設(shè)備的旋轉(zhuǎn)基板上，然后把待蒸發(fā)的YSZ棒料放入水冷銅坩禍中，沉積室抽真空至3 X 10—3Pa，把基板預(yù)熱至800°C，調(diào)節(jié)電子束電壓為20kV，電子束電流為1.5A，試樣旋轉(zhuǎn)速率為12r/min，預(yù)熱、蒸發(fā)棒料，控制棒料上升速率0.2mm/min。本發(fā)明中選擇沉積時間30min，得到厚度為I ΟΟμπι的第一陶瓷層；
[0106]第四步，在第一陶瓷層上用等離子蒸發(fā)沉積方法制備第二陶瓷層YSZ，制備步驟如下:
[0107](I)將噴好第一陶瓷層YSZ的基體裝入夾具中，然后把夾具裝到真空室內(nèi)的自動轉(zhuǎn)動工件臺上，關(guān)閉真空室，抽真空到真空室的壓力低于Imbar;
[0108](2)設(shè)定噴涂電功率為lOOkw，電流為2500Α，打開工作氣體閥門，引弧，待電弧穩(wěn)定后，逐步調(diào)整等離子氣體流量到Ar 35s lpm，He 60s lpm;
[0109](3)調(diào)整工件距離至等離子焰流中，利用等離子焰流對基體進(jìn)行預(yù)加熱，同時通過紅外探頭探測基體溫度，當(dāng)基體溫度升到600°C后，停止加熱；
[0110](4)打開裝有第二陶瓷層粉末的送粉器，調(diào)整送粉率為5g/min，噴涂距離為900mm，開始沉積第二陶瓷層，第二陶瓷層粉末是納米團(tuán)聚粉，一次粉末粒徑為50nm，團(tuán)聚后粒徑為5 ?30μπι;
[0111](5)涂層沉積結(jié)束后，停止送粉;沉積時間越長，涂層越厚，選擇沉積時間5min，得到厚度為50μπι的第二陶瓷層；
[0112](6)沉積結(jié)束后，逐步減小氣體流量，滅弧，待真空室冷卻后，泄真空；
[0113](7)放氣結(jié)束后，打開真空室，得到一種抗CMAS腐蝕的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的熱障涂層。
[0114]將CMAS涂敷于第二陶瓷層表面，然后在1250°C的管式爐中恒溫24h<XMAS在表面不潤濕，說明涂層有良好的抗CMAS性能。室溫下測水與第二陶瓷層的接觸角如圖4所示大約
160。ο
[0115]對試樣進(jìn)行高溫循環(huán)氧化測試:將試樣放在1050°C的高溫爐中，在該溫度下保溫55min，取出試樣用風(fēng)扇吹5min，如此循環(huán)往復(fù)，試樣循環(huán)氧化500h后，氧化增重0.66mg/cm2，第二陶瓷層并未失效(剝落面積占總面積的5%，即判定試樣初步失效)，說明第一陶瓷層和第二陶瓷層結(jié)合力好，且抗氧化性能優(yōu)異。
[0116]對試樣進(jìn)行抗熱沖擊測試，試樣被高溫火焰加熱到120(TC，在該溫度下保溫300s，然后熄滅高溫高速火焰，在空氣中冷卻90s，如此循環(huán)往復(fù)，試樣的壽命達(dá)到了 2000次，說明涂層抗熱沖擊性能良好。
[0117]將涂層放在1200°C的管式爐中恒溫100h，取出觀察其表面與截面，較之涂層的制備態(tài)，恒溫10h后柱狀晶表面的微納米顆粒的形態(tài)并未發(fā)生變化，說明涂層的高溫?zé)岱€(wěn)定性優(yōu)良。
[0118]實(shí)施例3:在高溫合金基體表面制備電鍍Pt滲鋁的NiAlPt粘結(jié)層+大氣等離子噴涂第一陶瓷層YSZ+等離子蒸發(fā)沉積第二陶瓷層Al2O3的多層熱障涂層，具體步驟如下:
[0119]第一步，將高溫合金基體依次在200#、400#、600#、800#砂紙上打磨表面，然后超聲波清洗lOmin，噴砂預(yù)處理使表面粗糙度Ra〈2。所述的高溫合金為K3合金。
[0120]第二步，采用電鍍以及包埋滲的方法在合金基體上制備NiAlPt粘結(jié)層，NiAlPt粘結(jié)層的制備步驟如下:
[0121]配置Pt的電鍍液，選取初始成分為:亞硝酸二氨鉑(Pt(NH3)2(NO2)2)含量17g/L，硝酸銨(NH4NO3)含量100g/L，亞硝酸鈉(NaNO2)含量10g/L，氨水(NH3.H2O)含量50g/L。將基體放入Pt電鍍液中，設(shè)置電鍍Pt電流為2mA/mm2，電鍍時間為lh，鍍液溫度80°C，電鍍Pt層的厚度為5μπι。然后再利用包埋滲方法滲鋁，包埋滲的工藝參數(shù)為:保溫溫度1000°C，保溫時間90min，最終得到厚度60μπι的NiAlPt粘結(jié)層。將制備好的NiAlPt粘結(jié)層放入真空熱處理爐中，設(shè)置熱處理溫度為1050°C，保溫時間4h，然后隨爐冷卻。
[0122]第三步，采用大氣等離子噴涂的方法在NiAlPt粘結(jié)層表面制備第一陶瓷層YSZ，主要工藝參數(shù):電流為600A，電壓為80V，送粉率為15g/min，噴涂距離為100mm，主氣流量Ar氣為50L/min，出氣流量為8L/min，沉積時間為30min，第一陶瓷層的沉積厚度為150μπι。
[0123]第四步，采用等離子蒸發(fā)沉積方法在第一陶瓷層上制備第二陶瓷層Al2O3,具體步驟如下:
[0124](I)將噴好第一陶瓷層YSZ的基體裝入夾具中，然后把夾具裝到真空室內(nèi)的自動轉(zhuǎn)動工件臺上，關(guān)閉真空室，抽真空到真空室的壓力低于Imbar;
[0125](2)設(shè)定噴涂電功率為10kw，電流為1800Α，打開工作氣體閥門，引弧，待電弧穩(wěn)定后，逐步調(diào)整等離子氣體流量到Ar 35s lpm，He 60s lpm;
[0126](3)調(diào)整工件距離至等離子焰流中，利用等離子焰流對基體進(jìn)行預(yù)加熱，同時通過紅外探頭探測基體溫度，當(dāng)基體溫度升到600°C后，停止加熱；
[0127](4)打開裝有Al2O3粉末的送粉器，調(diào)整送粉率為30g/min，噴涂距離為1100mm，開始沉積第二陶瓷層，粉末是納米團(tuán)聚粉，一次粉末粒徑為50nm，團(tuán)聚后粒徑為5?30μπι;沉積時間Imin，得到厚度為ΙΟμπι的涂層；
[0128](5)沉積結(jié)束后，逐步減小氣體流量，滅弧，待真空室冷卻后，泄真空；
[0129](6)放氣結(jié)束后，打開真空室，取出基體，得到電鍍Pt滲鋁的NiAlPt粘結(jié)層+大氣等離子噴涂第一陶瓷層YSZ+等離子蒸發(fā)沉積第二陶瓷層Al2O3的多層熱障涂層。
[0130]對制備得到的多層熱障涂層進(jìn)行CMAS測試，結(jié)果和實(shí)施例1相同，CMAS在表面不潤濕，說明涂層有良好的抗CMAS性能。圖5(a)是大氣等離子噴涂制備的YSZ熱障涂層腐蝕后的表面和5(b)截面形貌，可以看到同樣條件下，大氣等離子噴涂的第一陶瓷層已經(jīng)明顯被CMAS覆蓋，且滲入到涂層內(nèi)部，發(fā)生嚴(yán)重腐蝕剝落。圖5(c)(d)中等離子蒸發(fā)沉積制備的抗CMAS第二陶瓷層的表面和截面都沒有發(fā)現(xiàn)CMAS滲入。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種抗CMAS腐蝕微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)熱障涂層的制備方法，包括有下列步驟: 第一步，基體表面噴砂預(yù)處理； 第二步，在基體上制備粘結(jié)層； 第三步，在粘結(jié)層上制備第一陶瓷層； 第四步，在第一陶瓷層上制備具有微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的第二陶瓷層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抗CMAS腐蝕微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)熱障涂層的制備方法，其特征在于:第二步所述的粘結(jié)層采用的制備方法是低壓等離子噴涂方法、等離子蒸發(fā)沉積法、電子束物理氣相沉積或者電鍍Pt后滲鋁法。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抗CMAS腐蝕微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)熱障涂層的制備方法，其特征在于:第三步所述的第一陶瓷層采用的制備方法是大氣等離子噴涂方法、等離子蒸發(fā)沉積法或電子束物理氣相沉積法。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抗CMAS腐蝕微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)熱障涂層的制備方法，其特征在于:第四步所述的第一陶瓷層的制備所用粉末為粒徑I?20μπι的微米粉;第二陶瓷層的制備所用粉末為納米團(tuán)聚粉，粉末的一次粉末粒徑為50?500nm，團(tuán)聚后粒徑為I?30μηι。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抗CMAS腐蝕微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)熱障涂層的制備方法，其特征在于:第四步所述的第二陶瓷層采用的制備方法是等離子蒸發(fā)沉積法。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抗CMAS腐蝕微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)熱障涂層的制備方法，其特征在于:第四步具體步驟如下: (1)將噴好第一陶瓷層YSZ的基體裝入夾具中，然后把夾具裝到真空室內(nèi)的自動轉(zhuǎn)動工件臺上，關(guān)閉真空室，抽真空到真空室的壓力低于Imbar; (2)設(shè)定噴涂電功率為55?lOOkw，電流為1800?2500Α，打開工作氣體閥門，引弧，待電弧穩(wěn)定后，逐步調(diào)整等離子氣體流量到Ar 35slpm，He 30?60slpm; (3)調(diào)整工件臺至等離子焰流中，利用等離子焰流對基體進(jìn)行預(yù)加熱，同時通過紅外探頭探測基體溫度，當(dāng)基體溫度升到600?1000°C后，停止加熱； (4)打開裝有第二陶瓷層粉料的送粉器，調(diào)整送粉率為5?30g/min，噴涂距離為900?.1lOOmm，沉積時間為Imin?1min ；得到第二陶瓷層。7.一種抗CMAS腐蝕微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)熱障涂層，其特征在于:包括粘結(jié)層、第一陶瓷層和第二陶瓷層； 所述的粘結(jié)層材料分為三種:第一種為NiAlX，X為Dy、Hf或Zr，其組分包括40?60mol %的Ni，38?60mol %的Al，0.05?I.5mol %的X ；第二種為NiAlPt，其組分包括40?60mol %的Ni，34?46mol %的Al，4?20mol %的Pt ；第三種為NiCoCrAlY,其組分包括40?60wt%的附，15?25wt% 的(:0，16?27wt% 的0，5?10wt% 的厶1，0.05?2wt% 的丫； 所述的第一陶瓷層為YSZ層，制備在粘結(jié)層表面，其材料為氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯，SPZr02+(6?8wt% )Y203 ； 所述的第二陶瓷層為陶瓷頂層，制備在第一陶瓷層表面，具有微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，其材料為氧化鋁或氧化乾部分穩(wěn)定氧化錯。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種抗CMAS腐蝕微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)熱障涂層，其特征在于:第一陶瓷層的厚度為50?200μπι，第二陶瓷層的厚度為I?ΙΟΟμπι。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種抗CMAS腐蝕微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)熱障涂層，其特征在于:第二陶瓷層是由氣相形成的柱狀晶結(jié)構(gòu)，柱狀晶柱頭為半球，尺寸10?20μπι，在這些半球表面和空隙中還夾雜了直徑0.5?Ιμπι的微納米顆粒。
【文檔編號】C23C14/08GK106086765SQ201610590053
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月25日 公開號201610590053.2, CN 106086765 A, CN 106086765A, CN 201610590053, CN-A-106086765, CN106086765 A, CN106086765A, CN201610590053, CN201610590053.2
【發(fā)明人】郭洪波, 鄧陽丕, 魏亮亮
【申請人】北京航空航天大學(xué)