一种适用于铁基高温合金表面热障涂层的制备方法技术

一种适用于铁基高温合金表面热障涂层的制备方法，属于涡轮盘件铁基高温合金提高温度及寿命的应用领域。所述方法如下；纳米喂料材料的团聚处理；对铁基板进行处理；粘结层热喷涂；粘结层重熔及陶瓷层喷涂处理；制备态涂层热处理。本发明专利技术相对于现有技术的有益效果是：通过本发明专利技术的热障涂层的制备工艺，可实现在铁基高温合金表面制备高寿命的涂层，以满足铁基高温合金在更高温度使用的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于铁基高温合金表面热障涂层的制备方法
本专利技术属于涡轮盘件铁基高温合金提高温度及寿命的应用领域，具体涉及一种适用于铁基高温合金表面热障涂层的制备方法。
技术介绍
铁基高温合金是中等温度（低于800℃）条件下使用的重要材料，具有较好的中温力学性能和良好的热加工塑性，合金成分比较简单，成本较低。主要用于制作航空发动机和工业燃气轮机上涡轮盘，也可制作导向叶片、涡轮叶片、燃烧室，以及其他承力件、紧固件等。另一用途是制作柴油机上的废气增压涡轮。由于沉淀强化型铁基合金的组织不够稳定，抗氧化性较差，高温强度不足，因而铁基合金不能在更高温度条件下应用。为了改善铁基高温合金的抗氧化性能，在铁基高温合金表面进行涂层/镀层制备的研究技术得到广泛开展，从第一代渗/浸铝等技术，到NiCrCoAlY涂层的制备，至热障涂层的技术的开展，抗氧化性能得到不断提高，铁基高温合金的使用寿命得到提高，并能部分取代镍基高温合金。目前，在苛刻条件下应用的铁基高温合金，进行表面涂层/镀层的制备已不可避免，因而出现了很多抗氧化涂层的制备技术，而喷涂热障涂层既能改善其抗氧化性，又能提高铁基高温合金的使用温度，成为关键的涂层技术。铁基高温合金表面进行热障涂层的制备，使用过程中由于基体与热障涂层之间热膨胀系数的不匹配，使得热障涂层容易在热循环过程中发生开裂，甚至剥落，影响了热障涂层的使用。通过激光重熔等技术改变热障涂层的结构，可增加涂层的使用寿命，但发生失效时，热障涂层往往大面积或整体剥落，安全使用性差。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有的热障涂层易剥落、安全性差的问题，提供一种适用于铁基高温合金表面热障涂层的制备方法，该方法在喷涂过程中，加入粘结层表面重熔及制备态涂层热处理工序，改变了涂层热震的失效机制，可增加陶瓷层与粘结层的机械结合力，降低涂层内残余应力，有利于增强涂层的使用寿命，为铁基高温材料的高温应用提供了工艺技术。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种适用于铁基高温合金表面热障涂层的制备方法，所述方法具体步骤如下；步骤一：纳米喂料材料的团聚处理：采用体积分数为4%的聚乙烯醇水溶液，在95℃恒温水浴中加热20min后自然冷却至室温，制得有机黏合剂PVA；按照YSZ粉末：有机黏合剂PVA=1：3的体积比，将YSZ粉末加入有机黏合剂PVA中，使用电动搅拌器将两者混合均匀，即得到粘稠状的浆料，再将浆料放入超声清洗器中超声处理2h，超声功率为2000W；超声后的浆料放置在烘箱中进行热处理，除去浆料中的水分；待浆料完全干燥固化后从烘箱中取出进行充分研磨，筛选平均直径为50~70μm的粒子，即得到纳米喂料材料；步骤二：对铁基高温合金进行处理：使用体积分数为5%的稀盐酸清洗铁基高温合金，洗去氧化层，再使用体积分数为10%的NaOH溶液清洗铁基高温合金，洗去油污；步骤三：粘结层热喷涂：对步骤二处理后的铁基合金进行表面喷涂处理，喷涂时，先采用等离子体焰在铁基合金表面预热5~10s，使得基体合金升温至100~120℃；调整等离子体喷涂的Ar和H2的流量，Ar的流量为30L/min，H2的流量为2L/min，设置喷涂电压为50~55V，喷涂电流为450A，送粉气体为氩气，气流速度为30~35L/min，送粉速度为15~20g/min，喷涂距离为100~110mm，行走速度为80~100mm/s，经5~7次往复喷涂，即得到粘结层；步骤四：粘结层重熔及陶瓷层喷涂处理：采用等离子喷枪对粘结层垂直加热，喷枪电压为55~60V，喷枪电流为550A，喷枪与粘结层表面的距离为30~50mm，重熔时间为5~10s，当粘结层开始熔化时，立即用步骤一制备的纳米喂料材料进行陶瓷层喷涂；喷涂的具体条件为：电压55~60V，电流550A，送粉气体为氩气，气流速度为35~40L/min，送粉速度为20~25g/min，喷涂距离100~110mm，行走速度30~40mm/s，经8~11次往复喷涂，即得到YSZ陶瓷层；步骤五：制备态涂层热处理：将步骤四得到的YSZ陶瓷层放入烘干箱中，温度设置为200~300℃，保温2~3h，然后炉冷即可。本专利技术相对于现有技术的有益效果是：通过本专利技术的热障涂层的制备工艺，可实现在铁基高温合金表面制备高寿命的涂层，以满足铁基高温合金在更高温度使用的要求。目前，铁基高温合金的应用主要在表面进行NiCrCoAlY喷涂或包埋渗铝，提高耐高温氧化及腐蚀性能，延长合金的使用寿命，但合金使用温度没有提高，应用的领域没有扩展。通过喷涂低热导率的YSZ陶瓷层，可显著提高合金的使用温度。由于铁基高温合金与陶瓷层的热膨胀系数相差较大，影响陶瓷层的使用寿命，同时形成陶瓷层的整体剥落，限制了热障涂层的应用。本专利技术通过在喷涂制备过程中，增加粘结层重熔及制备态热障涂层的热处理工艺，改变了热障涂层的失效模式，提高了热障涂层的使用寿命，有利于热障涂层在铁基高温合金中的应用。在某些高温应用环境中应用的镍基高温合金如果被表面有陶瓷层的铁基高温合金替代，即便考虑喷涂带来的附加成本，其原材料的成本也较低，提高经济效益。附图说明图1为制备态热障涂层的表面形貌图；图2为制备态热障涂层的截面形貌图；图3为经热处理后涂层腐蚀190h后的表面形貌图；图4为经热处理后涂层经900℃-室温水淬150次的表面形貌图；图5为经热处理后涂层经900℃-室温水淬150次的截面形貌图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围之中。具体实施方式一：本实施方式记载的是一种适用于铁基高温合金表面热障涂层的制备方法，所述方法具体步骤如下；步骤一：纳米喂料材料的团聚处理：采用体积分数为4%的聚乙烯醇水溶液，在95℃恒温水浴中加热20min后自然冷却至室温，制得可以使细小颗粒物质团聚为大颗粒的有机黏合剂PVA；按照YSZ粉末：有机黏合剂PVA=1：3的体积比，将YSZ粉末加入有机黏合剂PVA中，使用电动搅拌器（MYP2011-150，上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司）将两者混合均匀，即得到粘稠状的浆料，再将浆料放入超声清洗器（NJ10100，杭州纳匠超声波科技有限公司）中超声处理2h，超声功率为2000W；通过搅拌和超声处理，浆料中的细小颗粒在有机黏合剂的作用下充分团聚长大；超声后的浆料放置在烘箱（DZF-6020-220，合肥科晶材料技术有限公司）中进行热处理，除去浆料中的水分；待浆料完全干燥固化后从烘箱中取出进行充分研磨，筛选平均直径为50~70μm的粒子，即得到可喷涂的纳米喂料材料；对于纳米YSZ喂料进行团聚处理，是为了满足大气等离子体喷涂的喂料尺寸；步骤二：对铁基高温合金进行处理：使用体积分数为5%的稀盐酸清洗铁基高温合金，洗去氧化层，再使用体积分数为10%的NaOH溶液清洗铁基高温合金，洗去油污；步骤三：粘结层热喷涂：对步骤二处理后的铁基高温合金进行表面喷涂处理，喷涂时，先采用等离子体焰在铁基高温合金表面预热5~10s，使得基体合金升温至100~120℃；调整等离子体喷涂的Ar和H2的流量，Ar的流量为30L/min，H2的流量为2L/min，设置喷涂电压为50~55V，喷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于铁基高温合金表面热障涂层的制备方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下；步骤一：纳米喂料材料的团聚处理：采用体积分数为4%的聚乙烯醇水溶液，在95℃恒温水浴中加热20 min后自然冷却至室温，制得有机黏合剂PVA；按照YSZ粉末：有机黏合剂PVA=1：3的体积比，将YSZ粉末加入有机黏合剂PVA中，使用电动搅拌器将两者混合均匀，即得到粘稠状的浆料，再将浆料放入超声清洗器中超声处理2 h，超声功率为2000W；超声后的浆料放置在烘箱中进行热处理，除去浆料中的水分；待浆料完全干燥固化后从烘箱中取出进行充分研磨，筛选平均直径为50~70μm的粒子，即得到纳米喂料材料；步骤二：对铁基高温合金进行处理：使用体积分数为5%的稀盐酸清洗铁基高温合金，洗去氧化层，再使用体积分数为10%的NaOH溶液清洗铁基高温合金，洗去油污；步骤三：粘结层热喷涂：对步骤二处理后的铁基合金进行表面喷涂处理，喷涂时，先采用等离子体焰在铁基合金表面预热5~10s，使得基体合金升温至100~120℃；调整等离子体喷涂的Ar和H2的流量，Ar的流量为30L/min，H2的流量为2L/min，设置喷涂电压为50~55V，喷涂电流为450A，送粉气体为氩气，气流速度为30~35L/min，送粉速度为15~20g/min，喷涂距离为100~110mm，行走速度为80~100mm/s，经5~7次往复喷涂，即得到粘结层；步骤四：粘结层重熔及陶瓷层喷涂处理：采用等离子喷枪对粘结层垂直加热，喷枪电压为55~60V，喷枪电流为550A，喷枪与粘结层表面的距离为30~50mm，重熔时间为5~10s，当粘结层开始熔化时，立即用步骤一制备的纳米喂料材料进行陶瓷层喷涂；喷涂的具体条件为：电压55~60 V，电流550A，送粉气体为氩气，气流速度为35~40L/min，送粉速度为20~25g/min，喷涂距离100~110mm，行走速度30~40mm/s，经8~11次往复喷涂，即得到YSZ陶瓷层；步骤五：制备态涂层热处理：将步骤四得到的YSZ陶瓷层放入烘干箱中，温度设置为200~300℃，保温2~3 h，然后炉冷即可。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于铁基高温合金表面热障涂层的制备方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下；步骤一：纳米喂料材料的团聚处理：采用体积分数为4%的聚乙烯醇水溶液，在95℃恒温水浴中加热20min后自然冷却至室温，制得有机黏合剂PVA；按照YSZ粉末：有机黏合剂PVA=1：3的体积比，将YSZ粉末加入有机黏合剂PVA中，使用电动搅拌器将两者混合均匀，即得到粘稠状的浆料，再将浆料放入超声清洗器中超声处理2h，超声功率为2000W；超声后的浆料放置在烘箱中进行热处理，除去浆料中的水分；待浆料完全干燥固化后从烘箱中取出进行充分研磨，筛选平均直径为50~70μm的粒子，即得到纳米喂料材料；步骤二：对铁基高温合金进行处理：使用体积分数为5%的稀盐酸清洗铁基高温合金，洗去氧化层，再使用体积分数为10%的NaOH溶液清洗铁基高温合金，洗去油污；步骤三：粘结层热喷涂：对步骤二处理后的铁基合金进行表面喷涂处理，喷涂时，先采用等离子体焰在铁基合金表面预热5~10s，使得基体合金升温至100~120℃；调整等离子体喷涂的Ar和H2的流量，Ar的流量为30L/min，H2的流量为2L/min，设置喷涂电压为50~55V，喷涂电流为450A，送粉气体为氩气，气流速度为30~35L/min，送粉速度为15~20g/min，喷涂距离为100~110mm，行走...

【专利技术属性】
技术研发人员：周长海，李学伟，王建永，潘瑞云，
申请(专利权)人：黑龙江科技大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23