一种具有封闭表层的热障涂层材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于热障涂层表面处理及改性技术领域，尤其涉及一种具有封闭表层的热障涂层材料及其制备方法。该涂层材料包括金属粘结层、粗糙多孔的陶瓷面层及表层封闭的柱状晶重熔层。本发明专利技术还公开了一种具有封闭表层的热障涂层材料的制备方法：利用等离子喷涂方法在高温合金基体表面沉积金属粘结层，然后在粘结层表面沉积陶瓷层，最后利用强流脉冲电子束技术对陶瓷层进行辐照处理，形成封闭的柱状晶重熔层。采用该种复合技术制备而成的具有封闭表层的热障涂层材料能够有效地阻挡外界有害气体的侵入，提高涂层的应变容限与热震性能，具有良好的高温服役性能，是一种理想的热障涂层材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于热障涂层表面处理及改性
，尤其涉及。
技术介绍
在当今航空航天
，随着航空燃气涡轮机向高流量比、高推重比、高涡轮进口温度方向的发展，燃烧室的燃气温度和燃气压力不断提高，相对于开发新型高温耐热合金材料来讲，在高温热端部件施加热障涂层是最有效的方法。在实际应用中，典型航空用热障涂层(TBCs)大都采用双层结构:起隔热作用的陶瓷面层(TC)和改善基体与陶瓷层物理相容性的金属粘结层(Be)。许多研究表明，6^8%Y203-Zr02是目前综合性能最好的热障涂层陶瓷材料，该种材料熔点高，耐高温氧化，具有低而稳定的热导率和优良的抗热冲击性能。目前，这类涂层的制备方法主要是电子束物理气相沉积(EB-PVD)和大气等离子喷涂(APS)。其中，电子束物理气相沉积制备的涂层表面光洁，涂层内形成垂直表面的柱状晶结构，柱状晶之间界面结合弱，存在大量的垂直裂纹，极大地缓解了热失配应力，降低了热应力强度，因而有效提高了涂层的循环寿命。但其设备投资大，涂层的隔热性能相对较差且生产效率较低，因而极大地限制的其在实际生产中的应用。等离子喷涂由于具有较高的喷涂沉积效率及结合强度、低的材料要求、良好的经济效益、简易的工艺过程，且制备的涂层具有层状结构，热障效果较好，因而，被广泛应用于制备热障涂层。然而，由等 离子喷涂制备的热障涂层具有以下缺点:涂层内部含有较多的连通孔隙，组织较为疏松且内部存在大量的微裂纹结构。因此，在高温服役过程中这些缺陷结构难以阻挡外界氧气、熔融盐和腐蚀气体向陶瓷层和粘结层界面快速扩散，形成所谓的热生长氧化物(TGO)，从而加速TGO的非受控生长，形成较大的生长应力，进而在涂层界面和TGO层内部萌生裂纹，最终导致涂层过早失效。因而，降低大气等离子喷涂热障涂层中的热匹配应力和热生长应力是提闻大气等尚子喷涂热障涂层寿命的关键因素之一。为解决这一问题，采用激光束与热喷涂复合技术改善热障涂层性能和寿命已经成为研究热点。中国专利201210520934.9公开了一种大气等离子喷涂热障涂层表面的新型激光处理方法。这种激光处理方法可以诱导陶瓷层内部产生垂直于基体的一定数量的表面裂纹，从而大幅度提高涂层的使用寿命。此外，中国专利201310193147.2公开了一种热障涂层激光表面改性方法，采用这种方法能够获得一种具有桩钉结构特征的热障涂层材料，从而提高了涂层的结合强度和使用寿命。两种公开的激光表面改性方法虽然都能有效地延长热障涂层的使用寿命，但是，由于激光束束斑直径小，能量集中在小范围区域，容易导致涂层在处理过程中脱落；此外，激光束在加热时，其入射电子束的能量大约仅有59TlO%可被金属表面吸收而直接转换为热能，其余部分基本上被完全反射掉，因而能量利用率很低。因此，热障涂层材料迫切需要在结构设计思想和制备方法上取得创新与突破。强流脉冲电子束(HCPEB)是近年来发展起来的一种高能束表面改性技术，利用这种改性技术可以使得材料表层瞬间重熔甚至蒸发，从而改性材料表层结构和性能；中国专利201410046125.8公开了一种高寿命耐氧化热障涂层材料及其制备方法，即利用HCPEB技术轰击等离子喷涂制备的热障涂层粘结层材料，在粘结层与陶瓷面层之间引入一层晶体重熔层，该层的引入能够有效地消除金属粘结层表面疏松多孔等微观缺陷，产生表层富Al的超细晶结构，因此在氧化初期能够快速形成一层较为致密的TGO层，从而有效地抑制TGO的非受控生长，提高涂层的高温抗氧化性能；但是该种方法在样品制备上存在一定困难，一是等离子喷涂粘结层后为避免涂层表面氧化，需要在最短的时间内进行陶瓷面层喷涂，然而再加上一道电子束工艺必然会延长两层之间的喷涂时间；二是电子束轰击粘结层后，表面粗糙度增加，但局部光滑，因此陶瓷面层沉积的成功率不高。此外，由于陶瓷面层表面疏松多孔等缺陷而渗入外界有害气体仍然不可避免，进而会损害界面处TGO的生长，最终导致TC层的脱落。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的技术问题，本专利技术提出了。利用“大气等离子喷涂(APS) +强流脉冲电子束(HCPEB)”复合技术制备具有封闭表层的热障涂层材料，通过结构设计和制备方法设计，解决了离子喷涂方法制备陶瓷涂层时表面疏松多孔等结构缺陷，形成垂直裂纹和柱状晶重熔层，提高了涂层的应变容限与热震性能，从而有效地延长了热障涂层的使用寿命。本专利技术提出的一种具有封闭表层的热障涂层材料，包括金属基体，在所述金属基体表面形成金属粘结层，在所述的金属粘结层表面形成陶瓷面层，在所述的陶瓷面层表面形成封闭的柱状晶重熔层；原始涂层表面疏松多孔，电子束轰击后表层有明显的封孔效果，因此称之为表层封闭(即密封)的组织结构。所述的粘结层及陶瓷层均采用等离子喷涂方法获得，所述的柱状晶重熔层采用强流脉冲电子束重熔技术制备而成。所述的金属基体优选采用镍基高温合金，先采用喷砂粗化处理后再沉积金属粘结层。所述的等离子喷涂方法制备的金属粘结层优选采用MCrAlY，M为Co、Ni或Co和Ni的混合物，厚度在150~200 μ m之间。所述的等离子喷涂方法制备的陶瓷面层优选采用质量百分含量为6%~8% Y2O3稳定的ZrO2,厚度在200-300 μ m之间。所述的强流脉冲电子束重熔技术制备的柱状晶重熔层表面光滑致密，重熔层厚度在2~30 μ m之间。本专利技术中，上述公开的具有封闭表层的热障涂层材料与现有技术相比，具有以下优点:利用电子束对等离子喷涂方法制备的氧化锆陶瓷层进行轰击处理，涂层表面形成均匀致密的重熔层，厚度可达几到几十微米不等；重熔层表面完整致密且粗糙度降低，有明显的封孔效果，能够有效地阻挡外界有害气体的侵入；在重熔层内部出现大量的网状垂直裂纹；重熔层表层分布着大量的超细晶结构且在重熔层截面观察到致密的柱状晶结构，网状垂直裂纹见图2和4，超细晶粒 结构见图3，柱状晶见图4 ;表层超细晶结构能够增加涂层的硬度和韧性；大量的文献报道表明，网状裂纹和柱状晶的形成能够有效地提高涂层的应变容限与热震性能；此外，电子束轰击后，能够有效地降低H1-ZrO2的体积分数，从而减小在高温下由于相转变而引起的体积增加，有效避免了高压应力，从而延长工件的使用寿命。本专利技术还提出了一种具有封闭表层的热障涂层材料的制备方法，技术方案如下: (1)对高温合金基体进行预磨、清洗、喷砂粗化处理； (2)利用等离子喷涂的方法在高温合金基体表面沉积金属粘结层，完成金属粘结层的制备； (3)利用等离子喷涂的方法在制备好的金属粘结层表层沉积陶瓷面层，完成热障涂层的制备； (4)利用强流脉冲电子束(HCPEB)技术轰击处理热障涂层陶瓷层，进行表层封闭处理，完成具有封闭表层的热障涂层制备。所述步骤(1)中采用的喷砂材料为50-200目白刚玉，喷砂压强为0.2^0.5MPa，喷砂距离为100~150mm。所述步骤(2)和(3)中采用的等离子喷涂技术为，大气等离子喷涂技术，选择电压为30~50V，电流为700~900Α，喷枪速率为20(T500mm/s，喷涂距离为7(T100mm。所述步骤(4)中采用的HCPEB重熔技术，选择真空度P≤8X10_3 Pa，束斑直径为50cm，脉冲电子束能量为 2(T40KeV，能量密度为r20J/cm2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有封闭表层的热障涂层材料，包括金属基体以及在所述金属基体表面形成的金属粘结层，其特征在于：在所述的金属粘结层表面形成有陶瓷面层，在所述的陶瓷面层表面形成有封闭的柱状晶重熔层。

【技术特征摘要】
1.一种具有封闭表层的热障涂层材料，包括金属基体以及在所述金属基体表面形成的金属粘结层，其特征在于:在所述的金属粘结层表面形成有陶瓷面层，在所述的陶瓷面层表面形成有封闭的柱状晶重熔层。2.如权利要求1所述的一种具有封闭表层的热障涂层材料，其特征在于:所述的粘结层及陶瓷层均采用等离子喷涂方法获得，所述的柱状晶重熔层采用强流脉冲电子束重熔技术制备而成。3.如权利要求1所述的一种具有封闭表层的热障涂层材料，其特征在于:所述的金属基体采用镍基高温合金。4.如权利要求1所述的一种具有封闭表层的热障涂层材料，其特征在于:所述的等离子喷涂方法制备的金属粘结层采用MCrAlY，M为Co、Ni或Co和Ni的混合物，厚度在150~200μπι 之间。5.如权利要求1所述的一种具有封闭表层的热障涂层材料，其特征在于:所述的等离子喷涂方法制备的陶瓷面层采用质量百分含量为6%~8% Y2O3稳定的ZrO2，厚度在200-300μπι 之间。6.如权利要求1所述的一种具有封闭表层的热障涂层材料，其特征在于:所述的强流脉冲电子束重熔技术制备的柱状晶重熔层表面光滑致密且均匀分布着超细晶结构，表面粗糙度控制在2~11 μ m之间，具有明显的封孔效果；在重熔层内部出现大量的网状垂直裂纹；重熔层厚度在2~30μπι之间。7.如权利要求 1所述的一种具有封闭表层的...

【专利技术属性】
技术研发人员：关庆丰，蔡杰，吕鹏，侯秀丽，杨盛志，杨珅，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32