一种调控热障涂层界面形貌的激光粉末沉积方法技术

本发明专利技术涉及一种调控热障涂层界面形貌的激光粉末沉积方法，对金属基体进行除锈、脱脂、喷砂预处理；通过等离子喷涂或者超音速火焰喷涂在金属基体上表面制备金属粘结层；通过激光粉末沉积在金属粘结层上引入形状规则、参数可控的网格层；通过等离子喷涂或者电子束物理气相沉积在网格层的外侧喷涂制备陶瓷涂层。与现有技术相比，本发明专利技术通过激光粉末沉积技术在传统热障涂层结构中引入网格，增加相邻涂层的机械结合性能并限制水平裂纹的横向扩展，并且使陶瓷层中的竖直裂纹均匀分布，从而显著提高热障涂层性能和使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种调控热障涂层界面形貌的激光粉末沉积方法
本专利技术涉及热障涂层领域，尤其是涉及一种调控热障涂层界面形貌的激光粉末沉积方法。
技术介绍
随着航空发动机向高推重比方向发展，涡轮进口温度的提高成为最需要解决的问题。目前航空前涡轮进口温度已经高达1700℃。过高的温度环境会使合金发生熔化、高温蠕变、热疲劳等破坏性影响，最终缩短使用寿命。为解决该问题，主要的方向分为：一制备出新型高温稳定合金；二采用更加先进的冷却技术、三采用耐高温、低热导、抗腐蚀的热障涂层。从目前来看，高温合金已经基本达到其设计极限，而冷却技术成本较高且工艺复杂，所以高效热障涂层的探究和应用成为最为切实可行的办法。目前使用和研究的热障涂层主要分为双层和多层结构。其中双层结构是应用最多和最为广泛的一类，由隔热的陶瓷表层和过渡的金属粘结层组成。其中粘结层材料为MCrAlY(M＝Ni，Co或者Ni和Co)和Pt-NiAl合金。陶瓷层材料为6～8wt％氧化钇部分稳定氧化锆。在热服役过程中，陶瓷层和金属层之间会产生一层主要成分为氧化铝的热生长层。虽然热障涂层已广泛应用于发动机热端部件，但增加其在高温的使用寿命防止过早失效依然是研究热点。目前制备热涨涂层的技术主要是电子束物理气相沉积和等离子热喷涂。虽然其制备的涂层具有各自特点和优势，但在长时间热循环后，TGO生长产生的压应力、与基体材料由于热膨胀系数不匹配引起的热失配应力和Al耗尽造成的脆性相的生成导致界面韧性下降等引起TGO和陶瓷层内裂纹的生长、增殖和最终陶瓷层的剥落。目前激光技术在热障涂层中的应用主要集中在陶瓷层表面改性或者金属粘结层的制备，但这对界面的结合强度的增强和裂纹扩展的抑制作用不大。因此需要在新的结构设计方面有创新和突破。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种调控热障涂层界面形貌的处理方法。通过激光粉末沉积技术在传统热障涂层结构中引入网格，增加相邻涂层的机械结合性能并限制水平裂纹的横向扩展，并且使陶瓷层中的竖直裂纹均匀分布，从而显著提高热障涂层性能和使用寿命。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种调控热障涂层界面形貌的激光粉末沉积方法，采用以下步骤：(1)对金属基体进行除锈、脱脂、喷砂预处理；(2)通过等离子喷涂或者超音速火焰喷涂在金属基体上表面制备金属粘结层；(3)通过激光粉末沉积在金属粘结层上引入形状规则、参数可控的网格层；(4)通过等离子喷涂或者电子束物理气相沉积在网格层的外侧喷涂制备陶瓷涂层。所述的金属粘结层的厚度为80～200μm。所述的网格层由等间距、连续、矩形交叉分布的网格构成，每个网格的宽度为1～20mm，高度为0.1～1mm，网格顶部为有固定曲率的弧面，构成网格的网格线宽度为0.1～1mm。在引入网格层时，采用激光粉末沉积方法。其主要通过高能激光融化金属粉末，通过控制激光束直径，扫描速度，功率和金属粉末的送粉量等参数获得所需的结构致密、均匀、间距和形貌可控的网格结构。本实验中使用的纤维激光器的额定功率为500～1000W，激光束光斑直径为0.3～0.8mm，激光功率为80～120W，扫描速率为5～15mm/s，用氩气保护熔池，流量为6L/min，金属粉末通过与激光同轴的喷嘴送粉，送粉量为2～8g/min。所述的陶瓷涂层厚度为0.1～1mm。金属基体在预处理完成后还可以通过激光粉末沉积网格层，再制备金属粘结层后得到网格层在金属粘结层和金属基体之间的结构。与现有技术相比，本专利技术采用了激光粉末沉积技术在陶瓷层和金属粘结层层之间或金属粘结层与基体之间引入了连续的，均匀分布的网格层。网格层增加了陶瓷层和金属层界面的粗糙度，从而增强界面的机械结合强度。同时高于平面的、突起的网格能有效阻碍导致层间分离的横向裂纹的扩展，或者是改变裂纹的扩展方向。在热服役过程中，网格突起顶端应力较为集中，出现与网格突起位置相对应的规律分布的纵向裂纹，有利于应力的均匀释放。由此热障涂层的热循环使用寿命有效增加。附图说明图1为具有网格结构热障涂层的截面效果示意图；图2为具有网格结构热障涂层的截面效果示意图；图3为具有网格结构热障涂层的截面显微结构图。图中，1为金属基体、2为金属粘结层、3为网格层、4为陶瓷层。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。一种调控热障涂层界面形貌的激光粉末沉积方法，采用以下步骤：(1)对金属基体1进行除锈、脱脂、喷砂预处理；(2)通过等离子喷涂或在金属基体上表面制备厚度为80～200μm金属粘结层2。具体步骤为通过氩气和氢气等离子高温束流使Ni-22Cr-10Al-1.0Y(wt％)金属颗粒呈融化或者半融化状态，在束流的带动下喷向基体表面，最终形成具有层状结构的涂层。在喷涂之前先将基体预热2次，喷涂功率为40kW～80kW，氩气和氢气流量分别为80L/min和15L/min，金属粉料的送粉速率为30～50g/min；(3)通过激光粉末沉积在金属粘结层2上引入形状规则、参数可控的网格层3，该网格层3由等间距、连续、矩形交叉分布的网格构成，每个网格的宽度为1～20mm，高度为0.1～1mm，网格顶部为有固定曲率的弧面，构成网格的网格线宽度为0.1～1mm。该方法通过高能激光融化金属粉末，通过控制激光束直径，扫描速度，功率和金属粉末的送粉量等参数获得所需的结构致密、均匀、间距和形貌可控的网格结构。本实验中使用的纤维激光器的额定功率为500～1000W，激光束光斑直径为0.3～0.8mm，激光功率为80～120W，扫描速率为5～15mm/s，用氩气保护熔池，流量为6L/min，金属粉末通过与激光同轴的喷嘴送粉，送粉量为2～8g/min。(4)通过等离子喷涂在网格层的外侧喷涂制备厚度为0.1～1mm陶瓷涂层4。具体步骤为通过氩气和氢气等离子体束流对Y含量为6～8wt％的氧化锆陶瓷颗粒进行加热融化，在束流的作用下高速冲击基体表面，形成连续均匀的陶瓷层。喷涂之前基体预热4次，喷涂功率在40kW～80kW，氩气和氢气流量分别为130L/min和20L/min，陶瓷粉料的送粉速率为30～50g/min。通过上述方法制备得到的热障涂层结构如图1所示，另外，如果金属基体在预处理完成后通过激光粉末沉积方法沉积网格层，再制备金属粘结层后得到网格层在金属粘结层和金属基体之间的结构，如图2所示，显微结构如图3所示。通过在陶瓷层和金属粘结层层之间或金属粘结层与基体之间引入了连续的，均匀分布的网格层，增加了陶瓷层和金属层界面的粗糙度，从而增强界面的机械结合强度。同时高于平面的、突起的网格能有效阻碍导致层间分离的横向裂纹的扩展，或者是改变裂纹的扩展方向。在热服役过程中，网格突起顶端应力较为集中，出现与网格突起位置相对应的规律分布的纵向裂纹，有利于应力的均匀释放。由此热障涂层的热循环使用寿命有效增加。以下是该方法的具体实施例。实施例1首先将Hastelloy高温合金基体进行清洗、去油和喷砂处理，然后通过大气等离子喷涂方法在该基体上沉积一层厚度为150μm的NiCrAlY金属粘结层。根据设定参数，采用激光粉末沉积技术在其表面引入网格层如图2所示，网格间的间距为2.5mm，高度为500μm，单个金属网格宽度为500μm，成分与粘结层相同，网格上表面为弧面。纤维本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种调控热障涂层界面形貌的激光粉末沉积方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)对金属基体进行除锈、脱脂、喷砂预处理；(2)通过等离子喷涂或者超音速火焰喷涂在金属基体上表面制备金属粘结层；(3)通过激光粉末沉积在金属粘结层上引入形状规则、参数可控的网格层；(4)通过等离子喷涂或者电子束物理气相沉积在网格层的外侧喷涂制备陶瓷涂层。

【技术特征摘要】
1.一种调控热障涂层界面形貌的激光粉末沉积方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)对金属基体进行除锈、脱脂、喷砂预处理；(2)通过等离子喷涂或者超音速火焰喷涂在金属基体上表面制备金属粘结层；(3)通过激光粉末沉积在金属粘结层上引入形状规则、参数可控的网格层；(4)通过等离子喷涂或者电子束物理气相沉积在网格层的外侧喷涂制备陶瓷涂层；通过高能激光使得金属粉末融化，通过控制激光束宽度、位置、移动速率和送粉量等参数，获得所需的结构致密、均匀、间距和形貌可控的网格结构，控制激光器的额定功率为500～1000W，激光束的光斑直径为600μm，激光功率为80～120W，在激光粉末沉积时，粉末的送粉量为3g/min，在沉积过程中通氩气进行保护熔池，氩气流量为6L/min，激光束的位置根据所需参数进行程序...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗丽荣，张骁丽，赵晓峰，齐欢，郭芳威，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31