一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种含双层结构粘结层热障涂层的制备方法，将金属基体依次进行去油、喷砂处理；采用低压等离子喷涂、高速氧焰喷涂或高速压缩空气火焰喷涂在金属基体上沉积第一粘结层；经过大气等离子喷涂、高速氧焰喷涂或高速压缩空气火焰喷涂沉积第二粘结层；采用大气等离子喷涂、高速氧焰喷涂、溶液等离子喷涂或电子束物理气相沉积技术在第二粘结层上沉积陶瓷隔热层。本发明专利技术制备双层粘结层热障涂层，与传统MCrAlY(M＝Ni,Cr等)单层粘结层的热障涂层相比，使用温度更高，避免粘结层与陶瓷层界面性能Ni2Al2O4相，既有充足的Al供应，而且有保持了界面的粗糙度，具有更加优异的抗氧化性和组织结构稳定性，大幅延长其使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法
本专利技术属于热障涂层领域，尤其是涉及一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法。
技术介绍
热障涂层通常是指沉积在金属表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂层，是由具有抗高温氧化性能的粘结层和具有隔热效果的陶瓷层组合而成的涂层体系。其对于保证燃气轮机、发动机等热端部件的长时间服役意义重大，而粘结层是热障涂层的重要组成部分，它的性能直接影响热障涂层系统的寿命。目前粘结层的成分主要为MCrAlY(M为Ni、Co或Ni+Co)和(Ni,Pt)Al。在地面燃气轮机中，MCrAlY(M＝Ni,Co)最为常用，其使用温度约为800℃左右。但此类涂层的高温力学性能和抗氧化性能已经不能完全满足需求。与其相比，现代航空发动机热障涂层主流的粘结层材料(Ni,Pt)Al具有更为优异的高温抗氧化能力和高温蠕变强度，但该粘结层制备成本高昂。研究表明FeCrAlY合金具有比传统粘结层更优异的高温抗氧化性，可用来制备热障涂层的粘结层。可以取代目前的粘结层，但是FeCrAlY粘结层成分与基体成分差异大，在高温服役过程中粘结层与基体间发生扩散，降低了高温合金基体的力学性能。传统的粘结层均为单层结构，采用的材料大多为MCrAlY(M＝Ni，Co等)，例如，中国专利CN101748402A公开了一种激光感应复合熔覆梯度功能热障涂层的方法,步骤为:(1)将基材表面进行除锈、除油、清洗与喷砂处理；(2)同时利用铜管对感应加热区吹入惰性保护气体,防止其高温氧化；(3)将聚焦激光束与双斗自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内,实现激光热源与感应加热源的复合；(4)将数控机床沿激光扫描速度的垂直方向移动激光光斑直径的70～30％；(5)使陶瓷相在复合粉末内的质量百分含量增加0～90wt.％；(6)重复步骤(2)-(5),直到涂层达到所要求的厚度。该专利申请旨在功能梯度热障涂层的制备，通过该方法制备的涂层由于孔隙率低以及同时混入高热导率的金属颗粒，必然导致该涂层的热导率降低。而双层或多层结构粘结层则未见报道。
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优异的高温抗氧化性能的含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，采用以下步骤：(1)将金属基体依次进行去油和喷砂处理；(2)通过低压等离子喷涂、高速氧焰喷涂或高速压缩空气火焰喷涂在金属基体上制备第一粘结层；(3)通过大气等离子喷涂、高速氧焰喷涂或高速压缩空气火焰喷涂在第一粘结层上制备第二粘结层；(4)通过大气等离子喷涂、高速氧焰喷涂、溶液等离子喷涂或电子束物理气相沉积技术积在双层粘结层上沉积陶瓷层。所述的第一粘结层的成分为NiCoCrAlY。所述的第二粘结层的成分为FeCrAlY。所述的陶瓷层为6～8wt％Y2O3稳定的ZrO2或RE2Zr2O7，其中，RE为稀土元素。步骤(1)中的喷砂处理采用的喷砂压力为0.1～0.7MPa,喷砂颗粒主要成分为Al2O3，颗粒粒径为16～120目，步骤(2)中采用低压等离子喷涂时，喷枪与金属基体间距离为100～250mm，喷枪移动速度为300～1000mm/s，送粉速率为10～70g/min，送粉气流为0.5～1.2L/min，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为200～250A，真空度小于20KPa。步骤(3)、(4)中采用大气等离子喷涂时，第一粘结层、第二粘结层的温度控制在200～500℃，喷枪与第一粘结层、第二粘结层间距离为100～250mm，喷枪移动速度为300～1000mm/s，送粉速率为10～70g/min，送粉气流为0.5～1.2L/min，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为200～250A，Ar气流速范围为40～120L/min，H2气流速范围为15～45L/min。步骤(2)、(3)采用高速压缩空气火焰喷涂时，喷枪与金属基体、第一粘结层、间距离均为200～450mm，送粉速率为10～70g/min，燃气丙烷10～100L/min，压缩空气/燃气的体积比为2-12，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为20～150A。步骤(2)、(3)、(4)采用高速氧焰喷涂时，喷枪与金属基体、第一粘结层、第二粘结层间距离均为200～450mm，送粉速率为10～70g/min，燃气丙烷10～100L/min，氧/燃气的体积比例2-12，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为20～150A。步骤(4)中采用溶液等离子喷涂时，喷枪与第二粘结层间距离为50～350mm，送料速率为0.1～10L/min，电压范围为50～180V，喷涂电流范围为200～550A。步骤(4)中采用电子束物理气相沉积时，第二粘结层的加热温度为800-1050℃，主电子枪功率15-30kw,靶材和基体的距离100-400mm，真空度1.0-10×10-3Pa，沉积效率0.5-1.5μm/min。为改善NiCoCrAlY粘结层金属铝含量低，容易形成Ni2Al2O4，且高温抗氧化寿命短的缺点，可设计成具有不同成分的双层或多层结构粘结层。因此，本专利技术设计的具有不同成分双层结构粘结层，与沉积高温合金基体接触的粘结层采用成分为NiCoCrAlY的材料，而第二粘结层则采用具有更优异抗氧化性能的成分为FeCrAlY的材料，该双层粘结层结构相对于对于单层的FeCrAlY粘结层，能有效阻止基体与粘结层各元素间的扩散，同时保持界面优良的结合力，组织结构稳定，FeCrAlY层能迅速形成一层致密的Al2O3(即TGO)，且TGO生长缓慢，不会形成spinel脆性相破坏氧化层的致密性与连续性；而传统的NiCoCrAlY的材料在高温服役过程中，TGO生长迅速，产生的应力应变大，且形成Ni2Al2O4脆性相破坏了氧化层的致密性与连续性。因此，本专利技术的双层结构能够使FeCrAlY层优异的高温抗氧化性能得到充分利用，并且不会与基体元素扩散，影响基体性能。通过低压等离子喷涂、大气等离子喷涂、高速氧焰喷涂(HVOF)或高速压缩空气火焰喷涂(HVAF)在金属基体上沉积具有NiCoCrAlY及FeCrAlY成分的双层结构粘结层，制备出的厚度可控，成分均匀，组织结构稳定的新型热障涂层，将具有比传统热障涂层良好的抗氧化性、更高的工作温度及更长的使用寿命，与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术采用的双层粘结层结构使用温度更高，并且提供充足的Al源，同时有效阻止基体与粘结层各元素间的扩散，具有更优良的抗氧化性；(2)本专利技术制备的新型热障涂层既能避免粘结层内部氧化，同时保留界面粗糙度和涂层结合力，能有效抵抗热冲击，具有很长的使用寿命。(3)双层粘结层结构使得热障涂层使用过程中的稳定性大幅提高，制备的新型热障涂层具有更高的工作温度。附图说明图1为双层结构的粘结层及热障涂层的结构示意图；图2为单一NiCoCrAlY粘结层结构热障涂层的扫描电镜图；图3为具有双层结构粘结层的热障涂层截面扫描电镜图；图4为具有双层结构粘结层的热障涂层热循环失效后的扫描电镜图。图中，1为金属基体、2为第一粘结层、3为第二粘结层、4为陶瓷层。具体实施方式一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，采用以下步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)将金属基体依次进行去油和喷砂处理；(2)通过低压等离子喷涂、高速氧焰喷涂或高速压缩空气火焰喷涂在金属基体上制备第一粘结层；(3)通过大气等离子喷涂、高速氧焰喷涂或高速压缩空气火焰喷涂在第一粘结层上制备第二粘结层；(4)通过大气等离子喷涂、高速氧焰喷涂、溶液等离子喷涂或电子束物理气相沉积技术积在双层粘结层上沉积陶瓷层。

【技术特征摘要】
1.一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)将金属基体依次进行去油和喷砂处理；(2)通过低压等离子喷涂、高速氧焰喷涂或高速压缩空气火焰喷涂在金属基体上制备第一粘结层；(3)通过大气等离子喷涂、高速氧焰喷涂或高速压缩空气火焰喷涂在第一粘结层上制备第二粘结层；(4)通过大气等离子喷涂、高速氧焰喷涂、溶液等离子喷涂或电子束物理气相沉积技术积在双层粘结层上沉积陶瓷层；所述的第一粘结层的成分为NiCoCrAlY，所述的第二粘结层的成分为FeCrAlY。2.根据权利要求1所述的一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其特征在于，所述的陶瓷层为6～8wt％Y2O3稳定的ZrO2或RE2Zr2O7，其中，RE为稀土元素。3.根据权利要求1所述的一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的喷砂处理采用的喷砂压力为0.1～0.7MPa,喷砂颗粒主要成分为Al2O3，颗粒粒径为16～120目。4.根据权利要求1所述的一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中采用低压等离子喷涂时，喷枪与金属基体间距离为100～250mm，喷枪移动速度为300～1000mm/s，送粉速率为10～70g/min，送粉气流为0.5～1.2L/min，电压范围为100～180V，喷涂电流范围为200～250A，真空度小于20kPa。5.根据权利要求1所述的一种含双层结构粘结层的热障涂层的制备方法，其特征在于，步骤(3)、(4)中采用大气等离子喷涂时，第一粘结层、第二粘结层的温度控制在200～500℃，喷枪与第一粘结层、第二粘结层间距离为100～2...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈文夫，周新义，郭芳威，赵晓峰，肖平，
申请(专利权)人：河南普莱姆涂层科技有限公司，上海交通大学，
类型：发明
国别省市：河南;41