高温合金表面热障涂层及其制备方法技术

本发明专利技术属于热加工技术，涉及在高温合金表面制备的热障涂层以及该涂层的制备方法。本发明专利技术的热障涂层包括外层的陶瓷涂层３和直接附着在高温合金１表面的金属粘结层２，其特征在于，在金属粘结层２和陶瓷涂层３之间有一层保护层４，其厚度为０．００１～０．００２ｍｍ，孔隙率为２～８％。本发明专利技术通过致密的保护层减少热障涂层中金属粘结层的物理和化学的侵蚀，提高热障涂层的抗剥落能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于热加工技术，涉及在高温合金表面制备的热障涂层以及该涂层的制备方法。
技术介绍
现代燃气涡轮发动机的发展趋势是大推力、高效率、低油耗和长寿命。为了实现这些目的，通常在发动机热端部件使用热障涂层(TBCs)技术，一方面利用热障涂层中氧化锆陶瓷层低的热导率降低热端部件特别是涡轮叶片对冷却空气的需求量，从而提高发动机的效率，改善发动机性能；另一方面通过使用热障涂层显著提高涡轮叶片的使用寿命，减少维修费用，降低成本。本专利技术的制件可以用作燃气涡轮发动机的高温条件下的制件如涡轮叶片。传统的热障涂层包括表面的陶瓷涂层和金属粘结层。陶瓷涂层的材料如化学稳定的氧化锆材料，包括氧化钇稳定的氧化锆、氧化铪稳定的氧化锆、氧化钙稳定的氧化锆和氧化镁稳定的氧化锆。金属粘结层主要包括如MCrAlY系列和Pt-Al系列。普通的热障涂层为多孔，孔隙率在8～30％范围内。在使用过程中，环境中的氧气通过这些孔隙直接到达金属粘结层上，与粘结层材料发生化学反应，生成了金属氧化物层(TGO)，在高温、腐蚀、颗粒冲刷等因素的共同作用下，随着TGO的生长，在金属粘结层与陶瓷涂层界面处的产生裂纹，造成热障涂层的失效。为此普遍采用的方法是提高金属粘结层的抗氧化性能来降低TGO的生长速率，同时提高陶瓷涂层的抗剥落能力。爆炸喷涂工艺是热喷涂工艺中最具特色的工艺之一，其基本原理是利用爆轰波产生的能量对粉末材料进行加热、加速，从而获得涂层，利用该工艺获得的涂层具有高的致密度、高的结合强度等，爆炸喷涂获得的涂层广泛应用在石油、冶金、航空、航天等工业领域，通过在基体材料表面制备涂层，提高基体材料的使用性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种高温合金表面制备的热障涂层，在该热障涂层中有一层致密的保护层，从而提高热障涂层在高温条件下的抗剥落能力；同时提出该带有保护层的热障涂层的制备方法。本专利技术的技术方案是一种高温合金表面的热障涂层，高温合金1是指用于发动机结构件的金属材料，包括钴、镍、铝、铁、铬等元素以及这些元素组成的合金；热障涂层包括外层的陶瓷涂层3和直接附着在高温合金1表面的金属粘结层2，陶瓷涂层3的材料为化学稳定的氧化锆材料，包括氧化钇稳定的氧化锆、氧化铪稳定的氧化锆、氧化钙稳定的氧化锆和氧化镁稳定的氧化锆，金属粘结层2的材料包括MCrAlY系列，MCrAlY系列、钴、镍、铝、铁、铬、钇元素以及这些元素组成的合金，其特征在于，在金属粘结层2和陶瓷涂层3之间有一层保护层4，保护层4的材料包括氧化铝、氧化钛、氧化硅、氧化锆增强氧化铝(ZTA)和氧化镁以及由这些氧化物组成的复合物；保护层4的厚度为0.001mm～0.002mm；保护层的孔隙率为2～8％，热障涂层的厚度为0.091mm～0.232mm。如上所述高温合金表面热障涂层的制备方法，其特征在于，(1)制备金属粘结层2；在选用的高温合金上沉积金属粘结层，采用如下工艺方法之一进行制备A、热喷涂，包括等离子喷涂、高速火焰喷涂和爆炸喷涂；B、物理气相沉积或者化学气相沉积；C、电镀或者浸渗工艺；金属粘结层2的孔隙率为8～30％粘结层的厚度为0.030～0.080mm为保证保护层与金属粘结层高的结合强度，在制备金属粘结层前，需要对高温合金进行吹砂处理；当采用物理气相沉积、化学气相沉积和真空等离子喷涂工艺制备金属粘结层后，按照常规工艺进行扩散热处理；(2)制备保护层4；利用爆炸喷涂工艺在金属粘结层上制备致密的陶瓷保护层，保护层的材料包括氧化铝、氧化钛、氧化硅、氧化锆增强氧化铝和氧化镁等以及由这些氧化物组成的复合物；保护层的制备工艺为爆炸喷涂，爆炸喷涂工艺步骤如下1)利用干燥清洁的压缩空气对制件进行清洁处理；2)利用爆炸喷涂设备制备保护层，其中爆炸气体为氧气和乙炔，氧气和乙炔的气体流量比为1.2～1.4，氮气作为保护气体压力为1.12MPa；爆炸喷涂的距离为50～120mm；保护层的厚度为0.001mm～0.002mm，保护层的孔隙率为2～10％；爆炸喷涂工艺完成后，当采用气相沉积工艺制备陶瓷层时，采用磨加工或者光蚀方法对保护层进行光洁处理，提高保护层的光洁度；(3)制备陶瓷涂层3；利用电子束物理气相沉积或等离子喷涂工艺在保护层上制备陶瓷涂层，陶瓷涂层的材料为化学稳定的氧化锆材料，包括氧化钇稳定的氧化锆、氧化铪稳定的氧化锆、氧化钙稳定的氧化锆和氧化镁稳定的氧化锆，陶瓷涂层3的孔隙率为8～30％，陶瓷涂层厚度为0.060～0.150mm。本专利技术的优点是本专利技术通过致密的保护层减少热障涂层中金属粘结层的物理和化学的侵蚀，提高热障涂层的抗剥落能力。首先表面保护层阻断了环境中的杂质如V205等对热障涂层的浸渗和冲刷，起到了物理阻挡层的作用，其次表面保护层减少了环境中如氧对基体的扩散，降低了TGO的生长速率，起到了化学阻挡层的作用。附图说明图1是本专利技术热障涂层的结构示意图。图中，1是高温合金，指用于发动机结构件的金属材料，包括例如钴、镍、铝、铁、铬等元素以及这些元素组成的合金。2是金属粘结层，包括例如钴、镍、铝、铁、铬、钇等元素以及这些元素组成的合金。3是陶瓷涂层，材料如化学稳定的氧化锆材料，包括氧化钇稳定的氧化锆、氧化铪稳定的氧化锆、氧化钙稳定的氧化锆和氧化镁稳定的氧化锆。4是保护层，材料包括氧化铝、氧化钛、氧化硅、氧化锆增强氧化铝(ZTA)和氧化镁等以及由这些氧化物组成的复合物。具体实施例方式下面对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术涉及通过利用爆炸喷涂工艺在热障涂层粘结层上制备致密的保护层，从而提高热障涂层在高温条件下的抗剥落能力。参见图1，本专利技术高温合金表面的热障涂层，高温合金1是指用于发动机结构件的金属材料，包括钴、镍、铝、铁、铬等元素以及这些元素组成的合金；热障涂层包括外层的陶瓷涂层3和直接附着在高温合金1表面的金属粘结层2，陶瓷涂层3的材料为化学稳定的氧化锆材料，包括氧化钇稳定的氧化锆、氧化铪稳定的氧化锆、氧化钙稳定的氧化锆和氧化镁稳定的氧化锆，金属粘结层2的材料包括MCrAlY系列，MCrAlY系列、钴、镍、铝、铁、铬、钇元素以及这些元素组成的合金，其特征在于，在金属粘结层2和陶瓷涂层3之间有一层保护层4，保护层4的材料包括氧化铝、氧化钛、氧化硅、氧化锆增强氧化铝(ZTA)和氧化镁以及由这些氧化物组成的复合物；保护层4的厚度为0.001mm～0.002mm；保护层的孔隙率为2～8％，热障涂层的厚度为0.091mm～0.232mm。如上所述高温合金表面热障涂层的制备方法，其特征在于，(1)制备金属粘结层2；在选用的高温合金上沉积金属粘结层，采用如下工艺方法之一进行制备A、热喷涂，包括等离子喷涂、高速火焰喷涂和爆炸喷涂；B、物理气相沉积或者化学气相沉积；C、电镀或者浸渗工艺；金属粘结层2的孔隙率为8～30％，粘结层的厚度为0.030～0.080mm，为保证保护层与金属粘结层高的结合强度，在制备金属粘结层前，需要对高温合金进行吹砂处理；当采用物理气相沉积、化学气相沉积和真空等离子喷涂工艺制备金属粘结层后，按照常规工艺进行扩散热处理；(2)制备保护层4；利用爆炸喷涂工艺在金属粘结层上制备致密的陶瓷保护层，保护层的材料包括氧化铝、氧化钛、氧化硅、氧化锆增强氧化铝和氧化镁等以及由这些氧化物组成的复合物；保护层的制备本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温合金表面热障涂层，高温合金［１］是指用于发动机结构件的金属材料，包括钴、镍、铝、铁、铬等元素以及这些元素组成的合金；热障涂层包括外层的陶瓷涂层［３］和直接附着在高温合金［１］表面的金属粘结层［２］，陶瓷涂层［３］的材料为化学稳定的氧化锆材料，包括氧化钇稳定的氧化锆、氧化铪稳定的氧化锆、氧化钙稳定的氧化锆和氧化镁稳定的氧化锆，金属粘结层［２］的材料包括ＭＣｒＡｌＹ系列，ＭＣｒＡｌＹ系列、钴、镍、铝、铁、铬、钇元素以及这些元素组成的合金，其特征在于，在金属粘结层［２］和陶瓷涂层［３］之间有一层保护层［４］，保护层［４］的材料包括氧化铝、氧化钛、氧化硅、氧化锆增强氧化铝（ＺＴＡ）和氧化镁以及由这些氧化物组成的复合物；保护层［４］的厚度为０．００１～０．００２ｍｍ；保护层的孔隙率为２～８％，热障涂层的厚度为０．０９１ｍｍ～０．２３２ｍｍ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：唐建新，葛子干，陆峰，何利民，王宁，
申请(专利权)人：中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]