一种航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层及其制备方法技术

本发明专利技术的一种航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层及其制备方法，属于航空发动机技术领域，热障涂层包括MCrAlY底层，MCrAlY过渡层和YSZ面层，厚度分别为0.03～0.1mm，0.03～0.1mm和0.1～0.3mm。制备方法为：超音速喷涂MCrAlY底层+等离子喷涂MCrAlY过渡层+真空热处理+等离子喷涂YSZ面层，控制相应参数，制得热障涂层。该方法制备的热障涂层，生产成本低，抗氧化性能好、结合强度高，涂层1100℃抗冷热循环性能也大幅提高，显著提高了涂层的使用寿命和可靠性，具有非常广阔的市场前景。

A thermal barrier coating for aeroengine and gas turbine blades and its preparation method

The invention relates to a thermal barrier coating for aeroengine and gas turbine blades and a preparation method thereof, belonging to the technical field of aeroengine. The thermal barrier coating includes MCrAlY bottom layer, MCrAlY transition layer and YSZ surface layer with thickness of 0.03-0.1 mm, 0.03-0.1 mm and 0.1-0.3 mm, respectively. The preparation method is as follows: supersonic spraying MCrAlY bottom layer + plasma spraying MCrAlY transition layer + vacuum heat treatment + plasma spraying YSZ surface layer, controlling the corresponding parameters, to prepare thermal barrier coating. The thermal barrier coatings prepared by this method have low production cost, good oxidation resistance and high bonding strength. The cold and thermal cycling resistance of the coatings at 1100 C has also been greatly improved, which significantly improves the service life and reliability of the coatings and has a very broad market prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层及其制备方法
：本专利技术属于航空发动机
，具体涉及一种航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层及其制备方法。
技术介绍
：热障涂层是将耐高温、高隔热的陶瓷材料涂覆在零件表面，降低零件表面温度、提高零件可靠性和服役寿命的热防护技术，一般由抗氧化腐蚀性能良好的金属粘结底层和导热系数较低的陶瓷面层组成。目前普遍采用的是超音速喷涂MCrAlY涂层或等离子喷涂MCrAlY涂层作为底层，等离子喷涂YSZ面层的涂层体系。超音速喷涂MCrAlY底层致密度高，抗氧化性能良好，但其表面粗糙度低，与等离子喷涂YSZ面层结合力差。等离子喷涂MCrAlY底层表面粗糙度高，与等离子喷涂YSZ面层结合力好，但底层抗氧化性能不好，与基体的结合力也差，难以满足高性能航空发动机及燃气轮机叶片热端部件对长寿命、高可靠性热障涂层的需求。
技术实现思路
：本专利技术的目的是针对现有HVOF底层/APS面层界面粗糙度低，结合强度不高；APS底层/APS面层底层致密度不高，底层与基体结合力差，难以满足热端部件对长寿命、高可靠性热障涂层的需求问题，提出一种航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层及其制备方法，即采用超音速喷涂MCrAlY底层/等离子喷涂MCrAlY过渡层/等离子喷涂YSZ面层结构，在超音速喷涂MCrAlY底层/等离子喷涂MCrAlY过渡层后进行热处理以提高界面结合强度，进而提升热障涂层的使用寿命和可靠性。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层，包括MCrAlY底层，MCrAlY过渡层和YSZ面层，所述的MCrAlY底层厚度为0.03～0.1mm，所述的MCrAlY过渡层厚度为0.03～0.1mm，所述的YSZ面层厚度为0.1～0.3mm。所述的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层中，MCrAlY底层表面粗糙度Ra为7～9μm，MCrAlY过渡层表面粗糙度Ra为11～12μm。所述的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层经测试，在1100℃抗冷热循环达到834～1283次。所述的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层的拉伸结合强度为38.4～40.90MPa。所述的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层的制备方法，包括以下步骤：步骤1，MCrAlY底层喷涂：(1)取航空发动机或燃气轮机叶片，将其进行除油去污与干吹砂后，完成预处理；(2)采用超音速喷涂MCrAlY粉末，形成MCrAlY底层，厚度为0.03～0.1mm；步骤2，MCrAlY过渡层喷涂：在MCrAlY底层表面，进行等离子喷涂MCrAlY粉末，形成MCrAlY过渡层，厚度为0.03～0.1mm；步骤3，YSZ面层喷涂：在MCrAlY过渡层表面，进行等离子喷涂YSZ粉末，形成YSZ面层，厚度为0.1～0.3mm，制得航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层。所述的步骤1(1)中，喷涂前干吹砂处理是为了清洁和活化零件合金表面，从而提高MCrAlY底层与合金基体之间的结合强度。所述的步骤1(2)中，NiCrAlY粉末粒度范围：18～45μm。所述的步骤1(2)中，MCrAlY底层超音速喷涂参数为：采用的喷气燃料航空煤油压力为100～130psi，流量为6～8scfh，氧气压力为121～141psi，氧气流量为1690～1710scfh，喷涂距离为350～370mm，采用氩气进行送粉，送粉速率为60～65g/min。所述的步骤1(2)和2中，MCrAlY粉末中各成分及质量百分比为Co：35～38％，Cr：20.～24％，Al：8～10％，Y：0.4～0.8％，余量为Ni及不可避免杂质。所述的步骤2中，NiCrAlY粉末粒度范围：38～96μm。所述的步骤2中，等离子喷涂MCrAlY过渡层的喷涂参数为：粉末加热的主气为氩气，流量为110～130scfh，次气为氢气，流量为1～3scfh，喷涂距离为120～150mm，送粉速率为35～55g/min，电流为700～800A。所述的步骤2中，喷涂MCrAlY过渡层后，对MCrAlY涂层进行热处理，热处理温度为870～1060℃，升温速率为7℃/min，保温时间为3～5h；之后冷却至80℃后，进行步骤3的喷涂。所述的步骤2中，热处理操作在真空炉中进行，真空压强＜6.65×10-2Pa。所述的步骤2中，具体的冷却过程为：保温后，首先随炉冷却至800℃后，充入氩气冷却至80℃以下。所述的步骤3中，YSZ粉末中各成分及质量百分比为Y2O3：7～8％，余量为ZrO2。所述的步骤3中，YSZ粉末粒度范围：11～125μm。所述的步骤3中，YSZ面层喷涂参数为：粉末加热的主气体为氩气，流量为70～90scfh，次气体为氢气，流量为3～5scfh，送粉速率为28～40g/min，喷涂距离为85～115mm，喷涂电流为775～825A。所述的步骤3中，航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层制备完成后，在使用过程中，由于真空热处理的原因，在MCrAlY过渡层表面能够形成一层完整连续的TGO组织，有效阻止了外部氧原子的进入。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层及其制备方法，要点在于，设计一套既能提高底层和基体的结合强度，又能提高底层和面层的结合强度的热障涂层体系。(2)通过超音速喷涂MCrAlY底层+等离子喷涂MCrAlY过渡层+热处理+等离子喷涂YSZ面层形成涂层体系，超音速喷涂MCrAlY底层致密，抗氧化性能好、结合强度高；等离子喷涂MCrAlY过渡层由于表面粗糙度大，与YSZ面层的结合力好；热处理不仅提高了基体K488与超音速喷涂MCrAlY底层，超音速喷涂MCrAlY底层与等离子喷涂MCrAlY过渡层的结合强度，还在MCrAlY过渡层表面形成一层连续生长的TGO组织，有利于提高MCrAlY过渡层与面层YSZ的结合强度。(3)本专利技术的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层制备方法，生产成本低，显著提高了涂层的使用寿命和可靠性，已成功应用于我国航空发动机及燃气轮机热端部件的生产，本涂层体系还可以用于航空发动机及相关行业其它各种合金零部件热障涂层的生产，具有非常广阔的市场前景。附图说明图1为本专利技术实施例3制备的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层的弯曲性能图；图2为本专利技术实施例与对比例制备的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层的抗热循环试验温度载荷谱示意图；图3为实施例与对比例制备的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层在不同抗冷热循环次数下与原始试样表面状态对比示意图，其中，图3(a)为原始试样，图3(b)为实施例3制备的热障涂层在1100℃抗冷热循环1200次表面状态示意图，图3(c)为对比例4制备的热障涂层在1100℃抗冷热循环751次表面状态示意图；图4为本专利技术实施例3叶片表面喷涂航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层过程状态变化实物图。具体实施方式：下面结合实施例对本专利技术作进一步的详细说明。以下实施例中：MCrAlY粉末中各成分及质量百分比为Co：35～38％，Cr：20.～24％，Al：8～10％，Y：0.4～0.8％，余量为Ni及不可避免杂质；超音速喷涂的NiCrAlY粉末粒度范围：18～45μm，等离子喷涂的NiCrAlY粉末粒度范围：38～96μm；YSZ粉末中各成分及质量百分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层，其特征在于，包括MCrAlY底层，MCrAlY过渡层和YSZ面层，所述的MCrAlY底层厚度为0.03～0.1mm，所述的MCrAlY过渡层厚度为0.03～0.1mm，所述的YSZ面层厚度为0.1～0.3mm。

【技术特征摘要】
1.一种航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层，其特征在于，包括MCrAlY底层，MCrAlY过渡层和YSZ面层，所述的MCrAlY底层厚度为0.03～0.1mm，所述的MCrAlY过渡层厚度为0.03～0.1mm，所述的YSZ面层厚度为0.1～0.3mm。2.根据权利要求1所述的一种航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层，其特征在于，所述的MCrAlY底层表面粗糙度Ra为7～9μm，MCrAlY过渡层表面粗糙度Ra为11～12μm。3.根据权利要求1所述的一种航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层，其特征在于，所述的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层经测试，拉伸结合强度为38.4～40.90MPa，在1100℃抗冷热循环达到834～1283次。4.权利要求1所述的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，MCrAlY底层喷涂：(1)取航空发动机或燃气轮机叶片，将其进行除油去污与干吹砂后，完成预处理；(2)采用超音速喷涂MCrAlY粉末，形成MCrAlY底层，厚度为0.03～0.1mm；步骤2，MCrAlY过渡层喷涂：在MCrAlY底层表面，进行等离子喷涂MCrAlY粉末，形成MCrAlY过渡层，厚度为0.03～0.1mm；步骤3，YSZ面层喷涂：在MCrAlY过渡层表面，进行等离子喷涂YSZ粉末，形成YSZ面层，厚度为0.1～0.3mm，制得航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层。5.根据权利要求4所述的航空发动机及燃气轮机叶片用热障涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤1(2)中，MCrAlY粉末中各成分及质量百分比为Co：35～38％，Cr：20.～24％，Al：8～10％，Y：0.4～0.8％，余量为Ni及不可避免杂质，NiCrAlY粉末粒度范围：18～45μm。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：王博，程玉贤，芦国强，王璐，张春刚，
申请(专利权)人：中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21