一种低压等离子喷涂基体表征温度的方法技术

本发明专利技术公开了一种低压等离子喷涂基体表征温度的方法，采用纯铁粉作为低压等离子喷涂过程中基体温度表征材料，在低压喷涂过程中对于异形工件，由于存在阴影效应，涂层表面温度不一，其导致基体表面沉积的涂层结构存在差异，通过在异形工件基体表面沉积纯铁涂层，通过纯铁涂层显示的颜色差别来判别基体表面的温度以及基体表面区域温度的差异，以为工业生产获得结构均匀涂层提供解决方案，本基体温度表征方法操作简单方便，成本低，能较为准确反映基体表面温度以及基体表面区域温度差异。

A Method for Characterizing Temperature of Low Pressure Plasma Spraying Matrix

The invention discloses a method for characterizing the temperature of substrate in low-pressure plasma spraying. Pure iron powder is used as the characterization material of substrate temperature in low-pressure plasma spraying process. In the process of low-pressure plasma spraying, for special-shaped workpiece, because of the shadow effect, the surface temperature of the coating varies, which results in the difference of coating structure on the surface of the substrate, and the coating is deposited on the surface of the special-shaped workpiece. Pure iron coating can distinguish the temperature difference of the substrate surface and the area temperature difference of the substrate surface by the color difference displayed by the pure iron coating, so as to provide a solution for obtaining uniform coating structure in industrial production. The method of matrix temperature characterization is simple and convenient to operate, low cost, and can accurately reflect the temperature difference of the substrate surface and the area temperature difference of the substrate surface.

【技术实现步骤摘要】
一种低压等离子喷涂基体表征温度的方法
本专利技术涉及一种低压等离子喷涂基体表征温度的方法。
技术介绍
在过去的50年中,航空发动机叶片取得了长足发展,这首先得益于高温合金服役温度的提高,其次归功于热障涂层(TBCs)的发展,使得叶片能在更高的温度下工作。推重比为10的发动机涡轮进口温度(TIT)为1580℃,未来推重比为12～15的发动机将达到1800℃。目前高温合金使用温度低于1150℃,高温热障涂层可隔热100～200℃,高效气冷技术可降低400～500℃,需要联合使用后两种技术才能满足未来发动机的使用要求。热障涂层作为发动机叶片技术的三大关键技术之一,获得高隔热、长寿命热障涂层一直是研究关注的目标,积极探索新型热障涂层制备技术是实现目标的必走之路。大气等离子喷涂(APS)和电子束–物理气相沉积(EB-PVD)TBCs已在工业上得到了广泛应用。APSTBCs具有低热导率和高沉积率,而EB-PVD相对于APS-TBCs具有良好的损伤容限和抗热震性,但涂层热导率高、沉积速率低。基于等离子喷涂的等离子喷涂–物理气相沉积(PS-PVD)技术融合了APS和EB-PVD的优点,可制备热导率低、抗热震性好的热障涂层,且通过工艺调整能制备层状、柱状或混合状结构涂层,涂层制备效率高、成本低。PS-PVD已成为制备未来先进发动机热障涂层的最有前景的技术之一。基于等离子喷涂技术的低压等离子喷涂（PS-PVD,PlasmaSpray-PhysicalVaporDeposition）真空等离子喷涂（又叫低压等离子喷涂），真空等离子喷涂是在气氛可控的，4～40Kpa的密封室内进行喷涂的技术。受到学术界及工业界的广泛关注，它可融合APS和EB-PVD的优点制备热障涂层，其孔隙率最高可达50～60%，热导率低至0.5W/mk且涂层抗热震性、抗氧化性均超过传统制备技术。随着航空发动机向高推比、高效率发展，热障涂层的服役环境变得越加苛刻，PS-PVD作为一种先进涂层制备技术，为满足未来热障涂层需求提供一种可能。PS-PVD制备技术，是在一个低压受控的环境中沉积涂层，粉末通过载气内送粉到喷枪，粉末在喷枪内及喷枪前端等离子焰流中受热熔融、气化，在不同的焰流位置可实现气、液、固多相沉积，在不同的基体温度下能获得不同结构的热障涂层如层状、柱状、混柱状等。PS-PVD技术相比于APS和LPPS，它的喷枪功率较高(额定功率180kW)且在较低压力(50～1300Pa)下工作。传统热喷涂一般以熔融或半熔融粉末粒子进行沉积涂层，而PS-PVD则可以以气态沉积，当粉末以气态沉积时涂层为柱状结构。PS-PVD与EB-PVD均可实现气态沉积，沉积时因原子、离子或分子在基体表面以岛状形式形核生长，因此涂层呈柱状结构，在平行于基体方向上由于柱状间的相互作用而出现不同尺寸间隙。沉积过程中，气化涂层材料的原子、离子或分子到达基体前主要的运动方向是与基体垂直，因此它与旋转的基体之间形成沉积“阴影效应”最终导致柱状晶内形成多孔结构。原子、离子或分子接触基体前速度越大则柱状内孔隙越多，沉积前PS-PVD的气相粒子速度和数量远大于EB-PVD，因此涂层呈羽毛柱状结构且涂层孔隙率和沉积速率均高于EB-PVD涂层。传统的APS只能以视线在基体表面上沉积，因此在有遮挡的表面较难沉积或沉积涂层厚度不够，如在涡轮发动机导向叶片阴影部分的表面采用传统制备技术较难沉积。新型PS-PVD技术，它把涂层材料气化，通过膨胀、发散的超音速等离子气流传输涂层材料(焰流长度超过2m，直径大于0.4m)，由于高速和大尺度等离子焰流使得涂层材料能够在几何复杂基体表面和遮盖区表面进行沉积。由于等离子焰流中气相粒子浓度大，焰流速度高，对于发动机叶片上气膜冷却孔不覆盖且能较快地制备多联涡轮叶片涂层。PS-PVD最大的优点是可通过改变实验参数如基体温度、喷涂距离、主气类型、送粉量等实现不同结构如板条层状结构(似APS)，柱状结构(似EB-PVD)以及纳米结构等。涂层结构的可控性、涂层材料的广泛性以及高效的沉积速率使得PS-PVD在不同的工业应用中具有较大的前景如上述的热障涂层，耐蚀、绝缘、防扩散涂层，燃料电池中的离子传输涂层和气敏涂层等。在PS-PVD中，基体温度对涂层的结构有重要的影响，当基体温度低时，气相粒子在基体表面的形核半径尺寸较小，此时的临界系统吉布斯自由能也将降低，这将引起7YSZ气相粒子在基体表面有一个较高的形核速率，导致在基体表面上形成大量的稳定晶核。通过观察大量气相沉积的形核过程，其包括三种生长模型：岛状、层状以及Stransi-Krastanov。PS-PVD可实现气相沉积。基于气相沉积在负温度梯度下，采用PS-PVD可制备羽毛柱状7YSZ涂层，该涂层表面为疏松的“菜花状”结构。在PS-PVD气相沉积中，7YSZ粉末在喷枪内及喷枪前端的高温等离子焰流中气化。当基体温度较高时，7YSZ气相粒子以基体为异质表面发生非均匀形核，高基体温度及高表面能基体使涂层趋向岛状模型生长，涂层呈柱状结构，相反低基体温度及低表面能材料时，涂层趋向于层状模型生长，涂层趋向于细晶结构。目前针对航空发动机热端部件涡轮叶片PS-PVD热障涂层制备，基体温度的监控主要通过非接触式红外测温表征，该方法存在以下缺点，一是，首先它仅仅是测量基体某个激光斑点大小的温度，测温区域小；二是，在喷涂过程中，红外信号容易受到高温等离子体和喷涂粉末的干扰；三是，对于涡轮叶片的某些非视线区域，红外测温测不到，因此红外测温不能完全体现基体的温度。
技术实现思路
基于现有工艺技术的不足，本专利技术提出采用纯铁粉喷涂作为在喷涂过程中基体温度表征，在喷涂过程中，涡轮叶片不同区域，基体温度不同，纯铁粉末涂层显示的温度不同，因此涂层开发中可根据温度的不同而调整喷涂轨迹工艺，达到涂层结构均匀性控制的目的。针对现有技术的不足，一种低压等离子喷涂基体表征温度的方法，步骤如下：（1）对待喷涂工件基体表面进行预处理；（2）将步骤（1）处理好的工件放置在喷涂真空罐中，抽真空，真空度保持在4～40Kpa。（3）在4～40Kpa低压环境下，以纯铁粉为喷涂粉末，等离子喷涂在步骤（1）处理好的工件基体表面，形成沉积铁涂层。（4）根据纯铁涂层显示的颜色差别来表征基体表面的温度以及基体表面区域温度的差异。其中，所述步骤（3）中真空等离子喷涂设备的喷涂净功率为20～60kW，送粉量为5～40g/min，喷涂距离300～1800mm，等离子气体中氩气为20～60NSPM，等离子气体中氦气为0～120NSPM，等离子气体中氢气为0～10NSPM。上述方案中，步骤（1）中对待喷涂工件基体表面进行预处理，具体包括如下步骤：将待喷涂工件依次用汽油、丙酮和酒精进行超声波除污清洗。上述方案中，步骤（3）中，纯铁粉，Fe含量＞98%，铁粉粒度15～45μm。通过实验发现纯铁粉末在不同的基体温度下呈现的颜色是不一样的。当基体温度小于500℃，纯铁涂层为灰色；当基体温度在500～600℃，纯铁涂层为蓝色；基体温度在600～700℃，纯铁涂层为暗红色；基体温度在700～800℃，纯铁涂层为淡红色；基体温度在800～900℃，纯铁涂层为橘黄红；基体温度在900～1000℃，纯铁涂层为黄色；基体温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低压等离子喷涂基体表征温度的方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）对待喷涂工件基体表面进行预处理；（2）将步骤（1）处理好的工件放置在喷涂真空罐中，抽真空，真空度保持在4～40Kpa；（3）在4～40Kpa低压环境下，以纯铁粉为喷涂粉末，等离子喷涂在步骤（1）处理好的工件基体表面，形成沉积铁涂层；（4）根据纯铁涂层显示的颜色差别来表征基体表面的温度以及基体表面区域温度的差异；其中，所述步骤（3）中真空等离子喷涂设备的喷涂净功率为20～60kW，送粉量为5～40g/min，喷涂距离300～1800mm，等离子气体中氩气为20～60NSPM，等离子气体中氦气为0～120NSPM，等离子气体中氢气为0～10NSPM。

【技术特征摘要】
1.一种低压等离子喷涂基体表征温度的方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）对待喷涂工件基体表面进行预处理；（2）将步骤（1）处理好的工件放置在喷涂真空罐中，抽真空，真空度保持在4～40Kpa；（3）在4～40Kpa低压环境下，以纯铁粉为喷涂粉末，等离子喷涂在步骤（1）处理好的工件基体表面，形成沉积铁涂层；（4）根据纯铁涂层显示的颜色差别来表征基体表面的温度以及基体表面区域温度的差异；其中，所述步骤（3）中真空等离子喷涂设备的喷涂净功率为20～60kW，送粉量为5～40g/...

【专利技术属性】
技术研发人员：高扬，熊三妹，张荦，
申请(专利权)人：深圳航发复合材料有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44