一种利用皮秒激光制备热障涂层疏离CMAS表面的方法技术

本发明专利技术涉及热障涂层防护技术领域，具体而言是指一种利用皮秒激光制备具有微纳米结构的热障涂层疏离CMAS表面的方法。本发明专利技术方法利用皮秒激光在热障涂层表面制备微纳米结构，不用改变热障涂层的材料也不用改变传统热障涂层的三层结构，因此不会对涂层的热物理性能与使用性能造成任何影响。在热障涂层保持原有性能的基础上，表面微纳米结构有助于降低CMAS与涂层之间的表面接触面积，减小粘附力，显著提高熔融CMAS在热障涂层表面的接触角，以便于CMAS滚动离开涂层，因而使涂层从物理上隔绝了CMAS，大幅度提高热障涂层的抗CMAS腐蚀性能。

A method of preparing thermal barrier coating by picosecond laser to separate CMAS surface

【技术实现步骤摘要】
一种利用皮秒激光制备热障涂层疏离CMAS表面的方法
本专利技术涉及热障涂层防护
，具体而言是指一种利用皮秒激光制备具有微纳米结构的热障涂层疏离CMAS表面的方法。
技术介绍
近年来我国航空航天技术得到了飞速的发展，增加涡轮进口温度是提高发动机推力的一个重要手段。发动机的推重比每提高10％，则需要涡轮进口的温度提高100℃。航空发动机的涡轮叶片材料通常采用的是高温合金，然而高温合金的使用温度比较有限，传统的镍基高温合金最高只能承受一千多摄氏度的高温。因此在如此高的高温和高应力的复杂环境条件下，仅依靠冷却技术和研发新的高温合金以及改进叶片的制作工艺，很难进一步提高材料安全工作所必须的高温强度和抗高温氧化性能。使用诸如热障涂层来改善这些部件的性能，是最常见的热防护技术。目前应用最广泛的热障涂层材料是6～8wt％氧化钇部分稳定的氧化锆，简称8YSZ。随着大气污染的不断增加，雾霾、沙尘天气频繁发生，此外火山活动的不断加剧，导致空气中的悬浮颗粒浓度越来越高，空气中的悬浮颗粒物的主要成分为CaO-MgO-Al2O3-SiO2，简称CMAS。CMAS的熔点通常在1100～1300℃，在高温使用环境中，熔融的CMAS会对涡轮叶片造成严重的破坏，主要表现为加速涂层材料的相变失效及促进涂层的剥落，使热障涂层寿命下降70％以上。由于过去在涡轮发动机的研制中通常忽略CMAS腐蚀问题，因此传统方法(热喷涂法、制备的的热障涂层制备方法都不具备抵抗CMAS的能力，直到这几年人们才开始意识到问题的严重性，国内外学者针对CMAS腐蚀问题进行了许多研究，新型热障涂层材料能与CMAS相互反应形成高熔点的物质，抑制涂层与CMAS的反应。如申请号为201510400446.78的专利公开了一种抗CMAS的新型陶瓷层材料LaPO4的制备方法，磷酸盐LaPO4陶瓷层材料与CMAS界面形成一层互反应层，有效地阻止CMAS的渗入。另外，通过调整涂层结构，在热障涂层表面再制备一层陶瓷层或者氧化物。宋进兵等在8YSZ表面沉积了一层铝膜，通过热处理生成氧化铝薄膜，从而隔开热障涂层与CMAS，起到延缓腐蚀的作用。在自然界中，科学家们发现了很多天然的超疏水表面，通过对表面形貌的观察，发现这些表面具有丰富的微纳米结构。如果在热障涂层表面加工出和荷叶类似的仿生微纳米结构，在高温下CMAS熔融液滴在热障涂层表面将会受到排斥，那么CMAS的腐蚀和渗透难题将迎刃而解。进一步的实验观测和理论研究表明，只有合适的表面微观几何形貌才能构成稳定的超疏水表面，如何构造合适的微纳米结构成为关键的问题。超短脉冲激光由于其速度快，加工时间短，微结构易于控制等特点，得到了广泛的使用。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术旨在提供一种利用皮秒激光制备热障涂层疏离CMAS表面的方法，本专利技术方法制备的热障涂层表面微纳米结构能够显著提高熔融CMAS在热障涂层表面的接触角，从而有效疏离CMAS，提高热障涂层的抗CMAS腐蚀性能。一种利用皮秒激光制备热障涂层疏离CMAS表面的方法，制备方法包括下列步骤：第一步：将8wt.％Y2O3，92wt.％ZrO2粉末(Y2O3粉末和ZrO2粉末的质量百分含量为99.5％，粒径为0.5μm)置于氧化锆球磨罐中，以酒精为球磨介质，在行星球磨机上球磨24小时，之后取出粉末在干燥箱中80℃下干燥12h。采用干压成型的方法在20MPa的压力下将粉末压制成圆片，接着将圆片置于高温烧结炉1450℃保温4h，烧结得到8YSZ热障涂层。第二步：首先将8YSZ热障涂层用碳化硅砂纸进行粗磨，接着采用粒度为1μm的金刚石喷雾剂在自动抛光机上进行抛光处理，抛光完成后用无水乙醇和丙酮混合溶液对抛光的热障涂层表面进行超声清洗，时间为30分钟，在干燥箱中烘干，得到洁净的热障涂层表面。第三步：利用皮秒激光在洁净的热障涂层8YSZ表面加工出微纳米结构。采用皮秒激光对步骤二所得的洁净后的热障涂层表面进行加工，皮秒激光的重复频率为500KHZ，波长1064nm，脉宽10ps。平均功率为9.5～44.3W，扫描次数为2～8，扫描速度为50～750mm/s，扫描间距为35～50μm。皮秒激光加工路径采用正十字交叉型，加工后表面织构为微米级的沟槽阵列，并且微米级的沟槽阵列上具有丰富的纳米结构。与现有技术相比，本专利技术方法具有以下有益效果：本专利技术方法制备的热障涂层表面微纳米结构有助于降低CMAS与涂层之间的表面接触面积，减小粘附力，显著提高熔融CMAS在热障涂层表面的接触角，以便于CMAS滚动离开涂层，从而有效疏离CMAS，大幅度提高热障涂层的抗CMAS腐蚀性能。现有技术主要通过开发新型热障涂层材料、改性传统涂层材料、调整涂层结构来提高热障涂层抗CMAS腐蚀能力，这些技术有一个共同的特点，就是期望CMAS与涂层之间的化学反应速度减缓，从而减缓腐蚀。目前并不存在完全抗CMAS腐蚀的材料，随着腐蚀时间的延长，热障涂层材料一定会被破坏。并且引入新的涂层材料与多层结构在热膨胀系数等力学性能上不能完全匹配粘结层，使得现有技术制备的热障涂层为了提高CMAS腐蚀性能而牺牲热障涂层本身的热物理性能，降低了涂层的寿命，限制了现有技术的使用。而本专利技术方法利用皮秒激光在热障涂层表面制备微纳米结构，不用改变热障涂层的材料也不用改变传统热障涂层的三层结构，因此不会对涂层的热物理性能与使用性能造成任何影响。在热障涂层保持原有性能的基础上，表面微纳米结构有助于降低CMAS与涂层之间的表面接触面积，减小粘附力，显著提高熔融CMAS在热障涂层表面的接触角，以便于CMAS滚动离开涂层，因而使涂层从物理上隔绝了CMAS，大幅度提高热障涂层的抗CMAS腐蚀性能。本专利技术方法效果是显著的，从技术手段上容易实现，具有非常高的理论研究价值和现实应用价值，有望给障涂层防护
带来颠覆性的变化。附图说明图图1所示为本专利技术实施例热障涂层疏离CMAS表面SEM图；图2所示为本专利技术实施例热障涂层疏离CMAS表面横截面轮廓图；图3所示为本专利技术实施例原始热障涂层表面和疏离CMAS表面在1182℃下的CMAS高温接触角；图4所示为本专利技术实施例原始热障涂层表面和疏离CMAS表面CMAS颗粒的实物对比图；具体实施方式下文将结合本专利技术的具体附图详细描述具体实施例。本实施例的一种利用皮秒激光制备热障涂层疏离CMAS表面的方法，制备方法包括下列步骤：第一步：将8wt.％Y2O3，92wt.％ZrO2粉末(99.5％，粒径为0.5μm左右)置于氧化锆球磨罐中，以酒精为球磨介质，在行星球磨机上球磨24小时，之后取出粉末在干燥箱中80℃下干燥12h。采用干压成型的方法在20MPa的压力下将粉末压制成圆片，接着将圆片置于高温烧结炉1450℃保温4h，烧结得到8YSZ热障涂层。第二步：首先将8YSZ热障涂层用碳化硅砂纸进行粗磨，接着采用粒度为1μm的金刚石喷雾剂在自动抛光机上进行抛光处理，抛光完成后用无水乙醇和丙酮混合溶液对抛光的热障本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用皮秒激光制备具有微纳米结构的热障涂层疏离CMAS表面的方法，其特征在于，采用皮秒激光对洁净后的热障涂层表面进行加工，皮秒激光的重复频率为500KHZ，波长1064nm，脉宽10ps；平均功率为9.5～44.3W，扫描次数为2～8，扫描速度为50～750mm/s，扫描间距为35～50μm；皮秒激光加工路径采用正十字交叉型，加工后表面织构为微米级的沟槽阵列，并且微米级的沟槽阵列上具有丰富的纳米结构，有助于降低CMAS与涂层之间的表面接触面积，减小粘附力，显著提高熔融CMAS在热障涂层表面的接触角，以便于CMAS滚动离开涂层，从而有效疏离CMAS，提高热障涂层的抗CMAS腐蚀性能。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用皮秒激光制备具有微纳米结构的热障涂层疏离CMAS表面的方法，其特征在于，采用皮秒激光对洁净后的热障涂层表面进行加工，皮秒激光的重复频率为500KHZ，波长1064nm，脉宽10ps；平均功率为9.5～44.3W，扫描次数为2～8，扫描速度为50～750mm/s，扫描间距为35～50μm；皮秒激光加工路径采用正十字交叉型，加工后表面织构为微米级的沟槽阵列，并且微米级的沟槽阵列上具有丰富的纳米结构，有助于降低CMAS与涂层之间的表面接触面积，减小粘附力，显著提高熔融CMAS在热障涂层表面的接触角，以便于CMAS滚动离开涂层，从而有效疏离CMAS，提高热障涂层的抗CMAS腐蚀性能。


2.如权利要求1所述的一种利用皮秒激光制备具有微纳米结构的热障涂层疏离CMAS表面的方法，其特征在于，所述热障涂层为8YSZ热障涂层。


3.如权利要求2所述的一种利用皮秒激光制备具有微纳米结构的热障涂层疏离CMAS表面的方法，其特征在于，所述8YSZ热障涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：帅文文，花银群，李志宝，李瑞涛，蔡杰，金涛，豆海军，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32