一种提高热障涂层粘结层抗氧化性能的制备方法技术

本发明专利技术涉及航空发动机叶片热障涂层的制备工艺，具体是指一种提高热障涂层粘结层抗氧化性能的制备方法。采用电弧离子镀的手段在高温合金基体上制备NiCoCrAlYSiHf粘结层，然后利用激光刻蚀手段在热障涂层粘结层的表面形成规则分布的槽型阵列结构，并结合磁控溅射的手段在刻蚀好的粘结层表面镀一层纳米级Al膜。利用该方法制备的粘结层不仅能够有效的提高表面的Al含量，也能够增强Al膜与粘结层之间的接触面积，有利于在高温氧化过程中氧化铝的生成，同时还可以增强粘结层与热生长氧化物之间的界面结合力，进而提高热障涂层粘结层的抗氧化性能。化性能。化性能。

【技术实现步骤摘要】
一种提高热障涂层粘结层抗氧化性能的制备方法


[0001]本专利技术涉及航空发动机叶片热障涂层的制备工艺，具体是指一种提高热障涂层粘结层抗氧化性能的制备方法。

技术介绍

[0002]随着航空航天行业的不断发展，涡轮发动机的服役温度不断升高，涡轮叶片所承受的燃气温度也不断升高，极端的高温环境已经超过了高温合金所能承受的温度极限，在这种情况下高推重比的涡轮发动机的发展将受到限制，因此热障涂层应运而生。经过数代的发展，热障涂层已经形成了较为完善的体系。目前广泛运用的热障涂层主要为双层结构。即以MCrAlY(M为Ni、Co或Ni+Co)为粘结层，其上覆盖ZrO2作为陶瓷层。而MCrAlY粘结层由于具有较高的塑性，较高的抗高温氧化性能，目前已广泛的应用于航空航天、舰船等涡轮发动机、燃气轮机的热端部件上。
[0003]MCrAlY粘结层在高温服役过程中，会在粘结层表面生成具有保护性的α
‑
Al2O3氧化膜，即热生长氧化物(TGO)，在早期连续且致密的α
‑
Al2O3氧化层的形成会阻碍氧元素向合金基体的扩散，延缓氧元素与其他合金元素氧化反应的进行，进而达到抗高温氧化的作用。然而，随着高温氧化的进行，铝元素逐渐被消耗，氧元素会与铬、钴等元素发生选择性氧化，并在TGO内部生成脆性大且具有多孔疏松结构的尖晶石相氧化物，尖晶石相氧化物的生成导致了热障涂层的形态成分发生改变，尤其是在热循环过程中，热生长氧化物产生的热应力失配等问题也会导致热障涂层产生裂纹、剥落等过早失效的问题，从而降低涂层的抗氧化性能，严重缩短了热障涂层的使用寿命。为了解决相关的问题很多专家学者进行过一系列研究。中国专利CN102888605A公开了一种在CoNiCrAlY涂层上镀铝的复合涂层的制备方法，这种镀铝的方式虽然能够提高涂层中铝的含量，但是随着氧化的进行，氧化层的厚度会逐渐增大并产生生长应力，使得热障涂层粘结层和高温合金基体产生剥离失效。中国专利CN107841704A公开了一种通过激光冲击，在热障涂层粘结层表面性形成规则分布的凹坑结构，调控热障涂层界面结构的方法，这种方式虽然能够增强截面之间的结合力，但是氧化时间过长铝元素逐渐消耗会在粘结层中形成贫铝区，从而使得抗氧化性能下降。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对目前热障涂层粘结层存在的铝含量较低，抗氧化性能较弱的问题，提供一种提高热障涂层粘结层表面铝含量及改善铝元素分布，增强粘结层与热生长氧化之间的结合力，从而提高热障涂层粘结层抗高温氧化性能的制备方法。
[0005]本专利技术的技术方案：采用电弧离子镀的手段在高温合金基体上制备NiCoCrAlYSiHf粘结层，然后利用激光刻蚀手段在热障涂层粘结层的表面形成规则分布的槽型阵列结构，并结合磁控溅射的手段在刻蚀好的粘结层表面镀一层纳米级Al膜。利用该方法制备的粘结层不仅能够有效的提高表面的Al含量，也能够增强Al膜与粘结层之间的接触面积，有利于在高温氧化过程中氧化铝的生成，同时还可以增强粘结层与热生长氧化物
之间的界面结合力，进而提高热障涂层粘结层的抗氧化性能。
[0006]具体实施步骤如下：
[0007]步骤一：对待加工的高温合金试样表面进行研磨、抛光及喷砂处理。
[0008]步骤二：采用电弧离子镀技术在高温合金基体上沉积NiCoCrAlYSiHf粘结层。通过优化工艺参数，控制涂层厚度为：40
‑
50μm；电弧离子镀的工艺参数为：弧电流100A，弧电压40V，基体偏压
‑
150V，占空比40％，靶材与基材距离为：180mm。
[0009]步骤三：对喷涂过粘结层的试样进行真空热处理，真空热处理参数为，温度为：900℃，真空度：10
‑3Pa，时间：4h。
[0010]步骤四：对真空热处理后的试样进行打磨、抛光处理以去除表面残屑杂质。
[0011]步骤五：利用皮秒激光刻蚀的方法在上述步骤结束后的试样表面加工出规则分布的槽型阵列结构，其中槽型结构的长为10mm，宽为20μm，高为10μm，相邻槽之间的中心距为0.5mm；皮秒激光刻蚀的参数为:波长1064nm，重复频率50kHz，扫描速度500mm/s，功率为8.0W，重复次数：2次。
[0012]步骤六：利用丙酮浸泡处理对上述步骤完成后的试样进行清洗以去除表面油污杂质。
[0013]步骤七：利用磁控溅射技术在步骤六完成后的试样上沉积一层Al膜，镀铝膜的厚度为600
‑
800nm，磁控溅射的工艺参数为：Ar气压强为0.4pa，偏压为
‑
150V，靶电流：20A，占空比：50％，磁控溅射的时间为30
‑
50min。
[0014]步骤八：将制备好的涂层放入高温氧化炉中并在1150℃的温度下进行氧化实验。
[0015]本专利技术的优点：
[0016]1.粘结层表面存在的规则分布的槽型阵列结构，增大了铝膜与粘结层的接触面积，有利于在高温氧化过程中氧化铝的生成，同时可以对高温服役环境下生成的热生长氧化物(TGO)的生长行为进行有效的调控，延长涂层的服役时间。
[0017]2.利用激光刻蚀的手段在粘结层的表面刻出规则分布的槽型结构，还可以增大粘结层与高温服役环境下生成的TGO氧化层之间的结合力，延缓TGO氧化层的剥落失效。
[0018]3.采用磁控溅射的手段在刻蚀之后的粘结层表面沉积一层铝膜有效的提高了粘结层中的铝含量并改善了铝元素的分布。
附图说明
[0019]图1为本专利技术制备的结构示意图。
具体实施方式
[0020]现将本专利技术的实施例叙述于后，但本专利技术不应仅限与实施例。
[0021]实施例1
[0022](1)在高温合金GH4169试样表面分别进行100目、300目，600目、1000目，1500目砂纸研磨去除表面划痕，然后用金刚石抛光剂抛光至镜面，随后进行表面喷砂处理，在表面形成粗糙度。
[0023](2)采用电弧离子镀方法制备NiCoCrAlYSiHf粘结层，优化工艺参数，控制NiCoCrAlYSiHf粘结层的厚度为45μm。
[0024](3)利用真空热处理炉对制备的粘结层进行真空热处理，温度为：900℃，真空度：10
‑3Pa，时间：4h。
[0025](4)对真空热处理后的粘结层试样进行打磨、抛光处理以去除表面残屑杂质。
[0026](5)利用皮秒激光刻蚀的方法在真空热处理之后的试样表面加工出规则分布的槽型阵列结构，槽型结构的长为10mm，宽为20μm，高为10μm，相邻槽之间的中心距为0.5mm。皮秒激光刻蚀的参数为:波长1064nm，重复频率50kHz，扫描速度500mm/s，功率为8.0W，重复次数：2次。
[0027](6)利用丙酮浸泡处理对上述步骤完成后的试样进行清洗以去除表面油污杂质。
[0028](7)利用磁控溅射技术在刻蚀后的试样上沉积一层Al膜，镀铝膜的厚度为6本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高热障涂层粘结层抗氧化性能的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一：对待加工的高温合金试样表面进行研磨、抛光及喷砂处理；步骤二：采用电弧离子镀技术在高温合金基体上沉积NiCoCrAlYSiHf粘结层；步骤三：对喷涂过粘结层的试样进行真空热处理；步骤四：对真空热处理后的试样进行打磨、抛光处理以去除表面残屑杂质；步骤五：利用皮秒激光刻蚀的方法在上述步骤结束后的试样表面加工出规则分布的槽型结构；步骤六：利用丙酮浸泡处理对上述步骤完成后的试样进行清洗以去除表面油污杂质；步骤七：利用磁控溅射技术在步骤六完成后的试样上沉积一层Al膜；步骤八：将制备好的涂层放入高温氧化炉中进行氧化实验。2.如权利要求1所述的一种提高热障涂层粘结层抗氧化性能的制备方法，其特征在于，步骤二中，通过优化工艺参数，控制粘结层厚度为：40
‑
50μm；电弧离子镀的工艺参数为：弧电流100A，弧电压40V，基体偏压
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150V，占空比40％，靶材与基材距离为：180mm。3.如权利要求1所述的一种提高...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈瑞芳，王子，花银群，叶云霞，蔡杰，戴峰泽，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：