一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层的制备方法及其相应铜合金基材技术

本发明专利技术提供了一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层的制备方法及其相应铜合金基材，涉及材料保护领域。该方法利用大气等离子喷涂设备，对铜合金基材表面进行喷涂以制备热障涂层，该涂层由CuNi基合金层、NiCuCr基合金层与MCrAlYX合金层的三层构成。通过三次喷涂，使得CuNi基合金层沉积于铜合金基体表面，NiCuCr基合金层沉积于CuNi基合金层表面，MCrAlYX合金层作为顶层隔热层沉积于NiCuCr基合金层表面。本发明专利技术通过结合过渡层与隔热层，使得涂层能够与基体表面紧密贴合，形成均匀致密，结合良好，性能较高的热障涂层，同时利用过渡层减少了基体与涂层之间的热膨胀差异，减少了涂层容易出现的裂纹，屈曲等问题，延长了涂层的服役寿命，进一步扩展了热障涂层的应用范围。进一步扩展了热障涂层的应用范围。进一步扩展了热障涂层的应用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层的制备方法及其相应铜合金基材


[0001]本专利技术涉及材料保护领域，特别是一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层的制备方法及其相应铜合金基材。

技术介绍

[0002]随着民用载物火箭的运用，火箭中的推力室是液体火箭发动机用于将化学能转化为动能的核心装置，因此保证其安全运行对火箭发动机而言具有重要意义。而推力室作为核心部件，其服役工况十分严苛，室内压力高(5
‑
27MPa)，燃气温度高(3000
‑
3500K)，且壁面热流密度大(10
‑
160MW/m2)。因此对推力室内壁进行强烈的冷却和保护十分关键。目前主要采用的方式是在推力室内壁喷涂热障涂层，以起到隔热和防氧化的作用。
[0003]相关技术中，一般采用热导率很低的陶瓷涂层作为隔热涂层，然而在较高的温度梯度下，陶瓷涂层与基体的热膨胀差异非常大，使得涂层中产生较大的热应力导致涂层在热循环过程中失效，从而降低了涂层的使用寿命。
[0004]另一种方式是使用金属隔热涂层，但是金属合金涂层在大热流密度服役测试条件下容易出现，涂层与基体的界面分层开裂，涂层的屈曲，垂直裂纹以及柯肯达尔效应孔隙等问题。此外，采用大气等离子喷涂技术在喷涂金属合金涂层过程中，当高温等离子射流从喷枪高速喷出在大气中飞行时，很自然地将大气成分卷入其中，使得金属合金粒子发生氧化，从而使涂层中含有金属氧化物成分。氧化物会导致涂层间结合变差，不仅增加涂层孔隙率，还会使涂层失去对基体的耐腐蚀、耐高温保护，降低涂层的力学性能与耐磨损性能等。其次，氧化物的存在会使涂层的成分与组织结构偏离预期设计的成分与组织。由于喷涂过程中众多工艺因素的复杂性，涂层中的氧化物含量与分布难以控制，使得涂层的结构与性能的稳定性也难以得到保证。
[0005]因此，在材料保护领域十分有必要开发一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层，使得该涂层通过合理设计，可以解决金属热障涂层在大热流密度服役环境下因成分，热膨胀系数差异较大而引起的涂层失效问题及熔融金属合金粒子的氧化问题，从而提高涂层的服役寿命。

技术实现思路

[0006]本专利技术主要目的在于，提供一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层的制备方法，以解决金属热障涂层制备中熔融金属合金粒子的氧化问题和在大热流密度服役环境下因成分，热膨胀系数差异较大而引起的涂层失效问题。
[0007]本专利技术是通过如下技术方案实现的：
[0008]本专利技术实施例的第一方面公开了一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层的制备方法，所述方法包括：
[0009]第一步，对待喷涂目标基材进行预处理；
[0010]第二步，采用大气等离子喷涂方式对所述预处理后的待喷涂目标基材表面喷涂CuNi基合金层；
[0011]第三步，采用大气等离子喷涂方式在所述CuNi基合金层上喷涂NiCuCr基合金层；
[0012]第四步，采用大气等离子喷涂方式在所述NiCuCr基合金层上喷涂MCrAlYX合金层；
[0013]其中，所述MCrAlYX合金为镍基合金(NiCoCrAlYX)或钴基合金(CoNiCrAlYX)，X为除Y以外的其他稀土元素。
[0014]优选地，所述方法还包括：
[0015]对第四步喷涂完成后的所述目标基材进行热处理，热处理温度在5005500℃之间。
[0016]优选地，所述对待喷涂目标基材进行预处理，包括：
[0017]对所述待喷涂目标基材的表面进行除锈、除污、除油和粗糙化处理。
[0018]优选地，所述第二步包括：
[0019]采用大气等离子喷涂方式向所述预处理后的待喷涂目标基材上喷涂含有硼化物的CuNi基合金粉末；其中，所述硼化物为镍化硼或铬化硼，在所述含有硼化物的CuNi基合金粉末中，硼元素的质量分数为1.5wt％53.5wt％，所述Cu的质量分数为60wt％570wt％，以及所述Ni的质量分数为30wt％540wt％。
[0020]优选地，所述第三步包括：
[0021]采用大气等离子喷涂方式向所述CuNi基合金层上喷涂含有硼化物的NiCuCr基合金粉末；其中，所述硼化物为镍化硼或铬化硼，在所述含有硼化物的NiCuCr基合金粉末中，硼元素的质量分数为1.5wt％53.5wt％，所述Ni的质量分数为50wt％570wt％，所述Cu的质量分数为30wt％540wt％，以及所述Cr的质量分数为10525wt％。
[0022]优选地，所述第四步包括：
[0023]采用大气等离子喷涂方式向所述NiCuCr基合金层上喷涂MCrAlYX合金粉末；其中，Cr含量为15525wt％，Al含量为7510wt％Ni，Y含量为0.450.5wt％，X稀土元素含量为052wt％；当所述MCrAlYX合金为镍基合金(NiCoCrAlYX)时，Ni含量为35％570wt％，Co含量为0532wt％；当所述MCrAlYX合金为钴基合金(CoNiCrAlYX)时，Co含量为35550wt％，Ni含量为20532wt％。
[0024]优选地，所述第二步中进行大气等离子喷涂的喷涂功率为30545kW，喷涂距离为505200mm；所述第三步中进行大气等离子喷涂的喷涂功率为35550kW，喷涂距离为505200mm；所述第四步中进行大气等离子喷涂的的喷涂功率为35555kW，喷涂距离为505200mm；所述喷涂距离为喷涂设备前端口与所述目标基材表面之间的距离。
[0025]优选地，所述CuNi基合金层厚度为30550μm，NiCuCr基合金层厚度为30550μm，MCrAlYX合金层厚度为705150μm。
[0026]本专利技术实施例的第二方面公开了一种用于制作火箭发动机铜合金推力室内壁的铜合金基材，所述铜合金基材是按照本专利技术实施例第一方面公开的方法制备得到的。
[0027]本专利技术提供了一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层的制备方法，通过先对待喷涂目标基材进行预处理，再利用大气等离子喷涂设备，依次在目标基材表面喷涂CuNi基合金层，NiCuCr基合金层，MCrAlYX合金层。使得CuNi基合金层沉积于铜合金基体表面，NiCuCr基合金层沉积于CuNi基合金层表面，MCrAlYX合金层作为顶层沉积于NiCuCr基合金层表面。其中，所述MCrAlYX合金为镍基合金(NiCoCrAlYX)或钴基合金(CoNiCrAlYX)，X为除Y以外的
其他稀土元素。在本专利技术中，利用大气等离子喷涂设备进行热障涂层制备，该金属热障涂层由CuNi基合金层、NiCuCr基合金层与MCrAlYX合金层的三层构成，三层涂层分别能够与基体表面紧密贴合，形成均匀致密，结合良好，性能较高的热障涂层，同时利用过渡层减少了基体与涂层之间的热膨胀差异，减少了涂层容易出现的裂纹，屈曲等问题，延长了涂层的服役寿命，进一步扩展了热障涂层的应用范围。
[0028]与现有技术相比，本专利技术具体的有益效果如下：
[0029]1)减少了界面分层开裂问题。涂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大气等离子喷涂金属合金热障涂层的制备方法，其特征在于，所述方法包括：第一步，对待喷涂目标基材进行预处理；第二步，采用大气等离子喷涂方式对所述预处理后的待喷涂目标基材表面喷涂CuNi基合金层；第三步，采用大气等离子喷涂方式在所述CuNi基合金层上喷涂NiCuCr基合金层；第四步，采用大气等离子喷涂方式在所述NiCuCr基合金层上喷涂MCrAlYX合金层；其中，所述MCrAlYX合金为镍基合金(NiCoCrAlYX)或钴基合金(CoNiCrAlYX)，X为除Y以外的其他稀土元素。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法还包括：对第四步喷涂完成后的所述目标基材进行热处理，热处理温度在5005500℃之间。3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述对待喷涂目标基材进行预处理，包括：对所述待喷涂目标基材的表面进行除锈、除污、除油和粗糙化处理。4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述第二步包括：采用大气等离子喷涂方式向所述预处理后的待喷涂目标基材上喷涂含有硼化物的CuNi基合金粉末；其中，所述硼化物为镍化硼或铬化硼，在所述含有硼化物的CuNi基合金粉末中，硼元素的质量分数为1.5wt％～3.5wt％，所述Cu的质量分数为60wt％～70wt％，以及所述Ni的质量分数为30wt％～40wt％。5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述第三步包括：采用大气等离子喷涂方式向所述CuNi基合金层上喷涂含有硼化物的NiCuCr基合金粉末；其中，所述硼化物为镍化硼或铬化硼，在所述含有硼化物的NiCuCr基合金粉末中，硼元素的的质量...

【专利技术属性】
技术研发人员：李长久，朱永胜，雒晓涛，李成新，杨冠军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：