一种热障涂层及其制备方法和在高温合金中的应用技术

本发明专利技术涉及高温合金涂层技术领域，提供了一种热障涂层及其制备方法和在高温合金表面的应用。本发明专利技术采用高功率脉冲磁控溅射法在合金基体表面制备热障涂层，具有电弧离子镀的高离化率与磁控溅射的平整度，所获膜层致密、平整、附着力好；并且高功率脉冲磁控溅射的离子能量大，具有很好的绕镀能力，可以对异型结构进行均匀镀膜；本发明专利技术中的三层膜层均是采用高功率脉冲磁控溅射法镀制，能够一次性镀膜完成，避免两种或多种镀膜方法在基体转移过程中导致表面污染，从而提高了膜层质量。将本发明专利技术制备的热障涂层应用于高温合金表面，与高温合金的附着力强、耐热和耐腐蚀性好，使用寿命长。使用寿命长。使用寿命长。

【技术实现步骤摘要】
一种热障涂层及其制备方法和在高温合金中的应用


[0001]本专利技术涉及高温合金涂层
，尤其涉及一种热障涂层及其制备方法和在高温合金中的应用。

技术介绍

[0002]在航空、航天及民用的应用领域中，涡轮发动机热端部件的使用温度非常之高，以燃料轮机的受热部件(如喷嘴、叶片、燃烧室)为例，它们处于高温氧化和高温气流冲蚀等恶劣环境中，承受温度高达1100℃。随着现代技术的发展，这一温度要求也越来越高，如第四代发动机的平均加力温度高达1800～1900℃，核心燃烧气流温度甚至达到2700℃，这个温度已经远超过镍基高温合金所承受的极限温度。
[0003]将金属的高强度、高韧性与陶瓷耐高温的优点结合起来所制备出的热障涂层能解决上述问题，热障涂层能起到隔热、抗氧化、防腐蚀的作用，已在汽轮机、柴油发电机、喷气式发动机等热端部件上取得一定应用。热障涂层不仅可以延长热端部件使用寿命，还具有提高发动机功率和减少燃油消耗等优点，为大幅度改进航空发动机的性能开辟了新途径。
[0004]目前，热障涂层的制备技术主要包括等离子喷涂与电子束物理气相沉积。等离子喷涂制备的涂层虽然隔热效果好，但其具有平行于基体表面的层状结构，含有很多横向界面，导致其抗震性能较差，会过早脱落。电子束物理气相沉积制备的涂层具有垂直于基体表面的柱状晶结构，具有较好的抗震性能、使用寿命长，但其涂层与基体的结合力较差，而且由于不同材料的蒸发速率有差异会导致涂层成份不均匀，影响涂层的隔热性能。
[0005]中国专利CN 111394702A中采用多弧离子镀制备涂层中的粘结层，虽然涂层附着力优于等离子喷涂与电子束气相沉积，但镀膜过程中会有大颗粒喷出，从而导致膜层不均匀，并存在针孔，降低了膜层的耐腐蚀性；中国专利CN 108754495A中采用磁控溅射技术制备热障涂层，虽然其具有表面光滑、无颗粒缺陷等诸多优点，但溅射材料大多以原子状态存在，离化率低，导致膜基结合力差于电弧离子镀，涂层相对更容易剥落失效。
[0006]因此，目前的方法制备的隔热涂层难以兼顾膜基结合力、隔热性和腐蚀性，开发新型的热障涂层制备方法，对提高热障涂层的效果和稳定性具有重要意义。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术提供了一种热障涂层及其制备方法和在高温合金中的应用。本专利技术采用高功率脉冲磁控溅射法制备热障涂层，所得热障涂层与基体的附着力强，且隔热性和耐腐蚀性好。
[0008]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0009]一种热障涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0010]采用高功率脉冲磁控溅射法，在合金基体表面依次镀制金属粘结层、陶瓷层和隔离层；所述金属粘结层的材质为NiCrAlY合金或NiCoCrAlY合金；所述陶瓷层的成分包括ZrO2和Y2O3；所述隔热层的成分为α
‑
Al2O3。
[0011]优选的，所述真空镀膜设备为单腔室镀膜设备或流水线式镀膜设备；采用高功率脉冲磁控溅射法进行镀膜时，每种靶材之间设置有隔离防护装置。
[0012]优选的，镀制所述金属粘结层采用的靶材为NiCrAlY合金或NiCoCrAlY合金；镀制所述陶瓷层采用的靶材为ZrY合金，所述ZrY合金中Y的质量分数为6～12％；镀制所述隔离层采用的靶材为Al钯。
[0013]优选的，以质量百分含量计，所述NiCrAlY合金的化学成分包括：Cr15～25％，Al 5～15％，Y 0.5～1.5％，余量为Ni；所述NiCoCrAlY合金的化学成分包括：Co 12～23％，Cr 15～25％，Al 5～15％，Y 0.5％～1.5％，余量为Ni。
[0014]优选的，镀制所述金属粘结层的条件包括：沉积温度为400～800℃，工作气体为氩气，溅射气压为0.2～0.8Pa，转架公转速度为3～10rpm，峰值功率密度为0.5～2kW/cm2，脉冲频率为1～20kHz，脉冲宽度为5～100μs，基体偏压为
‑
200～
‑
800V；
[0015]镀制所述陶瓷层的条件包括：沉积温度为500～1000℃，工作气体为氩气，反应气体为氧气，溅射气压为0.1～0.5Pa，转架公转速度为3～10rpm，峰值功率密度为0.2～1.5kW/cm2，脉冲频率为1～20kHz，脉冲宽度为5～100μs，基体偏压为
‑
200～
‑
800V；
[0016]镀制所述隔离层的条件包括：沉积温度为200～500℃，工作气体为氩气，反应气体为氧气，溅射气压为0.1～0.5Pa，转架公转速度为3～10rpm，峰值功率密度为1～3kW/cm2，脉冲频率为1～20kHz，脉冲宽度为5～100μs，基体偏压为
‑
200～
‑
800V。
[0017]优选的，所述合金基体放入真空镀膜设备中前，还包括对所述合金基体进行前处理，所述前处理包括：将所述合金基体依次进行打磨、喷砂、清洗和烘烤；
[0018]所述合金基体在镀膜前，还包括将所述合金基体进行离子清洗；所述离子清洗的条件包括：真空度为4.0
×
10
‑3Pa以下，合金基体的温度为100～300℃，气压为0.1～5Pa，基体偏压为
‑
300～
‑
1000V，清洗时间为10～30min。
[0019]本专利技术还提供了上述方案所述制备方法制备的热障涂层，包括金属粘结层、陶瓷层和隔离层；所述金属粘结层的材质为NiCrAlY合金或NiCoCrAlY合金；所述陶瓷层的成分包括ZrO2和Y2O3；所述隔热层的成分为α
‑
Al2O3。
[0020]优选的，所述金属粘结层的厚度为10～80μm；所述陶瓷层的厚度为80～200μm；所述隔离层的厚度为2～8μm。
[0021]本专利技术还提供了上述方案所述的热障涂层在高温合金中的应用。
[0022]优选的，所述高温合金为镍基高温合金或钴基高温合金。
[0023]本专利技术提供了一种热障涂层的制备方法，包括以下步骤：采用高功率脉冲磁控溅射法，在合金基体表面依次镀制金属粘结层、陶瓷层和隔离层；所述金属粘结层的材质为NiCrAlY合金或NiCoCrAlY合金；所述陶瓷层的成分包括ZrO2和Y2O3；所述隔热层的成分为α
‑
Al2O3。本专利技术制备的热障涂层具有三层膜系结构，即保证了与基体的高强度附着力，又具有很好的隔热性，同时还具备很好的抗氧化性与耐腐蚀性，使用寿命长；本专利技术采用高功率脉冲磁控溅射法在合金基体表面制备热障涂层，具有电弧离子镀的高离化率与磁控溅射的平整度，所获膜层致密、平整、附着力好；并且高功率脉冲磁控溅射的离子能量大，具有很好的绕镀能力，可以对异型结构进行均匀镀膜；并且，本专利技术的中的三层膜层均是采用高功率脉冲磁控溅射法镀制，能够一次性镀膜完成，镀膜过程中无需转移，避免了膜层表面的二次污染，提高了各膜层之间的界面质量和附着力，膜层质量高，工艺流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热障涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：采用高功率脉冲磁控溅射法，在合金基体表面依次镀制金属粘结层、陶瓷层和隔离层；所述金属粘结层的材质为NiCrAlY合金或NiCoCrAlY合金；所述陶瓷层的成分包括ZrO2和Y2O3；所述隔热层的成分为α
‑
Al2O3。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述真空镀膜设备为单腔室镀膜设备或流水线式镀膜设备；采用高功率脉冲磁控溅射法进行镀膜时，每种靶材之间设置有隔离防护装置。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，镀制所述金属粘结层采用的靶材为NiCrAlY合金或NiCoCrAlY合金；镀制所述陶瓷层采用的靶材为ZrY合金，所述ZrY合金中Y的质量分数为6～12％；镀制所述隔离层采用的靶材为Al钯。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，以质量百分含量计，所述NiCrAlY合金的化学成分包括：Cr15～25％，Al5～15％，Y0.5～1.5％，余量为Ni；所述NiCoCrAlY合金的化学成分包括：Co12～23％，Cr15～25％，Al5～15％，Y0.5％～1.5％，余量为Ni。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，镀制所述金属粘结层的条件包括：沉积温度为400～800℃，工作气体为氩气，溅射气压为0.2～0.8Pa，转架公转速度为3～10rpm，峰值功率密度为0.5～2kW/cm2，脉冲频率为1～20kHz，脉冲宽度为5～100μs，基体偏压为
‑
200～
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800V；镀制所述陶瓷层的条件包括：沉积温度为500～1000℃，工作气体为氩气，反应气体为氧气，溅射气压为0.1～0.5Pa，转架公转速度为3～10rpm，峰值功率密度为0.2～1.5kW/...

【专利技术属性】
技术研发人员：李隆玉，王晋，张跃飞，赵新宝，张泽，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：