【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于表面涂层的制备，涉及一种由激光复合等离子喷涂引起的粘结层和陶瓷层互溶热障涂层(激光重熔与等离子喷涂耦合同步进行)的制备方法，具体为基于耐高温合金基体表面的热障涂层的性能提升设计及制备方法。
技术介绍
1、热障涂层(tbc)广泛应用于航空发动机、燃气涡轮机、先进火箭发动机等工业汽轮机。这些涂层的好处在于，它们能够在背面充分冷却的情况下在表面维持较高的热梯度，具有较好的耐热耐腐蚀性。因此，tbc涂层用于保护汽轮机热部件的表面，使其在高温下不会腐蚀、氧化。传统制备热障涂层的工艺为热喷涂，该工艺制备的涂层层状结构明显，孔隙率高，与基体的结合强度低。因此，考虑通过复合激光来引起粘结层和陶瓷层互溶形成陶瓷成分的梯度变化及冶金结合提高结合强度。
2、等离子喷涂技术通过在易损部件表面用机械结合的方法附上一层功能涂层，可在不改变材料原有的力学性能的同时，极大提升部件的目标性能如：耐热性、耐腐蚀性、耐磨性等，从而显著降低成本，实现绿色制造。此外，等离子喷涂技术的基材尺寸效应限制小，可喷涂材料范围广，涂层制备效率高，被广泛应用于油气储运、航空飞行、航天工程及军工等领域，特别是用于保护汽轮机热端部件的表面。
3、梯度涂层是指涂层中某一成分沿垂直方向梯度变化的涂层。在热障涂层中基体表面覆盖有两种涂层，即粘结层和陶瓷层，这两种涂层在热物理属性上仍旧存在差异，由于其热膨胀系数不同，极易在涂层受热升温时产生水平方向的热应力导致涂层剥落。而涂层中梯度变化的zro2含量会改善热物理属性上的差异，形成缓冲区，减少热循环中产生的热
4、激光重熔利用激光束将表面熔化而不加任何金属元素，使表面快速升温熔化，把杂质、气孔、化合物释放出来，同时由于迅速冷却而使晶粒得到细化，达到表面改性的目的。其主要特点如下：
5、(1)表面熔化时一般不添加任何合金元素，熔凝层与材料基体是冶金结合。
6、(2)形成的柱状晶结构和垂直裂纹可提高涂层的应变容限，从而显著提高涂层的综合性能。
7、(3)在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得的组织有较高的硬度、耐磨性和抗蚀性。
8、(4)其熔层薄，热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大，甚至可以直接使用。
9、ysz目前仍是最常用的tbc材料，由于其无与伦比的性能，如低导热系数、高熔点、热稳定性、高热膨胀系数和高断裂韧性等性能。尽管ysz材料存在高温相变和具有极限使用温度(1200℃)等缺点，但迄今为止仍然没有一个单一材料的综合性能可以超过它，ysz仍然是使用最广泛、最经典的热障涂层材料。
10、多能场/多工艺复合技术通过能场的耦合并进行有效调控，可使其综合优点大于各工艺独自优点的简单叠加，即达到1+1>2的效应，从而实现单一工艺无法实现的材料加工过程或实现比单一工艺更高效率、更好质量、更优性能的产品制造。
技术实现思路
1、针对目前热障涂层层状结构明显、孔隙率高、结合强度低、涂层存在高温剥落的问题，弥补现有制备技术的不足之处，本专利技术提出一种激光复合等离子喷涂制备互溶梯度热障涂层的方法。
2、本专利技术中，在等离子热源和激光热源双重作用下，形成于高温合金基体上的粘结层、陶瓷层。陶瓷层结构由层状转变为枝晶柱状；生成对烧结不太敏感的孔隙结构，在高温热处理期间保持tbc的热性能和机械性能；通过降低约30％的导热系数来改善tbc的隔热性能；在粘结层表面使用激光复合等离子喷涂热障涂层，引起粘结层表面与陶瓷层底部的互溶，形成过渡层，提高结合强度；增加了对等温冲击的抵抗力(有望使循环次数翻倍)；在热冲击期间更稳定。
3、本专利技术的技术方案如下：
4、一种激光复合等离子喷涂制备互溶梯度热障涂层的方法，包括如下步骤：
5、对高温合金基体进行超声波清洗和喷砂处理，然后在基体上采用大气等离子喷涂制备粘结层；粘结层喷涂结束后，在等离子喷枪旁固定激光头，采用激光复合大气等离子喷涂在粘结层上用陶瓷粉末制备热障涂层，喷涂时激光头随等离子喷枪同步运动，激光作用区域与喷涂区域重合；
6、其中，
7、高温合金基体包括但不限于：镍基合金、铬基合金、镍铬合金；对基体进行喷砂处理后，得到ra 8～10的粗糙度；
8、粘结层的材料包括但不限于：nicraly、nial；
9、制备粘结层时，大气等离子喷涂的工艺参数为：电流强度500-600a，喷涂距离90-120mm，喷涂速度50-100mm/s；
10、等离子喷枪垂直于基体，激光头与基体呈45°夹角；
11、陶瓷粉末为氧化钇(8％)稳定氧化锆粉末；
12、制备热障涂层时，大气等离子喷涂的工艺参数为：电流强度600-700a，喷涂距离90-120mm，喷涂速度50-100mm/s；激光的能量密度1-3j/mm2。
13、本专利技术的技术原理如下：
14、本专利技术方法中，采用大气等离子喷涂制备粘结层，粘结层喷涂结束后，在垂直于基体的等离子喷枪旁固定激光头，与基体呈45°夹角，搭建试验台，喷涂时激光头随等离子喷枪同步运动，激光作用区域与喷涂区域重合，如图1所示。在粘结层表面采用激光重熔和大气等离子喷涂同步进行的方式制备出具有对烧结不太敏感孔隙结构，更低导热系数，耐热耐腐蚀的热障涂层。由于激光热源的输入，粘结层表面形成微熔池，熔融或半熔的陶瓷颗粒撞击进入其中，互溶形成过渡的梯度层，可实现沿陶瓷层垂直方向质量分数的梯度变化。
15、本专利技术有利于缓解表面陶瓷层与金属基底之间的热失配应力，大大提升提高涂层的结合强度和抗热震性能，增加涂层厚度。此外，由于等离子热源的存在，本专利技术还能避免激光重熔后处理的缺点：即产生的一个大的熔池的快速冷却凝固会产生高水平的残余应力，会产生大量宏观裂纹和分层，降低涂层的物理性能。本专利技术旨在通过优化喷涂工艺，制作出从粘结层到陶瓷层物质含量梯度变化，具有逐步过渡的中间层，达到冶金结合的高结合强度热障涂层。
16、本专利技术的有益效果在于：
17、本专利技术提出的一种激光引起的粘结层和陶瓷层互溶提高结合强度的热障涂层制备方法，以ysz作为陶瓷层，nicraly作为粘结层，通过激光等离子同步重熔的方法制备出一层位于陶瓷层和粘结层中间的过渡层，提高结合强度。本专利技术既继承了等离子喷涂工艺的优点，既加工速度快，对喷涂材料和基体的要求低，一次成型；又能同时利用激光能量对基体进行预热，降低热梯度，对涂层进行重熔改性。此外，由于等离子热源的存在，本专利技术还能避免激光重熔后处理的缺点，即产生的一个大的熔池的快速冷却凝固会产生高水平的残余应力，会产生大量宏观裂纹和分层，降低涂层的物理性能。
18、本专利技术提出的一种激光复合等离子喷涂热障涂层的制备方法，主要优点是：采用多能场复合制造的思路，将激光重熔与等离子喷涂结合，取二者之长补二者之短，制备出耐热耐腐蚀性能优异，微观结构致密，结合强度高的热障涂层。该技术对本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种激光复合等离子喷涂制备互溶梯度热障涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的激光复合等离子喷涂制备互溶梯度热障涂层的方法，其特征在于，高温合金基体为：镍基合金、铬基合金或镍铬合金。
3.如权利要求1所述的激光复合等离子喷涂制备互溶梯度热障涂层的方法，其特征在于，粘结层的材料为：NiCrAlY或NiAl。
4.如权利要求1所述的激光复合等离子喷涂制备互溶梯度热障涂层的方法，其特征在于，制备粘结层时，大气等离子喷涂的工艺参数为：电流强度500-600A，喷涂距离90-120mm，喷涂速度50-100mm/s。
5.如权利要求1所述的激光复合等离子喷涂制备互溶梯度热障涂层的方法，其特征在于，等离子喷枪垂直于基体，激光头与基体呈45°夹角。
6.如权利要求1所述的激光复合等离子喷涂制备互溶梯度热障涂层的方法，其特征在于，陶瓷粉末为氧化钇稳定氧化锆粉末。
7.如权利要求1所述的激光复合等离子喷涂制备互溶梯度热障涂层的方法，其特征在于，制备热障涂层时，大气等离子喷涂的工艺参数为：电流强度600
...【技术特征摘要】
1.一种激光复合等离子喷涂制备互溶梯度热障涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的激光复合等离子喷涂制备互溶梯度热障涂层的方法，其特征在于，高温合金基体为：镍基合金、铬基合金或镍铬合金。
3.如权利要求1所述的激光复合等离子喷涂制备互溶梯度热障涂层的方法，其特征在于，粘结层的材料为：nicraly或nial。
4.如权利要求1所述的激光复合等离子喷涂制备互溶梯度热障涂层的方法，其特征在于，制备粘结层时，大气等离子喷涂的工艺参数为：电流强度500-600a，喷涂距离90-120mm，喷涂...
【专利技术属性】
技术研发人员：姚建华，孙宇海，张盼盼，李波，张毫杰，张群莉，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。