一种形成强结合热障涂层的方法技术

本发明专利技术涉及一种热障涂层的形成方法。利用本发明专利技术的方法在一些需要耐高温工件的表面形成热障涂层，以适应工业的需要，适用于航空航天等高技术领域。本方面的方法，是通过在真空腔室中，对工件进行加热至所需温度，并利用阴极电弧离子源，依次在工件表面形成粘接层金属元素的沉积层、粘接层金属合金和锆合金的混合层、锆合金层、氧化锆复合氧化物层、氧化锆复合氧化物和电子束蒸发锆基氧化物的过渡层以及电子束蒸发锆基氧化物层。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种热障涂层的形成方法。
技术介绍
由于航空发动机等装置输出功率与效率的不断提高，其工作温度也在不断攀升， 因此对其中的高温部件(如叶片、燃烧室等)提出了越来越高的耐高温要求。目前先进的 燃气发动机组的进口温度已高达1700°C，叶片等高温部件的工作温度也为1200°C。为解决 此难题，目前国际上通用的最为有效、经济和可行的方法是在工件表面热喷涂具有耐高温 氧化和隔热功能的热障涂层(TBCs)，以此来保护叶片等高温部件不受过高温度的侵蚀，提 高其使用寿命。热障涂层的主要功能是在高温载荷下，形成沿涂层厚度的高温度梯度，减弱向基 底的传热。在热周期载荷环境下，涂层与基底间可以存在一定的温度差，使合金基底工作温 度降低，提高材料抗热疲劳损伤和蠕变失效的耐久性。热障涂层(TBCs)的基本构想是利用陶瓷材料具有高熔点、低导热率的特性，将此 类材料以不同的方式涂覆于基体金属或其它材料的表面上，就可形成一个热的屏障层。目 前，TBCs根据不同要求可设计成双层系统、多层系统和梯度层系统3种结构形式。1)双层系 统双层结构制备工艺简单，由基体、一个中间黏接层(又称底层)和一个陶瓷面层组成，陶 瓷面层导热慢，抗高温能力强。这是TCBs采用的主要结构形式，但黏结层与陶瓷层的热膨 胀系数在界面跃变较大，在热载荷下，将在涂层内部产生较大的应力，热震性能难以得到进 一步提高，并且涂层结合能力比较差，容易脱落。2)多层系统多层系统一般由黏结层、陶 瓷隔热层、阻氧层、抗腐蚀层和扩散阻挡层组成。多层结构有效地阻止涂层氧化，在高温工 作环境中可进一步阻止外部的腐蚀气体侵蚀基体。为了减少陶瓷层与黏结层的热膨胀系数 不同而引起的涂层内应力，提高涂层的结合强度和热震性能，在基体和陶瓷层之间设计具 有热应力缓和功能的梯度涂层。3)梯度热障涂层系统为了减小由于金属材料和陶瓷材料 热膨胀系数不同而引起的涂层内热应力，提高涂层的结合强度和抗热震能力，在黏结底层 和陶瓷表层间设计具有热应力缓和功能的过渡涂层。这个中间过渡层可由不同层数组成， 每层成份均由结合底层材料和陶瓷表层材料组成，且各层中这2种材料的组成比呈梯度变 化，这种梯度变化的涂层结构可使金属基体到陶瓷工作层的热膨胀系数逐渐变化。受热时 基体与工作层间的温度梯度将减小，从而提高了涂层的抗热震性能。本专利技术中，为实现本专利技术的技术方案，所提供的装置包括气体通入和气体控制部 分、真空系统与真空室相通、直线型电弧蒸发源靶安置在真空室内壁上；真空室内上部设有 一放置工件的转动机构带动的具有公转和自转的支架；电弧直流电源的阴极与靶相连接， 阳极与真空腔连接接地；还包括一高压直流脉冲电源，高压直流脉冲电源串接工件和真空 腔，直流脉冲电源的阴极与工件相连接；真空室内下部设有一蒸发舟，电子束枪安装在真空 室壁上。蒸发装置的结构示意如图1所示。其中1为不锈钢真空腔室，2为具有公转和自转的工件，3蒸发材料，4蒸发舟，5为对工件进行加热的加热体，6真空获得系统，7气体供 给系统，可向真空腔室通入氩气和氧气，8粘接层合金电弧蒸发源，9粘接层合金电弧蒸发 源直线过滤线圈，10粘接层合金电弧蒸发源直线过滤线圈电源，11粘接层合金电弧蒸发源 电源，12锆合金电弧蒸发源，13锆合金电弧蒸发源直线过滤线圈，14锆合金电弧蒸发源直 线过滤线圈电源，15锆合金电弧蒸发源电源，16电子枪，17电子枪电源，18脉冲偏压电源， 19外加热电源。直线型电弧蒸发源靶最少为两个。蒸发舟和电子束枪分别可以是一个或多 个。
技术实现思路
本专利技术提出的，包括如下步骤(1)将工件和蒸发氧化锆基YSZ材料放置在真空腔室中，利用外加热体将工件加 热到500°C以上；(2)使用高压直流脉冲偏压电源对工件施加脉冲负偏压，并向真空腔室充入氩气 至真空度2Xl(T2Pa ；(3)引燃粘接层金属合金阴极电弧离子源，将工件轰击加热至合金化温度 1000°C -iioo°c，实现粘接层金属元素在工件表面的合金化；(4)逐步降低脉冲负偏压，降低占空比，使工件表面温度降低到400-600°C，维持 粘接层金属合金阴极电弧，在工件表面形成粘接层金属元素的沉积层；(5)在维持粘接层金属合金阴极电弧的同时，启动锆合金阴极电弧，在工件表面形 成粘接层金属合金和锆合金的混合层；(6)逐步关闭粘接层金属合金阴极电弧，在工件表面沉积形成锆合金层；(7)逐步降低氩气输入并按比例体积比为1 9充入氧气，在工件表面反应形成氧 化锆复合氧化物层；(8)反应沉积30-50分钟后，启动电子束沉积蒸发氧化锆基YSZ材料，在工件表面 反应形成氧化锆复合氧化物和电子束蒸发锆基氧化物的过渡层；(9)关闭锆合金阴极电弧和氧气，利用电子束沉积蒸发氧化锆基YSZ材料，在工件 表面形成电子束蒸发锆基氧化物层。进一步的，所述步骤(4)中，工件表面形成的粘接层金属元素沉积层的厚度为 20-50微米。进一步的，所述步骤(6)中，工件表面沉积形成锆合金层厚度为3-10微米。进一步的，所述步骤(8)中，工件表面反应形成的氧化锆复合氧化物和电子束蒸 发锆基氧化物的过渡层厚度为30-50微米。进一步的，上述技术方案中，所述粘接层金属材料是MCrAlY，M为钴、钛、锆、镍、 铌、钨、钼、钽、钒、铜、铪和稀土元素等各种金属的单质或合金。进一步的，上述技术方案中，所述锆合金的电弧蒸发源靶的材料为锆为基体，合金 元素包括 Y, Ce Pt，Gd，Nd, Yb。本专利技术主要的优点是1、粘接层合金元素渗入和沉积时，不需去钝处理。阴极溅射效应可有效到去除氧 化，保持表面净化，故渗前不需要任何去钝处理，且工件又是在残留极少氧气的真空中进行，没有再生新氧化膜机会。2、在工件表面形成粘接层金属元素的合金化渗层，使粘接层与工件为冶金结合。3、在粘接层和YSZ界面，首先形成粘接层金属元素和金属锆的梯度，然后形成金 属锆和直接合成复合氧化锆的成分梯度变化的涂层，实现了热膨胀系数的平稳过渡，降低 了残余应力的影响，增强了结合强度。4、直接合成的致密的复合氧化锆，可起到阻止氧从YSZ向内层扩散，有效遏制TG0 的破坏作用。5、整个过程在同一装置中一次完成，效率高。同时避免了工件暴露于大气中而吸 附杂质气体，特别是氧化物杂质生成的几率。附图说明图1是实现本专利技术技术方案的蒸发装置结构示意图。图2是本专利技术方法形成的强结合热障涂层结构示意图。具体实施例方式如图1所示，将清洗后的工件2和蒸发YSZ材料放置在真空腔室1中，应用真空系 统6对真空腔室进行抽真空，到达真空极限后，利用外加热5将工件加热到500°C以上，然后 使用偏压电源18对工件2施加脉冲负偏压，通过气源7充入氩气到所需真空度2X 10_2Pa， 通过磁场线圈电源10给直线过滤线圈9施加所需电流，然后引燃粘接层金属合金阴极电弧 离子源8，利用阴极电弧获得高能量和高密度金属离子流，二者将工件轰击加热至合金化温 度1000-110(TC，实现工件粘接层金属元素在工件表面的合金化，然后逐步降低负偏压，降 低占空比，使工件表面温度降低到400-600°C，维持粘接层金属合金阴极电弧，在工件表面 形成粘接层金属元素的沉积层，厚度优选为20-50微米。在维持粘接层金属合金阴极电弧的同时，通过磁场本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成强结合热障涂层的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：　　（１）将工件和蒸发氧化锆基ＹＳＺ材料放置在真空腔室中，利用外加热体将工件加热到５００℃以上；　　（２）使用高压直流脉冲偏压电源对工件施加脉冲负偏压，并向真空腔室充入氩气至真空度２×１０↑［－２］Ｐａ；　　（３）引燃粘接层金属合金阴极电弧离子源，将工件轰击加热至合金化温度１０００℃－１１００℃，实现粘接层金属元素在工件表面的合金化；　　（４）逐步降低脉冲负偏压，降低占空比，使工件表面温度降低到４００－６００℃，维持粘接层金属合金阴极电弧，在工件表面形成粘接层金属元素的沉积层；　　（５）在维持粘接层金属合金阴极电弧的同时，启动锆合金阴极电弧，在工件表面形成粘接层金属合金和锆合金的混合层；　　（６）逐步关闭粘接层金属合金阴极电弧，在工件表面沉积形成锆合金层；　　（７）逐步降低氩气输入并按体积比例１∶９充入氧气，在工件表面反应形成氧化锆复合氧化物层；　　（８）反应沉积３０－５０分钟后，启动电子束沉积蒸发氧化锆基ＹＳＺ材料，在工件表面反应形成氧化锆复合氧化物和电子束蒸发锆基氧化物的过渡层；（９）关闭锆合金阴极电弧和氧气，利用电子束沉积蒸发氧化锆基ＹＳＺ材料，在工件表面形成电子束蒸发锆基氧化物层。...

【技术特征摘要】
一种形成强结合热障涂层的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤(1)将工件和蒸发氧化锆基YSZ材料放置在真空腔室中，利用外加热体将工件加热到500℃以上；(2)使用高压直流脉冲偏压电源对工件施加脉冲负偏压，并向真空腔室充入氩气至真空度2×10-2Pa；(3)引燃粘接层金属合金阴极电弧离子源，将工件轰击加热至合金化温度1000℃-1100℃，实现粘接层金属元素在工件表面的合金化；(4)逐步降低脉冲负偏压，降低占空比，使工件表面温度降低到400-600℃，维持粘接层金属合金阴极电弧，在工件表面形成粘接层金属元素的沉积层；(5)在维持粘接层金属合金阴极电弧的同时，启动锆合金阴极电弧，在工件表面形成粘接层金属合金和锆合金的混合层；(6)逐步关闭粘接层金属合金阴极电弧，在工件表面沉积形成锆合金层；(7)逐步降低氩气输入并按体积比例1∶9充入氧气，在工件表面反应形成氧化锆复合氧化物层；(8)反应沉积30-50分钟后，启动电子束沉积蒸发氧化锆基YSZ材料，在工件表面反应形成氧化锆复合氧化物和电子束蒸发锆基...

【专利技术属性】
技术研发人员：李成明，陈良贤，刘金龙，黑立富，吕反修，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]