一种热障涂层的制备方法技术

本发明专利技术是一种热障涂层的制备方法，本发明专利技术方法是在电子束蒸发沉积涂层的同时用离子束对沉积基体进行轰击，电子束蒸气的能量大约为0.1～1电子伏特，该能量在沉积涂层过程中不足以使原子很好地迁移。离子束的能量可以达到几千电子伏特，该能量足以干扰柱状晶的生长，使晶界和亚晶界增加，显微孔洞增大或增多，从而减小声子和光子散射平均自由程，降低热障涂层的热导率。通过离子的活化电离作用，可以提高蒸气云的能量，与常规EB-PVD相比可以在较低温的沉积温度达到相同的性能。另外离子辅助沉积还可以调控柱状晶的形貌、结构和应力，从而提高热障涂层的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是，属于金属材料的表面处理
利用该方法可以制备出低热导率长寿命的热障涂层，本专利技术适用于涂层制备及表面改性领域，包括金属和陶瓷涂层的制备。
技术介绍
目前广泛使用的航空发动机热障涂层系统主要由氧化钇部分稳定化的氧化锆 (YSZ)陶瓷涂层和MCrAlY(其中M代表Ni，Co或NiCo)金属粘结层组成，其中起隔热作用的是YSZ陶瓷涂层。YSZ涂层的结构和性能与制备方法和工艺参数密切相关，其制备方法主要是等离子喷涂和电子束物理气相沉积(EB-PVD)，两种方法各有优缺点。等离子喷涂制备的YSZ的结构是层状结构，而EB-PVD制备的YSZ的结构是柱状晶结构。等离子体喷涂具有工艺简单、沉积速率及效率较高、成本低等一系列优点。但等离子喷涂的层状结构平行于基体表面，使陶瓷层中存在许多横向界面，这种结构的涂层在高温工作环境中不足以抵抗热循环产生的热应力，会导致涂层过早剥落。而用EB-PVD制备涂层，可以获得具有垂直于基体表面的柱状晶结构，具有较高的应力容限，明显提高了涂层抗热应力的能力，使用寿命远大于等离子喷涂的热障涂层，但是EB-PVD制备的热障涂层热导率较高，隔热效果不如等离子喷涂的热障涂层。虽然这两种方法制备的YSZ的成分相同，但是由于结构不同，导致性能差别很大，所以结构对YSZ涂层的性能至关重要。
技术实现思路
本专利技术正是针对上述现有技术中存在的缺点而设计提供了，其目的是采用离子束辅助电子束物理气相沉积的方法可以制备出分层柱状晶结构的热障涂层，既保持了热障涂层的长寿命，又大幅度降低了热障涂层的热导率。本专利技术方法是在电子束蒸发沉积涂层的同时用离子束对沉积基体进行轰击。通常电子束蒸气的能量大约为0.1 1电子伏特，该能量在沉积涂层过程中不足以使原子很好地迁移。离子束的能量可以达到几千电子伏特，该能量足以干扰柱状晶的生长，使晶界和亚晶界增加，显微孔洞增大或增多，从而减小声子和光子散射平均自由程，降低热障涂层的热导率。通过离子的活化电离作用，可以提高蒸气云的能量，与常规EB-PVD相比可以在较低温的沉积温度达到相同的性能。另外离子辅助沉积还可以调控柱状晶的形貌、结构和应力， 从而提高热障涂层的使用寿命。本专利技术的技术方案是该种热障涂层的制备方法，热障涂层是由陶瓷涂层和金属粘结层构成，其特征在于该方法的步骤是(1)准备气相沉积用材料气相沉积金属粘结层所用材料为NiCoCrAlY,该种材料的化学成份及质量百分比为Co 20 23%，Cr 22 24%，Al 11 13%，Y 0. 05 1. 5%，余量为 Ni ；3气相沉积陶瓷涂层所用材料为氧化钇部分稳定化的氧化锆，其中氧化钇占总材料的质量百分数为6 8% ；(2)用电子束物理气相沉积方法制备金属粘结层，真空室的真空度为以下， 工件放置在蒸发材料棒的正上方并用一个电子枪对工件进行预热，另一个电子枪对蒸发材料棒进行加热蒸发，工件连接在水平转轴上，水平转轴的转速为10 20转/分，工件的沉积温度为850 950°C ；(3)沉积完成后，对金属粘结层进行真空热处理，温度为1000 1100°C，保温1 4小时，随炉冷却；(4)用电子束物理气相沉积方法制备陶瓷涂层，真空室的真空度为10’a以下，工件放置在在加热蒸发材料棒的正上方并用一个电子枪对工件进行预热，另一个电子枪对蒸发材料棒进行加热蒸发，工件连接在水平转轴上，水平转轴的转速为10 20转/分，工件的沉积温度为650 950°C，另外，在真空室内设置一个以纯钛为靶材的离子源，在工件的气相沉积过程中，启动离子源，用离子束对工件的沉积基体进行轰击，离子束与工件的表面的夹角为30 60°，离子束的引出电压为2 8kV ；(5)沉积完成后，对工件表面形成的热障涂层进行真空热处理，温度为1000 1IOO0C，保温2 8小时，随炉冷却。本专利技术技术方案与等离子喷涂相比，具有如下的优点(1)抗热冲击性能好，寿命高。(2)与基体冶金结合，结合力强。(3)表面光滑，气动性能好。(4)冷却孔堵塞小，不影响冷却效果。本专利技术技术方案与常规电子束物理气相沉积相比，具有如下的优点(1)可以对柱状晶结构进行调控，产生分层的柱状晶结构，大幅度降低涂层的热导率。(2)可以对柱状晶的尺寸、形貌和应力状态进行调控，改善抗热冲击性能。(3)可以在更低的沉积温度下得到性能优良的涂层。附图说明图1为本专利技术技术方案实施设备的结构示意2为采用本专利技术方法制备的热障涂层陶瓷层截面的扫描电镜(SEM)照片图3为采用本专利技术方法制备的热障涂层试样照片具体实施例方式以下将结合附图和实施例对本专利技术技术方案作进一步地详述参见附图1所示，采用本专利技术技术方案制备一种热障涂层，其工艺过程如下(1)将直径70mm、长IlOmm的NiCoCrAlY合金棒料3放入真空室1的棒料蒸发源坩埚2中，对真空室1抽真空至lX10_4pa以下；NiCoCrAlY合金的化学成份及质量百分比为Co 20 23%，Cr 22 对％，Al 11 13%，Y 0. 05 1. 5%，余量为 Ni ；(2)将工件8移动到合金棒料3正上方，将挡板7移动至合金棒料3和工件8之间；(3)用电子枪4预蒸发合金棒料3，调节电子束流1.6A;(4)设定水平轴6转速为12rpm，用另一个电子枪4对工件8进行预热，调节电子束束流大小使工件8的沉积温度为850 950°C ；(5)移开挡板7，蒸发合金棒料3，并调节电子束流1.6A;(6)蒸发15分钟后关掉两个电子枪4，待工件8冷却后取出；(7)对工件8进行真空热处理，真空1 X 10 ,温度1050°C，时间4小时，随炉冷却；(8)将直径70mm、长IlOmm的氧化钇部分稳定化的氧化锆(6 8wt% Y203+Zr02) 陶瓷棒料3放入真空室1的棒料蒸发源坩埚2中，对真空室抽真空至lX10_4pa以下；(9)将工件8移动到陶瓷棒料3正上方，将挡板7移动至陶瓷棒料3和工件8之间；(10)用电子枪4预蒸发陶瓷棒料3，调节电子束流1. 8A ；(11)设定水平轴6转速为12rpm，用另一个电子枪4对工件8进行预热，调节电子束束流大小使工件8的沉积温度为700 750°C ；(12)移开挡板7，蒸发陶瓷棒料3，并调节电子束流1.8A;(13)启动离子源5，设定离子束引出电压6kV;离子源5以纯钛为靶材，用离子束对工件8的沉积基体进行轰击，离子束与工件8 的表面的夹角为30 60° ；(14)蒸发60分钟后关掉两个电子枪4和离子源5，待工件8冷却后取出；(15)对工件8进行真空热处理，真空IX 10_3Pa，温度1050°C，时间8小时，随炉冷却。利用本专利技术的方法制备的陶瓷层为分层柱状晶结构，如图2所示，在600°C的热导率降到了 0. 9W/mk，使柱状晶结构热障涂层的热导率大幅度降低。利用本专利技术的方法在IClO镍基高温合金上沉积的热障涂层，NiCoCrAlY合金+氧化钇部分稳定化的氧化锆(6 8wt% Y203+Zr02)在热循环条件为1100°C保温10分钟，风冷3分钟的条件下，热循环次数超过3000次涂层表面无肉眼可见损伤，如图3所示。与现有技术相比具有如下的优点(1)金属离子质量大，活性强，对涂层结构调控效果好。(2)金属离子束辅助电子束物理气相沉积本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种热障涂层的制备方法，热障涂层是由陶瓷涂层和金属粘结层构成，其特征在于：该方法的步骤是：（１）准备气相沉积用材料气相沉积金属粘结层所用材料为ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ，该种材料的化学成份及质量百分比为：Ｃｏ　２０～２３％，Ｃｒ　２２～２４％，Ａｌ　１１～１３％，Ｙ　０．０５～１．５％，余量为Ｎｉ；气相沉积陶瓷涂层所用材料为氧化钇部分稳定化的氧化锆，其中氧化钇占总材料的质量百分数为６～８％；（２）用电子束物理气相沉积方法制备金属粘结层，真空室（１）的真空度为１０－２Ｐａ以下，工件（８）放置在蒸发材料棒（３）的正上方并用一个电子枪（４）对工件（８）进行预热，另一个电子枪（４）对蒸发材料棒（３）进行加热蒸发，工件（８）连接在水平转轴（６）上，水平转轴（６）的转速为１０～２０转／分，工件（８）的沉积温度为８５０～９５０℃；（３）沉积完成后，对金属粘结层进行真空热处理，温度为１０００～１１００℃，保温１～４小时，随炉冷却；（４）用电子束物理气相沉积方法制备陶瓷涂层，真空室（１）的真空度为１０－２Ｐａ以下，工件（８）放置在在蒸发材料棒（３）的正上方并用一个电子枪（４）对工件（８）进行预热，另一个电子枪（４）对蒸发材料棒（３）进行加热蒸发，工件（８）连接在水平转轴（６）上，水平转轴（６）的转速为１０～２０转／分，工件（８）的沉积温度为６５０～９５０℃，另外，在真空室（１）内设置一个以纯钛为靶材的离子源（５），在工件（８）的气相沉积过程中，启动离子源（５），用离子束对工件（８）的沉积基体进行轰击，离子束与工件（８）的表面的夹角为３０～６０°，离子束的引出电压为２～８ｋＶ；（５）沉积完成后，对工件（８）表面形成的热障涂层进行真空热处理，温度为１０００～１１００℃，保温２～８小时，随炉冷却。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高巍，巩水利，张华芳，武洪臣，刘亮，雷新更，彭丽平，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所，
类型：发明
国别省市：11