通过控制热生长氧化层成分延长发动机热障涂层寿命的方法技术

本发明专利技术公开了一种通过控制热生长氧化层成分延长发动机热障涂层寿命的工艺方法，热障涂层用超音速火焰喷涂制备粘结层，用大气等离子的低能或者高能功率喷涂陶瓷层，然后对热障涂层进行真空热处理与大气扩散热处理复合的工艺，抑制尖晶石的过早出现，使得热生长氧化层的镶边以氧化铝为主。本发明专利技术在氧化铝与粘结层界面处形成大晶粒的特定取向的材料，阻止高温服役过程中氧的进一步大量侵入粘结层和基底金属，提高了热障涂层的高温服役寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一类提高寿命航空发动机或陆用燃气轮机的热障涂层技术的方法，更加具体地说，涉及在控制热障涂层的预先热处理环境的氧分压以及利用铝元素扩散的特定机制干预和控制其热生长氧化层组成和结构，进而间接延长热障涂层高温服役寿命。
技术介绍
在全球能源危机与建立绿色环境地球的国际背景下，航空涡轮发动机和陆用燃气轮机正在向着高流量比、高推重比和高涡轮进口温度方向发展。提高发动机的效率的途径之一是提高发动机进口气体的温度。但是，随着热端部件服役温度不断提高(达到大于1350°C )，已经大大超过先进高温合金的使用和开发极限，必须降低涡轮发动机热端部件温度。因此，除了改进涡轮发动机叶片冷却技术外，在高温合金部件表面制备热障涂层是涡轮发动机高温热防腐的最为关键的尖端技术，这可以将热端部件的温度降低100— 300°C。一般地，热障涂层(Thermal barrier coatings, TBCs)是一类高耐热性、抗腐蚀性和低导热性的功能陶瓷材料。其基本结构包括四层:①高温合金基底(提供发动机的几何形状与基本的力学性能)；@MCrAH粘结层(其中M:Co，Ni或Co+Ni);③热生长氧化物层(TGO:Thermally Grown Oxides);④大气等离子(Air Plasma Spraying, APS)或电子束物理气相沉积(Electron Beam-physical Vapour Deposition, EB-PVD)制备的陶瓷隔热层。其中，表面的陶瓷隔热层的主要功能是隔阻热量，需要其具有尽量低的导热率、高的相稳定性以及良好的抗烧结能力。过渡粘结层的主要功能是在金属与陶瓷之间形成过渡与形成氧化防护层产生抗氧化功能。热障涂层的失效主要有两方面原因:第一，表面陶瓷层(包括热生长氧化层)与金属基底(包括粘结层)之间的热膨胀系数的不匹配差生的宏观热应力；第二，粘结层的铝元素贫化和热生长氧化层失稳生长导致的局部应力生成。热障涂层服役过程中，高温气体介质冲击使得氧离子扩散进入孔状的隔热陶瓷层，粘结层合金中的铝元素活性较大，在陶瓷层/在粘结层界面处与 氧离子发生反应形成氧化铝。热生长氧化物层的形成和生长，一方面形成了连续致密的Al2O3抗氧化保护膜，阻止了基底金属的进一步高温氧化腐蚀，对稳定整个热障涂层系统意义重大；另一方面，经过较长期的高温氧化，热生长氧化层进一步增厚并在此处形成较大的生长应力，此时，陶瓷层与粘结层的界面区域可能变为整个热障涂层系统中最脆弱的部位且易于沿此处产生裂纹。更为关键地，由于氧分压过高或者形成贫Al区的原因导致Ni和Co等元素的选择性氧化，形成的氧化物与TGO中Al2O3发生反应生成尖晶石相(Spinel),这会影响热生长氧化层的连续性并加速涂层失效E.A.G.Shillington, P.R.Clarke, Spalling failure of a thermalbarrier coating associated with aluminum depletion in the bond coat,ActaMater.47(1999) 1297-1305。在不改变基本制备工艺的条件下，提高热障涂层的服役寿命应该:第一，抑制热生长氧化物生长率；第二，降低或者消除尖晶石相。即要求TGO主要由连续、均匀、致密、单一且低生长率的α-Α1203构成。同时，TGO中的CSN (即Co3O4, spinel, NiO混合物)也是裂纹形核与扩展的关键因素，稳定和连续的Al2O3氧化物具有较高的抗断裂韧性。一般地，单一a-Al2O3相的形成需要两个条件:①较低的氧离子与金属阳离子的扩散结合；②形成的瞬间氧化物具有较高的化学和热力学稳定性。因此，寻求铝元素扩散机制的变化间接改变热障涂层高温服役期间粘结层供铝不足，间接干预和控制TGO的形成和生长，形成最少量的CSN氧化物，且使得TGO的生长增厚和速率降低对提高热障涂层寿命具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是在热喷涂制备热障涂层陶瓷层之后，进行预真空热处理复合工艺，当热生长氧化物与粘结层之间的氧分压下降至有利于氧化铝形成时，抑制尖晶石的生成；随着高温氧化的进行，氧化铝与粘结层界面处形成大晶粒的特定取向的α-Α1203或(Cr，AD2O3，有效提高热障涂层陶瓷层与粘结层之间的黏附性，且阻止了氧离子的大量侵入粘结层和基底金属，间接地提高热障涂层的服役寿命。本专利技术的技术目的通过下述技术方案予以实现:，按照下述步骤进行:步骤(1)，对基底合金进行处理，使用体积比为1:1的乙醇与丙酮混合液清洗基底合金，并对基底合金表面喷砂粗化处理，然后将其充分烘干，所述的喷砂工艺参数为:白刚玉Al203/60号，喷砂气压:0.8MPa，喷砂距离:100mm，喷砂角度:90°。然后将其充分烘干；步骤(2)，在基底合金上使用超音速火焰喷涂制备粘结层，所述粘结层的厚度为120-180 μ m，所述的超音速火焰喷涂工艺参数为:02气压力和流量分别为0.7MPa和12m3/h,丙烷气压力和流量分别为0.6MPa和1.0m3A,送粉气体N2的压力和流量分别为0.6MPa和0.96m3/h，送粉量为20-60g/min，喷涂距离为260-300mm，使用的粉末为美国苏尔寿美科公司(Sulzer Metco) Amdry9951，成份为 Co-32N1-21Cr-8Al-0.5Y (wt%,32% Ni,21% Cr,8% Al, 0.5% Y，其余为Co)，粉末粒径分布:-38-+5.5 μ m0步骤(3)，在粘结层制备陶瓷层，选用大气等离子喷涂陶瓷层，厚度为200-500 μ m，所述的大气等离子喷涂工艺参数为:喷涂电压为60-200V，喷涂电流为300-600A，送粉量为20-60g/min,枪速为200-800mm/s, Ar气压力和流量分别为0.6MPa和40L/min, H2气压力为0.3MPa，喷涂距离为70-120mm，所述陶瓷层组分为92% Zr02-8%Y203(wt%)。步骤(4)，对上述制备的涂层进行预先真空热处理，形成一层阻氧的Al2O3，所述的真空热处理的工艺参数为:真空热处理温度为1050°C，真空热处理的总时间为4小时，升温阶段的真空度不低于7X10_3Pa，恒温加热阶段的真空度保持不高于3X10_3Pa，从室温开始升温，升温速度为8°C /min。步骤(5)，最后进行高温热处理，所述高温热处理工艺参数为:A:在大气环境中加热至950°C，保温扩散10小时；B:在大气环境中加热至1000°C，保温扩散10小时；C:在大气环境中加热至1100°C，保温扩散10小时，优选为B:在大气环境中加热至1000°C，保温扩散10小时。本专利技术的技术方案控制热生长氧化层成分延长热障涂层寿命，形成的热障涂层，包括基底合金材料、设置在所述基底合金材料上的Co-Ni基粘结层、设置在所述Co-Ni基粘结层上的以Q-Al2O3或(Cr，AD2O3为主的热生长氧化层、设置在所述热生长氧化层上的陶瓷层。所述的基底合金材料是用于航空发动机或者陆用燃气轮机的镍基高温合金或者铁基合金；所述的热障涂层的粘结层成分为Co-32N1-21Cr-8Al-0.5Y (wt%,32% Ni,21% Cr,本文档来自技高网...

【技术保护点】
通过控制热生长氧化层成分延长发动机热障涂层寿命的方法，其特征在于，按照下述步骤进行：步骤（1），对基底合金进行处理；步骤（2），在基底合金上使用超音速火焰喷涂制备粘结层，所述的超音速火焰喷涂工艺参数为：O2气压力和流量分别为0.7MPa和12m3/h，丙烷气压力和流量分别为0.6MPa和1.0m3/h，送粉气体N2的压力和流量分别为0.6MPa和0.96m3/h，送粉量为20?60g/min，喷涂距离为260?300mm，使用的粉末成份的质量百分比为32％Ni、21％Cr、8％Al、0.5％Y，其余为Co；步骤（3），在粘结层制备陶瓷层，选用大气等离子喷涂陶瓷层，所述的大气等离子喷涂工艺参数为：喷涂电压为60?200V，喷涂电流为300?600A，送粉量为20?60g/min,枪速为200?800mm/s,Ar气压力和流量分别为0.6MPa和40L/min,H2气压力为0.3MPa，喷涂距离为70?120mm，所述陶瓷层组分的质量百分比为92％ZrO2和8%Y2O3；步骤（4），对上述制备的涂层进行预先真空热处理，形成一层阻氧的Al2O3，所述的真空热处理的工艺参数为：真空热处理温度为1050℃，真空热处理的总时间为4小时，升温阶段的真空度不低于7×10?3Pa，恒温加热阶段的真空度保持不高于3×10?3Pa，从室温开始升温，升温速度为8℃/min；步骤（5），最后进行高温热处理，所述高温热处理工艺参数选用下述三种的一种：（1）在大气环境中加热至950℃，保温扩散10小时；或者（2）在大气环境中加热至1000℃，保温扩散10小时；或者（3）在大气环境中加热至1100℃，保温扩散10小时。...

【技术特征摘要】
1.通过控制热生长氧化层成分延长发动机热障涂层寿命的方法，其特征在于，按照下述步骤进行: 步骤(1)，对基底合金进行处理； 步骤(2)，在基底合金上使用超音速火焰喷涂制备粘结层，所述的超音速火焰喷涂工艺参数为:02气压力和流量分别为0.7MPa和12m3/h，丙烷气压力和流量分别为0.6MPa和1.0m3A,送粉气体N2的压力和流量分别为0.6MPa和0.96m3/h,送粉量为20_60g/min，喷涂距离为260-300mm，使用的粉末成份的质量百分比为32% N1、21% Cr,8% A1、0.5% Y，其余为Co ； 步骤(3)，在粘结层制备陶瓷层，选用大气等离子喷涂陶瓷层，所述的大气等离子喷涂工艺参数为:喷涂电压为60-200V，喷涂电流为300-600A，送粉量为20_60g/min，枪速为200-800mm/s, Ar气压力和流量分别为0.6MPa和40L/min, H2气压力为0.3MPa,喷涂距离为70-120mm，所述陶瓷层组分的质量百分比为92% ZrO2和8%Y203 ； 步骤(4)，对上述制备的涂层进行预先真空热处理，形成一层阻氧的Al2O3，所述的真空热处理的工艺参数为:真空热处理温度为1050°C，真空热处理的总时间为4小时，升温阶段的真空度不低于7X 10_3Pa，恒温加热阶段的真空度保持不高于3X 10_3Pa，从室温开始升温，升温速度为8°C /min ； 步骤(5)，最后进行高温热处理，所述高温热处理工艺参数选用下述三种的一种:(1)在大气环境中加热至950°C，保温扩散10小时；或者(2)在大气环境中加热至1000°C，保温扩散10小时；或者(3)在大气环境中加热至1100°C，保温扩散10小时。2.根据权利要求1所述的通过控制热生长氧化层成分延长发动机热障涂层寿命的方法，其特征在于，所述步骤(I)中对基底合金进行处理时，使用体积比为1:1的乙醇与丙酮混合液清洗基底合金，并对基底合金表面喷砂粗化处理，然后将其充分烘干，所述的喷砂工艺参数为:白刚玉Al203/60号，喷砂气压:0.8MPa，喷砂距离:100mm，喷砂角度:90°，然后将其充分烘干。3.根据权利要求1所述的通过控制热生长氧化层成分延长发动机热障涂层寿命的方法，其特征在于，所述步骤(2)中使用的粉末粒径分布:-38 —+5.5μπι ;所述粘结层的厚度为 120-180 μ m。4.根据权利要求1所述的通过控制热生长氧化层成分延长发动机热障涂层寿命的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，制备的陶瓷层的厚度为200-500μπι。5.根据权利要求1所述的通过控...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩玉君，陆冠雄，刘彻，郝立军，叶福兴，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：