專利名稱：一種形成強(qiáng)結(jié)合熱障涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱障涂層的形成方法。
背景技術(shù)：
由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)等裝置輸出功率與效率的不斷提高，其工作溫度也在不斷攀升， 因此對(duì)其中的高溫部件(如葉片、燃燒室等)提出了越來(lái)越高的耐高溫要求。目前先進(jìn)的 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)組的進(jìn)口溫度已高達(dá)1700°C，葉片等高溫部件的工作溫度也為1200°C。為解決 此難題，目前國(guó)際上通用的最為有效、經(jīng)濟(jì)和可行的方法是在工件表面熱噴涂具有耐高溫 氧化和隔熱功能的熱障涂層(TBCs)，以此來(lái)保護(hù)葉片等高溫部件不受過(guò)高溫度的侵蝕，提 高其使用壽命。熱障涂層的主要功能是在高溫載荷下，形成沿涂層厚度的高溫度梯度，減弱向基 底的傳熱。在熱周期載荷環(huán)境下，涂層與基底間可以存在一定的溫度差，使合金基底工作溫 度降低，提高材料抗熱疲勞損傷和蠕變失效的耐久性。熱障涂層(TBCs)的基本構(gòu)想是利用陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、低導(dǎo)熱率的特性，將此 類材料以不同的方式涂覆于基體金屬或其它材料的表面上，就可形成一個(gè)熱的屏障層。目 前，TBCs根據(jù)不同要求可設(shè)計(jì)成雙層系統(tǒng)、多層系統(tǒng)和梯度層系統(tǒng)3種結(jié)構(gòu)形式。1)雙層系 統(tǒng)雙層結(jié)構(gòu)制備工藝簡(jiǎn)單，由基體、一個(gè)中間黏接層(又稱底層)和一個(gè)陶瓷面層組成，陶 瓷面層導(dǎo)熱慢，抗高溫能力強(qiáng)。這是TCBs采用的主要結(jié)構(gòu)形式，但黏結(jié)層與陶瓷層的熱膨 脹系數(shù)在界面躍變較大，在熱載荷下，將在涂層內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力，熱震性能難以得到進(jìn) 一步提高，并且涂層結(jié)合能力比較差，容易脫落。2)多層系統(tǒng)多層系統(tǒng)一般由黏結(jié)層、陶 瓷隔熱層、阻氧層、抗腐蝕層和擴(kuò)散阻擋層組成。多層結(jié)構(gòu)有效地阻止涂層氧化，在高溫工 作環(huán)境中可進(jìn)一步阻止外部的腐蝕氣體侵蝕基體。為了減少陶瓷層與黏結(jié)層的熱膨脹系數(shù) 不同而引起的涂層內(nèi)應(yīng)力，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度和熱震性能，在基體和陶瓷層之間設(shè)計(jì)具 有熱應(yīng)力緩和功能的梯度涂層。3)梯度熱障涂層系統(tǒng)為了減小由于金屬材料和陶瓷材料 熱膨脹系數(shù)不同而引起的涂層內(nèi)熱應(yīng)力，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度和抗熱震能力，在黏結(jié)底層 和陶瓷表層間設(shè)計(jì)具有熱應(yīng)力緩和功能的過(guò)渡涂層。這個(gè)中間過(guò)渡層可由不同層數(shù)組成， 每層成份均由結(jié)合底層材料和陶瓷表層材料組成，且各層中這2種材料的組成比呈梯度變 化，這種梯度變化的涂層結(jié)構(gòu)可使金屬基體到陶瓷工作層的熱膨脹系數(shù)逐漸變化。受熱時(shí) 基體與工作層間的溫度梯度將減小，從而提高了涂層的抗熱震性能。本發(fā)明中，為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案，所提供的裝置包括氣體通入和氣體控制部 分、真空系統(tǒng)與真空室相通、直線型電弧蒸發(fā)源靶安置在真空室內(nèi)壁上；真空室內(nèi)上部設(shè)有 一放置工件的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)的具有公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的支架；電弧直流電源的陰極與靶相連接， 陽(yáng)極與真空腔連接接地；還包括一高壓直流脈沖電源，高壓直流脈沖電源串接工件和真空 腔，直流脈沖電源的陰極與工件相連接；真空室內(nèi)下部設(shè)有一蒸發(fā)舟，電子束槍安裝在真空 室壁上。蒸發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。其中1為不銹鋼真空腔室，2為具有公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的工件，3蒸發(fā)材料，4蒸發(fā)舟，5為對(duì)工件進(jìn)行加熱的加熱體，6真空獲得系統(tǒng)，7氣體供 給系統(tǒng)，可向真空腔室通入氬氣和氧氣，8粘接層合金電弧蒸發(fā)源，9粘接層合金電弧蒸發(fā) 源直線過(guò)濾線圈，10粘接層合金電弧蒸發(fā)源直線過(guò)濾線圈電源，11粘接層合金電弧蒸發(fā)源 電源，12鋯合金電弧蒸發(fā)源，13鋯合金電弧蒸發(fā)源直線過(guò)濾線圈，14鋯合金電弧蒸發(fā)源直 線過(guò)濾線圈電源，15鋯合金電弧蒸發(fā)源電源，16電子槍，17電子槍電源，18脈沖偏壓電源， 19外加熱電源。直線型電弧蒸發(fā)源靶最少為兩個(gè)。蒸發(fā)舟和電子束槍分別可以是一個(gè)或多 個(gè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的一種形成強(qiáng)結(jié)合熱障涂層的方法，包括如下步驟(1)將工件和蒸發(fā)氧化鋯基YSZ材料放置在真空腔室中，利用外加熱體將工件加 熱到500°C以上；(2)使用高壓直流脈沖偏壓電源對(duì)工件施加脈沖負(fù)偏壓，并向真空腔室充入氬氣 至真空度2Xl(T2Pa ；(3)引燃粘接層金屬合金陰極電弧離子源，將工件轟擊加熱至合金化溫度 1000°C -iioo°c，實(shí)現(xiàn)粘接層金屬元素在工件表面的合金化；(4)逐步降低脈沖負(fù)偏壓，降低占空比，使工件表面溫度降低到400-600°C，維持 粘接層金屬合金陰極電弧，在工件表面形成粘接層金屬元素的沉積層；(5)在維持粘接層金屬合金陰極電弧的同時(shí)，啟動(dòng)鋯合金陰極電弧，在工件表面形 成粘接層金屬合金和鋯合金的混合層；(6)逐步關(guān)閉粘接層金屬合金陰極電弧，在工件表面沉積形成鋯合金層；(7)逐步降低氬氣輸入并按比例體積比為1 9充入氧氣，在工件表面反應(yīng)形成氧 化鋯復(fù)合氧化物層；(8)反應(yīng)沉積30-50分鐘后，啟動(dòng)電子束沉積蒸發(fā)氧化鋯基YSZ材料，在工件表面 反應(yīng)形成氧化鋯復(fù)合氧化物和電子束蒸發(fā)鋯基氧化物的過(guò)渡層；(9)關(guān)閉鋯合金陰極電弧和氧氣，利用電子束沉積蒸發(fā)氧化鋯基YSZ材料，在工件 表面形成電子束蒸發(fā)鋯基氧化物層。進(jìn)一步的，所述步驟(4)中，工件表面形成的粘接層金屬元素沉積層的厚度為 20-50微米。進(jìn)一步的，所述步驟(6)中，工件表面沉積形成鋯合金層厚度為3-10微米。進(jìn)一步的，所述步驟(8)中，工件表面反應(yīng)形成的氧化鋯復(fù)合氧化物和電子束蒸 發(fā)鋯基氧化物的過(guò)渡層厚度為30-50微米。進(jìn)一步的，上述技術(shù)方案中，所述粘接層金屬材料是MCrAlY，M為鈷、鈦、鋯、鎳、 鈮、鎢、鉬、鉭、釩、銅、鉿和稀土元素等各種金屬的單質(zhì)或合金。進(jìn)一步的，上述技術(shù)方案中，所述鋯合金的電弧蒸發(fā)源靶的材料為鋯為基體，合金 元素包括 Y, Ce Pt，Gd，Nd, Yb。本發(fā)明主要的優(yōu)點(diǎn)是1、粘接層合金元素滲入和沉積時(shí)，不需去鈍處理。陰極濺射效應(yīng)可有效到去除氧 化，保持表面凈化，故滲前不需要任何去鈍處理，且工件又是在殘留極少氧氣的真空中進(jìn)行，沒(méi)有再生新氧化膜機(jī)會(huì)。2、在工件表面形成粘接層金屬元素的合金化滲層，使粘接層與工件為冶金結(jié)合。3、在粘接層和YSZ界面，首先形成粘接層金屬元素和金屬鋯的梯度，然后形成金 屬鋯和直接合成復(fù)合氧化鋯的成分梯度變化的涂層，實(shí)現(xiàn)了熱膨脹系數(shù)的平穩(wěn)過(guò)渡，降低 了殘余應(yīng)力的影響，增強(qiáng)了結(jié)合強(qiáng)度。4、直接合成的致密的復(fù)合氧化鋯，可起到阻止氧從YSZ向內(nèi)層擴(kuò)散，有效遏制TG0 的破壞作用。5、整個(gè)過(guò)程在同一裝置中一次完成，效率高。同時(shí)避免了工件暴露于大氣中而吸 附雜質(zhì)氣體，特別是氧化物雜質(zhì)生成的幾率。


圖1是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明技術(shù)方案的蒸發(fā)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明方法形成的強(qiáng)結(jié)合熱障涂層結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，將清洗后的工件2和蒸發(fā)YSZ材料放置在真空腔室1中，應(yīng)用真空系 統(tǒng)6對(duì)真空腔室進(jìn)行抽真空，到達(dá)真空極限后，利用外加熱5將工件加熱到500°C以上，然后 使用偏壓電源18對(duì)工件2施加脈沖負(fù)偏壓，通過(guò)氣源7充入氬氣到所需真空度2X 10_2Pa， 通過(guò)磁場(chǎng)線圈電源10給直線過(guò)濾線圈9施加所需電流，然后引燃粘接層金屬合金陰極電弧 離子源8，利用陰極電弧獲得高能量和高密度金屬離子流，二者將工件轟擊加熱至合金化溫 度1000-110(TC，實(shí)現(xiàn)工件粘接層金屬元素在工件表面的合金化，然后逐步降低負(fù)偏壓，降 低占空比，使工件表面溫度降低到400-600°C，維持粘接層金屬合金陰極電弧，在工件表面 形成粘接層金屬元素的沉積層，厚度優(yōu)選為20-50微米。在維持粘接層金屬合金陰極電弧的同時(shí)，通過(guò)磁場(chǎng)線圈電源14給直線過(guò)濾線圈 13施加所需電流，啟動(dòng)鋯合金陰極電弧12，形成粘接層金屬合金和鋯合金的混合層，逐步 關(guān)閉粘接層金屬合金陰極電弧，沉積一定厚度的鋯合金層3-10微米，然后通過(guò)氣源7逐步 降低氬氣輸入按比例充入氧氣，在工件表面反應(yīng)形成氧化鋯(氧化釔，氧化鈰)等復(fù)合氧化 物層，反應(yīng)沉積30-50分鐘后，啟動(dòng)電子束16，使電子束沉積蒸發(fā)氧化鋯基YSZ材料，工件表 面反應(yīng)形成的氧化鋯復(fù)合氧化物和電子束蒸發(fā)鋯氧化物的過(guò)渡層厚度為30-50微米，關(guān)閉 鋯合金陰極電弧和氧氣，利用電子束沉積蒸發(fā)氧化鋯基YSZ材料，在工件表面形成電子束 蒸發(fā)鋯基氧化物層至所需厚度。至此，在工件和粘接層之間形成了冶金結(jié)合的合金化層，在 粘接層和YSZ之間形成成分梯度層和多層化的過(guò)渡層，強(qiáng)結(jié)合的熱障涂層得以獲得。獲得 多層化的熱障涂層結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中1為工件襯底，2為粘接層和襯底的合金化梯度 層，3為粘接層，4為粘接層和鋯合金梯度層，5為鋯合金和反應(yīng)鋯氧化物梯度層，6為反應(yīng)鋯 氧化物和電子束蒸發(fā)鋯氧化物梯度層(YSZ)，7電子束蒸發(fā)鋯基氧化物層(YSZ)。
權(quán)利要求
一種形成強(qiáng)結(jié)合熱障涂層的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟(1)將工件和蒸發(fā)氧化鋯基YSZ材料放置在真空腔室中，利用外加熱體將工件加熱到500℃以上；(2)使用高壓直流脈沖偏壓電源對(duì)工件施加脈沖負(fù)偏壓，并向真空腔室充入氬氣至真空度2×10-2Pa；(3)引燃粘接層金屬合金陰極電弧離子源，將工件轟擊加熱至合金化溫度1000℃-1100℃，實(shí)現(xiàn)粘接層金屬元素在工件表面的合金化；(4)逐步降低脈沖負(fù)偏壓，降低占空比，使工件表面溫度降低到400-600℃，維持粘接層金屬合金陰極電弧，在工件表面形成粘接層金屬元素的沉積層；(5)在維持粘接層金屬合金陰極電弧的同時(shí)，啟動(dòng)鋯合金陰極電弧，在工件表面形成粘接層金屬合金和鋯合金的混合層；(6)逐步關(guān)閉粘接層金屬合金陰極電弧，在工件表面沉積形成鋯合金層；(7)逐步降低氬氣輸入并按體積比例1∶9充入氧氣，在工件表面反應(yīng)形成氧化鋯復(fù)合氧化物層；(8)反應(yīng)沉積30-50分鐘后，啟動(dòng)電子束沉積蒸發(fā)氧化鋯基YSZ材料，在工件表面反應(yīng)形成氧化鋯復(fù)合氧化物和電子束蒸發(fā)鋯基氧化物的過(guò)渡層；(9)關(guān)閉鋯合金陰極電弧和氧氣，利用電子束沉積蒸發(fā)氧化鋯基YSZ材料，在工件表面形成電子束蒸發(fā)鋯基氧化物層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種形成強(qiáng)結(jié)合熱障涂層的方法，其特征在于所述步驟(4) 中，工件表面形成的粘接層金屬元素沉積層的厚度為20-50微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種形成強(qiáng)結(jié)合熱障涂層的方法，其特征在于所述步驟(6) 中，工件表面沉積形成鋯合金層厚度為3-10微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種形成強(qiáng)結(jié)合熱障涂層的方法，其特征在于所述步驟 (8)中，工件表面反應(yīng)形成的氧化鋯復(fù)合氧化物和電子束蒸發(fā)鋯基氧化物的過(guò)渡層厚度為 30-50微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種形成強(qiáng)結(jié)合熱障涂層的方法，其特征在于所述粘接層 金屬材料是MCrAlY，M為鈷、鈦、鋯、鎳、鈮、鎢、鉬、鉭、釩、銅、鉿和稀土元素等各種金屬的單 質(zhì)或合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種形成強(qiáng)結(jié)合熱障涂層的方法，其特征在于所述鋯合金 的電弧蒸發(fā)源靶的材料為鋯為基體，合金元素包括Y，Pt，Ce, Gd，Nd, Yb。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱障涂層的形成方法。利用本發(fā)明的方法在一些需要耐高溫工件的表面形成熱障涂層，以適應(yīng)工業(yè)的需要，適用于航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域。本方面的方法，是通過(guò)在真空腔室中，對(duì)工件進(jìn)行加熱至所需溫度，并利用陰極電弧離子源，依次在工件表面形成粘接層金屬元素的沉積層、粘接層金屬合金和鋯合金的混合層、鋯合金層、氧化鋯復(fù)合氧化物層、氧化鋯復(fù)合氧化物和電子束蒸發(fā)鋯基氧化物的過(guò)渡層以及電子束蒸發(fā)鋯基氧化物層。
文檔編號(hào)C23C14/08GK101876061SQ20091024220
公開(kāi)日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2009年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月4日
發(fā)明者劉金龍, 呂反修, 李成明, 陳良賢, 黑立富 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)