專利名稱：一種爆炸噴涂制備熱障涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及涂層制備技術(shù)，具體地說是一種爆炸噴涂制備熱障涂層的方法。
背景技術(shù)：
在燃?xì)廨啓C(jī)部件上使用熱障涂層(Thermal Barrier Coatings，簡稱TBCs)，可以減少熱量從燃?xì)庀蚪饘俨考膫鬟f，降低金屬部件的工作溫度。熱障涂層由MCrAlY(M＝Ni，Co，Ni+Co，)連接層和ZrO2-Y2O3氧化鋯陶瓷面層組成。目前，熱障涂層主要的制備方法有等離子噴涂和電子束物理氣相沉積(EB-PVD)兩種。其中等離子噴涂是采用非轉(zhuǎn)移弧作為熱源，將噴涂材料加熱到熔融或高塑性狀態(tài)，隨同等離子弧焰流，以高速撞擊并沉積到工件表面形成涂層的方法。雖然等離子噴涂成本低、涂層成分易控制，但涂層內(nèi)不可避免地存在孔隙、空洞和夾雜，且涂層結(jié)合性差；加之噴涂過程中基材溫度高，易引起性能下降。電子束物理氣相沉積(EB-PVD)是在真空狀態(tài)下，使沉積材料受電子束轟擊由凝聚態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，沉積在工件表面上的方法，可以得到冶金結(jié)合和結(jié)構(gòu)無孔的涂層。不足之處在于由于在真空條件下操作，工藝復(fù)雜，成本高，且沉積速度低，不容易沉積厚度高的涂層。另外，爆炸噴涂也是制備涂層的一種熱噴涂技術(shù)，由于爆炸噴涂過程中，粉末粒子對基材撞擊力大，斷續(xù)爆炸噴涂抑制了基材的升溫，使獲得的涂層具有硬度高、結(jié)合強(qiáng)度好、涂層氣孔少的優(yōu)點(diǎn)，且成本低、易操作，但是，與等離子噴涂相比，爆炸噴涂火焰溫度相對較低，噴涂熔點(diǎn)高的氧化鋯陶瓷層時(shí)不易熔化，因此，采用爆炸噴涂制備熱障涂層的方法未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決采用爆炸噴涂技術(shù)不易制備ZrO2-Y2O3陶瓷層的技術(shù)難點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、易操作、粉末沉積速度高、涂層結(jié)合強(qiáng)度高、厚度大的爆炸噴涂制備熱障涂層的方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是連接層采用MCrAlY合金體系，其中M＝Ni，Co，Ni+Co，作為面層的陶瓷層成分為ZrO2-8Y2O3，具體操作為1)對試樣進(jìn)行清洗和噴砂處理；其特征在于2)對試樣進(jìn)行六面爆炸噴涂，控制基材溫度為100～200℃，按連接層、陶瓷層順序依次噴涂，獲得熱障涂層；所述連接層MCrAlY的工作參數(shù)氧和乙炔的氣體流量比例范圍為1.06～1.20∶1，工作頻率為4～6shot/s，噴涂距離為100～140mm，炮口直徑為20～25mm，送粉率為0.3～0.6g/s，噴涂斑盤搭接率30～50％；所述陶瓷層ZrO2-8Y2O3的工作參數(shù)氧和乙炔的氣體流量比例范圍為1.02～1.10∶1，工作頻率為4～6shot/s，噴涂距離為80～120mm，炮口直徑為20～25mm，送粉率為0.3～0.9g/s，噴涂斑盤搭接率30～50％；在所述連接層和陶瓷層中間加入過渡層，所述過渡層為連接層與陶瓷層兩種成分的多層結(jié)構(gòu)，其中連接層成分按重量百分比95～5％遞減、陶瓷層成分按重量百分比5～95％遞增配比，連接層、陶瓷層兩種成分分別按重量百分比交替噴涂，或按重量百分比混合后噴涂；連接層厚度為100～200μm，陶瓷層厚度為300～900μm；過渡層厚度為0～100μm，所述過渡層的多層結(jié)構(gòu)中各層厚度等分；所述MCrAlY合金體系成分，按質(zhì)量百分比為，M余量；Cr18～35；Al5～12；Y0～1；所述MCrAlY合金體系為Ni-25Cr-5Al-0.5Y，Co-29Cr-6Al-1Y，Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明通過調(diào)整爆炸噴涂工藝參數(shù)(如提高C2H2O2)，解決了爆炸噴涂技術(shù)制備熔點(diǎn)高的ZrO2-8Y2O3陶瓷層的技術(shù)難點(diǎn)。
2.涂層之間以及涂層與基材間的結(jié)合性好。采用本發(fā)明具有粉末沉積速度高的優(yōu)點(diǎn)，其沉積速度為800-1000m/s，與現(xiàn)有技術(shù)中等離子噴涂相比，能在高溫合金基材上制備出結(jié)合性好、氣孔少的雙層或梯度結(jié)構(gòu)的熱障涂層。
3.本發(fā)明制備的陶瓷層內(nèi)存在縱向分布的微裂紋，利于提高熱障涂層的抗熱沖擊能力。
4.本發(fā)明制備的熱障涂層硬度可達(dá)8.0GPa以上，隔熱溫度大于100℃，且達(dá)到完全抗氧化級，如本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例制備的熱障涂層在1000℃下氧化100小時(shí)后的氧化增重＜0.1g/m2h。
5.本發(fā)明采用爆炸噴涂工藝，易操作、成本低，能滿足厚度要求；與現(xiàn)有技術(shù)中EB-PVD成本高、沉積的涂層厚度薄(200-300μm)相比，本發(fā)明成本低，可制備出厚度可達(dá)1mm的熱障涂層。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實(shí)施例1基材采用高溫合金M38G，試樣尺寸為15×25×5mm3。噴涂前，對試樣進(jìn)行清洗和噴砂處理(Al2O3，28目)。采用二維工作臺，對試樣進(jìn)行六面爆炸噴涂。制備的熱障涂層包括兩個(gè)部分抗氧化連接層和作為面層的絕緣陶瓷層，連接層采用Ni-25Cr-5Al-0.5Y，ZrO2-8Y2O3為陶瓷層材料，控制基材溫度為小于150℃。本實(shí)施例為雙層結(jié)構(gòu)的熱障涂層，其爆炸噴涂工藝參數(shù)見表1，成分、厚度參數(shù)見表2。
表1實(shí)施例1爆炸噴涂工藝參數(shù)工藝參數(shù) Ni-25Cr-5Al-0.5YZrO2-8Y2O3工作頻率 4shots/s4shots/sO2∶C2H21.15∶1 1.05∶1噴涂距離 120mm 100mm炮口直徑 25mm25mm送粉率 0.4g/s 0.5g/s噴涂斑盤搭接率 40％50％表2實(shí)施例1雙層結(jié)構(gòu)的熱障涂層成分 厚度(μm)Ni-25Cr-5Al-0.5Y 150ZrO2-8Y2O3300其工作過程是將噴涂粉末裝入料罐后，引爆炮管尾端內(nèi)的氧和乙炔混合氣體，氣體爆炸釋放出的高能量加熱并熔化粉末，與此同時(shí)驅(qū)動粉末，形成粒子流，高速粒子流撞擊基材表面，與金屬原子結(jié)合在一起形成氣孔較少、致密、均勻、結(jié)合性好的涂層。采用本發(fā)明制備的ZrO2-8Y2O3陶瓷層硬度可達(dá)8.22GPa，遠(yuǎn)高于等離子噴涂態(tài)的陶瓷層硬度(約4.0Gpa)。
實(shí)施例2基材成分和尺寸同實(shí)施例1。首先對試樣進(jìn)行清洗和噴砂處理，然后制備梯度結(jié)構(gòu)的熱障涂層，本實(shí)施例連接層MCrAlY合金體系采用Ni-25Cr-5Al-0.5Y，絕緣陶瓷層為ZrO2-8Y2O3材料，在所述連接層和陶瓷層中間加入過渡層，所述過渡層為連接層與陶瓷層兩種成分，具體是第一過渡層按重量百分比采用75％Ni-25Cr-5Al-0.5Y連接層和25％氧化鋯陶瓷層ZrO2-8Y2O3，第二過渡層按重量百分比采用50％Ni-25Cr-5Al-0.5Y連接層和50％氧化鋯陶瓷層ZrO2-8Y2O3，第三過渡層按重量百分比采用25％Ni-25Cr-5Al-0.5Y連接層和75％氧化鋯陶瓷層ZrO2-8Y2O3，獲得具有梯度結(jié)構(gòu)的熱障涂層，控制基材溫度小于200℃。爆炸噴涂工藝參數(shù)見表3，成分、厚度參數(shù)見表4。
表3實(shí)施例2爆炸噴涂工藝參數(shù)工藝參數(shù) Ni-25Cr-5Al-0.5YZrO2-8Y2O3工作頻率 6shots/s6shots/sO2∶C2H21.20∶1 1.09∶1噴涂距離 100mm 80mm炮口直徑 20mm20mm送粉率0.3g/s 0.6g/s噴涂斑盤搭接率30％40％表4實(shí)施例2梯度結(jié)構(gòu)的熱障涂層成分 厚度(μm)Ni-25Cr-5Al-0.5Y 120Ni25Cr5Al0.5Y(75％)+ZrO2-8Y2O3(25％)25Ni25Cr5Al0.5Y(50％)+ZrO2-8Y2O3(50％)25Ni25Cr5Al0.5Y(25％)+ZrO2-8Y2O3(75％)25ZrO2-8Y2O3500噴涂過渡層時(shí)，連接層、陶瓷層兩種成分分別按重量百分比交替噴涂，采用兩個(gè)送粉器交替工作來實(shí)現(xiàn)。最終得到的熱脹系數(shù)梯度過渡的熱障涂層，對于提高熱障涂層的抗熱沖擊性是有益的。
實(shí)施例3基材采用Ni3Al基合金IC-6，試樣尺寸為15×25×2mm3。噴涂前，對試樣進(jìn)行清洗和噴砂處理(Al2O3，28目)。制備雙層結(jié)構(gòu)的熱障涂層，連接層采用Co-29Cr-6Al-1Y合金體系，為了提高涂層的隔熱效果，陶瓷層ZrO2-8Y2O3厚度為900μm。控制基材溫度小于200℃。制備出的厚陶瓷層沒有剝落現(xiàn)象出現(xiàn)，陶瓷層內(nèi)存在規(guī)則的縱向分布的微裂紋，這對于提高TBCs的熱沖擊性是有利的。其爆炸噴涂工藝參數(shù)見表5，成分、厚度參數(shù)見表6。
表5實(shí)施例3爆炸噴涂工藝參數(shù)工藝參數(shù) Co-29Cr-6Al-1Y ZrO2-8Y2O3工作頻率 4shots/s4shots/sO2∶C2H21.06∶1 1.02∶1噴涂距離 140mm 120mm炮口直徑 25mm25mm送粉率 0.6g/s 0.8g/s噴涂斑盤搭接率 50％50％表6實(shí)施例3熱障涂層成分 厚度(μm)Co-29Cr-6Al-1Y 200ZrO2-8Y2O3900采用本實(shí)施例制備的熱障涂層可以使IC-6合金的工作溫度降低120℃。
實(shí)施例4基材成分和尺寸同實(shí)施例1。首先對試樣進(jìn)行清洗和噴砂處理，然后制備梯度結(jié)構(gòu)的熱障涂層，本實(shí)施例連接層采用Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y，陶瓷層為ZrO2-8Y2O3材料，在所述連接層和陶瓷層中間加入過渡層，所述過渡層為連接層與陶瓷層兩種成分，具體是第一過渡層按重量百分比采用90％Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y連接層和10％氧化鋯陶瓷層ZrO2-8Y2O3，第二過渡層按重量百分比采用75％Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y連接層和25％氧化鋯陶瓷層ZrO2-8Y2O3，第三過渡層按重量百分比采用50％Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y連接層和50％氧化鋯陶瓷層ZrO2-8Y2O3，第四過渡層按重量百分比采用25％Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y連接層和75％氧化鋯陶瓷層ZrO2-8Y2O3，第五過渡層按重量百分比采用10％Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y連接層和90％氧化鋯陶瓷層ZrO2-8Y2O3，獲得具有梯度結(jié)構(gòu)的熱障涂層，控制基材溫度小于200℃。爆炸噴涂工藝參數(shù)見表7，成分、厚度參數(shù)見表8。
表7實(shí)施例4爆炸噴涂工藝參數(shù)工藝參數(shù) Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y ZrO2-8Y2O3工作頻率 6shots/s 6shots/sO2∶C2H21.15∶1 1.05∶1噴涂距離 120mm100mm炮口直徑 25mm 25mm送粉率 0.3g/s 0.5g/s噴涂斑盤搭接率 40％ 50％表8實(shí)施例4梯度結(jié)構(gòu)的熱障涂層成分 厚度(μm)Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y 100Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y(90％)+ZrO2-8Y2O3(10％)25Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y(75％)+ZrO2-8Y2O3(25％)15Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y(50％)+ZrO2-8Y2O3(50％)15Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y(25％)+ZrO2-8Y2O3(75％)15Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y(10％)+ZrO2-8Y2O3(90％)15ZrO2-8Y2O3500噴涂過渡層時(shí)，按重量百分比混合后噴涂，最終得到的熱脹系數(shù)梯度過渡的熱障涂層。
實(shí)施例5基材成分和尺寸同實(shí)施例3。噴涂前，對試樣進(jìn)行清洗和噴砂處理(Al2O3，28目)。本實(shí)施例制備雙層結(jié)構(gòu)的熱障涂層，連接層采用Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y，陶瓷層為ZrO2-8Y2O3材料，控制基材溫度為小于150℃。其爆炸噴涂工藝參數(shù)見表9，成分、厚度參數(shù)見表10。
表9實(shí)施例5爆炸噴涂工藝參數(shù)工藝參數(shù)Co-29Cr-6Al-1Y ZrO2-8Y2O3工作頻率4shots/s 4shots/sO2∶C2H21.06∶11.02∶1噴涂距離140mm 120mm炮口直徑25mm 25mm送粉率 0.6g/s 0.8g/s噴涂斑盤搭接率 50％ 50％表10實(shí)施例5熱障涂層成分厚度(μm)Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y120ZrO2-8Y2O3300采用本實(shí)施例制備的熱障涂層在1000℃下氧化100小時(shí)后的氧化增重＜0.1Ag/m2h，使IC-6合金在1000℃時(shí)達(dá)到了完全抗氧化級。
權(quán)利要求
1.一種爆炸噴涂制備熱障涂層的方法，連接層采用MCrAlY合金體系，其中M＝Ni，Co，Ni+Co，作為面層的陶瓷層成分為ZrO2-8Y2O3，具體操作為1)對試樣進(jìn)行清洗和噴砂處理；其特征在于2)對試樣進(jìn)行六面爆炸噴涂，控制基材溫度為100～200℃，按連接層、陶瓷層順序依次噴涂，獲得熱障涂層；所述連接層MCrAlY的工作參數(shù)氧和乙炔的氣體流量比例范圍為1.06～1.20∶1，工作頻率為4～6shot/s，噴涂距離為100～140mm，炮口直徑為20～25mm，送粉率為0.3～0.6g/s，噴涂斑盤搭接率30～50％；所述陶瓷層ZrO2-8Y2O3的工作參數(shù)氧和乙炔的氣體流量比例范圍為1.02～1.10∶1，工作頻率為4～6shot/s，噴涂距離為80～120mm，炮口直徑為20～25mm，送粉率為0.3～0.9g/s，噴涂斑盤搭接率30～50％。
2.按權(quán)利要求1所述方法，其特征在于在所述連接層和陶瓷層中間加入過渡層，所述過渡層為連接層與陶瓷層兩種成分的多層結(jié)構(gòu)，其中連接層成分按重量百分比95～5％遞減、陶瓷層成分按重量百分比5～95％遞增配比，連接層、陶瓷層兩種成分分別按重量百分比交替噴涂，或按重量百分比混合后噴涂。
3.按權(quán)利要求1所述方法，其特征在于連接層厚度為100～200μm，陶瓷層厚度為300～900μm。
4.按權(quán)利要求2所述方法，其特征在于過渡層厚度為0～100μm，所述過渡層的多層結(jié)構(gòu)中各層厚度等分。
5.按權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述MCrAlY合金體系成分，按質(zhì)量百分比為，M余量；Cr18～35；Al5～12；Y0～1。
6.按權(quán)利要求1或5所述方法，其特征在于所述MCrAlY合金體系為Ni-25Cr-5Al-0.5Y，Co-29Cr-6Al-1Y，Ni-21Co-22Cr-10Al-1Y。
全文摘要
本發(fā)明公開一種爆炸噴涂制備熱障涂層的方法。連接層采用MCrAlY合金體系，其中M＝Ni，Co，Ni+Co，陶瓷層成分為ZrO
文檔編號B05B17/00GK1416964SQ0113342
公開日2003年5月14日 申請日期2001年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月9日
發(fā)明者孫超, 武穎娜, 華偉剛, 聞立時(shí), 宮駿, 于寶海, 王福會, 肖金泉, 王鐵鋼, 杜昊 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所