專利名稱：一種降低陶瓷熱障涂層熱導率的后處理方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種熱障涂層的后處理技術，特別涉及一種用于燃氣渦輪機 熱端部件如燃燒室、渦輪機葉片的陶瓷熱障涂層的后處理方法。
背景技術：
為了降低航空燃氣渦輪機的燃料消耗，并提高推重比、流量比，發(fā)展航 空動力技術，燃氣渦輪機的進口溫度必須提高。目前燃燒室的燃氣溫度和壓
力不斷提高，燃氣溫度已接近2000K，傳統(tǒng)的高溫合金極限性能己不能在這 樣高的溫度下服役，因此單靠合金本身很難滿足燃氣發(fā)動機的工作要求。為 了適應這一惡劣的渦輪工作條件，發(fā)展了陶瓷熱障涂層技術，1976年陶瓷熱 障涂層技術被成功用于J-75型燃氣輪機葉片，這是陶瓷熱障涂層技術發(fā)展史 上的一個重要標志。隨著科學技術的發(fā)展，在航天、航空、燃氣發(fā)電、化工、 冶金等眾多領域，熱障涂層將會得到更廣泛的研究和應用。
典型的熱障涂層是雙層結構，表面是隔熱陶瓷層，中間是抗氧化粘結層， 下層是高溫合金基體。面層材料多選用導熱小、耐高溫、熱穩(wěn)定性好的氧化 物陶瓷，以降低金屬或合金表面的使用溫度；粘結層用以生成抗氧化保護膜， 并減緩隔熱面層與基體間的熱不匹配。6%~8%氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ) 是目前使用最廣泛、高溫防護性能最佳的陶瓷隔熱表層材料，可降低合金表 面溫度200°C左右，金屬粘結底層主要為MCrAlY合金，其中M代表Ni，
Co，NiCo。熱障涂層的制備方法主要有等離子噴涂法和電子束物理氣相沉積。 陶瓷表層中通常含有大量疏松柱狀晶界、連通孔隙以及微裂紋、宏觀密集垂 直裂紋(如每厘米16~24條)，這些材料組織結構對提高由于基體與熱障涂層 熱膨脹系數(shù)差異造成的應變容限和緩解涂層應力起重要和積極的作用，但也 有降低隔熱效果的嚴重問題。
熱障涂層陶瓷表層材料的隔熱性直接關系到部件熱端的使用溫度。己知 降低熱導率的方法中， 一是尋求更低導熱率的涂層材料或結構，但低導熱涂 層材料原料種類多，合成過程復雜，反應控制難，操作步驟大大增加，耗時 多，成本高，涂層性能再現(xiàn)性差；二是在現(xiàn)有氧化鋯陶瓷熱障涂層的基礎上， 對熱障涂層進行后處理，如增加氣孔率。而引入大量氣孔后，涂層強度和剛 度下降，氣孔誘發(fā)裂紋而導致涂層失效的危險性也增大。
激光重熔是熱障涂層的一種后處理方法，它是依靠激光表面加熱，將熱 障涂層重新加熱熔化并凝固，外表層全致密化，封閉連通開放孔隙和裂紋,目 的是提高抗熱腐蝕氣體侵蝕基體合金。這種方法有助于改善表面光潔度和熱 腐蝕性能，但致密化和組織改變卻使隔熱性能和應變容限惡化。對陶瓷熱障 涂層隔熱性能的提高并未帶來積極效果。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于不改變原有熱障涂層涂敷工藝、成分組成、涂層結構 設計的情況下，提供一種可降低陶瓷熱障涂層熱導率、提高隔熱性能的后處 理方法。
為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術方案予以實現(xiàn)的 一種降低陶瓷熱障涂層熱導率的后處理方法，包括下述步驟
(1) 對陶瓷熱障涂層表面用真空除塵器除去表面塵埃和顆粒；
(2) 將陶瓷熱障涂層工件放入烘箱中干燥，去除表面水汽和油脂；
(3) 對陶瓷熱障涂層用加熱器實施快速局部表面加熱，并通過熱源移動 搭接掃描方式，使冷卻后的陶瓷熱障涂層中孔隙和裂紋有限封閉；所述加熱 器采用激光加熱器，火焰加熱器或高頻感應加熱器；
(4) 空氣中自然冷卻。
上述方法中，所述采用激光加熱器，其功率設置為150W 750W，光班直 徑())5 25mm，多道搭接掃描，搭接量30%，掃描速度10~30mm/s。激光加熱 器可以是C02連續(xù)激光發(fā)生器，也可以是YAG激光發(fā)生器。
所述采用火焰加熱器，其燃燒氣體是煤氣或碳氫可燃氣體，助燃氣體為 氧，氧氣體積與燃燒氣體的混合比p。介于U和1.2之間，燃燒噴嘴直徑 小l 5mm，燃燒噴嘴與工件陶瓷熱障涂層表面的距離10 20mm，連續(xù)加熱， 多道搭接掃描，搭接量30%，火焰移動速度l-10mm/s。
所述采用高頻感應加熱器，感應器頻率為100 300kHz，比功率為 2.0 3.5kW/cm2，感應器有效加熱寬度lcm，感應器線圈移動速度5~20mm/s。
所述的激光加熱可在Ar氣中進行即將工件和激光器置于手套箱內， 抽真空，當真空度到達5Pa時，充入Ar氣，壓力為1個大氣壓。所述的高頻 感應加熱也可在Ar氣中進行即將工件和感應線圈置于手套箱內，抽真空， 當真空度到達5Pa時，充入Ar氣，壓力為1個大氣壓。
本發(fā)明依據高溫下材料中物質傳質和擴散的加劇，通過采用激光加熱 器，火焰加熱器或高頻感應加熱器對陶瓷熱障涂層進行局部表面加熱，并控 制加熱工藝參數(shù)，使熱障涂層中幵放連通的孔隙和垂直裂紋有限封閉，而非 表層重熔或燒結致密(完全燒結)，增加沿熱流方向的界面和減小氣孔的有效尺寸，從而降低熱導率，提高隔熱效果。從而實現(xiàn)阻礙沿涂層表面向內部高 溫合金的傳熱，有效解決現(xiàn)有技術中熱障涂層導熱系數(shù)大、隔熱效果較差的 不足。
本發(fā)明的優(yōu)點是基本不改變熱障涂層中孔隙和裂紋的所占比率和分布， 它們對緩解熱障涂層與基體熱膨脹不匹配、提高變形容限和熱疲勞抗力的原 有優(yōu)點基本不受損害，而顯著提高隔熱性能。且工藝簡單，生產效率高。


圖1為表面加熱時陶瓷面層中孔隙、因物質擴散而發(fā)生孔隙/裂紋生長封 閉過程示意圖。其中圖la為噴涂后陶瓷表層1中的孔隙/裂紋2;圖lb為 孔隙/裂紋開度減小；圖lc為孔隙/裂紋有限封閉；圖ld為完全封閉成為一個 個孤立的氣孔3。
具體實施例方式
本發(fā)明熱障涂層是采用適宜噴涂技術(如等離子噴涂)制備的熱障涂層， 由氧化鋯陶瓷面層和粘結底層組成，氧化鋯面層是氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯，其
中氧化釔的含量為2~4%和6~8%，艮卩3YSZ和7YSZ，厚度是0.2mm 0.8mm。 粘結底層是MCrAlY合金體系，M代表Ni、 Co或NiCo， Al的含量為5~12%， &為25%, Y為0.5n/c，余量為M。所述粘結底層厚度為0.1~0.4mm。 下面例舉具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
所有實施例都包含以下熱障涂層表面清潔步驟
1) 對熱障涂層表面用3KW真空除塵器除去表面塵埃和顆粒
2) 將熱障涂層工件放入烘烤箱中，加熱溫度UO。C，加熱時間1小時， 去除表面水汽和油脂。 實施例1
工件熱障涂層系統(tǒng)是6~8%的氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷面層，即7YSZ， 厚度0.2mm，和CoCrAlY合金粘結底層,Al含量5%， Cr為25%, Y為0.5%, 余量為Co，厚度0.1mm。經適宜噴涂方法制備(不屬于本專利發(fā)明內容)。 經表面清潔處理后，采用C02激光器進行表面加熱，功率150W，光斑直徑 5mm，多道搭接掃描，搭接量30%，掃描速度10mm/s，自然冷卻。獲得孔隙 和裂紋發(fā)生有限封閉的熱障涂層陶瓷面層。 實施例2
工件熱障涂層系統(tǒng)是2~3%的氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷面層，即3YSZ， 厚度0.5mm，和NiCrAlY合金粘結底層，Al含量8%， Cr為25%, Y為0.5%， 余量為Ni，厚度0.25mm。經適宜噴涂方法制備。經表面清潔處理后，采用 YAG激光器進行表面加熱，功率450W，光斑直徑15mm，多道搭接掃描， 搭接量30%，掃描速度20mm/s，自然冷卻。獲得孔隙和裂紋發(fā)生有限封閉的 熱障涂層陶瓷面層。 實施例3
工件熱障涂層系統(tǒng)是6~8%的氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷面層，即7YSZ， 厚度0.8mm， 和NiCoCrAlY合金粘結底層，Al含量12% ， Cr為25%， Y 為0.5%，余量為Ni和Co各50%，厚度0.4mm。經適宜噴涂方法制備。經表 面清潔處理后，采用YAG激光器進行表面加熱，功率750W，光斑直徑25mm， 多道搭接掃描，搭接量30%，掃描速度30mm/s，自然冷卻。獲得孔隙和裂紋 發(fā)生有限封閉的熱障涂層陶瓷面層。 實施例4
工件熱障涂層系統(tǒng)是6~8%的氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷面層，即7YSZ， 厚度0.2mm，和CoCrAlY合金粘結底層，Al含量5%， Cr為25%, Y為0.5%， 余量為Co，厚度0.1mm。經適宜噴涂方法制備。經表面清潔處理后，采用火 焰加熱器進行表面加熱，可燃氣體是煤氣，助燃氣體為氧氣，氧氣體積與燃 燒氣體的混合比(3o為U，噴嘴直徑lmm，燃燒噴嘴與工件熱障涂層表面的 距離為10mm，多道搭接掃描，搭接量30%，火焰移動速度lmm/s，自然冷 卻。獲得孔隙和裂紋發(fā)生有限封閉的熱障涂層陶瓷面層。 實施例5
工件熱障涂層系統(tǒng)是2~3%的氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷面層，即3YSZ， 厚度0.5mm，和NiCrAlY合金粘結底層，Al含量8%， Cr為25%， Y為0.5%, 余量為Ni，厚度0.25mm。經適宜噴涂方法制備。經表面清潔處理后，采用 火焰加熱器進行表面加熱，可燃氣體是乙炔，助燃氣體為氧氣，氧氣體積與 燃燒氣體的混合比(3c為1.2,燃燒噴嘴與工件熱障涂層表面的距離為15mm， 噴嘴直徑3mm，搭接掃描，搭接量30%，火焰移動速度5mm/s，自然冷卻。 獲得孔隙和裂紋發(fā)生有限封閉的熱障涂層陶瓷面層。 實施例6
工件熱障涂層系統(tǒng)是6 8%的氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷面層，即7YSZ， 厚度0.8mm, 和NiCoCrAlY合金粘結底層，Al含量12% ， Cr為25%， Y 為0.5%，余量為Ni和Co各50。/。，厚度0.4mm。經適宜噴涂方法制備。經表 面清潔處理后，采用火焰加熱器進行表面加熱，可燃氣體是乙炔，助燃氣體 為氧氣，氧氣體積與燃燒氣體的混合比(3()為1.2，燃燒噴嘴與工件熱障涂層表 面的距離為20mm，噴嘴直徑5mm，進行多道掃描，搭接量30%，火焰移動 速度10mm/s，自然冷卻。獲得孔隙和裂紋發(fā)生有限封閉的熱障涂層陶瓷面層。
實施例7
工件熱障涂層系統(tǒng)是6~8%的氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷面層，即7YSZ， 厚度0.2mm，和CoCrAlY合金粘結底層，Al含量5。/。，Cr為25。/。，Y為0.5。/0， 余量為Co，厚度0.1mm。經適宜噴涂方法制備。經表面清潔處理后，采用高 頻感應加熱器進行表面加熱，頻率100kHz，比功率2.0KW/cm2，感應器有效 高度lcm，感應線圈移動速度5mm/s，自然冷卻。獲得孔隙和裂紋發(fā)生有限 封閉的熱障涂層陶瓷面層。 實施例8
工件熱障涂層系統(tǒng)是2~3%的氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷面層，即3YSZ， 厚度0.5mm，和NiCrAlY合金粘結底層，Al含量8%， Cr為25°/。， Y為0.5%， 余量為Ni，厚度0.25mm。經適宜噴涂方法制備。經表面清潔處理后，采用 高頻感應加熱器進行表面加熱，頻率200kHz，比功率2.5KW/cm2，感應器有 效高度lcm，感應線圈移動速度13mm/s，自然冷卻。獲得孔隙和裂紋發(fā)生有 限封閉的熱障涂層陶瓷面層。 實施例9
工件熱障涂層系統(tǒng)是6~8%的氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷面層，即7YSZ， 厚度0.8mm， 和NiCoCrAlY合金粘結底層，Al含量12% ， Cr為25%， Y 為0.5%，余量為Ni和Co各50%，厚度0.4mm。經適宜噴涂方法制備。經表 面清潔處理后，采用高頻感應加熱器進行表面加熱，頻率300kHz，比功率 3.5KW/cm2，感應器有效高度lcm,感應線圈移動速度20mm/min，自然冷卻。 獲得孔隙和裂紋發(fā)生有限封閉的熱障涂層陶瓷面層。 實施例10
工件熱障涂層系統(tǒng)是6~8%的氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷面層，即7YSZ，
厚度0.2mm，和CoCrAlY合金粘結底層,Al含量5%， Cr為25%， Y為0.5%， 余量為Co，厚度0.1mm。經適宜噴涂方法制備。經表面清潔處理后，將工件 和C02激光器置于手套箱內，機械泵抽真空，當真空度到達5Pa時，充入 Ar氣，壓力為l個大氣壓，功率150W，光斑直徑5mm，多道搭接掃描，搭 接量30%，掃描速度10mm/s,待處理表面冷卻至室溫后，打開手套箱，將工 件取出。獲得孔隙和裂紋發(fā)生有限封閉的熱障涂層陶瓷面層。 實施例11
工件熱障涂層系統(tǒng)是6~8%的氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷面層，即7YSZ， 厚度0.8mm， 和NiCoCrAlY合金粘結底層，Al含量12% ， Cr為25%， Y 為0.5%，余量為Ni和Co各50M，厚度0.4mm。經適宜噴涂方法制備(不屬 于本專利發(fā)明內容)。經表面清潔處理后，將工件和YAG激光器置手套箱內， 機械泵抽真空，當真空度到達5Pa時，充入Ar氣，壓力為1個大氣壓，采用 YAG激光器進行表面加熱，功率750W，光斑直徑25mm，多道搭接掃描， 搭接量30%，掃描速度30mm/s，待待處理表面冷卻至室溫后，打開手套箱， 將工件取出。獲得孔隙和裂紋發(fā)生有限封閉的熱障涂層陶瓷面層。 實施例12
工件熱障涂層系統(tǒng)是2 3%的氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷面層，即3YSZ， 厚度0.5mm，和NiCrAlY合金粘結底層,Al含量8%， Cr為25%, Y為0.5%， 余量為Ni，厚度0.25mm。經適宜噴涂方法制備。經表面清潔處理后，將工 件和感應線圈置于手套箱內，機械泵抽真空，當真空度到達5Pa時，充入Ar 氣，壓力為l個大氣壓，采用高頻感應加熱器進行表面加熱，頻率200kHz， 比功率2.5KW/cm2，感應器有效高度lcm，感應線圈移動速度13mm/s，待待 處理表面冷卻至室溫后，打開手套箱，將工件取出。獲得孔隙和裂紋發(fā)生有
限封閉的熱障涂層陶瓷面層。
本發(fā)明通過采用激光加熱器，火焰加熱器或高頻感應加熱器對適宜工藝 噴涂制備的氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷熱障涂層進行局部表面加熱，陶瓷熱 障涂層不熔化，涂層中孔隙/裂紋形成有限封閉狀態(tài)(圖lc)，這是本發(fā)明的 重要區(qū)別特征之一。而激光重熔是將熱障涂層重新加熱熔化并燒結致密化， 使涂層中孔隙/裂紋形成完全封閉狀態(tài)(圖ld)，同時完全改變了涂層材料組 織。
在實施例3中，噴涂態(tài)熱障涂層的室溫熱導率為1.53W/mK，經激光加熱 有限封閉孔隙和裂紋后熱導率降為1.09W/mK，下降約30%。
權利要求
1、一種降低陶瓷熱障涂層熱導率的后處理方法，其特征在于，包括下述步驟(1)對陶瓷熱障涂層表面用真空除塵器除去表面塵埃和顆粒；(2)將陶瓷熱障涂層工件放入烘箱中干燥，去除表面水汽和油脂；(3)對陶瓷熱障涂層用加熱器實施快速局部表面加熱，并通過熱源移動搭接掃描方式，使冷卻后的陶瓷熱障涂層中孔隙和裂紋有限封閉；所述加熱器采用激光加熱器，火焰加熱器或高頻感應加熱器；(4)空氣中自然冷卻。
2、 根據權利要求1所述的降低陶瓷熱障涂層熱導率的后處理方法，其特 征在于，所述采用激光加熱器，功率設置為150W 750W，光班直徑cl)5 25mm， 搭接掃描，搭接量30%,掃描速度10 30mm/s。
3、 根據權利要求2所述的降低陶瓷熱障涂層熱導率的后處理方法，義-特征在于，所述激光加熱器是C02連續(xù)激光發(fā)生器或YAG激光發(fā)生器。
4、 根據權利要求1所述的降低陶瓷熱障涂層熱導率的后處理方法，其 特征在于，所述采用火焰加熱器，燃燒氣體是煤氣或碳氫可燃氣體，助燃 氣體為氧，氧氣體積與燃燒氣體的混合比|3()介于1.1和1.2之間，燃燒噴嘴 直徑(J)l 5mm，燃燒噴嘴與工件陶瓷熱障涂層表面的距離10 20mm，連續(xù) 加熱，搭接掃描，搭接量30%，火焰移動速度l~10mm/s。
5、 根據權利要求1所述的降低陶瓷熱障涂層熱導率的后處理方法，其 特征在于，所述采用高頻感應加熱器，感應器頻率為100 300kHz，比功率 2.0~3.5kW/cm2，感應器有效加熱寬度lcm，感應器線圈移動速度5~20mm/s。
6、 根據權利要求2所述的降低陶瓷熱障涂層熱導率的后處理方法，其特征在于，所述的激光加熱在Ar氣中進行即將工件和激光器置于手套箱 內，抽真空，當真空度到達5Pa時，充入Ar氣，壓力為1個大氣壓。
7、根據權利要求5所述的降低陶瓷熱障涂層熱導率的后處理方法，其 特征在于，所述的高頻感應加熱在Ar氣中進行即將工件和感應線圈置于 手套箱內，抽真空，當真空度到達5Pa時，充入Ar氣，壓力為1個大氣壓。
全文摘要
本發(fā)明針對熱障涂層系統(tǒng)是氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯面層(YSZ)和抗氧化粘結層MCrAlY合金，基體為鎳基高溫合金，公開了一種降低陶瓷熱障涂層熱導率的后處理方法，通過采用激光加熱器，火焰加熱器或高頻感應加熱器局部表面加熱，利用高溫下固態(tài)材料中傳質和擴散原理，控制熱障涂層陶瓷面層中開放連通孔隙和裂紋的形狀變化，達到有限封閉，而非表層重熔或燒結致密，從而實現(xiàn)阻礙沿涂層表面向內部高溫合金的傳熱。它能夠解決現(xiàn)有技術中熱障涂層導熱系數(shù)大、隔熱效果較差的不足，但又不損害原涂層的優(yōu)異性能。本發(fā)明在不改變熱障涂層材料的情況下，后處理工藝簡單，生產效率高。
文檔編號C04B41/80GK101357854SQ20081015095
公開日2009年2月4日 申請日期2008年9月12日 優(yōu)先權日2008年9月12日
發(fā)明者丁秉鈞, 暉 張, 梁工英, 王鐵軍, 烈 虞 申請人:西安交通大學