專利名稱：一種新型復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種新型復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前，在高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(如航空、電廠、船舶)的研制中，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口溫度和壓力是其永恒的追求。發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪是提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度和壓力的關(guān)鍵構(gòu)件之一，其材料性能和力學(xué)性能必須滿足耐高溫、高壓燃?xì)鉀_蝕苛刻環(huán)境的要求。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)溫度和壓力的提高，這僅僅依靠冷卻系統(tǒng)和研制新材料已不能滿足對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的迫切需求，使用涂層防護(hù)技術(shù)是這一領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，涂層防護(hù)可以滿足熱障和封嚴(yán)及高溫抗氧化、耐沖蝕的矛盾，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的安全可靠運(yùn)行。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度和壓力的不斷提高，渦輪需要在更高的溫度和壓力下工作， 要求渦輪上的涂層能夠長(zhǎng)期在高溫(如1150°C以上)環(huán)境下使用，并使基體溫度保持在使用溫度范圍內(nèi)，同時(shí)具有良好的動(dòng)密封性能。在現(xiàn)有技術(shù)方案中，常用的多孔氧化鋯陶瓷材料可以滿足涂層在高溫隔熱、封嚴(yán)的作用，但多孔結(jié)構(gòu)容易受到高壓氣流的沖蝕，易使氧化氣氛穿過(guò)孔洞到達(dá)粘結(jié)層，從而造成粘結(jié)層的氧化失效。現(xiàn)有技術(shù)中缺乏抗高溫、抗氧化、 抗熱沖蝕性能及具有良好動(dòng)密封性能的特種熱障封嚴(yán)涂層，制約了發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新型復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層及其制備方法，該制備的特種涂層能夠使渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗減少，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率提高；同時(shí)使渦輪葉片使用壽命提高，抗熱循環(huán)性能明顯提高，提高設(shè)備的整體性能。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種新型復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層，所述涂層采用三層結(jié)構(gòu)的復(fù)合涂層，其中在渦輪合金基體表面上采用高速火焰噴涂方法制備粘結(jié)層；在該粘結(jié)層表面上采用等離子噴涂制備多孔氧化鋯^O2陶瓷層；在該陶瓷層表面上采用氣相沉積技術(shù)制備薄膜鋁層，然后將其氧化成致密的氧化鋁Al2O3表面層。一種新型復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的制備方法，所述制備方法包括步驟(1)在渦輪合金基體表面進(jìn)行除油、除銹、噴砂或噴丸法的預(yù)處理；(2)在預(yù)處理后的表面上噴涂制備粘結(jié)底層，所述的粘結(jié)底層為MCrAlY層，其中M 為鈷Co、鎳Ni或鈷Co、鎳Ni合金；Cr為鉻；Al為鋁；Y為釔；(3)在該粘結(jié)底層的表面上噴涂制備陶瓷層，所述陶瓷層的質(zhì)量成分比為，氧化釔 Y2O3 :6-8wt%，氧化鋯 ZiO2 :92-94wt% ；(4)在所述陶瓷層的表面上采用氣相沉積技術(shù)制備薄膜鋁層，然后將該薄膜鋁層氧化制備得到致密的氧化鋁Al2O3表面層。
所述合金基體包括鐵基合金、鈷基高溫合金、鎳基高溫合金或含質(zhì)量比例不同的鈷鎳高溫合金。所述在預(yù)處理后的合金表面上噴涂制備粘結(jié)底層，具體包括采用亞音速火焰，超音速火焰，爆炸噴涂，超音速等離子噴涂，超音速電弧噴涂或高速電弧噴涂的方式在預(yù)處理后的表面上噴涂制備粘結(jié)底層。所述在該粘結(jié)底層的表面上噴涂制備陶瓷層，具體包括采用超音速等離子噴涂，大氣等離子噴噴涂或低壓離子噴涂的方式在該粘結(jié)底層的表面上噴涂制備陶瓷層。所述氣相沉積技術(shù)包括物理氣相沉積技術(shù)PVD和化學(xué)氣相沉積技術(shù)CVD，其中PVD 包括磁控濺射方法和多弧離子鍍。所述的薄膜鋁層氧化成致密氧化鋁(Al2O3)的溫度在180°C至330°C之間，氧氣壓力在0. 80-3MPa之間。所制備的致密表面層厚度為4-6 μ m ；陶瓷層厚度為700-900 μ m ；粘結(jié)底層厚度 150-250 μ mo由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，所述復(fù)合涂層采用三層結(jié)構(gòu)的復(fù)合涂層，其中在渦輪合金基體表面上采用高速火焰噴涂方法制備粘結(jié)層；在該粘結(jié)層表面上采用等離子噴涂制備多孔氧化鋯^O2陶瓷層；在該陶瓷層表面上采用氣相沉積技術(shù)制備薄膜鋁層，然后將其氧化成致密的氧化鋁Al2O3表面層。本發(fā)明的特點(diǎn)在于直接沉積高純金屬鋁靶，通過(guò)緩慢氧化反應(yīng)可促進(jìn)鋁與YPZ界面反應(yīng)，促進(jìn)界面擴(kuò)散，形成界面擴(kuò)散層，從而使膜附著力提高；而且采用PVD沉積金屬鋁靶的溫度較低，可以大大提高工業(yè)化生產(chǎn)效率。同時(shí)，該技術(shù)制備的復(fù)合涂層具有抗高溫、 抗氧化、抗熱沖蝕性能及具有良好動(dòng)密封性能；同時(shí)使葉片使用壽命提高，抗熱循環(huán)性能和設(shè)備的整體性能明顯得到提高。


為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。圖1為本發(fā)明實(shí)施例所提供的新型復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例所提供新型復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層制備方法的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述，如圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例所提供的新型復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的結(jié)構(gòu)示意圖，圖1中該特種涂層采用三層結(jié)構(gòu)的復(fù)合涂層，這三層結(jié)構(gòu)分別是第一層在渦輪合金基體表面上采用高速火焰噴涂方法制備MCrAlY粘結(jié)層；第二層在該粘結(jié)層表面上采用等離子噴涂制備多孔氧化鋯(ZrO2)陶瓷層；第三層在該陶瓷層表面上采用氣相沉積技術(shù)制備薄膜鋁層，然后將其氧化成致密的氧化鋁(Al2O3)表面層。本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種新型復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的制備方法，如圖2所示為本發(fā)明實(shí)施例所提供新型復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層制備方法的流程示意圖，圖2中包括步驟21 在渦輪合金基體表面進(jìn)行除油、除銹、噴砂或噴丸法的預(yù)處理。在該步驟中，所述合金基體包括鐵基合金、鈷基高溫合金、鎳基高溫合金或含質(zhì)量比例不同的鈷鎳高溫合金(其中，Ni :30-74. 5wt%, Co :25-66. 5wt% ) 步驟22 在預(yù)處理后的表面上噴涂制備粘結(jié)底層。在該步驟中，所述的粘結(jié)底層(即MCrAlY層)中，M為鈷Co、鎳Ni或鈷Co、鎳Ni 合金；Cr為鉻；Al為鋁；Y為釔。噴涂方式具體為采用亞音速火焰，超音速火焰，爆炸噴涂，超音速等離子噴涂，超音速電弧噴涂或高速電弧噴涂的方式在預(yù)處理后的表面上噴涂制備粘結(jié)底層。步驟23 在該粘結(jié)底層的表面上噴涂制備陶瓷層。在該步驟中，所述陶瓷層的質(zhì)量成分為，氧化釔(Y2O3) :6-8wt%，氧化鋯(&02) 92-94wt% ；其中，上述粘結(jié)底層和陶瓷層組成熱障涂層。噴涂制備方式具體為采用超音速等離子噴涂，大氣等離子噴噴涂或低壓離子噴涂的方式在該粘結(jié)底層的表面上噴涂制備陶瓷層。步驟M 在所述陶瓷層的表面上采用氣相沉積技術(shù)制備薄膜鋁層，并氧化制備得到Al2O3致密表面層，溫度為180°C，氧氣壓力為0. 80MPa。在該步驟中，所述氣相沉積技術(shù)包括物理氣相沉積技術(shù)PVD和化學(xué)氣相沉積技術(shù) CVD，其中PVD包括磁控濺射方法和多弧離子鍍等。通過(guò)上述制備方法制得的特種涂層的厚度分別為致密表面層厚度為4-6 μ m ；陶瓷層厚度為700-900 μ m ；粘結(jié)底層厚度150-250 μ m。下面以具體的實(shí)施過(guò)程來(lái)對(duì)上述制備方法進(jìn)行說(shuō)明具體實(shí)施方案一本實(shí)施方案中，首先在鈷高溫合金基體表面采用除油、除銹噴丸方法法進(jìn)行預(yù)處理；其次在預(yù)處理表面上采用超音速火焰噴涂制備MCrAlY粘結(jié)底層，厚度為160 μ m ；然后在MCrAlY粘結(jié)底層表面上采用低壓等離子噴涂制備氧化鋯陶瓷層，厚度為800 μ m ；最后在氧化鋯陶瓷層表面上采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備薄膜鋁層，并氧化制備得到Al2O3致密表面層，氧化溫度為200°C，氧氣壓力為l.OMPa，厚度為5μπι。具體實(shí)施方案二 本實(shí)施方案中，首先在鈷、鎳高溫合金基體表面采用除油、除銹噴丸方法法進(jìn)行預(yù)處理，其中，Ni :50wt%, Co :50wt% ；其次在預(yù)處理表面上采用爆炸噴涂制備NiCoCrAlY粘結(jié)底層，厚度為250 μ m ；然后在MCrAlY粘結(jié)底層表面上采用超音速等離子噴涂制備氧化鋯陶瓷層，厚度為700 μ m ；最后在氧化鋯陶瓷層表面上采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備薄膜鋁層，并氧化制備得到Al2O3致密表面層，氧化溫度為220°C，氧氣壓力為1. OMPa，厚度為4 μ m。
具體實(shí)施方案三本實(shí)施方案中，首先在鎳高溫合金基體表面采用除油、除銹、噴砂方法進(jìn)行預(yù)處理；其次在預(yù)處理表面上采用亞音速火焰噴涂制備CoCrAlY粘結(jié)底層，厚度為200 μ m ；然后在CoCrAlY粘結(jié)底層表面上采用等離子噴涂制備氧化鋯陶瓷層，厚度為750 μ m ；最后在氧化鋯陶瓷層表面上采用物理氣相沉積技術(shù)(多弧離子鍍)制備薄膜鋁層，并氧化制備得到 Al2O3致密表面層，氧化溫度為230°C，氧氣壓力為1. 2MPa，厚度為7μπι。具體實(shí)施方案四本實(shí)施方案中，首先在鈷高溫合金基體表面采用除油、除銹噴丸方法法進(jìn)行預(yù)處理；其次在預(yù)處理表面上采用亞音速火焰噴涂制備NiCrAlY粘結(jié)底層，厚度為170 μ m ；然后在MCrAlY粘結(jié)底層表面上采用等離子噴涂制備氧化鋯陶瓷層，厚度為800 μ m ；最后在氧化鋯陶瓷層表面上采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)(磁控濺射)制備薄膜鋁層，并氧化制備得到 Al2O3致密表面層，氧化溫度為190°C，氧氣壓力為3. 2MPa，厚度為8μπι。具體實(shí)施方案五本實(shí)施方案中，首先在鎳高溫合金基體表面采用除油、除銹噴丸方法進(jìn)行預(yù)處理； 其次在預(yù)處理表面上采用亞音速火焰噴涂制備CoCrAlY粘結(jié)底層，厚度為250 μ m ；然后在 NiCrAlY粘結(jié)底層表面上采用等離子噴涂制備氧化鋯陶瓷層，厚度為800 μ m ；最后在氧化鋯陶瓷層表面上采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備薄膜鋁層，并氧化制備得到Al2O3致密表面層， 氧化溫度為230°C，氧氣壓力為3. OMPa，厚度為6. 5 μ m。具體實(shí)施方案六本實(shí)施方案中，首先在鈷高溫合金基體表面采用除油、除銹噴丸方法進(jìn)行預(yù)處理； 其次在預(yù)處理表面上采用亞音速火焰噴涂制備MCrAlY粘結(jié)底層，厚度為200 μ m ；然后在 NiCrAlY粘結(jié)底層表面上采用低壓等離子噴涂制備氧化鋯陶瓷層，厚度為750 μ m ；最后在氧化鋯陶瓷層表面上采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備薄膜鋁層，并氧化制備得到Al2O3致密表面層，氧化溫度為230°C，氧氣壓力為2. 5MPa，厚度為5. 5 μ m。綜上所述，采用上述方法制備得到的新型復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層能夠使渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗減少，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率提高；同時(shí)使葉片使用壽命提高，抗熱循環(huán)性能明顯提高，提高設(shè)備的整體性能。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種新型復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層，其特征在于，所述涂層采用三層結(jié)構(gòu)的復(fù)合涂層，其中 在渦輪合金基體表面上采用高速火焰噴涂方法制備粘結(jié)層；在該粘結(jié)層表面上采用等離子噴涂制備多孔氧化鋯^O2陶瓷層； 在該陶瓷層表面上采用氣相沉積技術(shù)制備薄膜鋁層，然后將其氧化成致密的氧化鋁 Al2O3表面層。
2.一種新型復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括步驟(1)在渦輪合金基體表面進(jìn)行除油、除銹、噴砂或噴丸法的預(yù)處理；(2)在預(yù)處理后的表面上噴涂制備粘結(jié)底層，所述的粘結(jié)底層為MCrAlY層，其中M為鈷 Co、鎳Ni或鈷Co、鎳Ni合金；Cr為鉻；Al為鋁；Y為釔；(3)在該粘結(jié)底層的表面上噴涂制備陶瓷層，所述陶瓷層的質(zhì)量成分比為，氧化釔 Y2O3 :6-8wt%，氧化鋯 ZiO2 :92-94wt% ；(4)在所述陶瓷層的表面上采用氣相沉積技術(shù)制備薄膜鋁層，然后將該薄膜鋁層氧化制備得到致密的氧化鋁Al2O3表面層。
3.如權(quán)利要求2所述的新型復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的制備方法，其特征在于，所述合金基體包括鐵基合金、鈷基高溫合金、鎳基高溫合金或含質(zhì)量比例不同的鈷鎳宮、〉日A全向inn 口巫。
4.如權(quán)利要求2所述的新型復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的制備方法，其特征在于，所述在預(yù)處理后的合金表面上噴涂制備粘結(jié)底層，具體包括采用亞音速火焰，超音速火焰，爆炸噴涂，超音速等離子噴涂，超音速電弧噴涂或高速電弧噴涂的方式在預(yù)處理后的表面上噴涂制備粘結(jié)底層。
5.如權(quán)利要求2所述的新型復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的制備方法，其特征在于，所述在該粘結(jié)底層的表面上噴涂制備陶瓷層，具體包括采用超音速等離子噴涂，大氣等離子噴噴涂或低壓離子噴涂的方式在該粘結(jié)底層的表面上噴涂制備陶瓷層。
6.如權(quán)利要求2所述的新型復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的制備方法，其特征在于，所述氣相沉積技術(shù)包括物理氣相沉積技術(shù)PVD和化學(xué)氣相沉積技術(shù)CVD，其中PVD包括磁控濺射方法和多弧離子鍍。
7.如權(quán)利要求2所述的新型復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的制備方法，其特征在于，所述的薄膜鋁層氧化成致密氧化鋁Al2O3的溫度在180°C至330°C之間，氧氣壓力在0. 80-3MPa之間。
8.如權(quán)利要求2所述的新型復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的制備方法，其特征在于，所制備的致密表面層厚度為4-6 μ m ；陶瓷層厚度為700-900 μ m ；粘結(jié)底層厚度150-250 μ m。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例公開了一種新型復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層及其制備方法，所述涂層采用三層結(jié)構(gòu)的復(fù)合涂層，其中在渦輪合金基體表面上采用高速火焰噴涂方法制備粘結(jié)層；在該粘結(jié)層表面上采用等離子噴涂制備多孔氧化鋯ZrO2陶瓷層；在該陶瓷層表面上采用氣相沉積技術(shù)制備薄膜鋁層，然后將其氧化成致密的氧化鋁Al2O3表面層。該方法制備的復(fù)合涂層能夠使渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗減少，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和抗熱循環(huán)性能提高；同時(shí)使渦輪的使用壽命和設(shè)備的整體性能得到提高。
文檔編號(hào)C23C4/06GK102534613SQ20111042798
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者任先京, 張樂(lè), 沈婕, 章德銘, 袁建鵬, 高峰 申請(qǐng)人:北京礦冶研究總院