專利名稱：一種提高熱障涂層粘結(jié)層耐氧化性能的處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高熱障涂層粘結(jié)層耐氧化性能的處理方法，即強(qiáng)流脈沖電子束輻照實(shí)現(xiàn)等離子體噴涂方法制備熱障涂層粘結(jié)層的表面重熔，涂層表面平整，疏松的孔隙消失，粗糙度降低，從而提高熱障涂層粘結(jié)層的耐氧化性能，屬于熱障涂層粘結(jié)層表面處理與改性技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片等熱端部件的使用溫度越來越高，這就對(duì)制備葉片的高溫合金的耐高溫性能提出更高的要求，解決問題的方法之一就是在葉片表面制備具有高溫抗氧化和隔熱性能的熱障涂層(TBCs)。熱障涂層系統(tǒng)包括高溫合金基體、陶瓷層、粘結(jié)層及陶瓷層與粘結(jié)層之間的熱生長氧化層(TGO)。其中粘結(jié)層的作用是解決金屬基體和陶瓷層的熱膨脹不匹配問題，提高整個(gè)涂層的耐氧化性能。熱障涂層的發(fā)展 有近30年的歷史，熱障涂層的制備工藝也是在不斷的改進(jìn)。從最初的大氣壓等離子體噴涂(APS)發(fā)展到低氣壓等離子體噴涂(LPPS)、還包括超音速火焰噴涂(HOVF)及激光熔覆、電子束物理氣相沉積(EB-PVD)等多種方法。而等離子體噴涂的方法和低氣壓等離子體噴涂的方法是比較有前途和應(yīng)用廣泛的方法。大氣壓和低氣壓等離子體噴涂方法制備的熱障涂層的粘結(jié)層呈層片狀結(jié)構(gòu)，有利于熱障涂層隔熱性能的提高，具有涂層制備過程快速、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，有廣泛的應(yīng)用前景。但是等離子體噴涂技術(shù)制備涂層也有其不足之處一是等離子體噴涂方法制備的熱障涂層粘結(jié)層的層片狀結(jié)構(gòu)、疏松、多孔，提高涂層隔熱性能的同時(shí)容易導(dǎo)致涂層服役過程中的脫落。二是等離子體噴涂方法制備的粘結(jié)層的表面粗糙度比較大，使得粘結(jié)層與陶瓷層之間的界面凸凹不平，容易使得熱生長氧化層的生長不均勻，從而導(dǎo)致涂層耐氧化性能降低。鑒于上述兩個(gè)方面的技術(shù)問題考慮，本發(fā)明提供一種等離子體噴涂方法制備熱障涂層粘結(jié)層的表面處理和改性方法，通過強(qiáng)流脈沖電子束輻照等離子體噴涂方法制備熱障涂層的粘結(jié)層使其重熔，粘結(jié)層的表面平整、光滑，這樣熱生長氧化層均勻，形成致密的a -Al2O3，有效保護(hù)基體材料不被氧化，從而提高粘結(jié)層的抗氧化能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是克服現(xiàn)有等離子體噴涂方法制備熱障涂層粘結(jié)層的兩點(diǎn)不足，即所制備的熱障涂層粘結(jié)層的層片狀結(jié)構(gòu)、疏松、多孔，容易導(dǎo)致涂層脫落；同時(shí)粗糙的表面使得熱生長氧化層不均勻，降低涂層的耐氧化性能和使用壽命。提供一種新型的強(qiáng)流脈沖電子束輻照熱障涂層粘結(jié)層表面處理和改性技術(shù)，提供適合等離子體噴涂制備熱障涂層粘結(jié)層表面改性的強(qiáng)流脈沖電子束最佳輻照處理參數(shù)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種提高熱障涂層粘結(jié)層耐氧化性能的處理方法采用的具體步驟如下第一步、熱障涂層粘結(jié)層(MCrAH)的制備高溫合金基體(或發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等部件)經(jīng)過預(yù)磨、拋光、清洗處理后，利用低氣壓等離子體噴涂的方法(LPPS)在高溫合金基體沉積粘結(jié)層，粘結(jié)層的涂層材料為MCrAH ；第二步、將已噴涂好熱障涂層粘結(jié)層(MCrAH)的試樣固定在試樣臺(tái)上，抽真空將制備好的熱障涂層粘結(jié)層試樣固定在強(qiáng)流脈沖電子束裝置的試樣臺(tái)上，關(guān)閉真空室并抽真空，使真空度達(dá)到3. 5X10_2Pa ；第三步、強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理實(shí)現(xiàn)涂層表面平整、粗糙度降低、孔隙和孔洞消失
根據(jù)強(qiáng)流脈沖電子束設(shè)備的技術(shù)要求電壓為15kV，頻率為1Hz，室溫下，選擇強(qiáng)流脈沖電子束能量密度為8-18J/cm2，脈寬為50-200 μ S，對(duì)試樣進(jìn)行輻照處理10-20次，實(shí)現(xiàn)熱障涂層粘結(jié)層表面平整、粗糙度降低、孔隙和孔洞消失；第四步、取出樣品關(guān)機(jī)，打開真空室，取出電子束輻照處理后的樣品，準(zhǔn)備進(jìn)一步檢測分析，檢測涂層表面狀態(tài)和耐氧化性能提高的效果。上述技術(shù)方案的基本構(gòu)成指導(dǎo)思想是強(qiáng)脈沖電子束與材料表面相互作用是一個(gè)快速加熱和快速冷卻的過程，加熱速度高達(dá)IO9 K/s，可將材料表面一定深度瞬間加熱到熔化，形成的極大溫度梯度(10卜8 K/m)可使表面層借助向基體的熱傳導(dǎo)急劇冷卻，冷卻速度也達(dá)IO4 9 K/s，從而使得固體材料表面重熔，提高材料的表面性能。與激光束、脈沖離子束的作用相比，強(qiáng)脈沖電子束工藝具有對(duì)注入能量的高度監(jiān)控性和調(diào)整性，有利于能量分布的高度局域性和高的有效作用系數(shù)。而且強(qiáng)流脈沖電子束輻照是純能量的輸運(yùn)過程，克服了離子束輻照帶來的離子雜質(zhì)對(duì)材料的影響問題，由于電子的質(zhì)量很小，因此比強(qiáng)流脈沖離子束的改性層深度大很多，同時(shí)也比激光束的能量利用率高很多。利用強(qiáng)流脈沖電子束的上述優(yōu)點(diǎn)對(duì)等離子體噴涂方法制備的熱障涂層粘結(jié)層進(jìn)行輻照處理，調(diào)整電子束參數(shù)使得粘結(jié)層表面平滑、孔隙消失、粗糙度降低，從而提高陶瓷熱障涂層粘結(jié)層的高溫耐氧化性能。通過實(shí)驗(yàn)提供最佳的強(qiáng)流脈沖電子束輻照工藝條件。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及創(chuàng)新之處為(I)強(qiáng)流脈沖電子束重熔熱障涂層粘結(jié)層表面改善組織形貌及表面致密性，使得表面平整光滑、孔隙和空洞消失，有利于陶瓷層的生長，熱生長氧化層均勻，從而提高涂層的高溫服役性能。(2)由于強(qiáng)流脈沖電子束輻照粘結(jié)層重熔未產(chǎn)生貫穿性裂紋，不影響粘結(jié)層和基體的結(jié)合性能。(3)強(qiáng)流脈沖電子束輻照是純能量的輸運(yùn)過程，克服了離子束輻照帶來的離子雜質(zhì)對(duì)材料的影響問題，由于電子的質(zhì)量很小，因此比強(qiáng)流脈沖離子束的改性層深度大很多，同時(shí)也比激光束的能量利用率高很多。


圖I是強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理前熱障涂層粘結(jié)層表面形態(tài)。圖2是強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理后熱障涂層粘結(jié)層表面形態(tài)。圖3是未經(jīng)電子束輻照處理的熱障涂層粘結(jié)層900°C空氣氧化后的截面形貌。圖4是經(jīng)過電子束輻照處理后的熱障涂層粘結(jié)層900°C空氣氧化后的截面形貌。圖I表明等離子體噴涂方法制備的熱障涂層粘結(jié)層表面的結(jié)構(gòu)，表面粗糙度比較大，存在大量孔隙和空洞；圖2顯示強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理后粘結(jié)層變得致密、平整光滑、空洞和孔隙消失；圖3表明未經(jīng)電子束輻照處理的等離子體噴涂方法制備粘結(jié)層氧化后的TGO層不均勻，且氧化已經(jīng)深入到粘結(jié)層內(nèi)部；圖4表明經(jīng)過電子束輻照處理后粘結(jié)層氧化后的TGO均勻，沒有深入到粘結(jié)層內(nèi)部。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I : 結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)過程詳細(xì)說明強(qiáng)流脈沖電子束輻照提高熱障涂層粘結(jié)層高溫耐氧化性能的實(shí)施方案，以相同脈寬、不同能量密度為例，具體步驟如下第一步，熱障涂層粘結(jié)層(MCrAH)的制備高溫合金基體(或發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等部件)經(jīng)過預(yù)磨、拋光、清洗處理后，利用低氣壓等離子體噴涂的方法(LPPS)在高溫合金基體沉積粘結(jié)層，粘結(jié)層的涂層材料為MCrAH ；第二步，將已噴涂好熱障涂層粘結(jié)層的試樣固定在試樣臺(tái)上，抽真空將等離子體噴涂方法制備好的熱障涂層粘結(jié)層試樣固定在強(qiáng)流脈沖電子束裝置的試樣臺(tái)上，關(guān)閉真空室并抽真空，使真空度達(dá)到3. 5 X IO-2Pa0第三步，強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理熱障涂層粘結(jié)層根據(jù)設(shè)備的技術(shù)要求電壓為15kV，頻率為1Hz。室溫下，選擇強(qiáng)流脈沖電子束脈寬為 200 μ S，能量密度分別為 3，5，8，10, 12，13，14，15，16，18，20 J/cm2，對(duì)試樣進(jìn)行輻照處理35次，使得熱障涂層粘結(jié)層重熔，表面平整光滑，粗糙度降低。第四步，取出樣品關(guān)機(jī)，打開真空室，取出電子束輻照處理后的樣品，準(zhǔn)備進(jìn)一步檢測分析。輻照處理后熱障涂層粘結(jié)層的結(jié)構(gòu)和性能分析，確定最佳參數(shù)將經(jīng)強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理的樣品與未經(jīng)脈沖電子束處理的原始樣品進(jìn)行比較研究。用XRD測試處理前后涂層相結(jié)構(gòu)的變化情況；用掃描電鏡(SEM)觀察樣品處理前后表面和截面形貌的變化。并且對(duì)其中一些處理參數(shù)的樣品和原始樣品做了空氣中的高溫氧化循環(huán)實(shí)驗(yàn)，用掃描電鏡觀察氧化前后樣品表面形貌的變化，利用XRD分析氧化產(chǎn)物的相結(jié)構(gòu)變化。樣品XRD測試結(jié)果顯示，未經(jīng)強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理的原始涂層的相結(jié)構(gòu)主要含有、I、丨相和β相。經(jīng)強(qiáng)流脈沖電子束處理過的樣品表面的相結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，部分β相轉(zhuǎn)變成γ/γ丨相。但是衍射峰的峰位沒有明顯的變化，說明沒有明顯的殘余應(yīng)力產(chǎn)生。由此可見，強(qiáng)流脈沖電子束輻照熱障涂層粘結(jié)層的方法可行。對(duì)強(qiáng)流脈沖電子束輻照前后的樣品表面形貌進(jìn)行觀察。從掃描電鏡的表面形貌可以看到，未經(jīng)強(qiáng)流脈沖電子束處理的樣品表面粗糙不平，存在較多的孔隙和空洞，這些都不利于涂層上陶瓷層的繼續(xù)生長，在高溫環(huán)境中的使用容易形成不均勻的熱氧化層。而經(jīng)強(qiáng)流脈沖電子束處理后的樣品表面變得平整光滑、孔隙和空洞消失。圖I是強(qiáng)流脈沖電子束輻照前熱障涂層粘結(jié)層表面形貌，圖2是強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理后熱障涂層粘結(jié)層的表面形貌。雖然在處理過程中會(huì)有少量的微觀裂紋產(chǎn)生，但是微裂紋不是貫穿性的，對(duì)熱障涂層耐氧化性能的提高影響不是主導(dǎo)作用的。根據(jù)表面形貌的變化，選擇能量密度為8-18 J/cm2處理的粘結(jié)層表面平整光滑，微觀裂紋較少；脈沖次數(shù)對(duì)重熔層影響不明顯，考慮到重熔均勻性及節(jié)省能源選擇10-20次已經(jīng)足夠。利用強(qiáng)流脈沖電子束輻照粘結(jié)層能夠改進(jìn)涂層結(jié)構(gòu)使涂層變的致密、光滑，能提高其耐氧化性能。當(dāng)電子束的能量密度在8-18J/cm2的范圍內(nèi)，粘結(jié)層表面都充分重熔，在其表面形成厚度為幾個(gè)微米的重熔層。在900°C下的循環(huán)氧化和靜態(tài)氧化實(shí)驗(yàn)顯示，經(jīng)強(qiáng)流脈沖電子束輻照的涂層表面氧化物主要是a -Al2O3，含有少量的尖晶石NiCr2O4和NiO，而未經(jīng)電子束輻照的粘結(jié)層的氧化產(chǎn)物主要為尖晶石NiCr2O4和NiO，a -Al2O3的含量較少。氧化動(dòng)力學(xué)曲線中電子束輻照后比輻照前粘結(jié)層的增重明顯減小。圖3是未經(jīng)電子束輻照處理的熱障涂層粘結(jié)層氧化后的截面SEM背散射圖，圖4是經(jīng)電子束輻照處理的熱障涂層粘結(jié)層氧化后的截面SEM背散射圖，截面SEM分析結(jié)果得知強(qiáng)流脈沖電子束輻照后粘結(jié)層的表面熱生長氧化層均勻其比較薄，沒有深入到粘結(jié)層內(nèi)部，而未經(jīng)處理粘結(jié)層的氧化層不均勻且較厚，氧化層已經(jīng)深入到粘結(jié)層內(nèi)部，表明電子束輻照后粘結(jié)層的耐氧化性能明顯提高。對(duì)于等離子體噴涂制備粘結(jié)層采用8-18 J/cm2的脈沖電子束處理其耐氧化性能提高明顯。 實(shí)施例2 結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)過程詳細(xì)說明強(qiáng)流脈沖電子束輻照提高熱障涂層粘結(jié)層高溫耐氧化性能的實(shí)施方案，以相同能量密度、不同脈寬為例，具體步驟如下第一步，熱障涂層粘結(jié)層(MCrAH)的制備高溫合金基體(或發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等部件)經(jīng)過預(yù)磨、拋光、清洗處理后，利用低氣壓等離子體噴涂的方法(LPPS)在高溫合金基體沉積粘結(jié)層，粘結(jié)層的涂層材料為MCrAH ；第二步，將已沉積好熱障涂層粘結(jié)層的試樣固定在試樣臺(tái)上，抽真空將等離子體噴涂方法制備好的熱障涂層粘結(jié)層試樣固定在強(qiáng)流脈沖電子束裝置的試樣臺(tái)上，關(guān)閉真空室并抽真空，使真空度達(dá)到3. 5 X IO-2Pa0第三步，強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理熱障涂層粘結(jié)層根據(jù)設(shè)備的技術(shù)要求電壓為15kV，頻率為1Hz。室溫下，選擇強(qiáng)流脈沖電子束能量密度為15J/cm2，脈寬分別為50 μ s, 80 μ s, 120 μ s, 150 μ s和200 μ s，對(duì)試樣進(jìn)行輻照處理15次，使得熱障涂層粘結(jié)層重熔，表面平整光滑，粗糙度降低。第四步，取出樣品關(guān)機(jī)，打開真空室，取出電子束輻照處理后的樣品，準(zhǔn)備進(jìn)一步檢測分析。輻照處理后熱障涂層粘結(jié)層的結(jié)構(gòu)和性能分析，確定最佳參數(shù)利用X射線衍射分析強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理前后熱障涂層粘結(jié)層的結(jié)構(gòu)變化，從衍射譜上發(fā)現(xiàn)有部分β相轉(zhuǎn)變成、I、，相，沒有明顯的微觀殘余應(yīng)力產(chǎn)生。掃描電子顯微鏡分析顯示不同脈沖寬度的強(qiáng)流脈沖電子束輻照后熱障涂層的粘結(jié)層都變得表面致密、平整光滑、粗糙度降低。說明在我們的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，和能量密度相比，脈沖寬度對(duì)粘結(jié)層結(jié)構(gòu)和形貌的影響不明顯。900°C高溫循環(huán)氧化實(shí)驗(yàn)顯示，強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理后的粘結(jié)層的熱生長氧化層主要是a -Al2O3，含有少量的尖晶石NiCr2O4和NiO，而未經(jīng)電子束輻照的粘結(jié)層的氧化產(chǎn)物主要為尖晶石NiCr2O4和NiO，a -Al2O3的含量較少。氧化動(dòng)力學(xué)曲線中不同脈沖寬度的強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理后比輻照前粘結(jié)層的增重明顯減小，但是脈沖寬度對(duì)其耐氧化性能的影響不明顯。脈沖寬度在50-200μ s范圍內(nèi)的強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理都能夠明顯提高熱障涂層粘結(jié)層耐 氧化性能。
權(quán)利要求
1.一種提高熱障涂層粘結(jié)層耐氧化性能的處理方法，其特征在于所述處理方法采用的具體步驟如下 第一步、熱障涂層粘結(jié)層的制備 高溫合金基體經(jīng)過預(yù)磨、拋光、清洗處理后，利用低氣壓等離子體噴涂的方法在高溫合金基體沉積粘結(jié)層，完成熱障涂層粘結(jié)層的制備； 第二步、將已噴涂好熱障涂層粘結(jié)層的試樣固定在試樣臺(tái)上 抽真空將制備好的熱障涂層粘結(jié)層試樣固定在強(qiáng)流脈沖電子束裝置的試樣臺(tái)上，關(guān)閉真空室并抽真空，使真空度達(dá)到3. 5 X 10 ； 第三步、強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理實(shí)現(xiàn)涂層表面平整、粗糙度降低、孔隙和孔洞消失根據(jù)強(qiáng)流脈沖電子束設(shè)備的技術(shù)要求電壓為15kV，頻率為1Hz，室溫下，選擇強(qiáng)流脈沖電子束能量密度為8-18J/cm2，脈寬為50-200 μ S，對(duì)試樣進(jìn)行輻照處理10-20次，實(shí)現(xiàn)熱障涂層粘結(jié)層表面平整、粗糙度降低、孔隙和孔洞消失； 第四步、取出樣品 關(guān)機(jī)，打開真空室，取出電子束輻照處理后的樣品，準(zhǔn)備進(jìn)一步檢測分析，檢測涂層表面狀態(tài)和耐氧化性能提高的效果。
全文摘要
一種提高熱障涂層粘結(jié)層耐氧化性能的處理方法，屬于熱障涂層粘結(jié)層表面處理與改性技術(shù)領(lǐng)域。在材料表面處理和改性中，強(qiáng)流脈沖電子束輻照等離子體噴涂方法制備的熱障涂層粘結(jié)層(MCrAlY)，降低表面粗糙度、減少涂層的孔隙和孔洞，從而提高其高溫耐氧化性能，其采用的技術(shù)條件是真空度為3.5×10-2Pa，電壓為15kV，頻率為1Hz，脈寬為50-200μs，能量密度為8J/cm2-18J/cm2，脈沖次數(shù)為10-20次。其優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)流脈沖電子束輻照處理后實(shí)現(xiàn)了等離子體噴涂方法制備熱障涂層粘結(jié)層(MCrAlY)表面粗糙度降低、涂層的孔隙和孔洞減少，沒有貫穿性微裂紋生成，從而有效提高其高溫耐氧化性能。
文檔編號(hào)C23C4/18GK102719782SQ20121021955
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月28日
發(fā)明者劉越, 梅顯秀, 馬騰才 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)