高抗熱震性陶瓷封嚴(yán)涂層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高抗熱震性陶瓷封嚴(yán)涂層的制備方法。本發(fā)明對(duì)傳統(tǒng)陶瓷封嚴(yán)涂層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在陶瓷面層與MCrAlY粘結(jié)底層之間制備一層致密連續(xù)的陶瓷薄膜，使陶瓷薄膜與MCrAlY粘結(jié)底層無缺陷結(jié)合，并為陶瓷面層的沉積提供一個(gè)良好的基面，從而改善陶瓷層與金屬層的界面結(jié)合狀態(tài)，提高涂層的抗熱震性能。該陶瓷薄膜的制備工藝可以是超低壓等離子-薄膜技術(shù)(LPPS-TF)或CVD等致密薄膜制備技術(shù)，薄膜的厚度為10nm～200μm，成分可以各類氧化物陶瓷或與面層成分一樣及相近，組織結(jié)構(gòu)可以是均一的或是梯度的。
【專利說明】高抗熱震性陶瓷封嚴(yán)涂層的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路封嚴(yán)的高抗熱震性可磨耗陶瓷封嚴(yán)涂層的制備方法，屬于航空航天【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]可磨耗封嚴(yán)涂層可減小發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和靜子之間的間隙，降低油耗、提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和運(yùn)行安全性。陶瓷基可磨耗封嚴(yán)涂層具有耐高溫、耐腐蝕和隔熱的優(yōu)點(diǎn)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和地面燃?xì)廨啓C(jī)的中高壓渦輪外環(huán)部位均有應(yīng)用，應(yīng)用溫度高達(dá)1200°C，是目前應(yīng)用溫度最高的一類可磨耗封嚴(yán)涂層。但是由于陶瓷材料與高溫合金等金屬基體在熱膨脹系數(shù)上的差異，陶瓷封嚴(yán)涂層在應(yīng)用中存在抗熱震性差、容易脫落掉塊等問題。
[0003]陶瓷封嚴(yán)涂層一般由可磨耗的陶瓷面層和MCrAH粘結(jié)底層組成，MCrAlY粘結(jié)底層可以起到防護(hù)基體和調(diào)合陶瓷層與高溫合金基體熱膨脹系數(shù)的作用。陶瓷面層直接噴涂在MCrAH粘結(jié)底層上，由于陶瓷面層沉積時(shí)的“固-液”混合特征，使得結(jié)合界面處存在大量的缺陷，成為涂層的薄弱地帶，涂層的脫落往往發(fā)生在界面處。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種提高陶瓷面層與MCrAH粘結(jié)底層結(jié)合狀態(tài)的方法，從而提高涂層的抗熱震性。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0005]高抗熱震性陶瓷封嚴(yán)涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0006](I)對(duì)待噴涂工件表面做常規(guī)預(yù)處理，包括除油、除銹、噴砂等操作；
[0007](2)在預(yù)處理后的工件表面噴涂MCrAH粘結(jié)底層；
[0008](3)在MCrAH粘結(jié)底層之上制備一層高致密連續(xù)的陶瓷薄膜層；
[0009](4)在陶瓷薄膜層之上制備陶瓷面層。
[0010]該陶瓷薄膜層一方面與MCrAH粘結(jié)底層形成連續(xù)無缺陷的界面結(jié)合，提高涂層界面處抗熱應(yīng)力的能力，另一方面為陶瓷面層的沉積提供了一個(gè)良好的陶瓷基面，避免其直接與性質(zhì)差別很大的金屬層直接接觸，從而極大的改善了陶瓷面層與金屬底層的結(jié)合狀態(tài)，顯著提高涂層的抗熱震性。
[0011]陶瓷薄膜的制備工藝可以是低壓等離子薄膜工藝(LPPS-TF)、CVD化學(xué)氣相沉積工藝、PVD物理氣相沉積和磁控濺射工藝等各類可進(jìn)行致密陶瓷薄膜制備的工藝技術(shù)，其中LPPS-TF技術(shù)在制備本發(fā)明所述高致密連續(xù)陶瓷薄膜方面更有優(yōu)勢(shì)。陶瓷薄膜的厚度可以是1nm?200 μ m，更優(yōu)的厚度是I?100 μ m，最優(yōu)的薄膜厚度是2?20 μ m。陶瓷薄膜的成分一般與面層材料一致，或在熱膨脹系數(shù)與MCrAH底層有更佳匹配性的氧化物陶瓷。在完成MCrAH底層涂覆后或在完成可磨耗陶瓷面層涂覆后可對(duì)涂層進(jìn)行熱處理，熱處理的目的主要是消除MCrAH底層中的熱應(yīng)力，并在可控條件下使MCrAH粘結(jié)層表面生成一層熱生長(zhǎng)氧化膜(TGO)，以提高涂層的抗熱震性。熱處理的溫度可以是400?1200°C，更好是800?1100°C，最好是900?1050°C，熱處理的時(shí)間可以是30min?6h，更好是Ih?4h，最好是2h?4h。
[0012]本發(fā)明所提供的方法，能夠極大改善陶瓷面層與金屬底層的結(jié)合狀態(tài)，顯著提高涂層的抗熱震性，同時(shí)具有方法簡(jiǎn)便、工藝成熟的優(yōu)點(diǎn)。

【具體實(shí)施方式】
[0013]實(shí)施例1
[0014]高抗熱震性陶瓷封嚴(yán)涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0015]步驟一:對(duì)高溫合金基體進(jìn)行清洗，吹砂粗化；
[0016]步驟二:在高溫合金表面采取低壓等離子(LPPS)制備MCrAH粘結(jié)底層，涂層厚度100 ?200 μ m ；
[0017]步驟三:在MCrAH粘結(jié)底層表面，采用LPPS-TF技術(shù)制備氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)陶瓷薄膜層，薄膜厚度5?10 μ m ;
[0018]步驟四:在YSZ薄膜層表面采用大氣等離子(APS)工藝制備YSZ可磨耗陶瓷面層，涂層厚度1.5?2mm ；
[0019]步驟五:在真空爐中對(duì)涂層進(jìn)行真空熱處理，熱處理溫度1100°C，熱處理時(shí)間4h。
[0020]實(shí)施例2
[0021]高抗熱震性陶瓷封嚴(yán)涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0022]步驟一:對(duì)高溫合金基體進(jìn)行清洗，吹砂粗化；
[0023]步驟二:在高溫合金表面采取低壓等離子(LPPS)制備MCrAH粘結(jié)底層，涂層厚度100 ?200 μ m ；
[0024]步驟三:在MCrAH粘結(jié)底層表面，采用CVD化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)陶瓷薄膜層，薄膜厚度20?50 μ m ;
[0025]步驟四:在YSZ薄膜層表面采用大氣等離子(APS)工藝制備YSZ可磨耗陶瓷面層，涂層厚度1.5?2mm ；
[0026]步驟五:在真空爐中對(duì)涂層進(jìn)行真空熱處理，熱處理溫度1200°C，熱處理時(shí)間2h。
[0027]實(shí)施例3
[0028]高抗熱震性陶瓷封嚴(yán)涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0029]步驟一:對(duì)高溫合金基體進(jìn)行清洗，吹砂粗化；
[0030]步驟二:在高溫合金表面采取低壓等離子(LPPS)制備MCrAH粘結(jié)底層，涂層厚度100 ?200 μ m ；
[0031]步驟三:在MCrAH粘結(jié)底層表面，采用PVD物理氣相沉積制備氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)陶瓷薄膜層，薄膜厚度50?100 ym ;
[0032]步驟四:在YSZ薄膜層表面采用大氣等離子(APS)工藝制備YSZ可磨耗陶瓷面層，涂層厚度1.5?2mm ；
[0033]步驟五:在真空爐中對(duì)涂層進(jìn)行真空熱處理，熱處理溫度800°C，熱處理時(shí)間6h。
[0034]實(shí)施例4
[0035]高抗熱震性陶瓷封嚴(yán)涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0036]步驟一:對(duì)高溫合金基體進(jìn)行清洗，吹砂粗化；
[0037]步驟二:在高溫合金表面采取低壓等離子(LPPS)制備MCrAH粘結(jié)底層，涂層厚度100?200 μ m ;在真空爐中對(duì)MCrAH粘結(jié)底層進(jìn)行真空熱處理，熱處理溫度1100°C，熱處理時(shí)間4h ；
[0038]步驟三:在MCrAH粘結(jié)底層表面，采用磁控濺射技術(shù)制備氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)陶瓷薄膜層，薄膜厚度1nm?I μ m ;
[0039]步驟四:在YSZ薄膜層表面采用大氣等離子(APS)工藝制備YSZ可磨耗陶瓷面層，涂層厚度1.5?2mm ；
[0040]步驟五:在真空爐中對(duì)涂層進(jìn)行真空熱處理，熱處理溫度900°C，熱處理時(shí)間4h。
【權(quán)利要求】
1.高抗熱震性陶瓷封嚴(yán)涂層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)對(duì)待噴涂工件表面做常規(guī)預(yù)處理； (2)在預(yù)處理后的工件表面噴涂MCrAH粘結(jié)底層； (3)在MCrAH粘結(jié)底層之上制備一層高致密連續(xù)的陶瓷薄膜層； (4)在陶瓷薄膜層之上制備陶瓷面層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述陶瓷薄膜層的工藝為低壓等離子薄膜工藝、化學(xué)氣相沉積工藝、物理氣相沉積和磁控濺射工藝中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述陶瓷薄膜層厚度為1nm ?200 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述陶瓷薄膜層厚度為I?100 μ m0
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述陶瓷薄膜層厚度為2?20 μ m0
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述陶瓷薄膜層成分是氧化鋯、氧化釔和氧化鏑中的一種或多種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述陶瓷薄膜層成分與陶瓷面層成分一致。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述陶瓷薄膜層成分和組織結(jié)構(gòu)是均一的或呈梯度分布。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，還包括步驟(5)熱處理，在步驟(2)、步驟(4)中的至少一個(gè)步驟后對(duì)制備的MCrAH粘接底層或陶瓷面層進(jìn)行熱處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于，所述的熱處理溫度為400?.1200 °C，熱處理時(shí)間為30min?6h。
【文檔編號(hào)】C23C16/00GK104451675SQ201410650673
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】于月光, 章德銘, 劉建明, 沈婕, 侯偉驁, 彭浩然, 魯秋源 申請(qǐng)人:北京礦冶研究總院, 北礦新材科技有限公司