一种CoCrAlY包覆YSZ粉末材料及涂层的制备方法与流程

本发明属于激光熔覆制备热障涂层粉末材料技术领域，涉及一种金属陶瓷粉末制备以及激光熔覆材料制备工艺。

背景技术：

热障涂层由于能有效保护汽轮发动机热端部件，改善发动机性能，提高燃油经济性而在在航空、航天、能源等关键装备热端部件得到广泛应用，但涂层过早剥落、微观结构不可控、服役性能差，成为制约热障涂层发展瓶颈。热障涂层一般是由粘结层和耐热性好隔热性好的陶瓷保护功能涂层组成的复合型金属陶瓷复合涂层系统，主要用于降低零部件表面的工作温度，避免高温氧化、腐蚀、磨损。因此，研究热障涂层的热腐蚀性能和热腐蚀失效机理尤为重要。

热障涂层的粘结层材料普遍采用McrAlY合金(M＝Ni，Co或Ni+Co，Cr是铬，Al是铝，Y是钇)，起到抗氧化腐蚀、热膨胀系数匹配的作用。由于氧化钇部分稳定的氧化锆(Yttria Stabilized Zirco-nia，YSZ)具有较低的热导率和较高的热膨胀系数而被广泛用作热障涂层表面层陶瓷材料。粘结涂层中添加一定量的Co，可以改善抗热腐蚀能力。本实验中采用CoCrAlY涂层。其中，CoCr合金的组织为Co-Cr的γ固溶体及弥散析出的铬和钨的炭化物和硼化物，具有耐热耐磨抗腐蚀、抗蠕变、抗高温氧化以及高的硬性和好的韧性等多方面的优越性能，特别是可耐H₂S腐蚀。

根据CoCrAlY与YSZ颗粒的显微图，发现球形CoCrAlY与类球形YSZ颗粒，采用传统的等离子喷涂则会导致组织存在较大的孔隙率，有文献表明粒子层间结合率介于10％～32％、孔隙率在8％～20％之间，孔隙和空洞主要存在于颗粒与颗粒之间；非球形YSZ主要为片状及不规则颗粒居多，也会导致喷涂后孔隙率较高而导致结合强度较低。在陶瓷层和基体金属之间采用成分、结构连续变化的粘结层梯度系统。它可以减小陶瓷层与基体金属因线膨胀系数不同而引起的内应力，提高涂层的结合强度和抗热震性能。这种涂层消除了层状结构的明显层间界面，使力学性能和线膨胀系数连续过渡，因此得到研究人员的广泛重视。

本实验采用的梯度涂层熔覆材料是CoCrAlY合金包覆YSZ粉末，需要在YSZ表面均匀的包覆一层CoCrAlY粉末(按不同重量比例设计包覆材料)。通过用高速气流将液态金属流破碎成小液滴并凝固到所需包覆的粉末材料表面制备成包覆型粉末的气体雾化法。雾化粉末具有球形度高、粉末粒度可控、氧含量低、生产成本低以及适应多种金属粉末的生产等优点。

激光熔覆技术是激光加工技术的一个重要的应用方面，是一项新兴的材料表面改性与零件加工技术。激光熔覆是利用高能量密度激光束(10⁴～10⁶W/cm²)在金属表面辐照，通过迅速熔化、扩展和迅速凝固(冷却速度通常达到10²～10⁶℃/s)，在基材表面形成与其冶金结合的，具有特殊的物理、化学或力学性能的材料，从而显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能。与其他表面强化技术相比，激光熔覆技术具有如下特点：(1)冷却速度快(高达10⁶℃/s)，组织为典型的快速凝固特征；(2)热输入和畸变较小，涂层稀释率低(一般小于8％)，且与基体呈冶金结合；(3)粉末选择没有太多限制，特别是可以在低熔点金属表面熔覆高熔点合金；(4)熔覆表面区域的可精确选择，材料消耗少，具有较好的性价比；(5)熔覆过程容易实现自动化。因此，激光熔覆技术已引起了广泛的关注和重视，并已得到广泛的应用。

现有的热障涂层的制备工艺存在一些不足，如专利200910186673.X公开了一种热障 涂层梯度粘结层的制备方法，采用激光感应复合熔覆完一层涂层之后，将激光头、感应加热线圈和粉末喷嘴返回到上一涂层激光感应复合熔覆时的起始位置，并沿Z轴上升到上一涂层的厚度距离，这样的制备工艺与多层结构的粘结层存在相同的弊端，对抗热震性能改善不大，而且工艺复杂。

因此，找到一种良好的热障涂层粘结层制备工艺是十分重要的。本发明介绍一种CoCrAlY合金包覆YSZ粉末材料及涂层制备方法。

技术实现要素：

本发明针对上述不足，通过激光熔覆CoCrAlY合金包覆YSZ粉末材料，优化工艺，进一步提高了熔覆层与基体的结合度，合金粉末激光熔覆涂层的硬度、耐磨性、耐腐蚀性，大量减少了熔覆层的裂纹、气孔等缺陷。

本发明所采用的技术方案是一种CoCrAlY合金包覆YSZ粉末材料及涂层制备方法。

CoCrAlY合金包覆YSZ粉末材料制备特征在于：将CoCrAlY合金材料、YSZ粉末分别进行球磨、清洗、去掉氧化皮、油污等杂质；再将CoCrAlY合金材料装炉熔化，当温度达1700℃时，合金粉末充分脱氧；用高速气流将液态CoCrAlY流破碎成小液滴通入到YSZ粉末中充分搅拌，凝固，并干燥24h。整个过程置于密封环境。

涂层制备特征在于，包括以下步骤：

步骤一：选取316^#钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基体表面油污和锈迹；

步骤二：分别将质量百分比20％、30％、40％的CoCrAlY包覆YSZ粉末，将包覆粉末预置在316^#钢基体表面，粉末厚度1.5mm；

步骤三：使用高功率半导体激光器熔覆，其中激光输出功率为3000W。所选用的光斑宽为4～8mm，焦距370。扫描速度为8mm/s、11mm/s，保护气体为氩气。

本发明的有益效果是：

1、激光熔覆用合金粉末既有较高的硬度、又有优异的耐磨性和耐腐蚀性；

2、使用的CoCrAlY包覆YSZ粉末能获得较低的热导率和较高的热膨胀系数，耐热耐磨抗腐蚀、抗蠕变、抗高温氧化以及高的硬性和好的韧性等多方面的优越性能；

3、激光熔覆涂层与基体结合紧密，熔覆层组织均匀，硬度极高。

附图说明

图1是本发明CoCrAlY粉末显微图；

图2是本发明CoCrAlY包覆YSZ粉末示意图；

图3是本发明实例激光熔覆的现场图；

图4是本发明实例二的SEM金相图；

图5是本发明实例三的SEM金相图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实例一：

(1)选取316^#钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基体表面油污和锈迹；

(2)将质量百分比20％的CoCrAlY包覆YSZ粉末预置在316#钢基体表面，粉末厚度1.5mm；

(3)使用高功率半导体激光器熔覆，其中激光输出功率为3000W。所选用的光斑宽为4～8mm，焦距370。扫描速度为8mm/s，保护气体为氩气；

实例二：

(1)选取316^#钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基体表面油污和锈迹；

(2)将质量百分比30％的CoCrAlY包覆YSZ粉末预置在316#钢基体表面，粉末厚度1.5mm；

(3)使用高功率半导体激光器熔覆，其中激光输出功率为3000W。所选用的光斑宽为4～8mm，焦距370。扫描速度为11mm/s，保护气体为氩气；

实例三：

(1)选取316^#钢作为熔覆的基体，用600目砂纸打磨光洁，再用丙酮溶液清除干净基体表面油污和锈迹；

(2)将质量百分比40％的CoCrAlY包覆YSZ粉末预置在316^#钢基体表面，粉末厚度1.5mm；

(3)使用高功率半导体激光器熔覆，其中激光输出功率为3000W。所选用的光斑宽为4～8mm，焦距370。扫描速度为11mm/s，保护气体为氩气；

实例一中所得的熔覆层硬度最低，熔覆层组织结构较差，实例二中所得的熔覆层无论是组织结构还是硬度都较为出色。实例三中得到的熔覆层硬度最大，但是可以在熔覆层显微组织图中看出，其熔覆层组织结构略差。