本发明属于热障涂层技术领域，尤其涉及一种高能等离子喷涂制备热障涂层的工艺方法。
背景技术：
热障涂层(thermalbarriercoatings，tbcs)在航空航天领域有众多应用。热障涂层可以将高温部件与高温工作环境隔绝，以降低热端部件的工作温度，防止基材部件发生高温腐蚀和高温氧化，延长其使用寿命。目前高压涡轮工作叶片、导向叶片、燃烧室等零件均采用热障涂层技术。
目前热障涂层大部分采用双层结构，包括粘结底层和陶瓷面层。粘结底层用aps、hvof、lpps或冷喷涂制备mcraly涂层，起到抗氧化、降低陶瓷面层与基体的热膨胀系数的作用。陶瓷面层采用普通大气等离子工艺喷涂具有隔热作用的y2o3部分稳定的zro2(ysz)涂层。
热障涂层的失效因素较为复杂，主要存在两大主因素，一种是由于热障涂层在高温环境下金属粘结底层的热膨胀系数较大，发生较大体积膨胀，而陶瓷面层的热膨胀系数较小，导致粘结底层与陶瓷面层产生热应力，最终导致涂层失效；另一种是金属粘结底层在高温下发生氧化，生成尖晶石类氧化物tgo，随着tgo的增厚，在陶瓷—金属界面会发生裂纹的萌生和扩展，最终导致陶瓷面层剥落失效。
传统热障涂层的制备工艺，采用超音速火焰喷涂mcraly涂层，采用大气等离子喷涂陶瓷面层。但是，超音速火焰喷涂mcraly涂层对粉末要求较苛刻，对于较粗粉末融化不充分，涂层抗氧化性能差，加工效率低。利用大气等离子喷涂陶瓷面层，涂层沉积效率低、粉末受热不均匀且速度低，融化不充分，导致陶瓷面层气孔率较大，结合强度与热震寿命偏低，严重制约了热障涂层的使用。再者，利用两种不同工艺分别制备热障涂层的粘结底层与陶瓷面层，增加了工艺的复杂性，不仅使得涂层加工效率低下，而且加工成本提高。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高能等离子喷涂制备热障涂层的工艺方法，解决了现有技术中制备热障涂层粘结底层时采用超音速火焰喷涂对喷涂原料的限制，以及制备热障涂层陶瓷面层时采用常规大气等离子工艺喷涂效率低，孔隙率大，结合强度与寿命偏低的问题。本发明可以快速高效制备粘结底层与高性能长寿命的陶瓷面层。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种高能等离子喷涂制备热障涂层的工艺方法，包括以下步骤：
步骤a、采用高能等离子喷涂设备或超音速火焰喷涂设备将mcraly合金粉喷涂至基体表面制备粘结底层，喷涂过程中采用压缩空气对基体进行强制冷却，使基体温度低于200℃。
步骤b、采用高能等离子喷涂设备将8ysz粉末喷涂至已制备粘结底层的基体表面制备陶瓷面层，喷涂过程中采用压缩空气对基体进行强制冷却，使基体温度低于300℃。
更进一步地，本发明的特点还在于：
在步骤a中，采用高能等离子喷涂设备喷涂粘结底层时，喷涂功率为150kw～170kw，喷涂电压为380v～420v，喷涂主气采用n2或者ar，喷涂辅气采用h2，喷涂主气流量为70slpm～80slpm，喷涂辅气流量为10slpm～20slpm，喷涂距离为170mm～200mm，送粉量为100g/min～300g/min；
在步骤b中，陶瓷面层的喷涂功率为170kw～200kw，喷涂电压为380v～420v，喷涂主气采用n2或ar，喷涂辅气采用h2，喷涂主气流量为80slpm～100slpm，喷涂辅气流量为25slpm～50slpm，喷涂距离为180mm～200mm，送粉量为50g/min～150g/min，移枪速度大于300mm/s。
在步骤a之前，对基体表面进行去油处理，并进行粗化处理。
在步骤a之前，对需喷涂部位以外区域进行遮蔽保护。
高能等离子喷涂设备的喷枪采用具有拉瓦尔结构的喷枪。
mcraly合金粉的粉末粒度为15μm～60μm。
8ysz粉末团聚后粒度为20μm～100μm。
采用绝缘材料将高能等离子喷涂设备或超音速火焰喷涂设备的喷枪加持在机械手上进行喷涂。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用高能等离子或超音速火焰喷涂mcraly粘结底层，采用高能等离子喷涂ysz陶瓷面层，实现了高效制备孔隙率低于20％、结合强度高于50mpa、水冷热震次数大于50的热障涂层，且涂层沉积效率达到50％。相比大气等离子工艺，本发明涂层生产效率、结合强度及抗热震寿命提高一倍以上。本发明具有较高的喷涂效率、可靠性、经济性及保障使用寿命、提高了生产率，降低了生产成本，可推广应用于其他类型涡轮发动机热端部件的防护，有望产生巨大的社会效益和显著的经济效益。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细描述：
本发明提供了一种高能等离子喷涂制备热障涂层的工艺方法，包括以下步骤，步骤a、采用高能等离子喷涂设备或超音速火焰喷涂设备将mcraly合金粉喷涂至基体表面制备粘结底层，喷涂过程中采用压缩空气对基体进行强制冷却，使基体温度低于200℃。mcraly合金粉中的m为金属ni和/或金属co。
步骤b、采用高能等离子喷涂设备将8ysz粉末喷涂至已制备粘结底层的基体表面制备陶瓷面层，喷涂过程中采用压缩空气对基体进行强制冷却，使基体温度低于300℃。
在步骤a中，采用高能等离子喷涂设备喷涂粘结底层时，喷涂功率为150kw～170kw，喷涂电压为380v～420v，喷涂主气采用n2或者ar，喷涂辅气采用h2，喷涂主气流量为70slpm～80slpm，喷涂辅气流量为10slpm～20slpm，喷涂距离为170mm～200mm，送粉量为100g/min～300g/min；mcraly合金粉的粉末粒度为15μm～60μm。
在这里，需要说明的是，由于超音速火焰喷涂设备的喷涂参数已经非常成熟，故没有在说明书中详细说明。
在步骤b中，陶瓷面层的喷涂功率为170kw～200kw，喷涂电压为380v～420v，为提高等离子体热焓值喷涂主气采用高纯n2或ar，喷涂辅气采用h2，喷涂主气流量为80slpm～100slpm，喷涂辅气流量为25slpm～50slpm，喷涂距离为180mm～200mm，送粉量为50g/min～150g/min，移枪速度大于300mm/s；8ysz粉末团聚后粒度为20μm～100μm。
在上述制备过程中，喷涂电压在400v左右，为保护人生与设备安全，采用特殊绝缘材料将喷枪加持在机械手上进行喷涂。
本发明采用高能等离子或超音速火焰喷涂mcraly粘结底层，采用高能等离子喷涂ysz陶瓷面层，实现了高效制备孔隙率低于20％、结合强度高于50mpa、水冷热震次数大于50次的热障涂层，且涂层沉积效率达到50％。相比大气等离子工艺，本发明涂层生产效率、结合强度及抗热震寿命提高一倍以上。本发明具有较高的喷涂效率、可靠性、经济性及保障使用寿命、提高了生产率，降低了生产成本，可推广应用于其他类型涡轮发动机热端部件的防护，有望产生巨大的社会效益和显著的经济效益。
实施例1：
本实施例对燃机ⅰ级涡轮导向叶片进行热障涂层的制备。
在喷涂前，利用汽油或丙酮对零件表面进行除油处理，然后利用热喷涂专用防护胶带对非喷涂区域进行保护，通过60目压入式吹砂机对喷涂区域进行粗化处理，然后去除保护胶带。
将零件加持在特殊材料及工艺处理的工装上，通过多轴机械手加持具有拉瓦尔结构的200-4型喷枪。在这里，该工装采用表面镀铬的高温合金制作而成，用于对非喷涂区域进行保护与加持。
粘结底层采用cocralysi合金速淬粉末，粉末粒度15μm～60μm，采用plazjet高能等离子喷涂设备通过设定参数进行喷涂，喷涂过程中利用压缩空气对零件进行强制冷却，使零件温度维持在200℃以下。设定参数如下：喷涂功率为150kw，喷涂距离为170mm，送粉量为100g/min，喷涂主气n2流量为70slpm，喷涂辅气h2流量为10slpm。
陶瓷面层采用y2o3稳定的zro2粉末，即ysz粉末，粉末粒度20μm～100μm，采用plazjet高能等离子喷涂设备通过设定参数进行喷涂，喷涂过程中利用压缩空气对零件进行强制冷却，使零件温度维持在300℃以下。设定参数如下：喷涂功率为170kw，喷涂距离为180mm，送粉量为50g/min，射流速度为350m/s，移枪速度为500mm/s，喷涂主气采用高纯n2，主气流量为100slpm，辅气h2流量为50slpm。
连续喷涂至设定的涂层厚度，停止压缩空气强制冷却，使零件和涂层自然冷却，完成热障涂层的制备。
在本实施例中，采用同一设备可以快速高效的制备热障涂层的粘结底层和陶瓷面层。热障涂层的孔隙率低于20％、结合强度高于50mpa、水冷热震次数大于50，涂层沉积效率达到50％，涂层生产效率、结合强度及抗热震寿命提高一倍以上。
实施例2：
本实施例对涡轮导向叶片进行热障涂层的制备。
在喷涂前，利用汽油或丙酮对零件表面进行除油处理，然后利用热喷涂专用防护胶带对非喷涂区域进行保护，通过60目压入式吹砂机对喷涂区域进行粗化处理，压力为0.4mpa，然后去除保护胶带。
将零件加持在特殊材料及工艺处理的工装上，通过多轴机械手加持具有拉瓦尔结构的200-4型喷枪。
粘结底层采用nicraly合金粉末，粉末粒度20μm～60μm，采用plazjet高能等离子喷涂设备通过设定参数进行喷涂，喷涂过程中利用压缩空气对零件进行强制冷却，使零件温度维持在200℃以下。设定参数为：喷涂功率为170kw，喷涂距离为200mm，送粉量为300g/min，喷涂主气ar流量为75slpm，辅气h2流量为15slpm。
陶瓷面层采用纳米8ysz粉末，粉末粒度20μm～100μm，采用plazjet高能等离子喷涂设备通过设定参数进行喷涂，喷涂过程中利用压缩空气对零件进行强制冷却，使零件温度维持在300℃以下。设定参数为：喷涂功率为200kw，喷涂距离为200mm，送粉量为150g/min，射流速度为420m/s，移枪速度为500mm/s，喷涂主气ar流量为90slpm，喷涂辅气h2流量为45slpm。
连续喷涂至设定的涂层厚度，停止压缩空气强制冷却，使零件和涂层自然冷却，完成热障涂层的制备。
在本实施例中，采用同一设备可以快速高效的制备热障涂层的粘结底层和陶瓷面层。热障涂层的孔隙率低于20％、结合强度高于50mpa、水冷热震次数大于50，涂层沉积效率达到50％，涂层生产效率、结合强度及抗热震寿命提高一倍以上。
实施例3：
本实施例对单晶基体表面进行热障涂层的制备。
在喷涂前，利用汽油或丙酮对零件表面进行除油处理，然后利用激光表面对单晶基体以合适的参数进行表面粗化，粗化后表面粗糙度为3μm以上。
粘结底层采用超音速火焰喷涂conicraly合金粉末，粉末粒度15μm～40μm，通过设定参数进行喷涂，喷涂过程中利用压缩空气对零件进行冷却，使零件温度维持在100℃以下。设定参数为：煤油为5gpm，氧气为950slpm，喷涂距离为180mm，送粉量为40g/min。
陶瓷面层采用多轴机械手加持具有拉瓦尔结构的200-4型喷枪，采用plazjet高能等离子喷涂对单晶基体表面喷涂纳米8ysz粉末，粉末粒度20μm～60μm，通过设定参数进行喷涂，喷涂过程中利用压缩空气对零件进行强制冷却，使零件温度维持在300℃以下。设定参数为：喷涂功率为190kw，喷涂距离为190mm，送粉量为100g/min，射流速度为400m/s，移枪速度为500mm/s，喷涂主气采用n2流量为90slpm，辅气h2流量为50slpm。
连续喷涂至设定的涂层厚度，停止压缩空气强制冷却，使零件和涂层自然冷却，完成热障涂层的制备。
在本实施例中，热障涂层的孔隙率低于20％、结合强度高于50mpa、水冷热震次数大于50，涂层沉积效率达到50％，涂层生产效率、结合强度及抗热震寿命提高一倍以上。